隨著新基建提速換擋，必將帶動基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)的新一輪增長。當(dāng)我們關(guān)注高光項目的同時，不應(yīng)忽略傳統(tǒng)IT需求，傳統(tǒng)IT領(lǐng)域很多應(yīng)用上云面臨種種困難，如何讓他們在新基建浪潮提速?

比如在工業(yè)制造業(yè)、交通、能源電力等傳統(tǒng)行業(yè)的業(yè)務(wù)場景中，可用性永遠(yuǎn)是高頻詞匯，如何讓應(yīng)用主機(jī)在不同物理節(jié)點之間實現(xiàn)秒級切換?如何獲得可靠、高效的FT/HA技術(shù)讓用戶服務(wù)“永不宕機(jī)”?

在前一篇文章《邊緣計算體驗之二：簡單高可用 ZStack Mini的巧妙設(shè)計》中，介紹了ZStack如何在2U機(jī)箱設(shè)計的ZStack Mini中實現(xiàn)了高可用(HA)。

當(dāng)監(jiān)測到物理節(jié)點故障無法為應(yīng)用服務(wù)器提供服務(wù)的時候，高可用就將應(yīng)用服務(wù)器遷移到正常運行的物理節(jié)點上，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，但是業(yè)務(wù)系統(tǒng)也會受到輕微影響，基于HA的高可用依舊有數(shù)分鐘的業(yè)務(wù)中斷。

這在有些場景下是不可接受的，比如一些場景需要秒級的切換，以保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。在本篇文章中，將介紹ZStack Mini 3.0中的核心功能——FT。

ZStack Mini 3.0——讓易用性更上一層樓

ZStack Mini 3.0是ZStack Mini產(chǎn)品家族的一次重大升級，主要是軟件部分的升級。可以在保持ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)硬件不變的情況下，將軟件版本從原來的2.0升級到最新的3.0，獲得更多對中小企業(yè)實際使用非常有幫助的功能。

ZStack Mini一體機(jī)升級到3.0后的管理中心界面，從左側(cè)邊欄可以看到，與2.0相比，多了“應(yīng)用中心”、“我的應(yīng)用”、“外接磁盤備份”等菜單，同時在上圖看不到的是在“存儲”中多了“FC-SAN存儲”的功能。

FC-SAN存儲功能，讓ZStack Mini可以外接FC-SAN存儲陣列，幫助企業(yè)更好地利用數(shù)據(jù)中心內(nèi)已有的FC-SAN存儲，可以利舊，并有助于數(shù)據(jù)流通與整合。

在ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)中安裝額外的FC-HBA卡，即可與數(shù)據(jù)中心內(nèi)的FC-SAN存儲進(jìn)行連接。上圖紅框中即為FC-HBA卡，正與外接FC-SAN存儲進(jìn)行數(shù)據(jù)整合

外接磁盤備份，顧名思義，就是通過將USB接口的移動硬盤(或U盤)接入ZStack Mini平臺，將ZStack Mini平臺中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)備份到磁盤之中。

應(yīng)用中心，在E企研究院測試的ZStack Mini中集成了三個應(yīng)用模板，分別為MariaDB、LNMP和Tomcat，這是許多中小企業(yè)利用Apache開源軟件構(gòu)建網(wǎng)站的“三駕馬車”，可以說是自建網(wǎng)站的最經(jīng)典的選擇。

在E企研究院使用的ZStack Mini中，集成了LNMP、MariaDB和Tomcat三個最常使用的應(yīng)用

如果利用虛機(jī)安裝這三個應(yīng)用，可能需要花費數(shù)小時，而且還極有可能出錯?，F(xiàn)在ZStack Mini將這三個應(yīng)用軟件集成到“應(yīng)用中心”內(nèi)，通過鼠標(biāo)點擊即可一鍵部署，并在數(shù)分鐘內(nèi)完成可用?？梢哉f極大地節(jié)省了用戶在安裝、部署和維護(hù)方面的難度。

通過這些功能加入，ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)平臺不但具備已有的簡單易用功能，同時也讓企業(yè)用戶在業(yè)務(wù)部署、后期維護(hù)上更簡單。這也與ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)的易用性特點是一脈相承的，產(chǎn)品的使用并不會因為升級而變得復(fù)雜。

接下來，將介紹ZStack Mini 3.0中最重磅的功能——FT功能。

FT——讓可用性進(jìn)一步提高

在前一篇文章中，采用HA(High Availability，高可用)對ZStack Mini中的虛機(jī)進(jìn)行保護(hù)的話，業(yè)務(wù)依舊會有1分鐘左右的中斷，那么ZStack Mini 3.0中新加入的FT(Fault-Tolerance，容錯)功能則能夠做到真正意義的秒級切換，且不會對業(yè)務(wù)造成影響。

口說無憑，眼見為實，我們依舊用一段視頻來演示ZStack Mini 3.0中的FT功能。

在ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)平臺中，E企研究院事先創(chuàng)建了一個目前最火熱的應(yīng)用之一——視頻直播。其由兩個虛機(jī)構(gòu)成：視頻推流服務(wù)器： 其作用類似于我們智能手機(jī)的直播App，將手機(jī)攝像頭“看到”的圖像上傳到云端的服務(wù)器。稍微與直播不同的是，在演示中，E企研究院用一段視頻替代直播圖像，在視頻推流服務(wù)器中將一段視頻實時推流到在線編碼服務(wù)器。 在線編碼服務(wù)器： 手機(jī)中的直播App將圖像上傳到云端的編碼服務(wù)器，編碼服務(wù)器進(jìn)行編解碼，然后再推送到觀眾的手機(jī)或電腦端(接收端)。在演示中，則用演示用的筆記本電腦作為接收端。

首先，我們在視頻推流服務(wù)器中將一段視頻流推送到在線編碼器，然后用筆記本電腦接收經(jīng)過在線編碼服務(wù)器處理的音視頻信號。視頻推流服務(wù)器——在線編碼服務(wù)器——接收端，構(gòu)成了一個最簡化的視頻直播應(yīng)用環(huán)境。其中，在線編碼服務(wù)器是企業(yè)為最終用戶提供視頻直播服務(wù)的核心，一旦其出現(xiàn)故障，無法正常運行，整個直播服務(wù)將會中斷。

在視頻中，在線編碼服務(wù)器位于IP地址為“172.24.100.3”的物理主機(jī)之上，并開啟了FT保護(hù)模式。同時在ZStack Mini管理平臺中可以看到，在線編碼服務(wù)器會有一臺備用的云主機(jī)，在“FT輔助云主機(jī)信息”面板可以看到，其備用云主機(jī)正常運行在IP地址為172.24.100.4的物理主機(jī)之上。

在線編碼服務(wù)器詳情，本身位于172.24.100.3物理主機(jī)之上，使用FT保護(hù)模式，其備用云主機(jī)位于172.24.100.4物理主機(jī)之上

在視頻直播正常運行過程中，E企研究院將在線編碼服務(wù)器所在的物理主機(jī)(即172.24.100.3)進(jìn)入維護(hù)模式，以模擬這臺物理主機(jī)出現(xiàn)故障，需要停機(jī)維護(hù)，暫時無法提供服務(wù)。

ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)中，IP地址為172.24.100.3的物理主機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式

在物理主機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式時，切換到筆記本電腦接收端，音視頻信號一切正常，并沒有出現(xiàn)停頓。再看在線編碼服務(wù)器的狀態(tài)，虛機(jī)已經(jīng)切換到172.24.100.4物理主機(jī)之上，因為其原來所在的物理主機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式(172.24.100.3)。

ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)最小二節(jié)點部署，因為其中一臺物理主機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式，原本位于172.24.100.3的在線編碼服務(wù)器在第一時間就切換到了172.24.100.4物理主機(jī)之上，視頻直播業(yè)務(wù)正常運行。但是通過上圖可見，在線編碼服務(wù)器已經(jīng)不再處于保護(hù)狀態(tài)，因為其已經(jīng)沒有了備用的云主機(jī)，正處于“單工模式”，一旦其所在的物理主機(jī)也需要停機(jī)，將影響正在運行的直播業(yè)務(wù)。因此還是要盡快將故障的物理主機(jī)修復(fù)或替換，重新上線作為備份節(jié)點。

在這個測試驗證場景中，E企研究院進(jìn)入到“一體機(jī)”界面中，將處于“維護(hù)模式”的172.24.100.3這臺物理主機(jī)啟用，表示故障修復(fù)，重新上線。

在172.24.100.3這臺物理主機(jī)恢復(fù)上線之后，在線編碼服務(wù)器的FT功能自動檢測到新主機(jī)加入，將再次恢復(fù)FT保護(hù)級別;但是，在172.24.100.3這臺物理主機(jī)進(jìn)入維護(hù)模式這段時間，視頻直播應(yīng)用一直在正常運行，不斷產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)，同時內(nèi)存狀態(tài)也在實時變化。

這意味著要恢復(fù)在線編碼服務(wù)器的“FT保護(hù)級別”需要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，不僅是存儲的數(shù)據(jù)同步，還包括內(nèi)存狀態(tài)的同步;同步數(shù)據(jù)與內(nèi)存狀態(tài)，在以往的高可用方案中都是一個非常困難的問題，因為一旦出錯，就會造成數(shù)據(jù)不一致，甚至可能影響到正常運行的業(yè)務(wù)。

但是在ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)中，在經(jīng)過數(shù)分鐘的同步之后，在線編碼服務(wù)器重新達(dá)成FT保護(hù)，視頻直播業(yè)務(wù)并沒有受到影響。

如上圖所示，在線編碼服務(wù)器重新達(dá)成FT保護(hù)級別，其所在物理主機(jī)的IP地址為172.24.100.4，而原來的172.24.100.3的物理主機(jī)則承載備用云主機(jī)，與測試之前的狀態(tài)相比，主、備進(jìn)行了切換，但業(yè)務(wù)依舊正常運行。

從ZStack Mini 2.0中HA切換需要數(shù)分鐘業(yè)務(wù)停頓——這也是目前大多數(shù)虛機(jī)遷移或故障切換所需要的時間，到3.0中FT保護(hù)縮短到秒級，切換時間極大地被縮短，但并沒有引入新的硬件，也沒有提升使用難度，那么FT究竟是怎樣的技術(shù)?

FT技術(shù)背后的原理

傳統(tǒng)的基于SAN存儲的數(shù)據(jù)保護(hù)通常要么對業(yè)務(wù)造成短暫影響，要么需要額外解決方案介入，不在本文討論范圍內(nèi)。在基于虛擬化技術(shù)的云環(huán)境中，虛機(jī)遷移或虛機(jī)故障切換通常都需要一定的時間，就如同ZStack Mini 2.0中的HA技術(shù)一樣，本質(zhì)上，這都采用的相同技術(shù)。

要保證部署虛機(jī)上的業(yè)務(wù)在遷移或切換時盡量不受影響，其最重要的一環(huán)就是數(shù)據(jù)同步——包括存儲數(shù)據(jù)同步和內(nèi)存狀態(tài)同步。因為應(yīng)用程序不間斷運行，不停產(chǎn)生數(shù)據(jù)并改變內(nèi)存狀態(tài)，這就給數(shù)據(jù)同步并保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性帶來極大的挑戰(zhàn)。目前虛機(jī)間主流的數(shù)據(jù)同步方式采用鎖步(Lock-stepping)或連續(xù)檢查點(Continuous Checkpoint)。

但這兩種數(shù)據(jù)同步方式各有各的不足，比如鎖步會導(dǎo)致復(fù)制開銷過多，因為虛擬機(jī)中的內(nèi)存訪問是不確定的;而連續(xù)檢查點同樣會導(dǎo)致過多的復(fù)制，同時還會帶來額外的網(wǎng)絡(luò)延遲。

ZStack通過與英特爾的合作，延伸出一種新的數(shù)據(jù)同步方式——粗粒級鎖步(COarse-grain LOck-stepping，簡稱COLO)，來實現(xiàn)FT功能所需的快速切換。其通過比較主虛機(jī)(Primary VM，PVM)與備用虛機(jī)(Secondary VM，SVM)的傳輸數(shù)據(jù)包來進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

粗粒級鎖步(COLO)架構(gòu)示意圖，其分別通過快復(fù)制進(jìn)程與COLO代理，以及COLO Frame進(jìn)程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)與內(nèi)存狀態(tài)在PVM與SVM之間的同步

因為涉及到存儲數(shù)據(jù)和內(nèi)存狀態(tài)的同步，所以其由不同軟件模塊（并行）實現(xiàn)。比如存儲數(shù)據(jù)同步如下所示：

COLO中的讀、寫流程示意圖

在存儲數(shù)據(jù)讀寫方面：

當(dāng)應(yīng)用發(fā)起讀請求，不僅PVM直接從自身存儲進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，SVM也會進(jìn)行相應(yīng)的讀取操作，只是正常狀態(tài)下并不傳輸給應(yīng)用。

當(dāng)應(yīng)用發(fā)起寫請求，PVM將寫請求發(fā)送給SVM，同時將數(shù)據(jù)寫入自身存儲;而SVM接收到寫請求后，會將原始數(shù)據(jù)加載到SVM Cache并進(jìn)行寫入(Copy O n Write)。

在內(nèi)存狀態(tài)同步方面，COLO采用了一種巧妙的同步方式，如下圖所示：

COLO技術(shù)中的內(nèi)存狀態(tài)同步示意圖

如上圖所示，主節(jié)點會對PVM的臟頁(Dirty Pages)進(jìn)行跟蹤，并將其發(fā)送到備用節(jié)點。備用節(jié)點再收到PVM的臟頁之后，將其保存在PVM內(nèi)存緩存(Memory Cache)中，然后在檢查點，將PVM內(nèi)存緩存中的狀態(tài)更新到SVM內(nèi)存之中。

在之前的COLO技術(shù)中，COLO Proxy通常采用內(nèi)核方案(Kernel Scheme)，功能更強(qiáng)但不夠靈活，但最新COLO技術(shù)中，基于目前更為流行的用戶空間方案(Userspace scheme)的Proxy進(jìn)程則具有更佳的靈活性。

通過對FT功能背后的技術(shù)解析，我們可以看到ZStack不僅關(guān)注用戶的使用體驗，盡最大努力將ZStack Mini的使用做到最簡化，還深入用戶實際業(yè)務(wù)需求，將ZStack Mini平臺與應(yīng)用連通，提供更加簡化的使用體驗。

同時，ZStack也沒放棄對創(chuàng)新技術(shù)的追求，通過了解用戶痛點與難題，進(jìn)行針對性的開發(fā)與合作，用整個生態(tài)的力量去改變產(chǎn)品體驗，并將最新的技術(shù)融入產(chǎn)品中，傳遞給用戶，幫助用戶在最快時間享受到創(chuàng)新技術(shù)帶來的便利。

9月15日ZStack Mini邊緣計算一體機(jī)將在中國國際工業(yè)博覽會上亮相，有關(guān)FT新功能的更多詳細(xì)內(nèi)容，請掃描二維碼獲悉。

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