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19.11.1999 - 

Clustering/Konzepte für offene Systeme haben aufgeholt

Unix-Cluster fordern Mainframe-Rivalen heraus

Noch vor wenigen Jahren waren Rechnerverbünde für Hochverfügbarkeit und extreme Performance Großrechnern oder proprietären Minicomputern vorbehalten. Inzwischen haben die RISC/Unix-Anbieter erheblich an Boden gewonnen. Michael Schlede* gibt einen Überblick.

24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche: Eine Verfügbarkeit rund um die Uhr ist das erklärte Ziel aller Anbieter von E-Commerce-, E-Business- und anderen Anwendungen, die aus dem World Wide Web eine Goldgrube machen sollen. Wenn auch auf vielen Gebieten Intel-Server mit Windows NT als Betriebssystem auf dem Vormarsch sind - in diesem lukrativen Marktsegment können Unix-Server nach wie vor ihre Muskeln spielen lassen und zeigen, wie man Services zur Verfügung stellt, die vor wenigen Jahren nur mit Mainframes möglich waren.

Für die gestiegenen Anforderungen werden immer öfter Cluster-Installationen eingesetzt. Ein Cluster besteht aus mindestens zwei Rechnersystemen (Knoten oder Nodes) mit einem gemeinsam genutzten Speicher. Die einzelnen Knoten sind durch Interconnects miteinander verbunden. Diese Verbindungen haben die Aufgabe, Heartbeat-Messages zwischen den verschiedenen Server-Systemen im Cluster auszutauschen. Der regelmäßige Austausch dieser Meldungen über den jeweiligen Betriebsstatus zeigt an, daß ein Server-Paar voll funktionsfähig ist.

Fast alle großen Anbieter von Unix-Hard- und Softwarelösungen haben eine spezielle Cluster- und HA-(High-Availability)Lösung in ihrer Palette. Dazu gehören beispielsweise "High Availability Cluster Multiprocessing" (HACMP) von IBM, "MC/Service Guard" von Hewlett-Packard oder die "Full Moon"-Lösungen von Sun Microsystems. Auch die ehemalige Siemens-Computersparte - jetzt unter dem Dach von Fujitsu Siemens Computers - oder die US-Hersteller NCR und SGI bieten jeweils eigene Clustering-Konzepte feil.

Microsoft versucht ebenfalls mit seinem Server-Betriebssystem Windows NT, in diesem Markt Fuß zu fassen. Die derzeitige Implementierung von "Microsoft Cluster-Server" unterstützt allerdings nur ein aus zwei Knoten bestehendes Failover-Szenario. Dabei sind die entsprechenden Anwendungen jeweils immer nur auf einem Knoten aktiv, während sich die anwendungsbezogenen Daten im gemeinsamen Speicher befinden. Aufgrund des großen Angebots im RISC/Unix-Sektor werden im folgenden nur die Clustering-Lösungen von Compaq, IBM und Sun vorgestellt.

Bei Compaq existieren nach vielen Aufkäufen und Übernahmen mindestens drei verschiedene Produktlinien, die Cluster-Lösungen ermöglichen: Dazu gehören das traditionelle "Open VMS-Cluster" von Digital und das ebenfalls von Digital übernommene "Tru Cluster" für Alpha-Server.

Hinzu kommen die "Nonstop-Himalaya"-Systeme aus der Übernahme von Tandem, die der Hersteller jetzt auch unter SCOs Unixware 7 auf den Markt bringt. Mit dem Zukauf von Digital ist Compaq sicher in die Oberliga der Anbieter von Cluster-Lösungen aufgerückt, gilt doch die Technologie, die von Digital unter Open VMS sehr erfolgreich vertrieben wurde, immer noch als Maßstab.

Ein Faktor, der stets als Pluspunkt der Open-VMS-Lösung herausgehoben wurde, ist die nahtlose Integration dieser Techniken in das Betriebssystem: Auf einem Open-VMS-System (das bereits 1982 unter dem Namen "VAX Cluster" eingeführt wurde) brauchte also keine zusätzliche Software installiert zu werden, um die Vorteile einer Cluster-Lösung nutzen zu können. Die gleichen Merkmale werden heute aber auch von den meisten anderen Unix-basierten Lösungen geboten.

Cluster-Funktionen in Tru-64-Unix integriert

Mit seinem Tru-64-Unix (das ehemalige Digital Unix) bietet Compaq eine auf Alpha-Servern basierende Unix-Lösung an, die alle Vorteile der proprietären VAX-Lösung auch auf dieser offenen Systemplattform zur Verfügung stellen soll. Unter der Bezeichnung "Tru-Cluster-Software", wurden diese Lösungen schon seit einiger Zeit von Digital/Compaq angeboten.

Mit der aktuellen Version, die von Compaq als Version 5 bezeichnet wird, ist man einen Schritt weiter gegangen und hat die Unterstützung der einschlägigen Features in das Unix-Betriebssystem integriert. So unterstützt Tru-64-Unix nun standardmäßig die Verbindung der Knoten über das sogenannte Memory Channel Cluster Interconnect (MCI). Damit wird eine Verbindung zwischen den einzelnen Knoten des Clusters aufgebaut, die mit einer Transferrate von bis zu 100 MB/s betrieben werden kann. Auf diese Weise ist es laut Compaq auch möglich, die Latenzzeit bei der Kommunikation zwischen den Knoten auf weniger als fünf Millisekunden zu drücken.

Als Idealfall eines Clusters gilt nach wie vor der Ansatz eines Single System Image: Das bedeutet, daß alle in einem Cluster vorhandenen Server-Systeme den Client-Anwendungen und den Anwendern, aber auch den Administratoren wie ein einheitlicher Rechner erscheinen. Viele Anbieter behaupten zwar, diesem Ideal sehr nahe gekommen zu sein. Tatsächlich erfüllen es die meisten Lösungen aber nur zum Teil.

Bei Compaqs Tru Cluster werden unter anderem die Massenspeicher über den gesamten Cluster bereitgestellt. Obwohl es selbstverständlich zu sein scheint, eine solche Möglichkeit in einem Cluster-System zur Verfügung zu haben, wird diese Art des "Cluster Wide Storage" nicht von allen Lösungen geboten. So wird der Massenspeicher in den Failover-Systemen immer lokal in einem Knoten verwaltet - ein Backup-Server kann zwar die Massenspeicher eines abgestürzten Knotens übernehmen, aber auch dann ist der Zugriff wieder auf diesen Knoten beschränkt.

In Zusammenhang mit der Unterstützung der als Multi-Path-I/O bezeichneten Technologie kann ein Knoten, der den Zugriff auf seine Speichermedien verliert, auf redundant ausgelegte Controller im System zugreifen. Sind solche Controller nicht vorhanden, wird über die Interconnect-Verbindung ein neuer Zugang zu diesem Massenspeicher geschaffen. Neben der weitgehenden Integration der Cluster-Software ist es vor allem der Ansatz des Single System Image, der die Compaq-Lösung von anderen unterscheidet.

IBM bietet mit HACMP ein Clustering-System für das eigene AIX-Betriebssystem an. Diese Software unterstützt standardmäßig vier Server-Knoten. Mit der Erweiterung Enhanced Scalability (HACMP/ES) läßt sich ein Betrieb von bis zu 32 RS/6000-Servern realisieren, was einer Gesamtzahl von 128 CPUs entspricht. Als Vorteil wird von IBM hervorgehoben, daß es mit Hilfe dieser Cluster-Software möglich sei, sowohl Uniprozessor- als auch SMP-Maschinen oder die IBM-eigenen massiv-parallelen SP-Knoten zu einem Cluster zusammenzuschalten.

Eine weitere Besonderheit des IBM-Konzepts ist die Option, einzelnen Knoten innerhalb eines Clusters je nach Anwendungsart des Verbunds bestimmte Funktionen zuzuweisen. So wird ein Rechner normalerweise als Cluster-Manager agieren und in dieser Rolle bestimmte Ressourcen des gesamten Clusters unter seiner Aufsicht haben. Fällt genau dieser Knoten aus, werden auch hier die entsprechenden Zugriffsrechte und Aufgaben auf einen anderen Knoten übertragen.

Aufgabenverteilung im IBM-Cluster

Die HACMP-Software erlaubt es, einen Cluster in verschiedenen Varianten zu betreiben: Im Idle-Standby-Modus hat ein Prozessor des Clusters die Aufgabe, als reines Backup-System für bis zu sieben andere Prozessoren zu dienen. Im Zustand Rotating Standby übernimmt ein Prozessor nach einer vorher definierten Prozedur die Aufgabe von bis zu sieben anderen Prozessoren. Dieser ist dann aber nicht "idle", sondern wird entsprechend des vordefinierten Ablaufs ausgewählt. Der Modus Mutual Takeover verteilt demgegenüber die Arbeitslast auf bis zu acht Prozessoren. Diese sichern sich gegenseitig ab. Der Concurrent Access schließlich funktioniert wie der Mutual Takeover. Die bis zu acht Prozessoren greifen aber auch auf dieselben Daten zu.

Zwei weitere Merkmale dieser Lösung werden von IBM als Dynamic Reconfiguration und Cluster Single Point of Control (CSPOC) bezeichnet. Mit Dynamic Reconfiguration sind der Austausch von Prozessoren, Netzwerkkarten und die Konfiguration des Failover-Verhaltens während des laufenden Betriebs möglich. Das CSPOC-Tool erlaubt es zudem, alle Verwaltungsaufgaben, die beispielsweise in einem System mit zwei Knoten anfallen, von jedem der beiden Knoten aus durchzuführen, unabhängig davon, wie der Cluster zuvor konfiguriert wurde. Mit der Integration der Cluster-Verwaltung in das zentrale Management-Werkzeug SMIT (Systems Management Interface Tool) von AIX ist man auch bei IBM dem Ziel nähergekommen, Cluster-Funktionen enger mit dem Betriebssystem zu verzahnen.

Sun Microsystems hat seine Clustering-Strategie mit dem Namen "Full-Moon" versehen. Vor kurzem wurde die neue Version unter der Bezeichnung "Sun Cluster 2.2" vorgestellt. Dabei wird laut Hersteller die Funktionalität der bisherigen Version 2.1 mit den Möglichkeiten der "Solstice-HA-1.3"-Software in einem Produkt kombiniert. Somit kann ein System sowohl die normalen Standard-Failover-Lösungen als auch parallele Anwendungen, beispielsweise Datenbankapplikationen, unterstützen.

Mit dieser Software lassen sich auch erstmals sogenannte Campus-Cluster aufbauen: Einzelne Knoten der Cluster-Lösung können bis zu zehn Kilometer voneinander entfernt aufgestellt werden. Unter dem Gesichtspunkt des Disaster Recovery, also der Möglichkeit, ein System auch dann weiterzubetreiben, wenn ein Rechenzentrum beispielsweise durch Naturkatastrophen wie Feuer oder Überschwemmung komplett zerstört wird, ist dies sicher ein guter Ansatz, die Verfügbarkeit einer geschäftskritischen Anwendung zu garantieren.

Erweiterte Funktionen im Sun Cluster

Unterstützte die vorherige Version nur zwei Rechner, so können nun bis zu vier Knoten unter Sun Cluster 2.2 betrieben werden. Dadurch lassen sich bis zu 256 CPUs mit insgesamt 256 GB Hauptspeicher einsetzen. Ein weiteres Merkmal ist die Unterstützung der speziellen Filesystem-Eigenschaften von Solaris 7. Die aktuelle Version des Sun-eigenen Unix-Derivats bietet ein 64-Bit-Filesystem, das für die Unterstützung von Clustering-Lösungen vorbereitet ist.

Der Anbieter stellt, obwohl er dies angekündigt hatte, bislang noch keine komplette in das Betriebssystem integrierte Cluster-Lösung zur Verfügung. Zur Verwaltung des Rechnerverbunds kommt entweder der "Sun Storedge Volume Manager" (ein Produkt von Veritas) oder die "Solstice Disksuite" zum Einsatz.

Angeklickt

Cluster-Konzepte der etablierten RISC/Unix-Anbieter können in vielen Punkten mit den großen Brüdern aus der Mainframe- und Minicomputer-Welt mithalten. Der Artikel beleuchtet anhand der Angebote von Compaq, IBM und Sun beispielhaft Kriterien wie Administration, Single System Image und unterstützte Rechnerknoten heute verfügbarer Cluster-Lösungen unter Unix.

*Michael Schlede ist freier Journalist in Pfaffenhofen/Ilm.