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13.5 Cluster und Hochverfügbarkeit

Einordnung

Diese Seite gehört zum Kapitel:

Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit

Auf den vorherigen Seiten ging es um Server-Grundlagen, Virtualisierung, Hypervisor-Verwaltung, Storage, Snapshots und Backups.

Jetzt geht es um:

Cluster und Hochverfügbarkeit

Diese Themen sind wichtig, weil Dienste möglichst zuverlässig erreichbar bleiben sollen, auch wenn einzelne Systeme oder Komponenten ausfallen.


Grundidee

Ein einzelner Server kann ausfallen.

Mögliche Ursachen:

UrsacheBeispiel
HardwaredefektNetzteil, Mainboard, RAM oder Festplatte defekt
SoftwarefehlerBetriebssystem oder Dienst stürzt ab
WartungUpdates oder Hardwaretausch
NetzwerkproblemSwitch, Kabel oder Netzwerkkarte defekt
StromausfallServer verliert Strom
StorageproblemDatenspeicher nicht erreichbar

Wenn ein wichtiger Dienst nur auf einem einzelnen Server läuft, ist dieser Server ein Risiko.

Ein Cluster soll dieses Risiko verringern.


Was ist ein Cluster?

Ein Cluster ist ein Zusammenschluss mehrerer Server, die gemeinsam arbeiten.

Die einzelnen Server im Cluster nennt man Nodes oder Knoten.

Beispiel:

ClusterNodes
VirtualisierungsclusterHV01, HV02, HV03
DatenbankclusterDB01, DB02
Webserver-ClusterWEB01, WEB02, WEB03

Ziel ist meist:

ZielBedeutung
HochverfügbarkeitDienste sollen bei Ausfall weiterlaufen oder schnell wieder starten
LastverteilungArbeit wird auf mehrere Systeme verteilt
SkalierbarkeitWeitere Systeme können ergänzt werden
WartbarkeitEinzelne Systeme können gewartet werden

Merksatz

Ein Cluster ist ein Verbund mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern.


Was bedeutet Hochverfügbarkeit?

Hochverfügbarkeit bedeutet, dass ein Dienst möglichst dauerhaft erreichbar bleibt.

Ein System ist hochverfügbar, wenn Ausfälle einzelner Komponenten nicht sofort zum Ausfall des gesamten Dienstes führen.

Beispiel:

Ein Unternehmen betreibt wichtige virtuelle Maschinen auf drei Hypervisor-Hosts.

Wenn ein Host ausfällt, können die VMs auf einem anderen Host neu gestartet werden.


Hochverfügbarkeit bedeutet nicht immer unterbrechungsfrei

Wichtig:

Hochverfügbarkeit bedeutet nicht automatisch, dass es gar keine Unterbrechung gibt.

Oft gibt es eine kurze Unterbrechung.

Beispiel:

SituationErgebnis
Host fällt ausVM wird auf anderem Host neu gestartet
Dienst startet neuBenutzer merken kurze Unterbrechung
Cluster erkennt FehlerAutomatisches Failover erfolgt

Merksatz:

Hochverfügbarkeit reduziert Ausfallzeiten, verhindert sie aber nicht immer vollständig.


Verfügbarkeit

Verfügbarkeit beschreibt, wie zuverlässig ein Dienst erreichbar ist.

Beispiel:

VerfügbarkeitBedeutung
99 %Dienst darf ca. 3,65 Tage pro Jahr ausfallen
99,9 %Dienst darf ca. 8,76 Stunden pro Jahr ausfallen
99,99 %Dienst darf ca. 52,6 Minuten pro Jahr ausfallen
99,999 %Dienst darf ca. 5,26 Minuten pro Jahr ausfallen

Je höher die gewünschte Verfügbarkeit, desto aufwendiger und teurer wird die technische Umsetzung.


Warum Hochverfügbarkeit wichtig ist

Viele IT-Dienste sind für Unternehmen kritisch.

Beispiele:

DienstAuswirkung bei Ausfall
Domain ControllerAnmeldung kann gestört sein
DNSSysteme können Namen nicht auflösen
DHCPNeue Clients bekommen keine IP-Konfiguration
FileserverBenutzer kommen nicht an Dateien
DatenbankserverAnwendungen funktionieren nicht
WebserverWebseite oder Portal nicht erreichbar
MailserverE-Mail-Kommunikation gestört
ERP-SystemGeschäftsprozesse betroffen

Single Point of Failure

Ein Single Point of Failure ist eine einzelne Komponente, deren Ausfall einen Dienst oder ein ganzes System lahmlegen kann.

Beispiele:

Single Point of FailureRisiko
Einziger ServerDienst fällt komplett aus
Einziger SwitchNetzwerk nicht erreichbar
Einziges NetzteilServer geht aus
Einziger StorageVM-Daten nicht erreichbar
Einzige InternetleitungExterner Zugriff fällt aus
Einziger Domain ControllerAnmeldung und DNS gefährdet

Cluster und Redundanz sollen Single Points of Failure reduzieren.


Redundanz

Redundanz bedeutet, dass wichtige Komponenten mehrfach vorhanden sind.

Beispiele:

KomponenteRedundanz
ServerMehrere Cluster-Nodes
NetzteilZwei Netzteile
NetzwerkMehrere Netzwerkkarten
SwitchZwei Switches
StorageRAID, Replikation oder verteiltes Storage
InternetZweite Leitung
DiensteMehrere Server mit gleicher Rolle

Merksatz:

Redundanz bedeutet, dass eine kritische Komponente nicht nur einmal vorhanden ist.


Cluster-Node

Ein Cluster-Node ist ein einzelner Server innerhalb eines Clusters.

Beispiel:

NodeAufgabe
HV01Virtualisierungshost 1
HV02Virtualisierungshost 2
HV03Virtualisierungshost 3

Alle Nodes zusammen bilden den Cluster.


Cluster-Ressource

Eine Cluster-Ressource ist ein Dienst, eine VM, eine IP-Adresse oder ein Speicherbereich, der vom Cluster verwaltet wird.

Beispiele:

Cluster-RessourceErklärung
Virtuelle MaschineKann auf verschiedenen Hosts laufen
IP-AdresseWird einem aktiven Dienst zugeordnet
DateifreigabeWird vom aktiven Node bereitgestellt
DatenbankdienstKann auf anderem Node starten
StorageGemeinsamer Speicherbereich
AnwendungWird vom Cluster überwacht

Failover

Failover bedeutet, dass ein Dienst bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt.

Beispiel:

SchrittEreignis
1VM läuft auf HV01
2HV01 fällt aus
3Cluster erkennt den Ausfall
4VM wird auf HV02 neu gestartet
5Dienst ist wieder erreichbar

Merksatz:

Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall.


Failback

Failback bedeutet, dass ein Dienst nach der Reparatur wieder auf das ursprüngliche System zurückverschoben wird.

Beispiel:

SchrittEreignis
1VM läuft ursprünglich auf HV01
2HV01 fällt aus
3VM wird auf HV02 gestartet
4HV01 wird repariert
5VM wird zurück auf HV01 verschoben

Failback kann automatisch oder manuell erfolgen.


Automatisches Failover

Beim automatischen Failover erkennt der Cluster einen Fehler selbst und startet die betroffene Ressource auf einem anderen Node.

Vorteile:

VorteilErklärung
Schnelle ReaktionKein manuelles Eingreifen nötig
Weniger AusfallzeitDienst schneller wieder verfügbar
Bessere VerfügbarkeitBesonders bei kritischen Diensten

Nachteil:

Automatisches Failover muss gut geplant werden, damit es nicht durch Fehlalarme oder Netzwerkprobleme zu unerwünschten Umschaltungen kommt.


Manuelles Failover

Beim manuellen Failover stößt ein Administrator die Umschaltung bewusst an.

Typische Gründe:

GrundBeispiel
WartungNode soll aktualisiert werden
TestFailover-Funktion prüfen
LastverteilungRessource auf anderen Node verschieben
FehleranalyseDienst bewusst verlagern

Manuelles Failover ist kontrollierter, aber nicht so schnell wie automatisches Failover.


Heartbeat

Heartbeat ist ein regelmäßiges Signal zwischen Cluster-Nodes.

Damit prüfen die Nodes gegenseitig, ob sie noch erreichbar sind.

Beispiel:

NodeSignal
HV01sendet Heartbeat
HV02sendet Heartbeat
HV03sendet Heartbeat

Wenn ein Node keine Heartbeat-Signale mehr sendet, kann der Cluster einen Ausfall vermuten.


Heartbeat ist nicht gleich echter Serverausfall

Ein fehlender Heartbeat kann verschiedene Ursachen haben.

UrsacheBedeutung
Server ist wirklich ausgefallenNode ist nicht mehr aktiv
NetzwerkproblemNode lebt, ist aber nicht erreichbar
SwitchproblemVerbindung zwischen Nodes gestört
FirewallproblemHeartbeat wird blockiert
ÜberlastungNode reagiert zu langsam

Deshalb braucht ein Cluster zusätzliche Entscheidungsmechanismen wie Quorum.


Quorum

Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus in einem Cluster.

Es legt fest, welcher Teil eines Clusters weiterarbeiten darf.

Ziel:

Der Cluster soll auch bei Kommunikationsproblemen eine eindeutige Entscheidung treffen können.

Merksatz:

Quorum verhindert, dass mehrere Cluster-Teile gleichzeitig unabhängig voneinander aktiv werden.


Warum Quorum wichtig ist

Beispiel:

Ein Cluster besteht aus zwei Nodes.

Die Netzwerkverbindung zwischen beiden Nodes bricht ab.

Problem:

Beide Nodes könnten denken:

Der andere Node ist ausgefallen, also übernehme ich.

Wenn beide gleichzeitig aktiv werden und auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen.

Quorum soll genau das verhindern.


Split-Brain

Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand in einem Cluster.

Dabei verlieren Cluster-Teile die Verbindung zueinander und arbeiten gleichzeitig weiter, obwohl sie nicht mehr sauber koordiniert sind.

Problem:

Beide Seiten können glauben, sie seien der aktive Cluster.

Mögliche Folgen:

FolgeErklärung
DatenkorruptionMehrere Systeme schreiben auf dieselben Daten
Inkonsistente DiensteUnterschiedliche Zustände
DatenverlustÄnderungen können verloren gehen
Komplexe WiederherstellungManuelle Reparatur nötig

Merksatz:

Split-Brain ist ein gefährlicher Cluster-Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden.


Witness

Ein Witness ist eine zusätzliche Entscheidungsinstanz für das Quorum.

Er hilft dem Cluster, eine Mehrheit zu bilden.

Beispiele:

Witness-ArtErklärung
File Share WitnessNetzwerkfreigabe als Zeuge
Disk WitnessGemeinsamer Datenträger als Zeuge
Cloud WitnessCloud-Dienst als Zeuge

Besonders bei Clustern mit gerader Node-Anzahl ist ein Witness wichtig.


Beispiel mit zwei Nodes und Witness

KomponenteStimme
Node 11 Stimme
Node 21 Stimme
Witness1 Stimme

Wenn Node 1 die Verbindung zu Node 2 verliert, entscheidet die Mehrheit.

Der Teil, der noch die Mehrheit besitzt, darf weiterarbeiten.


Aktiv/Passiv-Cluster

Bei einem Aktiv/Passiv-Cluster ist ein Node aktiv und ein anderer Node wartet als Reserve.

Beispiel:

NodeZustand
Node 1Aktiv
Node 2Passiv / Standby

Wenn Node 1 ausfällt, übernimmt Node 2.

Vorteile:

VorteilErklärung
Einfaches KonzeptLeicht verständlich
Klare ZuständigkeitEin aktives System
Gute AbsicherungReserve steht bereit

Nachteile:

NachteilErklärung
Ressourcen ungenutztPassiver Node macht im Normalbetrieb wenig
TeurerHardware wird als Reserve vorgehalten

Aktiv/Aktiv-Cluster

Bei einem Aktiv/Aktiv-Cluster arbeiten mehrere Nodes gleichzeitig.

Beispiel:

NodeZustand
Node 1Aktiv
Node 2Aktiv
Node 3Aktiv

Vorteile:

VorteilErklärung
Bessere RessourcennutzungAlle Nodes arbeiten
SkalierbarkeitLast kann verteilt werden
FlexibilitätDienste können verteilt laufen

Nachteile:

NachteilErklärung
KomplexerPlanung und Konfiguration aufwendiger
AbhängigkeitenAnwendungen müssen dafür geeignet sein
Failover-Reserve nötigTrotz Aktiv/Aktiv muss Kapazität für Ausfälle bleiben

Aktiv/Passiv vs. Aktiv/Aktiv

MerkmalAktiv/PassivAktiv/Aktiv
NormalbetriebEin Node aktiv, einer wartetMehrere Nodes aktiv
RessourcennutzungWeniger effizientEffizienter
KomplexitätEinfacherKomplexer
BeispielDatenbankdienst mit StandbyMehrere Webserver
FailoverPassiver Node übernimmtAndere aktive Nodes übernehmen zusätzlich

High Availability

High Availability bedeutet Hochverfügbarkeit.

Ziel:

Ein Dienst soll möglichst wenig ausfallen.

Typische Maßnahmen:

MaßnahmeWirkung
Mehrere ServerAusfall eines Servers abfangen
Redundantes NetzwerkNetzwerkfehler reduzieren
Redundanter StorageSpeicherverfügbarkeit erhöhen
MonitoringFehler erkennen
FailoverDienst auf anderem System starten
BackupsWiederherstellung ermöglichen
USVStromausfälle abfangen

Fault Tolerance

Fault Tolerance bedeutet Fehlertoleranz.

Dabei soll ein Dienst möglichst ohne Unterbrechung weiterlaufen, auch wenn eine Komponente ausfällt.

Unterschied:

BegriffBedeutung
High AvailabilityDienst wird nach Ausfall schnell wiederhergestellt
Fault ToleranceDienst läuft möglichst ohne merkbare Unterbrechung weiter

Fault Tolerance ist technisch aufwendiger als normale Hochverfügbarkeit.


Hochverfügbarkeit vs. Backup

Hochverfügbarkeit und Backup sind nicht dasselbe.

HochverfügbarkeitBackup
Soll Ausfallzeit reduzierenSoll Daten wiederherstellen
Hilft bei Hardware- oder DienstausfallHilft bei Datenverlust
Arbeitet oft automatischRestore muss geplant werden
Schützt nicht vor falschen DatenKann ältere Zustände wiederherstellen
Kein Ersatz für BackupKein Ersatz für HA

Beispiel:

Wenn eine Datei gelöscht wird, repliziert oder übernimmt ein HA-System diesen Zustand eventuell ebenfalls.

Ein Backup kann eine ältere Version wiederherstellen.


Cluster vs. Backup

Ein Cluster schützt nicht automatisch vor Datenverlust.

Beispiel:

EreignisHilft Cluster?Hilft Backup?
Host fällt ausJaNicht primär
Dienst stürzt abTeilweiseNicht primär
Datei gelöschtNeinJa
Ransomware verschlüsselt DatenNeinJa, wenn Backup geschützt ist
Storage komplett defektNur bei redundantem StorageJa, wenn Backup getrennt liegt
FehlkonfigurationTeilweise neinJa, wenn alter Stand vorhanden

Merksatz:

Ein Cluster erhöht Verfügbarkeit, ein Backup schützt vor Datenverlust. Beides wird benötigt.


Virtualisierungscluster

Ein Virtualisierungscluster besteht aus mehreren Hypervisor-Hosts.

Darauf laufen virtuelle Maschinen.

Beispiel:

NodeAufgabe
HV01Host für VMs
HV02Host für VMs
HV03Host für VMs

Wenn ein Host ausfällt, können VMs auf einem anderen Host neu gestartet werden.


Beispiel Virtualisierungscluster

VMLäuft aktuell auf
DC01HV01
FILE01HV01
WEB01HV02
DB01HV03
MON01HV02

Wenn HV01 ausfällt:

VMNeuer Host
DC01HV02
FILE01HV03

Voraussetzung:

Die anderen Hosts müssen genug freie Ressourcen haben.


Ressourcenreserve im Cluster

Ein Cluster braucht Reserven.

Wenn ein Node ausfällt, müssen die verbleibenden Nodes dessen VMs übernehmen können.

Beispiel:

ClusterProblem
3 Hosts, alle zu 100 % ausgelastetKein Host-Ausfall abfangbar
3 Hosts mit ReserveAusfall eines Hosts kann abgefangen werden

Merksatz:

Ein Cluster ohne freie Ressourcen kann kein sinnvolles Failover leisten.


N+1-Prinzip

N+1 bedeutet:

Es gibt eine zusätzliche Reservekomponente.

Beispiel:

Für die normale Last werden zwei Hosts benötigt.

Ein dritter Host ist als Reserve vorhanden.

BenötigtVorhanden
2 Hosts3 Hosts

Wenn ein Host ausfällt, können die verbleibenden Hosts die Last übernehmen.


N+2-Prinzip

N+2 bedeutet:

Es gibt zwei zusätzliche Reservekomponenten.

Beispiel:

Für die normale Last werden drei Hosts benötigt.

Es sind fünf Hosts vorhanden.

BenötigtVorhanden
3 Hosts5 Hosts

Dadurch kann der Cluster den Ausfall von zwei Hosts besser verkraften.


Shared Storage im Cluster

Shared Storage ist gemeinsamer Speicher, auf den mehrere Cluster-Nodes zugreifen können.

Beispiel:

HostZugriff auf Storage
HV01Ja
HV02Ja
HV03Ja

Vorteil:

Wenn eine VM auf einem anderen Host gestartet werden soll, kann dieser Host direkt auf die VM-Daten zugreifen.


Beispiele für Shared Storage

Storage-ArtErklärung
SANStorage Area Network
NASNetwork Attached Storage
iSCSIBlockspeicher über IP
Fibre ChannelDediziertes Storage-Netz
NFSNetzwerkdateisystem
SMB 3.0Dateifreigabe für bestimmte Hyper-V-Szenarien

Risiko bei Shared Storage

Shared Storage kann selbst ein Single Point of Failure sein.

Beispiel:

Wenn alle Hosts auf denselben Storage zugreifen und dieser Storage ausfällt, sind alle VMs betroffen.

Deshalb muss auch der Storage redundant geplant werden.

Maßnahmen:

MaßnahmeWirkung
RAIDSchutz vor Festplattenausfall
Redundante ControllerSchutz vor Controllerdefekt
Mehrere NetzwegeSchutz vor Netzwerkfehler
Zwei SwitchesSchutz vor Switchausfall
ReplikationKopie auf anderem Storage
BackupWiederherstellung bei Datenverlust

Shared-Nothing-Cluster

Bei einem Shared-Nothing-Cluster hat jeder Node eigenen lokalen Speicher.

Die Daten werden zwischen den Nodes repliziert oder verteilt.

Beispiele:

TechnologiePrinzip
CephVerteilter Storage
VMware vSANVerteilter Speicher über Hosts
Storage Spaces DirectMicrosoft verteilter Storage
GlusterFSVerteiltes Dateisystem

Vorteil:

Kein einzelner zentraler Storage muss zwingend vorhanden sein.

Nachteil:

Die Einrichtung ist komplexer und benötigt ein gutes Netzwerk.


Cluster-Netzwerke

Ein Cluster verwendet oft mehrere getrennte Netzwerke.

Beispiele:

NetzwerkAufgabe
Management-NetzVerwaltung der Hosts
VM-NetzNetzwerkverkehr der virtuellen Maschinen
Storage-NetzZugriff auf SAN, NAS, iSCSI oder NFS
Migration-NetzLive Migration von VMs
Cluster-HeartbeatÜberwachung der Nodes
Backup-NetzDatenverkehr für Sicherungen

Diese Trennung kann physisch oder über VLANs erfolgen.


Warum Netztrennung wichtig ist

GrundErklärung
SicherheitManagement und Storage nicht im normalen Clientnetz
PerformanceStorage- und Backupverkehr stören nicht den Benutzerverkehr
ÜbersichtKlare Trennung der Aufgaben
FehlerbegrenzungProbleme in einem Netz betreffen nicht alles
HochverfügbarkeitRedundante Wege möglich

Live Migration im Cluster

Live Migration bedeutet, dass eine laufende VM von einem Host auf einen anderen Host verschoben wird.

Beispiel:

VorherNachher
VM läuft auf HV01VM läuft auf HV02

Die VM soll dabei weiterlaufen.

Nutzen:

SituationVorteil
WartungHost kann aktualisiert werden
LastverteilungVMs können besser verteilt werden
HardwaretauschVM vorher verschieben
ClusterbetriebFlexible Verwaltung

Failover vs. Live Migration

BegriffSituationUnterbrechung
FailoverFehler oder AusfallHäufig kurze Unterbrechung
Live MigrationGeplante VerschiebungMöglichst keine Unterbrechung

Beispiel:

SituationRichtiger Begriff
Host fällt plötzlich ausFailover
Admin verschiebt VM vor WartungLive Migration

Wartungsmodus

Ein Cluster-Node kann in den Wartungsmodus versetzt werden.

Typischer Ablauf:

SchrittErklärung
Wartungsmodus aktivierenHost soll keine produktiven VMs mehr betreiben
VMs migrierenVMs auf andere Hosts verschieben
Updates installierenHost aktualisieren
Neustart durchführenFalls nötig
Funktion prüfenHost kontrollieren
Wartungsmodus beendenHost wieder nutzen

Wartungsmodus hilft, geplante Arbeiten ohne unnötige Ausfälle durchzuführen.


Cluster-Monitoring

Ein Cluster muss überwacht werden.

Wichtige Werte:

BereichMesswert
NodesOnline, offline, Fehler
VMsLäuft, gestoppt, migriert
RessourcenCPU, RAM, Storage
NetzwerkHeartbeat, Paketverlust, Latenz
StorageFreier Speicher, IOPS, Latenz
Failover-EreignisseWann wurde umgeschaltet?
QuorumIst Quorum vorhanden?
BackupsErfolgreich oder fehlgeschlagen?

Cluster-Logs

Cluster-Logs helfen bei Fehlersuche.

Typische Fragen:

FrageWarum wichtig?
Warum wurde ein Failover ausgelöst?Ursache finden
Welcher Node war betroffen?Fehler eingrenzen
Gab es Heartbeat-Probleme?Netzwerk prüfen
War Storage erreichbar?Storagefehler erkennen
Gab es Ressourcenmangel?Kapazität prüfen
Wurde Quorum verloren?Split-Brain-Risiko prüfen

Cluster und Updates

Updates in einem Cluster müssen geplant werden.

Typischer Ablauf:

SchrittErklärung
Backup prüfenSicherung vorhanden?
Clusterzustand prüfenAlle Nodes gesund?
Node in Wartungsmodus setzenKeine produktiven VMs dort
VMs verschiebenLive Migration nutzen
Updates installierenHost aktualisieren
Neustart durchführenFalls erforderlich
Funktion prüfenNode wieder gesund?
Nächsten Node aktualisierenSchrittweise vorgehen

Merksatz:

Cluster-Updates sollten nacheinander und kontrolliert erfolgen, nicht auf allen Nodes gleichzeitig.


Cluster und Backup

Auch in einem Cluster braucht man Backups.

Warum?

RisikoCluster reicht nicht
Datei wird gelöschtLöschung bleibt im Cluster gültig
Datenbank wird beschädigtBeschädigung kann repliziert werden
RansomwareDaten können überall verschlüsselt werden
FehlkonfigurationFalscher Zustand bleibt aktiv
StoragefehlerCluster hilft nur bei passender Storage-Redundanz

Deshalb:

Cluster und Backup gehören zusammen.


Clusterfähige Anwendungen

Nicht jede Anwendung ist automatisch clusterfähig.

Eine Anwendung ist clusterfähig, wenn sie in einer Umgebung mit mehreren Systemen zuverlässig betrieben werden kann.

Beispiele:

Anwendung / DienstClusterfähigkeit
WebserverMeist gut skalierbar
DatenbankBenötigt spezielle Cluster- oder Replikationsfunktion
DateiserverBenötigt gemeinsamen oder replizierten Speicher
Alte EinzelplatzsoftwareOft nicht geeignet
Domain ControllerMehrere DCs möglich, aber kein klassischer Failover-Cluster

Stateful und Stateless

Für Cluster ist wichtig, ob eine Anwendung zustandsbehaftet oder zustandslos arbeitet.

BegriffBedeutung
StatelessServer speichert keinen wichtigen Sitzungszustand lokal
StatefulServer speichert Sitzungszustand oder lokale Daten

Stateless-Anwendungen sind einfacher zu skalieren.

Stateful-Anwendungen brauchen besondere Konzepte wie gemeinsamen Speicher, Replikation oder Session-Persistenz.


Beispiel Stateless

Ein Webserver liefert statische Webseiten aus.

Mehrere Webserver können dieselben Dateien bereitstellen.

Ein Load Balancer verteilt Anfragen.

Wenn ein Webserver ausfällt, übernimmt ein anderer.

Das ist vergleichsweise einfach.


Beispiel Stateful

Eine Datenbank speichert laufend Transaktionen.

Mehrere Datenbankserver müssen genau wissen, welche Daten aktuell gültig sind.

Das ist deutlich komplexer.

Hier braucht man Replikation, Failover-Konzepte oder spezielle Datenbankcluster.


Clusterarten

Es gibt verschiedene Arten von Clustern.

ClusterartZiel
Failover-ClusterDienst bei Ausfall auf anderem Node starten
Load-Balancing-ClusterAnfragen auf mehrere Systeme verteilen
Storage-ClusterSpeicher verteilt oder hochverfügbar bereitstellen
Datenbank-ClusterDatenbank hochverfügbar oder skalierbar betreiben
VirtualisierungsclusterVMs auf mehreren Hosts betreiben
Container-ClusterContainer auf mehreren Nodes betreiben

Failover-Cluster

Ein Failover-Cluster ist darauf ausgelegt, Dienste bei Ausfall auf einem anderen Node weiterzuführen oder neu zu starten.

Typische Beispiele:

EinsatzBeispiel
VirtualisierungVM startet auf anderem Host
DateiserverDateidienst wechselt auf anderen Node
DatenbankDatenbankinstanz übernimmt auf anderem Node
AnwendungDienst startet auf Ersatzsystem

Load-Balancing-Cluster

Ein Load-Balancing-Cluster verteilt Anfragen auf mehrere aktive Systeme.

Beispiel:

SystemAufgabe
Load BalancerVerteilt Anfragen
WEB01Webserver
WEB02Webserver
WEB03Webserver

Ziel:

ZielErklärung
Mehr LeistungMehrere Server teilen sich Arbeit
Bessere VerfügbarkeitAusfall eines Servers kann abgefangen werden
SkalierbarkeitWeitere Server können ergänzt werden

Load Balancing wird auf einer eigenen Seite genauer behandelt.


Failover-Cluster vs. Load Balancing

MerkmalFailover-ClusterLoad Balancing
HauptzielAusfallsicherheitLastverteilung
NormalbetriebOft eine aktive RessourceMehrere Systeme aktiv
AusfallRessource wechselt oder startet neuAnfragen gehen an andere Server
BeispielVM startet auf anderem HostWebanfragen auf WEB01/WEB02
Typische DiensteVMs, Datenbanken, DateiserverWebserver, APIs, Anwendungen

Cluster in Windows-Umgebungen

In Windows-Umgebungen gibt es den Failover Cluster.

Typische Begriffe:

BegriffBedeutung
Failover ClusterMicrosoft-Clusterfunktion
Cluster NodeServer im Cluster
Cluster ResourceVerwaltete Ressource
CSVCluster Shared Volume
QuorumEntscheidungsmechanismus
WitnessZusätzlicher Zeuge
Live MigrationVM wird laufend verschoben

Cluster in VMware-Umgebungen

In VMware-Umgebungen sind typische Begriffe:

BegriffBedeutung
ESXiHypervisor
vCenterZentrale Verwaltung
vMotionLive Migration
HAHochverfügbarkeit
DRSAutomatische Lastverteilung
DatastoreSpeicherbereich
ClusterGruppe von ESXi-Hosts

Cluster in Proxmox-Umgebungen

In Proxmox-Umgebungen gibt es ebenfalls Clusterfunktionen.

Typische Begriffe:

BegriffBedeutung
NodeEinzelner Proxmox-Host
ClusterZusammenschluss mehrerer Nodes
HA ManagerVerwaltung hochverfügbarer Ressourcen
CephVerteilter Storage
QuorumMehrheitsentscheidung
MigrationVM oder Container verschieben
VMIDEindeutige ID einer VM oder eines Containers

Cluster in Container-Umgebungen

Container können ebenfalls in Clustern betrieben werden.

Beispiele:

PlattformBedeutung
KubernetesContainer-Orchestrierung
Docker SwarmEinfacherer Container-Cluster
NomadWorkload-Orchestrierung

Typische Funktionen:

FunktionErklärung
SchedulingContainer auf Nodes verteilen
Self-HealingFehlerhafte Container neu starten
ScalingMehr Instanzen starten
Service DiscoveryDienste auffindbar machen
Rolling UpdatesSchrittweise Updates durchführen

Kapazitätsplanung im Cluster

Ein Cluster muss so geplant werden, dass ein Ausfall abgefangen werden kann.

Wichtige Fragen:

FrageBedeutung
Wie viele Nodes gibt es?Grundstruktur
Wie viele Nodes dürfen ausfallen?Verfügbarkeitsziel
Reicht CPU nach Ausfall?VMs müssen weiterlaufen
Reicht RAM nach Ausfall?RAM ist oft kritisch
Reicht Storage?VM-Daten und Snapshots
Reicht Netzwerkbandbreite?Migration, Storage, Backup
Gibt es Quorum?Cluster muss entscheiden können

Beispiel Kapazitätsplanung

Ein Cluster hat drei Hosts.

Jeder Host hat:

RessourceWert
CPU32 Kerne
RAM256 GB
StoragezugriffShared Storage

Wenn ein Host ausfällt, müssen zwei Hosts die Last von drei Hosts tragen können.

Deshalb sollte der Cluster nicht dauerhaft zu stark ausgelastet sein.


Typische Fehler bei Clustern

FehlerAuswirkung
Kein Quorum-KonzeptSplit-Brain-Gefahr
Kein Witness bei zwei NodesUnsichere Mehrheitsentscheidung
Cluster voll ausgelastetFailover nicht möglich
Shared Storage nicht redundantStorage bleibt Single Point of Failure
Keine NetzwerkredundanzHeartbeat oder Storage fällt aus
Kein BackupCluster schützt nicht vor Datenverlust
Keine DokumentationFehlersuche wird schwierig
Keine Failover-TestsFunktion im Ernstfall unsicher
Updates auf allen Nodes gleichzeitigGesamtausfall möglich
Monitoring fehltProbleme werden zu spät erkannt

Gute Praxis bei Clustern

EmpfehlungGrund
Quorum sauber planenSplit-Brain verhindern
Witness verwendenBesonders bei gerader Node-Anzahl
Ressourcenreserve einplanenFailover ermöglichen
Storage redundant auslegenStorage-Ausfall vermeiden
Netzwerk redundant auslegenHeartbeat, Storage und Migration absichern
Cluster regelmäßig testenFailover-Funktion prüfen
Backups unabhängig haltenSchutz vor Datenverlust
Dokumentation pflegenBetrieb nachvollziehbar machen
Monitoring einrichtenFehler früh erkennen
Updates schrittweise durchführenAusfallrisiko senken

Prüfungsnahes Beispiel 1

Aufgabe:

Ein Unternehmen betreibt eine wichtige VM auf einem einzelnen Hypervisor-Host. Wenn dieser Host ausfällt, ist die VM nicht verfügbar.

Frage:

Welche Lösung verbessert die Verfügbarkeit?

Mögliche Antwort:

Eine Lösung wäre ein Virtualisierungscluster aus mehreren Hosts. Die VM kann dann bei Ausfall eines Hosts auf einem anderen Host neu gestartet werden. Zusätzlich werden gemeinsamer oder replizierter Storage, Netzwerkredundanz, Monitoring und Backups benötigt.


Prüfungsnahes Beispiel 2

Aufgabe:

Ein Cluster mit zwei Nodes verliert die Netzwerkverbindung zwischen den Nodes. Beide Nodes greifen auf denselben Speicher zu.

Frage:

Welches Risiko entsteht?

Mögliche Antwort:

Es besteht die Gefahr eines Split-Brain-Zustands. Beide Nodes könnten glauben, dass der jeweils andere ausgefallen ist und gleichzeitig aktiv werden. Wenn beide auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen. Ein korrektes Quorum mit Witness soll das verhindern.


Prüfungsnahes Beispiel 3

Aufgabe:

Ein Unternehmen hat einen Drei-Node-Cluster. Alle Hosts sind dauerhaft zu 95 Prozent ausgelastet.

Frage:

Warum ist das problematisch?

Mögliche Antwort:

Bei Ausfall eines Nodes müssten die verbleibenden Hosts dessen Last übernehmen. Wenn sie bereits fast vollständig ausgelastet sind, reicht die Kapazität dafür nicht aus. Ein Cluster benötigt Ressourcenreserven, zum Beispiel nach dem N+1-Prinzip.


Prüfungsnahes Beispiel 4

Aufgabe:

Ein Administrator meint: „Wir brauchen keine Backups, weil unsere Server im Cluster laufen.“

Frage:

Warum ist diese Aussage falsch?

Mögliche Antwort:

Ein Cluster erhöht die Verfügbarkeit, schützt aber nicht zuverlässig vor Datenverlust. Versehentlich gelöschte Dateien, Ransomware, Datenkorruption oder Fehlkonfigurationen können im Cluster ebenfalls wirksam werden. Backups sind weiterhin notwendig.


Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Cluster?

Mögliche Antwort:

Ein Cluster ist ein Zusammenschluss mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern. Ziel ist meistens Hochverfügbarkeit, Lastverteilung, Skalierbarkeit oder bessere Wartbarkeit.


Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Cluster-Node?

Mögliche Antwort:

Ein Cluster-Node ist ein einzelner Server innerhalb eines Clusters. Mehrere Nodes bilden zusammen den Cluster.


Typische Prüfungsfrage: Was ist Failover?

Mögliche Antwort:

Failover bedeutet, dass ein Dienst oder eine Ressource bei Ausfall eines Systems auf ein anderes System wechselt oder dort neu gestartet wird. Dadurch wird die Ausfallzeit reduziert.


Typische Prüfungsfrage: Was ist Failback?

Mögliche Antwort:

Failback bedeutet, dass ein Dienst nach der Reparatur oder Wiederverfügbarkeit des ursprünglichen Systems wieder dorthin zurückverschoben wird.


Typische Prüfungsfrage: Was ist Quorum?

Mögliche Antwort:

Quorum ist ein Entscheidungsmechanismus in einem Cluster. Es legt fest, welcher Teil des Clusters weiterarbeiten darf. Dadurch wird verhindert, dass mehrere Cluster-Teile gleichzeitig aktiv werden und Daten beschädigen.


Typische Prüfungsfrage: Was ist Split-Brain?

Mögliche Antwort:

Split-Brain ist ein gefährlicher Zustand, bei dem getrennte Cluster-Teile gleichzeitig glauben, aktiv sein zu dürfen. Wenn beide Seiten auf dieselben Daten schreiben, kann es zu Datenkorruption kommen. Quorum und Witness helfen, Split-Brain zu verhindern.


Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Witness?

Mögliche Antwort:

Ein Witness ist eine zusätzliche Entscheidungsinstanz in einem Cluster. Er hilft beim Quorum, eine Mehrheit zu bilden. Beispiele sind File Share Witness, Disk Witness oder Cloud Witness.


Typische Prüfungsfrage: Unterschied Aktiv/Passiv und Aktiv/Aktiv

Aktiv/PassivAktiv/Aktiv
Ein Node ist aktiv, ein anderer wartetMehrere Nodes arbeiten gleichzeitig
Einfacher AufbauBessere Ressourcennutzung
Passiver Node als ReserveAlle Nodes können produktiv genutzt werden
Beispiel: Dienst mit Standby-NodeBeispiel: mehrere Webserver

Typische Prüfungsfrage: Unterschied Hochverfügbarkeit und Fehlertoleranz

HochverfügbarkeitFehlertoleranz
Dienst wird nach Ausfall schnell wiederhergestelltDienst läuft möglichst ohne Unterbrechung weiter
Kurze Unterbrechung möglichMöglichst keine merkbare Unterbrechung
Häufiger in normalen IT-UmgebungenTechnisch aufwendiger

Typische Prüfungsfrage: Warum braucht ein Cluster trotzdem Backups?

Mögliche Antwort:

Ein Cluster schützt vor Ausfällen einzelner Systeme, aber nicht vor versehentlichem Löschen, Ransomware, Datenkorruption oder Fehlkonfiguration. Backups werden benötigt, um ältere oder saubere Datenstände wiederherzustellen.


Typische Prüfungsfrage: Was ist der Unterschied zwischen Failover und Live Migration?

FailoverLive Migration
Reaktion auf Fehler oder AusfallGeplante Verschiebung
Häufig kurze UnterbrechungMöglichst ohne Unterbrechung
Beispiel: Host fällt ausBeispiel: Wartung eines Hosts

Typische Prüfungsfrage: Warum braucht ein Cluster Ressourcenreserven?

Mögliche Antwort:

Wenn ein Node ausfällt, müssen die verbleibenden Nodes dessen Dienste oder VMs übernehmen können. Sind alle Nodes bereits voll ausgelastet, ist kein zuverlässiges Failover möglich. Deshalb braucht ein Cluster freie CPU-, RAM-, Storage- und Netzwerkressourcen.


Wichtige Begriffe

BegriffKurz erklärt
ClusterVerbund mehrerer Server
NodeEinzelner Server im Cluster
Cluster-RessourceVom Cluster verwalteter Dienst oder Objekt
HochverfügbarkeitDienst soll möglichst wenig ausfallen
FailoverÜbernahme bei Ausfall
FailbackRückkehr auf ursprüngliches System
HeartbeatRegelmäßiges Signal zwischen Nodes
QuorumEntscheidungsmechanismus im Cluster
WitnessZusätzlicher Zeuge für Quorum
Split-BrainGetrennte Cluster-Teile werden gleichzeitig aktiv
Aktiv/PassivEin aktiver Node, ein Standby-Node
Aktiv/AktivMehrere Nodes arbeiten gleichzeitig
High AvailabilityHochverfügbarkeit
Fault ToleranceFehlertoleranz
Shared StorageGemeinsamer Speicher
Shared-NothingKein zentral gemeinsamer Speicher
N+1Eine Reservekomponente
N+2Zwei Reservekomponenten
WartungsmodusNode für Wartung vorbereiten
Live MigrationLaufende VM verschieben
Single Point of FailureEinzelne kritische Ausfallstelle
RedundanzKritische Komponenten mehrfach vorhanden

Wichtige Merksätze

Ein Cluster ist ein Verbund mehrerer Server, die gemeinsam Dienste bereitstellen oder absichern.

Hochverfügbarkeit reduziert Ausfallzeiten, verhindert aber nicht automatisch jede Unterbrechung.

Failover bedeutet Übernahme bei Ausfall.

Failback bedeutet Rückkehr auf das ursprüngliche System.

Heartbeat dient zur Überwachung der Cluster-Nodes.

Quorum verhindert gefährliche Split-Brain-Situationen.

Ein Witness hilft dem Cluster bei der Mehrheitsentscheidung.

Ein Cluster braucht Ressourcenreserven, sonst kann er keinen Ausfall abfangen.

Shared Storage muss ebenfalls redundant geplant werden.

Ein Cluster ersetzt kein Backup.

Snapshots ersetzen kein Backup.

RAID ersetzt kein Backup.

Live Migration ist für geplante Verschiebungen, Failover für Fehlerfälle.


Kurzzusammenfassung

Cluster und Hochverfügbarkeit dienen dazu, wichtige IT-Dienste zuverlässiger bereitzustellen.

Ein Cluster besteht aus mehreren Nodes.
Diese Nodes können Dienste, virtuelle Maschinen oder andere Ressourcen gemeinsam verwalten.

Wichtige Ziele sind:

ZielBedeutung
HochverfügbarkeitWeniger Ausfallzeit
FailoverÜbernahme bei Ausfall
WartbarkeitSysteme können nacheinander gewartet werden
SkalierbarkeitWeitere Nodes können ergänzt werden
RedundanzEinzelne Ausfälle besser abfangen

Besonders wichtig sind:

ThemaKerngedanke
QuorumEindeutige Entscheidung im Cluster
WitnessHilft bei Mehrheitsentscheidung
Split-BrainGefährlicher Zustand bei Kommunikationsverlust
RessourcenreserveNotwendig für echtes Failover
Shared StoragePraktisch, aber selbst kritisch
BackupWeiterhin zwingend notwendig
MonitoringFehler früh erkennen
DokumentationBetrieb nachvollziehbar machen

Für die IHK ist besonders wichtig:

Prüfungsrelevanter PunktBedeutung
Cluster erklären könnenMehrere Server arbeiten zusammen
Failover erklären könnenDienst übernimmt auf anderem System
Quorum verstehenVerhindert falsche Mehrfachaktivität
Split-Brain kennenGefahr für Datenkonsistenz
Aktiv/Aktiv und Aktiv/Passiv unterscheidenUnterschiedliche Clusterkonzepte
Cluster vs. Backup unterscheidenVerfügbarkeit ist nicht Datensicherung
Ressourcenreserven beachtenCluster muss Ausfall abfangen können

Der nächste logische Schritt ist:

Failover, Quorum und Split-Brain