EP2198369A1 - Mit redundanz ausgestattetes verteiltes computersystem mit serverfunktionalitäten - Google Patents

Mit redundanz ausgestattetes verteiltes computersystem mit serverfunktionalitäten

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EP2198369A1
EP2198369A1 EP08785632A EP08785632A EP2198369A1 EP 2198369 A1 EP2198369 A1 EP 2198369A1 EP 08785632 A EP08785632 A EP 08785632A EP 08785632 A EP08785632 A EP 08785632A EP 2198369 A1 EP2198369 A1 EP 2198369A1
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EP
European Patent Office
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redundant
server
services
functionality
service
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Application number
EP08785632A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian M. Stich
Marcel Dix
Mats A. Petterson
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ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F11/00—Error detection; Error correction; Monitoring
    • G06F11/07—Responding to the occurrence of a fault, e.g. fault tolerance
    • G06F11/16—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware
    • G06F11/20—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware using active fault-masking, e.g. by switching out faulty elements or by switching in spare elements
    • G06F11/202—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware using active fault-masking, e.g. by switching out faulty elements or by switching in spare elements where processing functionality is redundant
    • G06F11/2035—Error detection or correction of the data by redundancy in hardware using active fault-masking, e.g. by switching out faulty elements or by switching in spare elements where processing functionality is redundant without idle spare hardware
    • G—PHYSICS
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    • G06F11/00—Error detection; Error correction; Monitoring
    • G06F11/07—Responding to the occurrence of a fault, e.g. fault tolerance
    • G06F11/14—Error detection or correction of the data by redundancy in operations
    • G06F11/1479—Generic software techniques for error detection or fault masking
    • G06F11/1482—Generic software techniques for error detection or fault masking using middleware or operating system [OS] functionalities
    • G06F11/1484—Generic software techniques for error detection or fault masking using middleware or operating system [OS] functionalities involving virtual machines

Definitions

  • the invention relates to a distributed computer system with a plurality of physical computers, each having the functionality of a server. Such computer servers are each equipped with the functionality for at least one particular service. Furthermore, the invention relates to a method for installing redundant server functionalities in a distributed computer system.
  • Computer servers have a certain probability of failure, conditionally e.g. through the wear of their included hardware.
  • other types of computers such as clients, may be included in the distributed computer system, however, as the invention focuses on servers, it will not discuss other types of computers here.
  • the servers can be designed to be redundant in a distributed computer system.
  • a known concept of a redundant system is shown in FIG.
  • a non-redundant output system with a number n of servers Si, S 2 , S 3 to S n is shown in the upper part of the drawing, which are each set up for one of n services D a , D b , D c to D n .
  • a redundant target system is shown, whereby those servers whose services are implemented redundantly in the system are present twice in the system.
  • the servers S ( n + 1 ) to S ( n + n ) installed in addition to the primary servers Si to S n are set up for the redundantly installed services D 3 1 to D n "The redundant services D a " to D n 1 are in such a system z. B. logically involved according to a fail-over concept, so that in case of server failure automatically a transition to the appropriate server.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a redundant server system that can be implemented with less effort.
  • the invention proposes a distributed computer system which contains at least two physical computers. At least one of the computers is equipped with the functionality of two servers, with one of the two servers being installed as a virtual machine in the computer.
  • the two servers of each computer designed in this way are set up for two different services. In each case one of the two services is a service installed redundantly in the computer system. If a redundant server is to be present for all services, a virtual machine must be installed in all computers.
  • the prerequisite for the feasibility of the invention is that the physical computers used for redundant functions are each sufficiently powerful to additionally operate a virtual machine.
  • the computer system according to the invention has a number of advantages:
  • the proposed solution for creating redundancy by means of virtual machines makes it possible to reduce the probability of failure for installed services without having to install additional physical computers.
  • the improved probability of failure thus achieved is higher in the redundant system according to the invention than in the known redundant systems described above, in particular if additional physical computers are to be dispensed with.
  • redundancy will be created for all installed services by means of virtual - or additionally physical - machines, but depending on the importance of the services, it may also provide redundancy for only some of the services.
  • a preferred method for installing redundant services in virtual machines uses so-called service cloning. It goes without saying, however, that alternatively a service can also be installed from scratch in a virtual machine.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a redundant server system according to the prior art
  • FIG. 2 shows an embodiment of a redundant server system according to the invention
  • Fig. 3 is a comparative representation of the probability of failure for a service in differently designed server systems.
  • FIG. 2 shows in the upper drawing area a non-redundant output system with servers S 1, S 2 , S 3 to S n , which corresponds to the representation in FIG are each set up for one of the services D a , D b , D c to D n .
  • the letter n also stands for the number of existing servers or services.
  • the servers S 1 , S 2 , S 3 to S n are additionally each a virtual machine in addition to one of the original services D 3 , D bl D c to D n to provide redundancy V with a redundant service installed therein, namely one of the services denoted by D a ', D b 1 to D n 1 services.
  • FIG. 2 also shows three steps for explaining a preferred procedure for installing the redundant services between the systems shown in the drawing above and below-and already explained above.
  • a virtual machine V is initially installed on another server, in this case the second server S 2 , in step 1.
  • a clone D a 'of the first service D 3 is created and migrated to the virtual machine V of the second server S 2 .
  • "Cloning" here means that a copy is created, the copy D 3 1 having the same functionality as the first service D 3.
  • the functionality of D 3 ' may also be installed from scratch in the virtual machine.
  • step 3 the virtual machine V of the second server S 2 is added logically as a redundant server for the service D 3 , ie as a new computer with its own identity to the computer system. So that the copy of D a does not just exist twice in the distributed system, but rather works like a new computer with its own identity as a redundant part to its original, the copy here may still be configured or adapted accordingly.
  • steps 1 to 3 are carried out for each service , so that, as a result, in the first server Si the services D 3 and D n 1 , in the second server S 2 the services D b and D a ⁇ in the third server S 3 the services D c and D b ⁇ and so on until finally in the n-th server S n the services D n and D (ni) 'are installed.
  • a redundant server functionality D a 'to D n' can thus be installed on a respective other computer Si to S n for each service D a to D n .
  • redundancies can be limited to only certain selected services.
  • FIG. 3 shows a representation of the likelihood that one of the services installed in a system will fail, thereby affecting the overall functionality of the distributed system.
  • the calculated example compares three different systems and it is assumed that both physical and virtual machines have a default probability of 20% per machine. To be compared:
  • a redundant system with two physical computers S each having the server function for two primary services D a and D b , the computers S each containing a virtual machine V with an installed redundant service D a 'or Db 1 , and
  • the illustration shows that for the non-redundant system a default probability for one of the services of 36.00% was calculated.
  • the corresponding failure probability is only 7.84% in the known redundant system with four physical computers.
  • the probability of failure with 10.84% is somewhat higher than in the known redundant system, but is to be regarded as a good compromise if it is to be dispensed with additional physical computer.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein verteiltes Computersystem, das wenigstens zwei physikalische Rechner (S1 bis Sn) und wenigstens zwei im System installierte Dienste (D3 bis Dn) enthält. Die Rechner (S1 bis Sn) sind jeweils mit der Funktionalität eines Servers für wenigstens einen der Dienste (Da bis Dn) ausgestattet. Zur Schaffung von Redundanz enthält wenigstens einer der physikalischen Rechner (S1 bis Sn) neben der Server-Funktionalität eines ersten Dienstes (z.B. Da) zusätzlich eine virtuelle Maschine (V) mit der Server-Funktionalität eines zweiten Dienstes (z.B. Db'). Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Installation redundanter Server-Funktionalitäten in einem verteilten Computersystem.

Description

Mit Redundanz ausgestattetes verteiltes Computersvstem mit Serverfunktionalitäten
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein verteiltes Computersystem mit mehreren physikalischen Rechnern, die jeweils die Funktionalität eines Servers haben. Solche Computerserver sind jeweils mit der Funktionalität für mindestens einen bestimmten Dienst ausgerüstet. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Installation redundanter Server-Funktionalitäten in einem verteilten Computersystem.
Computerserver haben eine bestimmte Ausfallwahrscheinlichkeit, bedingt z.B. durch den Verschleiß ihrer enthaltenen Hardware. In dem verteilten Computersystem können natürlich noch weitere Computertypen, wie beispielsweise Clients enthalten sein, da sich die Erfindung jedoch auf Server konzentriert wird auf andere Computertypen hier nicht weiter eingegangen.
Um die Verfügbarkeit des jeweils von einem Server erbrachten Dienstes zu erhöhen, können in einem verteilten Computersystem die Server redundant ausgelegt werden. Eine bekannte Konzeption eines redundanten Systems ist in Fig. 1 dargestellt. Dabei ist im oberen Bereich der Zeichnung ein nichtredundantes Ausgangssystem mit einer Anzahl n von Servern S-i, S2, S3 bis Sn dargestellt, die jeweils für einen von n Diensten Da, Db, Dc bis Dn eingerichtet sind. Im unteren Bereich der Darstellung ist ein redundantes Zielsystem gezeigt, wobei solche Server, deren Dienste redundant im System implementiert sind, zweifach im System vorhanden sind. Die ergänzend zu den primären Servern Si bis Sn installierten Server S(n+1) bis S(n+n) sind für die redundant installierten Dienste D3 1 bis Dn" eingerichtet. Die redundanten Dienste Da" bis Dn 1 sind in einem solchen System z. B. nach einem Fail-Over-Konzept logisch eingebunden, so dass bei einem Serverausfall automatisiert ein Übergang auf den entsprechenden Server erfolgt.
Nachteil des bekannten redundanten Computersystems ist die Notwendigkeit, für jeden redundant zu implementierenden Dienst einen zusätzlichen Rechner installieren zu müssen. Im größten annehmbaren Fall, indem alle Server redundant verfügbar gemacht werden sollen, bedeutet dies eine Verdopplung der Rechneranzahl, wie in Fig. 1 dargestellt. Damit sind nicht nur höhere Anschaffungskosten, sondern auch erhöhte Wartungskosten der Hardware, sowie erhöhter Platzbedarf und Betriebskosten, z. B. wegen höheren Energiekosten verbunden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein redundantes Serversystem anzugeben, das mit geringerem Aufwand realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein verteiltes Computersystem mit redundant vorhandenen Serverfunktionen gelöst, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und ein Verfahren zur Installation von redundanten Serverfunktionen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Mit der Erfindung wird demnach ein verteiltes Computersystem vorgeschlagen, das wenigstens zwei physikalische Rechner enthält. Wenigstens einer der Rechner ist mit der Funktionalität von zwei Servern ausgestattet, wobei jeweils einer der beiden Server als virtuelle Maschine im Rechner installiert ist. Die beiden Server jedes so gestalteten Rechners sind für zwei unterschiedliche Dienste eingerichtet. Dabei ist jeweils einer der beiden Dienste ein redundant im Computersystem installierter Dienst. Wenn für alle Dienste ein redundanter Server vorhanden sein soll, muss in allen Rechnern eine virtuelle Maschine installiert sein.
Voraussetzung für die Durchführbarkeit der Erfindung ist, dass die für redundante Funktionen genutzten physikalischen Rechner jeweils ausreichend leistungsfähig sind, um eine virtuelle Maschine zusätzlich zu betreiben.
Das erfindungsgemäße Computersystem hat eine Reihe von Vorteilen: Durch die vorgeschlagene Lösung zur Schaffung von Redundanz mittels virtueller Maschinen lässt sich eine Reduktion der Ausfallwahrscheinlichkeit für installierte Dienste erreichen, ohne zusätzliche physikalische Rechner installieren zu müssen. Die so erreichte verbesserte Ausfallwahrscheinlichkeit liegt beim erfindungsgemäßen redundanten System höher als bei den bekannten vorab beschriebenen redundanten Systemen, insbesondere wenn auf zusätzliche physikalische Rechner verzichtet werden soll.
Zur weiteren Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit ist eine zusätzliche Installation von physikalischen Rechnern nicht ausgeschlossen. In der Regel wird man für alle installierten Dienste eine Redundanz mittels virtueller - oder zusätzlich auch noch physikalischer - Maschinen schaffen, kann aber auch je nach Bedeutung der Dienste nur für einen Teil der Dienste Redundanz einrichten. Bei einem bevorzugten Verfahren zur Installation redundanter Dienste in virtuellen Maschinen wird ein sogenanntes Klonen von Diensten genutzt. Es versteht sich, dass aber alternativ ein Dienst auch von Grund auf neu in einer virtuellen Maschine installiert werden kann.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungsfiguren.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführung eines redundanten Serversystems nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ausführung eines redundanten Serversystems, und
Fig. 3 eine vergleichende Darstellung der Ausfallwahrscheinlichkeit für einen Dienst in unterschiedlich konzipierten Serversystemen.
Fig. 2 zeigt im oberen Zeichnungsbereich ein mit der Darstellung in Fig. 1 übereinstimmendes nichtredundantes Ausgangssystem mit Servern Si, S2, S3 bis Sn, die jeweils für einen der Dienste Da, Db, Dc bis Dn eingerichtet sind. Der Buchstabe n steht auch hier für die Anzahl vorhandener Server bzw. Dienste. Ganz unten ist ein entsprechendes erfindungsgemäßes System gezeigt, bei dem zur Schaffung von Redundanz die Server S1, S2, S3 bis Sn zusätzlich zu jeweils einem der ursprünglichen Dienste D3, Dbl Dc bis Dn noch jeweils eine virtuelle Maschine V mit einem darin installierten redundanten Dienst, nämlich einem der mit Da', Db 1, bis Dn 1 bezeichneten Dienste.
In Fig. 2 sind außerdem noch zwischen den in der Zeichnung oben und unten dargestellten - und vorstehend bereits erläuterten Systeme - drei Schritte zur Erläuterung einer bevorzugten Vorgehensweise zur Installation der redundanten Dienste gezeigt.
Um beispielsweise für den im ersten Server Si installierten ersten Dienst D3 eine Redundanz zu schaffen, wird im Schritt 1 zunächst auf einem anderen Server, hier dem zweiten Server S2 eine virtuelle Maschine V installiert.
Im Schritt 2 wird ein Klon Da' des ersten Dienstes D3 erstellt und in die virtuelle Maschine V des zweiten Servers S2 migriert. „Klonen" bedeutet hier, dass eine Kopie erzeugt wird, wobei die Kopie D3 1 die gleiche Funktionalität wie der erste Dienst D3 hat. Alternativ kann die Funktionalität von D3' auch von Grund auf neu in die virtuelle Maschine installiert werden.
Im Schritt 3 wird die virtuelle Maschine V des zweiten Servers S2 logisch als redundanter Server für den Dienst D3, also wie ein neuer Rechner mit eigener Identität dem Computersystem hinzugefügt. Damit die Kopie von Da nicht einfach nur doppelt im verteilten System vorhanden ist, sondern wie ein neuer Rechner mit eigener Identität als redundanter Teil zu ihrem Original arbeitet, wird die Kopie hier eventuell noch entsprechend konfiguriert bzw. angepasst.
Um alle Dienste D3, Db, Dc bis Dn redundant auszulegen, werden die Schritte 1 bis 3 für jeden Dienst durchgeführt, so dass im Ergebnis im ersten Server Si die Dienste D3 und Dn 1, im zweiten Server S2 die Dienste Db und Da\ im dritten Server S3 die Dienste Dc und Db\ und so weiter bis schließlich im n-ten Server Sn die Dienste Dn und D(n-i)' installiert sind. In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen redundanten Systems kann so für jeden Dienst Da bis Dn eine redundante Server-Funktionalität Da' bis Dn' auf einem jeweils anderen Rechner Si bis Sn installiert sein.
Alternativ können Redundanzen jedoch auf nur bestimmte ausgewählte Dienste beschränkt werden.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Darstellung zur Wahrscheinlichkeit, dass einer der in einem System installierten Dienste ausfällt und dadurch die Gesamtfunktionalität des verteilten Systems beeinträchtigt wird. Im berechneten Beispiel werden drei unterschiedliche Systeme verglichen, und es ist angenommen, dass sowohl physikalische als auch virtuelle Maschinen eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 20% je Maschine haben. Verglichen werden:
- ein nichtredundantes System mit zwei physikalischen Rechnern mit jeweils der Serverfunktion für zwei primäre Dienste D3 und Db,
- ein erfindungsgemäßes redundantes System mit zwei physikalischen Rechnern S mit jeweils der Serverfunktion für zwei primäre Dienste Da und Db, wobei die Rechner S jeweils eine virtuelle Maschine V mit einem installierten redundanten Dienst Da' bzw. Db1 enthalten, und
- ein redundantes System nach dem Stand der Technik mit vier physikalischen Rechnern mit der Serverfunktion für zwei primäre Dienste D3 bzw. Db und zwei redundante Dienste Da' bzw. Db'.
Die Darstellung zeigt, dass für das nichtredundante System eine Ausfallwahrscheinlichkeit für einen der Dienste von 36,00% errechnet wurde. Die entsprechende Ausfallwahrscheinlichkeit liegt beim bekannten redundanten System mit vier physikalischen Rechnern bei nur 7,84%. Beim erfindungsgemäßen redundanten System liegt die Ausfallwahrscheinlichkeit mit 10,84% zwar etwas höher als beim bekannten redundanten System, ist aber als guter Kompromiss anzusehen, wenn auf zusätzliche physikalische Rechner verzichtet werden soll.

Claims

Patentansprüche
1. Verteiltes Computersystem, das wenigstens zwei physikalische Rechner (Si bis Sn) und wenigstens zwei im System installierte Dienste (Da bis Dn) enthält, wobei a) die Rechner (S1 bis Sn) jeweils mit der Funktionalität eines Servers für wenigstens einen der Dienste (Da bis Dn) ausgestattet sind, und b) zur Schaffung von Redundanz wenigstens einer der physikalischen Rechner (S-i bis Sn) neben der Server-Funktionalität eines ersten Dienstes (z. B. Da) zusätzlich eine virtuelle Maschine (V) mit der Server- Funktionalität eines zweiten Dienstes (z. B. Db.) enthält.
2. Verteiltes Computersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein im System vorhandene physikalische Rechner (S1 bis Sn) eine virtuelle Maschine (V) mit der redundanten Funktionalität eines zweiten physikalischn Servers enthält, so dass für wenigstens einen Dienst (Da bis Dn) eine redundante Server-Funktionalität vorhanden ist.
3. Verteiltes Computersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Dienst (Da bis Dn) eine redundante Server- Funktionalität (D3' bis Dn') auf einem jeweils anderen Rechner (S1 bis Sn) installiert ist.
4. Verteiltes Computersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit im System wenigstens ein zusätzlicher, also redundanter physikalischer Rechner mit der Server-Funktionalität wenigstens eines der Dienste (D3 bis Dn) vorhanden ist.
5. Verfahren zur Installation redundanter Server-Funktionalitäten in einem verteilten Computersystem mit einem ersten physikalischen Rechner (S-i) und mindestens einem zweiten physikalischen Rechner (S2 aus Si bis Sn), die jeweils die Server-Funktionalität eines von wenigstens zwei Diensten (D3 bis Dn) enthalten, wobei a) in einem ersten Schritt (Schritt 1) im zweiten physikalischen Rechner (S2) eine virtuelle Maschine (V) installiert wird, b) in einem zweiten Schritt (Schritt 2) ein Klon (D3 1) der Server- Funktionalität des ersten Dienstes (D3) erstellt und in die virtuelle Maschine (V) des zweiten physikalischen Rechner (S2) migriert wird, und/oder die Funktionalität (D3 1) neu in die virtuelle Maschine installiert wird, c) in einem dritten Schritt (Schritt 3) die so gebildete virtuelle Maschine (V) mit der Server-Funktionalität als erster redundanter Server in das Computersystem eingebunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (Schritt 1 bis 3) für die übrigen Server-Funktionalitäten der weiteren Dienste (Db bis Dn) zur Schaffung weiterer redundanter Server wiederholt werden.
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