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ID 6157
Ehlebracht, Oliver: Lastverteilung und Ausfallsicherheit im Internet am Beispiel von
mobile.de
Hamburg: Diplomica GmbH, 2002
Zugl.: Hamburg, Universität, Diplomarbeit, 2002
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2002
Printed in Germany
Oliver Ehlebracht
- I -
Diplomarbeit
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung... 1
1.1 Motivation... 1
1.2 Ziele dieser Arbeit... 2
1.3 Inhalt dieser Arbeit ... 3
2 Lastverteilung und Ausfallsicherheit ... 5
2.1 Lastverteilung in Webserver-Umgebungen ... 5
2.1.1 Lastmodellierung... 6
2.1.2 Grundlagen der Lastverteilung ... 8
2.1.3 Momentanauslastung von Rechensystemen ... 11
2.1.4 Lastverteilung in heterogenen Systemen... 13
2.1.5 Lastverteilung mit Loadbalancer-Systemen ... 14
2.2 Ausfallsicherheit in Webserver-Umgebungen... 18
2.2.1 Definition: Zuverlä ssigkeit... 19
2.2.2 Definition: Verfügbarkeit ... 20
2.2.3 Verfügbarkeit mit Hilfe von Clustern... 23
2.2.4 Mögliche Maßnahmen für Ausfallsicherheit... 25
2.3 Zusammenfassung... 27
3 Gegenwä rtige Realisierung der Netzinfrastruktur ... 29
3.1 Historische Entwicklung der Netzinfrastruktur bei mobile.de ... 29
3.1.1 Verwendung eines einzelnen Servers... 29
3.1.2 Verteilung von Diensten auf mehrere Rechner ... 31
3.2 Automatische Verteilung mit Server-basiertem Ansatz ... 35
3.2.1 Anfrage-Umlenkung und HTTP-Umlenkung... 35
3.2.2 Lastverteilung mit Hilfe von Redirectoren bei mobile.de ... 37
3.2.3 Probleme des bisher eingesetzten Konzeptes... 40
3.3 Zusammenfassung... 41
Oliver Ehlebracht
- II -
Diplomarbeit
4 Randbedingungen und Entwurf einer Lösung... 42
4.1 Anforderungsdefinitionen... 42
4.2 Angestrebte Realisierung... 44
4.2.1 Funktionale Anforderungen... 45
4.2.2 Qualitä tsattribute ... 45
4.2.3 Hardware- und Software-Anforderungen des Systems ... 46
4.2.4 Anforderungen an die Prüfung ... 47
4.2.5 Anforderungen an die Durchführung der System-Erstellung... 47
4.3 Probleme des bisher eingesetzten Konzeptes ... 48
4.3.1 Transparenz der Netzinfrastruktur... 49
4.3.2 Geringe Belastbarkeit der Netzinfrastruktur... 50
4.3.3 Ausfallsicherheit der Netzinfrastruktur ... 51
4.4 Entwurf einer Lösung ... 52
4.4.1 Netzinfrastruktur mit Linux Virtual Server (LVS)... 52
4.4.2 Netzinfrastruktur an redundanten Standorten... 55
4.5 Zusammenfassung... 57
5 Realisierung und Implementation ... 58
5.1 Lastverteilung in der neuen Netzinfrastruktur ... 58
5.1.1 Lastverteilung mit Dispatcher-basiertem Ansatz ... 58
5.1.2 Weiterleitung der Datenpakete... 60
5.1.3 Verteilungsverfahren für Datenpakete... 64
5.1.4 Lastverteilung mit dem Linux Virtual Server (LVS) ... 66
5.2 Ausfallsicherheit in der neuen Netzinfrastruktur... 70
5.2.1 Verteilung der Netzinfrastruktur an redundante Standorte... 70
5.2.2 Systemüberwachung mit SPONG ... 72
5.2.3 Schutz der Netzinfrastruktur vor DoS-Angriffen... 76
5.3 Zusammenfassung... 78
6 Test und Bewertung des neuen Systems ... 80
6.1 Voraussetzungen für den Test... 80
6.1.1 Leistungsverhalten realer Systeme ... 80
Oliver Ehlebracht
- III -
Diplomarbeit
6.1.2 Allgemeiner Versuchsaufbau ... 83
6.1.3 Softwarebasierte Messwerkzeuge... 84
6.2 Test des neuen Systems ... 85
6.2.1 Vorbereitung der Messung ... 85
6.2.2 Erfassung der Daten ... 87
6.2.3 Auswertung der Daten... 91
6.2.4 Potentielle Engpä sse im Kommunikationssystem... 93
6.3 Bewertung des neuen Systems... 95
6.3.1 Allgemeine Bewertung des neuen Systems... 95
6.3.2 Bewertung der Ausfallsicherheit des neuen Systems... 96
6.4 Zusammenfassung... 98
7 Zusammenfassung... 100
8 Literaturverzeichnis... 103
Oliver Ehlebracht
- IV -
Diplomarbeit
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.1: Last und Belastung eines Systems nach [Wolf97]... 7
Abbildung 2.2: Erweiterte Architektureinteilung nach [LaSc94] ... 9
Abbildung 2.3: Auftragsanziehung nach [Wolf00]... 10
Abbildung 2.4: Auftragszuweisung nach [Wolf00] ... 11
Abbildung 2.5: Auslastung
i
über der Zeit t... 12
Abbildung 2.6: Loadbalancer-System nach [Bour01]... 17
Abbildung 2.7: Betriebszeiten (BZ) und Auszeiten (AZ) in einem
Beobachtungsintervall [0,T]... 21
Abbildung 2.8: Rotierender Cluster nach [Kuri97b]... 24
Abbildung 3.1: Internet-Auftritt auf einzelnem Server... 30
Abbildung 3.2: Aufteilung des Produktivsystems nach einzelnen Diensten... 32
Abbildung 3.3: Lastverteilung mit Hilfe eines Redirectors ... 38
Abbildung 3.4: Aufruf einer HTML-Seite mit HTTP-Umlenkung... 40
Abbildung 4.1: Loadbalancer mit getrennten Netzen ... 49
Abbildung 4.2: Netzinfrastruktur mit Loadbalancer-System LVS... 54
Abbildung 4.3: Netzinfrastruktur an zwei rä umlich getrennten Standorten ... 56
Abbildung 4.4: Anbindung der beiden Standorte an das Internet ... 56
Abbildung 5.1: Automatische Lastverteilung mit Dispatcher-basiertem Ansatz... 59
Abbildung 5.2: Weiterleitung von Paketen mit IP-Kapselung... 62
Abbildung 5.3: Beantwortung einer Anfrage mit zweifacher Weiterleitung ... 69
Abbildung 5.4: Verbindung der Standorte über einen UDP-Tunnel... 72
Abbildung 5.5: Funktionsweise des Ü berwachungsmoduls für USV-Gerä te... 75
Abbildung 6.1: Schematischer Versuchsaufbau für eine Leistungsmessung... 83
Abbildung 6.2: Allgemeiner Versuchsaufbau für Messung B ... 86
Abbildung 6.3: Das PERL-Programm reqtime ... 87
Abbildung 6.4: Messwerte von Messung A und Messung B... 88
Abbildung 6.5: Graphische Darstellung von Messung A und Messung B ... 89
Abbildung 6.6: Klasse von Konfigurationen zur Bewertung der Ausfallsicherheit... 98
Abbildung 7.1: Loadbalancer-Systems mit kaskadierten Verteilern (m > k)... 101
Oliver Ehlebracht
- V -
Diplomarbeit
Abkürzungsverzeichnis
ALU
Arithmetic Logical Unit
ATM
Asynchronous Transfer Mode
BGP
Border Gateway Protocol
CGI
Common Gateway Interface
CIP
Client IP
CLOWN
Cluster of Working Nodes
CPort
Client Port
CPU
Central Processing Unit
DNS
Domain Name System
DNS-RR
,,Round Robin" -DNS
DoS
Denial of Service
DPR
Distributed Packet Rewriting
ECC
Error Correcting Code
EDV
Elektronische Datenverarbeitung
FE
Funktionseinheit oder Fast Ethernet
FTP
File Transfer Protocol
GHz
Gigahertz
GSM
Global System for Mobile Communications
HTML
HyperText Markup Language
HTTP
HyperText Transfer Protocol
IP
Internet Protocol
ISP
Internet Service Provider
KByte
Kilobyte
KS
Kommunikationssystem
LAN
Local Area Network
LVS
Linux Virtual Server
MAC
Media Access Control
MAT
MAC Address Translation
MBit/s
Megabit pro Sekunde
MByte
Megabyte
MHz
Megahertz
MIMD
Multiple Instruction Streams, Multiple Data Streams
MTBF
Mean Time Between Failures
MTTF
Mean Time to Failure
MTTR
Mean Time to Restore/Repair
NAP
Network Access Point
NAT
Network Address Translation
OSI
Open Systems Interconnection
PC
Personal Computer
PING
Packet Internet Groper
POP
Post Office Protocol
RAID
Redundant Arrays of Inexpensive Disks
RIP
Real IP
RPort
Real Port
Oliver Ehlebracht
- VI -
Diplomarbeit
SCSI
Small Computer System Interface
SIMD
Single Instruction Streams, Multiple Data Streams
SLB
Server Loadbalancing
SMS
Short Message Service
SMTP
Simple Mail Transfer Protocol
SNMP
Simple Network Management Protocol
SPEC
Standard Performance Evaluation Corporation
SPOF
Single Point of Failure
SuL
System unter Last
TByte
Terabyte
TCP
Transmission Control Protocol
TUN
Tunneling
UDP
User Datagram Protocol
URL
Uniform Resource Locator
USV
Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung
VIP
Virtual IP
VPort
Virtual Port
VS-DR
Virtual Server-Direct Return
VS-NAT
Virtual Server-Network Address Translation
VS-TUN
Virtual Server-Tunneling
WAN
Wide Area Network
WWW
World Wide Web
Oliver Ehlebracht
- 1 -
Diplomarbeit
1 Einleitung
1.1 Motivation
In der relativ kurzen Entwicklungszeit des World Wide Web sind bereits zahlreiche
Anbieter von Internet-Seiten ihrer eigenen Popularitä t zum Opfer gefallen. Oft waren
zu wenig verfügbare Ressourcen, eine viel zu hohe Anzahl von Zugriffen auf die
Seiten oder überlastetes Personal die Ursachen für einen Ausfall. In jedem Fall führte
eine beliebige Kombination dieser Gründe zum Ausfall einer oder mehrerer Seiten,
stets mit dem gleichen Ergebnis: die Betreiber waren nicht mehr in der Lage, die
Verfügbarkeit ihrer Internet-Seiten aufrecht zu erhalten.
Im Juni 1999 führte nach [Gira99] ein fehlerhaftes Update beim Online-
Auktionshaus eBay
1
zu einem Totalausfall der Internet-Seite und damit zu einem
Verlust der Verfügbarkeit. Dieser Ausfall erstreckte sich über einen Zeitraum von
fast 22 Stunden und hatte auch in den folgenden Tagen noch negative Auswirkungen
auf den Durchsatz der zu übertragenden Daten. Bedingt durch den Ausfall wurden in
diesem Zeitraum 2,3 Mio. Auktionen unterbrochen. Um die Kunden für die
entgangenen Geschä fte zu entschä digen und um eine Abwanderung zu Konkurrenz-
Unternehmen zu verhindern, verzichtete eBay bei den betroffenen Kunden auf die
angefallenen Auktionsgebühren. Allein dieser Ausfall führte zu Umsatzeinbußen von
3 Mio. US-Dollar. Darüber hinaus fiel der Kurs der eBay-Aktien am Tag des Ausfalls
um 9,2 %.
Für viele Anbieter von Internet-Seiten ist nach [DeFG00] die stä ndige Verfügbarkeit
im Internet jedoch unverzichtbar, besonders dann, wenn ein Anbieter seinen Umsatz
ausschließlich mit der Internetprä senz erwirtschaftet. Verlust der Verfügbarkeit hat -
neben einem reinen Imageschaden - hä ufig Einbußen bei den Einnahmen oder
Verlust von Kunden zur Folge und kann nach [MeAl01] im schlimmsten Fall sogar
zum Totalverlust der Firma führen. Fehler, die zum Verlust der Verfügbarkeit führen,
sind jedoch vermeidbar, denn hä ufig sind nach [Casp99] ineffektives Management
der Infrastruktur, eine Ü berbeanspruchung der Ressourcen oder schlechtes
Zeitmanagement die Ursache für einen Ausfall. Für den Erfolg eines Internet-
1
http://www.ebay.com/
Oliver Ehlebracht
- 2 -
Diplomarbeit
Angebotes ist jedoch nicht die Verfügbarkeit allein entscheidend, sondern auch der
Durchsatz an Zugriffen auf eine Seite, da nach [Nech00] kein Anwender auf Dauer
lange Wartezeiten akzeptiert.
Der Internet-Dienstleister mobile.de stellt seinen Kunden einen virtuellen Marktplatz
für den Verkauf von Gebrauchtfahrzeugen im Internet zur Verfügung. Mit diesem
Internet-Auftritt müssen z.Zt. tä glich 300.000 Kunden bedient und bis zu 5 Mio.
HTML-Seiten ausgeliefert werden. Auch mobile.de gehört zu den Unternehmen, die
ihren Umsatz ausschließlich über ihren Internet-Auftritt erwirtschaften. Ein lä ngerer
Ausfall der Seite ist folglich nicht akzeptabel. Bedingt durch starkes monatliches
Wachstum steigt die Last auf den WWW- und Datenbankservern so sehr an, dass die
bisher realisierte Lastverteilung mit Redirectoren das Verkehrsaufkommen nicht
lä nger bewä ltigen kann.
Des weiteren gewä hrleistet das derzeitige Produktivsystem keine Ausfallsicherheit
(z.B. gegen Katastrophen wie durchtrennte Leitung, Feuer, Ü berschwemmung oder
auch menschliches Versagen), da sich das gesamte Rechenzentrum von mobile.de nur
an einem einzigen Standort befindet. Eine Verteilung des Rechenzentrums auf
mehrere Standorte ist von daher dringend erforderlich.
1.2 Ziele dieser Arbeit
In dieser Diplomarbeit wird eine neue Netzinfrastruktur für das Produktivsystem des
Internet-Dienstleisters mobile.de erarbeitet. Diese Netzinfrastruktur setzt ein
Loadbalancer-System
2
zur Lastverteilung für die WWW- und Datenbankserver ein
und muss das Produktivsystem redundant auf mindestens zwei rä umlich getrennte
Standorte verteilen können. Die bisher eingesetzte Lastverteilung mit Redirectoren
wird kurzfristig vollstä ndig durch das Loadbalancer-System ,,Linux Virtual Server
(LVS)" ersetzt. Loadbalancer-Systeme sind nach [DeFG00] in der Lage, die
Verfügbarkeit von Webseiten zu gewä hrleisten, Fehler auszugleichen und eine
gewisse Ausfallsicherheit zu gewä hrleisten.
2
vgl. Abschnitt 2.1.5
Oliver Ehlebracht
- 3 -
Diplomarbeit
Durch eine Auslagerung von Teilen des Rechenzentrums an redundante Standorte
wird eine zusä tzliche Ausfallsicherheit erreicht, die das Produktivsystem auch vor
einem Totalausfall schützt.
1.3 Inhalt dieser Arbeit
Um für mobile.de eine Lastverteilung mit einem Loadbalancer-System an
redundanten Standorten zu erarbeiten, sind verschiedene Schritte und Maßnahmen
notwendig. Die Arbeit ist daher folgendermaßen gegliedert:
Kapitel 2 fasst die aktuellen Entwicklungen und Tendenzen im Bereich
,,Lastverteilung und Ausfallsicherheit" zusammen. In diesem Kapitel soll erarbeitet
werden, in welchen Bereichen es bereits Ansä tze und Lösungen für Lastverteilung
und Ausfallsicherheit gibt.
Eine Darstellung der aktuellen Netzinfrastruktur von mobile.de erfolgt in Kapitel 3.
Hier wird zunä chst die historische Entwicklung der Netzinfrastruktur aufgezeigt.
Darüber hinaus wird diskutiert, wie die Lastverteilung auf die WWW- und
Datenbankserver mit Hilfe von Redirectoren derzeit realisiert ist.
In Kapitel 4 wird erarbeitet, welche Probleme sich im Detail aus dem bisherigen
Konzept ergeben und welche Anforderungen sich daraus an eine Lösung ergeben.
Anschließend wird eine Lösung aus den Anforderungen heraus erarbeitet.
In Kapitel 5 erfolgt eine Beschreibung der Realisierung und Implementation der
neuen Lastverteilung für die vorhandenen WWW- und Datenbankserver durch den
Einsatz eines Loadbalancer-Systems. Die bisherige Lastverteilung mit Hilfe von
Redirectoren wird durch den Einsatz eines virtuellen Servers (LVS) mit
dazugehörigen WWW- und Datenbank-Clustern ersetzt (vgl. Abschnitt 2.1.5). Im
Anschluss wird die Netzinfrastruktur in der Testumgebung für redundante Standorte
ausgebaut. Hier wird dargestellt, wie die Netzinfrastruktur erweitert werden muss,
damit das Loadbalancer-System auch an mehreren Standorten funktioniert.
Test und Bewertung des neuen Systems erfolgen in Kapitel 6. Dazu wird die neue
Netzinfrastruktur zunä chst in einer Testumgebung implementiert und getestet, bevor
sie im Produktivsystem eingesetzt wird. Die Konfigurationsmöglichkeiten des LVS
bieten dabei Möglichkeiten für zahlreiche Experimente. Es wird dargestellt, welche
Fragen sich aus dem Konzept für die neue Netzinfrastruktur ergeben (z.B. was
Oliver Ehlebracht
- 4 -
Diplomarbeit
passiert, wenn der Rechner für die Lastverteilung ausfä llt oder welche Komponenten
im Kommunikationsnetz redundant vorhanden sein müssen).
In Kapitel 7 werden die ungelösten und offenen Probleme in der Arbeit aufgezeigt.
Hier wird dargestellt, wo der größte Handlungsbedarf im Bereich der Lastverteilung
und Ausfallsicherheit liegt und welche Möglichkeiten sich für die Anfertigung
weiterführender Arbeiten ergeben. Zu den offenen und ungelösten Problemen gehört
in erster Linie die verteilte Datenhaltung bei Datenbanken an rä umlich getrennten
Standorten. Auf eine Lösung dieses Problems wurde in dieser Arbeit jedoch bewusst
verzichtet.
Oliver Ehlebracht
- 5 -
Diplomarbeit
2 Lastverteilung und Ausfallsicherheit
In diesem Kapitel werden die aktuellen Entwicklungen und Tendenzen im Bereich
,,Lastverteilung und Ausfallsicherheit" zusammengefasst. Hier wird erarbeitet, in
welchen Bereichen es bereits Ansä tze und Lösungen für Lastverteilung und
Ausfallsicherheit gibt, die sich auf die Problemstellung bei mobile.de abbilden lassen.
In dieser Arbeit soll die bisher bei mobile.de eingesetzte Lastverteilung mit
Redirectoren durch ein Loadbalancer-Systems ersetzt werden. Daher werden in
diesem Kapitel zunä chst allgemeine Maßnahmen für eine Lastverteilung vorgestellt.
Im Anschluss daran wird im besonderen auf den Einsatz von Loadbalancer-Systemen
eingegangen.
Der Schutz vor Ausfä llen ist nach [Siet00] eine klassische Aufgabe des System-
entwurfs. Die Verteilung der Last auf mehrere Rechner - wie sie z.B. beim Einsatz
eines Loadbalancer-Systems erfolgt - führt nicht nur zu einer Verbesserung der
Antwortzeiten, sondern nach [Nech00] auch zu einer Erhöhung der Ausfallsicherheit.
2.1 Lastverteilung in Webserver-Umgebungen
Kommerzielle Webserver-Umgebungen unterscheiden sich in vielen Punkten von
denen, die bisher in der Literatur behandelt werden. Die Forschung hat sich nach
[SqYZ99] bisher zum größten Teil mit dem Netzverkehr für unterschiedliche
Webserver-Umgebungen befasst und Modelle entwickelt, die diese Netzstrukturen
charakterisieren. Seit einiger Zeit ist man jedoch bemüht, den Verkehr zu verstehen
und zu modellieren, der in kurzzeitig stark-frequentierten Webserver-Umgebungen
auftritt. Derartige Umgebungen gewinnen zunehmend an Bedeutung, da das Internet
inzwischen stä rker für Nachrichten, Finanzdaten und andere Informationen genutzt
wird, als noch vor wenigen Jahren. Die Anwendungen im Internet reichen heute vom
Austausch elektronischer Nachrichten (E-Mail) über ,,Telelearning" , Unterhaltung
bis hin zum E-Commerce (vgl. [Chor97]). Der Datenverkehr im Internet verdoppelt
sich nach [HaPo01] z.Zt. alle 6 Monate, so dass die Last auf den Servern schnell
ansteigt und so zu einer Ü berlastung der Server führen kann. Die Internet-Seite für
die Olympischen Spiele von 1998 musste z.B. zu Spitzenzeiten 56,8 Mio. Anfragen
Oliver Ehlebracht
- 6 -
Diplomarbeit
(Requests) pro Tag beantworten und verzeichnete dabei bis zu 101.414 Hits
3
pro
Minute. Wie spä ter noch gezeigt wird, existieren bereits zahlreiche Lösungsansä tze
für dieses Problem.
In ihrer Studie befassen sich [SqYZ99] mit der Verkehrsstruktur einer dynamischen,
stark frequentierten Webserver-Umgebung und der Wirkung solcher Verkehrs-
strukturen auf den Durchsatz von Webservern. In der Studie wird ein Modell
vorgestellt, welches auf einem geographisch verteilten Webserver-System basiert und
den Verkehr modelliert, der durch Benutzeranfragen an Webserver entsteht. Ziel
dieser Studie war es, die Charakteristik von Verkehrsstrukturen bei Anfragen an stark
frequentierte Webserver zu verstehen.
2.1.1 Lastmodellierung
Wesentliche Herausforderung bei der Analyse und Vorhersage des Verhaltens von
Teilnetzen des Internet ist die Entwicklung einer hinreichend realistischen
Lastcharakterisierung, z.B. mittels einer Lastmodellierung. [Wolf97] unterscheidet in
diesem Zusammenhang zunä chst zwischen Last und Belastung eines Systems. Unter
Last (workload) werden die externen Aufträ ge an ein System verstanden, die z.B.
von technischen Prozessen, auszuführenden Programmen oder menschlichen
Benutzern generiert werden. Werden darüber hinaus auch die internen Aufträ ge eines
Systems betrachtet, die aus Verwaltungs- und Organisationsaufgaben resultieren,
spricht man hingegen von der Belastung eines Systems.
Als Aufträ ge werden nach [HaZo95] alle Anforderungen an ein (Rechen-) System
bezeichnet, ohne Berücksichtigung ihrer Quelle oder Art. Eine genauere Definition
von Aufträ gen, wie sie z.B. bei Loadbalancer-Systemen auftreten, erfolgt im
Abschnitt 2.1.2. Des weiteren wird in der Literatur zwischen Primä r- und
Sekundä rlast unterschieden. Nach [WZBH00] ist die Primä rlast, die Last an einer
benutzernahen Schnittstelle, wä hrend mit Sekundä rlast die Last an einer niedrigen
Schnittstelle der Protokoll- bzw. Diensthierarchie bezeichnet wird. Beispiele für Last
3
Hit (engl.): veralteter Begriff der Online-Messung, bei der die Zugriffe auf die Dateien einer Website
gemessen werden. Diese Prozedur ist umstritten, da bei jedem Zugriff auf eine Online-Seite je nach
deren Zusammensetzung aus Bild-, Text- oder Ton-Dateien auch unterschiedlich viele Hits erzeugt
werden.
Oliver Ehlebracht
- 7 -
Diplomarbeit
sind demnach die in einem Rechnersystem zu bearbeitenden Anfragen, z.B.
Benutzerprogramme, die ausgeführt werden müssen oder die in einem
Datenbanksystem auszuführenden Transaktionen. Wird nach [WZBH00] eine
anwendungsorientierte Schnittstelle zugrunde gelegt, stellen Dateien, E-Mails,
Audio- oder Videoströme, WWW-Seiten u.a. die Last in Netzen dar. In
paketvermittelnden Netzen reprä sentieren stattdessen die zu übertragenden Pakete die
Last. Abbildung 2.1 zeigt beispielhaft die Last und die Belastung eines Systems.
Last
technische Prozesse
Programme
Benutzer
Betriebs-/
Systemsoftware
Firmware
Hardware
S
1
'
S
2
'
S
1
S
2
interne Auftr
ä
ge
Belastung
externe
Auftr
ä
ge
bearbeitete
externe
Auftr
ä
ge
Verarbeitungssystem
Abbildung 2.1: Last und Belastung eines Systems nach [Wolf97]
Lasten und ihre verteilbaren Einheiten können nach [Stei98] nicht unabhä ngig von
der Struktur und Funktion der Systeme betrachtet werden, in denen sie auftreten. In
eng gekoppelten Systemen (vgl. Abschnitt 2.1.2) steht die Parallelverarbeitung
weniger rechenintensiver Anwendungen im Vordergrund. Last wird hier als Menge
vieler kleiner und voneinander abhä ngiger Threads
4
verstanden. In lose gekoppelten
Systemen konkurrieren dagegen viele unabhä ngige Prozesse um verfügbare
Ressourcen. Die Last bilden hier unabhä ngige Lasteinheiten in ihrer ursprünglichen
Prozessgröße. Eine wesentliche Ressource, die von Lasteinheiten in Anspruch
genommen wird, ist der (Zentral-)Prozessor.
Oliver Ehlebracht
- 8 -
Diplomarbeit
Werden Kommunikationssysteme oder -netze analysiert, ist eine realistische
Lastcharakterisierung erforderlich, z.B. wenn ein analytisches Modell verwendet oder
eine Simulation durchgeführt wird. Lastcharakterisierung ist ebenfalls erforderlich,
um künstliche Last mit einem Lastgenerator zu erzeugen (z.B. synthetische Last für
ein existierendes Netz). Mit Hilfe von Lastgeneratoren kann ein Kommunikations-
system unter verschiedenen Bedingungen getestet werden. Grundvoraussetzung für
Lastcharakterisierung bei Rechnern oder Kommunikationssystemen sind nach
[WZBH00]:
·
einer Lastcharakterisierung sollte stets eine umfangreiche Lastmessung zugrunde
liegen,
·
die Ergebnisse einer Lastmessung sollten grob in einer direkten Abhä ngigkeit zur
Lastcharakterisierung stehen, was typischerweise stark von der Methode abhä ngt,
mit der die Performance überprüft wird (analytische Modelle, Simulationen oder
Messungen),
·
es muss klar zwischen der Charakterisierung eines einzelnen Auftrages, z.B. einer
Anfrage (die ein Teil der Last ist) und der Charakterisierung des Ankunfts-
prozesses der Aufträ ge differenziert werden,
·
um eine prä zise Spezifikation der Anfragen und Ankunftsströme zu erhalten,
sollte eine formale Beschreibungstechnik verwendet werden.
Lastcharakterisierung hat zum einen die Aufgabe, einzelne Anfragen zu spezifizieren,
die in ihrer Gesamtheit die Last darstellen und zum anderen die Aufgabe, den
Anfragestrom an wohldefinierten Schnittstellen zu spezifizieren.
2.1.2 Grundlagen der Lastverteilung
Allen vernetzten Systemen ist gemeinsam, dass sie aus mehreren Prozessoren, den
Verarbeitungseinheiten bestehen. Das Klassifikationsschema von Flynn [Wolf00]
wird in diesem Zusammenhang hä ufig in der Literatur diskutiert. Es legt für die
4
Threads (engl.) sind nach [Died00] Teilaufgaben eines Programms, die parallel ausgeführt werden.
Auf Rechnerarchitekturen mit gemeinsamen Speicher (shared memory) kann jeder Thread auf einem
eigenen Prozessor ausgeführt werden.
Oliver Ehlebracht
- 9 -
Diplomarbeit
unterschiedlichen Verarbeitungseinheiten fest, welche Operationen auf welchen
Daten ausgeführt werden können. In [LaSc94] erfolgt darüber hinaus eine
Erweiterung der Architektureinteilung von Flynn um die Kopplungscharakteristik,
um eine differenziertere Klassifizierung zu ermöglichen. Abbildung 2.2 zeigt die
erweiterte Architektureinteilung.
Architekturen
SISD
SIMD
MIMD
MISD
Monoprozessor
Vektorrechner
Feldrechner
Vernetztes
System
Mehrprozessor-
rechner
?
Abbildung 2.2: Erweiterte Architektureinteilung nach [LaSc94]
Danach wird die SIMD-Architektur in Vektorrechner und Feldrechner zerlegt. Bei
Vektorrechnern besteht nach [Gilo93] die Kopplung zwischen den Datenprozessoren
(ALUs), die von außen gesteuert werden. Hier werden die einzelnen Rechenwerke
des Vektorrechners zu einer Pipeline zusammengeschaltet. Beim Feldrechner erfolgt
die Kopplung der einzelnen Rechenwerke dagegen über ein zentrales Leitwerk. Die
SIMD-Architektur ist eine spezialisierte Architektur, die nur angepasste Probleme
bearbeiten kann, wenn eine effiziente Nutzung gewünscht ist. Allerdings lassen sich
selbst geeignete, von spezialisierten Compilern unterstützte, Problemstellungen i.d.R.
nicht adä quat in einzelne Aufgaben zerlegen.
Die MIMD-Architektur wird in die Mehrprozessorrechner (auch: Multiprozessor-
systeme) und die vernetzten Systeme zerlegt. Bei Mehrprozessorrechnern erfolgt die
Kopplung über den gemeinsamen Speicher (enge Kopplung), wä hrend bei den
vernetzten Systemen die Kopplung durch Nachrichtenaustausch über ein
Verbindungsnetz erfolgt (lose Kopplung).
Oliver Ehlebracht
- 10 -
Diplomarbeit
Ein Nachteil der vernetzten Systeme ist, dass ihre Gesamtleistung nicht annä hernd
der Summe ihrer einzelnen Prozessoranteile entspricht. Darüber hinaus entspricht die
Ü bersichtlichkeit und Komplexitä t vernetzter Systeme nicht annä hernd der eines
monolithischen Systems. Eine große Zahl vernetzter Rechner erfordert einen
enormen, zusä tzlichen Verwaltungsaufwand, um die angestrebte Leistungssteigerung
nutzen zu können (vgl. Abschnitt 2.2.3). Eine der wesentlichen Forderungen an
vernetzte Systeme ist die Erschließung der verfügbaren Rechenkapazitä t durch
Lastverteilung.
Grundvoraussetzung für parallele Verarbeitung von Aufträ gen ist eine Menge A von
Aufträ gen A
1
, A
2
, A
3
, ..., A
k
und eine Menge FE von Funktionseinheiten FE
1
, FE
2
,
FE
3
, ..., FE
n
zur Ausführung von Aufträ gen der Menge A. [Wolf00] unterscheidet im
Zusammenhang mit Parallelverarbeitung zwischen Auftragsanziehung (task
attraction) und Auftragszuweisung (task allocation).
Bei der Auftragsanziehung werden alle Aufträ ge einer zentralen Auftragswarte-
schlange zugeführt. Die Funktionseinheiten können über ein Kommunikationssystem
KS auf die zentrale Auftragswarteschlange zugreifen. Darüber hinaus können die
Funktionseinheiten über KS Zwischenergebnisse und Synchronisationsinformationen
austauschen. Die Benutzer können ihrerseits auf die Resultate der Funktionseinheiten
zugreifen. Abbildung 2.3 illustriert exemplarisch die Auftragsanziehung.
Resultat-
pr
ä
sen-
tation
FE
1
FE
2
FE
n
>= 1 Benutzer
KS
Auftr
ä
ge
Abbildung 2.3: Auftragsanziehung nach [Wolf00]
Bei der Auftragszuweisung werden alle Aufträ ge einem Scheduler zugeführt. Jede
Funktionseinheit verfügt über eine eigene Auftragswarteschlange. Der Scheduler
verteilt die Aufträ ge an die Auftragswarteschlange der Funktionseinheiten.
Oliver Ehlebracht
- 11 -
Diplomarbeit
Darüber hinaus können die Funktionseinheiten über ein Kommunikationssystem KS
Zwischenergebnisse und Synchronisationsinformationen austauschen. Die Benutzer
können ihrerseits auf die Resultate der Funktionseinheiten zugreifen. Abbildung 2.4
illustriert exemplarisch die Auftragszuweisung.
Resultat-
pr
ä
sen-
tation
FE
1
FE
n
>= 1 Ben.
KS
Scheduler
Auftr
ä
ge
Abbildung 2.4: Auftragszuweisung nach [Wolf00]
Dabei muss der Scheduler ggf. verschiedene Aspekte berücksichtigen, wie den
Momentanzustand der Funktionseinheiten (z.B. aktuelle Auslastung oder Ausfall
einer FE), den Funktionsumfang einer Funktionseinheit (insbesondere bei
spezialisierten FEen), den Aufwand für den Transport von Aufträ gen zu den
Funktionseinheiten oder gegenseitige Abhä ngigkeiten im Auftragssystem.
Wie spä ter noch gezeigt wird, arbeiten Loadbalancer nach dem Prinzip der
Auftragszuweisung. Im Produktivsystem von mobile.de soll zukünftig das
Loadblancer-System LVS eingesetzt werden. Nach [Mack01] handelt es sich beim
Linux Virtual Server (LVS) um einen Switch, der auf der Transportschicht des OSI-
Modells
5
eingesetzt wird. Für das LVS-System stellen folglich TCP- und UDP-
Pakete die Aufträ ge im Sinne von [HaZo95] dar.
2.1.3 Momentanauslastung von Rechensystemen
Verteilt der Scheduler eines Loadbalancer-Systems Aufträ ge an einen Server-Cluster,
wä hlt der Scheduler nach [Nech00] im Idealfall den Server mit der geringsten
Momentanauslastung aus. Dies ist jedoch nur möglich, wenn dieser Scheduler
Kenntnis von der Auslastung der einzelnen Knoten im Cluster hat. Um die
5
vgl. [Kern93, Tane00]. Konventionelle Switches oder Router werden nach [Kopp02] auf Schicht 2
und/oder Schicht 3 des OSI-Modells eingesetzt.
Oliver Ehlebracht
- 12 -
Diplomarbeit
Momentanauslastung $
(t
0
) eines Knotens zu bestimmen, muss dieser Knoten dazu
über einen Zeitraum t unter Last beobachtet werden. In diesem Zeitraum t werden
dann w Beobachtungen der Auslastung
i
eines Knotens durchgeführt. Die
Momentanauslastung $
(t
0
) kann auf Basis der
i
auf unterschiedliche Weise
definiert werden. Eine mögliche Definition ergibt sich aus der Summe der
Auslastungen
i
geteilt durch die Anzahl der Beobachtungen w:
( )
$
t
w
i
i
w
0
0
1
=
=
Abbildung 2.5 zeigt eine mögliche Beobachtung über einen Zeitraum T = [0, t
0
].
A
us
la
st
un
g
(
)
0
Zeit (t)
t
0
1
i
i+1
i+2
w-1
w
...
Abbildung 2.5: Auslastung
i
über der Zeit t
Dabei können die einzelnen Beobachtungen
i
unterschiedlich stark gewichtet
werden. Wenn z.B. eine stä rkere Berücksichtigung der jüngsten Beobachtung
gewünscht ist, können die vergangenen Beobachtungen (z.B. linear oder
exponentiell) ausgeblendet werden. Bei einer linearen Gewichtung der
Beobachtungen erhalten wir dann eine Momentanauslastung $
(t
0
) gemä ß der
folgenden Definition:
( )
$
t
c
w i
w
i
w
w i
0
0
0
1
=
-
=
-
wobei c
w
0
1
2
:
=
+
(Summe der Gewichte),
da für c
0
gelten muss:
Oliver Ehlebracht
- 13 -
Diplomarbeit
(
)
c
w i
w
w
w i
w
i
w
w w
w
i
w
i
w
i
w
0
0
0
0
1
1
1
1
2
1
2
=
-
=
- =
=
+
=
+
=
=
=
Bei einer exponentiellen Gewichtung der Beobachtungen erhalten wir stattdessen
eine Momentanauslastung $
(t
0
), die wie folgt definiert ist:
( )
$
t
d
i
i
w
w i
0
0
0
1
=
=
-
R 0 <
1
wobei d
i
i
w
0
0
:
=
=
(Summe der Gewichte)
Melden die Knoten ihre Momentanauslastung an den Scheduler, ist der Scheduler
anhand von vorher festzulegenden Schwellwerten in der Lage, die einzelnen Knoten
ihrer Auslastung entsprechend einzustufen. Eine Einstufung könnte z.B. in drei
Kategorien erfolgen (starke, mittlere und geringe Auslastung eines Knotens). Die
Aufträ ge können dann anhand dieser Einstufung unterschiedlich stark an die
einzelnen Knoten verteilt werden.
Oszilliert die Auslastung eines Knotens um einen Schwellwert, wä re eine stä ndige
neue Einstufung eines Knotens durch den Scheduler die Folge. Um diesen
unerwünschten Effekt zu vermeiden, ist es sinnvoll, dass Hoch- und Herunterstufen
eines Knotens nicht beim gleichen Schwellwert vorzunehmen. Stattdessen scheint die
Wahl zweier Schwellwerte sinnvoll, die möglichst nicht zu nah beieinander liegen.
Eine ausführliche Behandlung von Schwellwerten und deren Behandlung würde den
Rahmen dieser Arbeit jedoch übersteigen und ist daher nicht vorgesehen.
2.1.4 Lastverteilung in heterogenen Systemen
In ihrer Arbeit untersucht und bewertet [Stei98], inwieweit sich Lastverteilverfahren
aus homogenen Systemen auch auf heterogene Systeme übertragen lassen. Das Ziel
der Arbeit ist der Entwurf effizienter, einfacher Lastverteilverfahren für heterogene
Systeme, z.B. vernetzte Arbeitsplatzrechner, mit der Zielsetzung, die mittlere
Verweilzeit zu minimieren.
Steiner zeigt in ihrer Arbeit, dass sich die Strategien für Lastverteilung in
heterogenen Systemen grundlegend von denen für homogene Systeme unterscheiden.
Die Beurteilung der Qualitä t eines Lastverteilungsverfahrens setzt voraus, dass
Oliver Ehlebracht
- 14 -
Diplomarbeit
bekannt ist, welche Leistung unter den vorgegebenen Bedingungen maximal
erreichbar ist. In der Regel reicht die alleinige Betrachtung eines Systems im
Gleichgewicht nicht aus, um Ü berlegungen und Untersuchungen zur Robustheit des
Systems anzustellen. Gerade das transiente Verhalten
6
eines Systems unter extremen
Parameter-Schwankungen ist nach [Stei98] für die Beurteilung der Robustheit zu
berücksichtigen.
Ein Großteil aller Untersuchungen von Lastverteilung beschrä nkt sich auf homogene
Systeme. In einigen Fä llen wurde darüber hinaus versucht, die Ergebnisse dieser
Untersuchungen auch auf heterogene Systemen übertragen. Eine Gültigkeit dieser
übertragenen Ergebnisse konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Das Ziel, den
Erwartungswert der Antwortzeiten aller Lasteinheiten zu minimieren, wird in
heterogenen Systemen i.d.R. nicht verfolgt, da nach [Stei98] freiwillige Untä tigkeits-
zeiten ein wesentliches und leistungsförderndes Strategie-Element sind.
2.1.5 Lastverteilung mit Loadbalancer-Systemen
Das Design einer Systemarchitektur soll nach [SqYZ99] das Ziel haben, dem
Benutzer einen zuverlä ssigen und schnellen Zugang z.B. zu den Daten einer
Internetseite zu garantieren sowie eine Verfügbarkeit von nahezu 100% zu
gewä hrleisten. Viele Anwendungen erfordern den Einsatz mehrerer Server, da ein
einzelner Server hä ufig nicht ausreichend Ressourcen bereitstellen kann. Eine
mögliche Lösung ist der Einsatz eines skalierbaren Servers, eines sogenannten
Loadbalancers, der aus einem Server-Cluster besteht (Multiserver-Lösung).
Loadbalancing (auch: Server Loadbalancing, SLB) meint nach [Died00] die
Verteilung einzelner Aufgaben, wie z.B. Rechenjobs oder Client-Anfragen auf eine
Gruppe miteinander vernetzter Rechner (Knoten) in Abhä ngigkeit von ihrer
Auslastung und Verfügbarkeit. Ein Loadbalancer ist nach [Bour01] ein Gerä t,
welches die Last auf mehrere Rechner verteilt, wobei dieses Verfahren für den
Benutzer völlig transparent bleibt.
Ein Cluster ist nach [Died00] eine Gruppe von Knoten, die gemeinsam an einem
Problem arbeiten. [Hüls00] spricht in diesem Zusammenhang auch von einem
6
Transientes Verhalten meint in diesem Zusammenhang die (durch Betriebsstörung verursachte)
vorübergehende Abweichung vom Normalbetrieb.
Oliver Ehlebracht
- 15 -
Diplomarbeit
Cluster of Working Nodes (CLOWN). Einen Cluster im engeren Sinne erhä lt man,
wenn die Knoten exklusiv für den Cluster genutzt werden und auf einem
gemeinsamen Datenbestand arbeiten. (Hochleistungs-) Cluster stellen nach [BlWa00]
eine Stufe zwischen Mehrprozessorrechnern und vernetzten Systemen dar (vgl.
Abschnitt 2.1.2). Wä hrend die Begrenzung der Rechenleistung in Clustern bislang in
erster Linie durch das Netz entstand, stellt heute i.d.R. das rechnerinterne Bussystem
(z.B. der PCI-Bus) ihren Engpass dar. Cluster unterscheiden sich dadurch von
vernetzten Rechnern, dass die einzelnen Knoten exklusiv dem Cluster unterstellt
sind, hä ufig in einem Raum zusammengefasst sind und über keine Eingabegerä te
oder Monitore verfügen. Die Kommunikation mit dem Cluster erfolgt i.d.R. über
einen dedizierten Master
7
.
Für das neue Produktivsystem von mobile.de werden verschiedene Optimierungsziele
angestrebt, die mit der bisher eingesetzten Lastverteilung mit Redirectoren nicht
erreicht werden konnten. Durch den Einsatz des Loadbalancer-Systems LVS sollen
folgende Optimierungsziele erreicht werden:
·
Hoher Durchsatz des Schedulers:
Die mittlere Zeit für die Vergabe von einem Auftrag durch den Scheduler muss
deutlich geringer sein als die mittlere Bearbeitungszeit eines Auftrages in einem
Knoten des Server-Clusters. Das ist erforderlich, damit die WWW-Server nicht
durch den Einsatz des Loadbalancer-Systems ,,ausgebremst" werden.
·
Hohe Verfügbarkeit:
Fallen einzelne Knoten im Server-Cluster aus, muss das Produktivsystem auch
weiterhin in der Lage sein, Anfragen von Benutzern beantworten zu können.
·
Skalierbarkeit:
Einzelne Knoten müssen zum Cluster hinzugefügt oder aus diesem entfernt
werden können, ohne dass das Loadbalancer-System angehalten werden muss.
Dies ist z.B. der Fall, wenn ein Knoten aus dem Cluster zu Wartungszwecken
entfernt werden soll.
7
Als Master wird in diesem Zusammenhang ein Rechner bezeichnet, der über Eingabegerä te und einen
Monitor verfügt und der mit dem Netz des Clusters verbunden ist. Mit Hilfe des Masters ist der
Benutzer in der Lage, mit dem Cluster zu kommunizieren.
Oliver Ehlebracht
- 16 -
Diplomarbeit
·
Transparenz:
Der Scheduler verteilt die Anfragen der Benutzer an die Knoten im Server-
Cluster. Diese Verteilung soll für den Benutzer transparent sein.
Nach [DeFG00] sind Loadbalancer-Systeme in der Lage, die Verfügbarkeit von
Webseiten zu gewä hrleisten, Fehler auszugleichen und eine gewisse Ausfall-
sicherheit zu gewä hrleisten. Die Kombination aus redundanten Servern mit einem
Loadbalancer-System zu einer Hochverfügbarkeitslösung erlaubt die Verteilung der
anfallenden Last auf mehrere Server. Steigt die Last an, können dem Cluster neue
Server hinzugefügt werden. Diese Architektur weist nach [Hapo01] eine hohe
Flexibilitä t auf, da Server aus dem Cluster entfernt oder diesem hinzugefügt werden
können, ohne dass das System angehalten werden muss. Ein weiterer Vorteil ist darin
zu sehen, dass die in einem Cluster enthalten Server nicht homogen sein müssen - es
können nahezu beliebige Rechner im Cluster kombiniert werden. In der Praxis wird
nach [Kopp02] zwischen drei Arten von Loadbalancer-Systemen unterschieden:
·
eigenstä ndige Gerä te
·
Switches mit Loadbalancer-Funktion
·
Software-Lösungen
Bei den eigenstä ndigen Gerä ten handelt es sich um Spezialserver, die auf die
Ausführung eines Lastverteilungsprogramms auf dem eingebauten Prozessor
optimiert sind. Diese Server werden meist in 19"-Technik für den Einsatz in
Serverrä umen gefertigt. Wä hrend ein Switch mit integrierter Loadbalancing-Funktion
als eine robuste Lösung gilt, liegt der Vorteil einer Software-Lösungen in der
Möglichkeit, ein Loadbalancing besonders kostengünstig realisieren zu können.
Software-Loadbalancer sind für Betriebssysteme wie Windows NT, Linux oder
UNIX erhä ltlich. Bei der von mobile.de angestrebten Lösung mit dem Loadblancer-
System LVS (Linux Virtual Server) handelt es sich um einen Software-Loadbalancer,
der kostenlos erhä ltlich ist, da es sich um ein Open Source Produkt handelt.
Beim Einsatz eines Loadbalancer-Systems wird der Loadbalancer zwischen
Internet/Intranet auf der einen und dem Server-Cluster auf der anderen Seiten in den
IP-Datenstrom eingefügt. Der Loadbalancer hat die Aufgabe, eintreffende Anfragen
Oliver Ehlebracht
- 17 -
Diplomarbeit
an die Server im Server-Cluster weiterzuleiten. Die Verteilung erfolgt dabei in
Abhä ngigkeit des verwendeten Dienstes sowie der Verfügbarkeit und
Leistungsfä higkeit der verwendeten Server. Abbildung 2.6 zeigt ein Loadbalancer-
System nach [Bour01].
Load-
balancer
Internet
Web-
server
Web-
server
Web-
server
Web-
server
Anwendungs-
Server
Anwendungs-
Server
Anwendungs-
Server
Anwendungs-
Server
Abbildung 2.6: Loadbalancer-System nach [Bour01]
Der Einsatz von Loadbalancer-Systemen verfolgt das Ziel Engpä sse (Flaschenhä lse)
im Netz durch das Verteilen von Anfragen auszugleichen und ist für Anbieter von
größeren Internet-Seiten nach [Törö99] heute praktisch unverzichtbar. Die
Entscheidung, Pakete an Server zu verteilen, kann das Loadbalancer-System dabei in
Abhä ngigkeit von verschiedenen Kriterien treffen:
·
Prozessor-Auslastung der Server
·
Reaktionszeit der Server
·
Zahl der offenen Verbindungen eines Servers
·
Art des angeforderten Dienstes
·
Inhalt der zu übertragenen Daten
Die Verwendung von inhaltsbasiertem Loadbalancing sorgt für eine höhere
Flexibilitä t des Systems: bestimmte Dateitypen können auf diese Weise an
entsprechende Server weitergeleitet werden, z.B. Audio- und Videosequenzen an
Server mit einem entsprechenden Durchsatz.
Ende der Leseprobe aus 116 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2002, Lastverteilung und Ausfallsicherheit im Internet am Beispiel von mobile.de, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/221614
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