کلاستر سرور چیست و چطور کار می‌کند؟ (کاربرد، انواع و مزایا)

فکر می‌کنید آمازون، دیجی‌کالا، بانک‌ها و پلتفرم‌های استریم و… که در معرض افزایش ناگهانی ترافیک هستند، چطور حتی برای یک ثانیه هم از دسترس خارج نمی‌شوند؟

راز پایداری و در دسترس بودن همیشگی این سایت‌ها و اپلیکیشن‌های بزرگ، خوشه‌بندی یا کلاستر سرور است. اگر کنجکاوید درباره کلاسترینگ سرور و مزایا، چالش‌ها و انواع آن بیشتر بدانید، حتماً این مقاله را بخوانید.

کلاستر سرور چیست؟

سرور کلاستر یا سرور خوشه‌ای (Cluster Server) در واقع یک مجموعه‌ای از چند سرور به‌هم‌متصل است که با هم مثل یک سرور واحد عمل می‌کنند. هدف اصلی این ساختار، افزایش پایداری، سرعت، ظرفیت و جلوگیری از Down شدن سرویس است. به زبان ساده‌تر:

سرور کلاستر یعنی چند سرور که به هم وصل‌اند و اگر یکی از آن‌ها از کار بیفتد، بقیه سریع جایگزینش می‌شوند و سرویس بدون قطعی ادامه پیدا می‌کند.

در یک کلاستر، با اینکه هر سرور منابع سخت‌افزاری مخصوص خود (CPU، RAM و Storage) را دارد، ولی معمولاً همه نودها (سرورها) تحت یک آدرس IP مشترک کار می‌کنند؛ بنابراین کاربر متوجه نمی‌شود درخواستش روی کدام سرور پردازش می‌شود. اما در پشت صحنه، بار کاری بین سرورهای مختلف توزیع شده و همه آن‌ها هم‌زمان در حال فعالیت‌اند.

توضیح تصویر:

• در لایه اول، چندین سرور دیده می‌شود که نقش ماشین مجازی دارند. وقتی یک کلاستر ساخته می‌شود، ماشین‌های مجازی روی چند نود اجرا می‌شوند تا اگر یک نود از کار افتاد، سرویس همچنان فعال بماند.
• در لایه دوم چندین سرور فیزیکی قرار دارد که تشکیل‌دهنده‌ کلاستر یا سرور خوشه‌ای هستند. این لایه قلب اصلی کلاستر است.
•  لایه سوم هم جایی است که تمام نودهای کلاستر داده‌های مشترک‌شان را در آن ذخیره می‌کنند تا در صورت خرابی یک نود، نودهای دیگر بدون وقفه بتوانند ادامه دهند.

نکته مهم: تعداد سرورها در هر خوشه یا کلاستر، به عواملی مانند نوع کلاستر، هدف استفاده و محدودیت نرم‌افزار یا زیرساخت آن بستگی دارد. اما در مجموع یک کلاستر می‌تواند از دو سرور تا صدها سرور تشکیل شده باشد.

مثالی از کاربرد خوشه‌بندی سرور

یک فروشگاه اینترنتی بزرگ در ابعاد دیجی‌کالا را در نظر بگیرید که روزانه هزاران بازدید دارد. این وب‌سایت به‌جای استفاده از یک سرور، روی یک کلاستر سه‌گره‌ای اجرا می‌شود؛ یعنی سه سرور مستقل با نام‌های Node A، Node B و Node C با هم کار می‌کنند و یک سرویس یکپارچه را ارائه می‌دهند.

وقتی کاربران وارد سایت می‌شوند، درخواست‌های آن‌ها توسط یک لود بالانسر بین گره‌ها پخش می‌شود. مثلاً اگر هزار کاربر هم‌زمان وارد شوند، بخشی از درخواست‌ها به Node A، بخشی به Node B و بخشی به Node C ارسال می‌شود. به این ترتیب:

هیچ سروری بیش از حد تحت فشار قرار نمی‌گیرد و سرعت لود سایت ثابت و قابل‌اعتماد می‌ماند.

حالا فرض کنید Node B به دلیل مشکل سخت‌افزاری یا قطعی شبکه از دسترس خارج شود. در یک ساختار غیرکلاستری، این خرابی باعث از کار افتادن کل سایت می‌شود. اما در یک سرور خوشه‌ای، سیستم بلافاصله تشخیص می‌دهد که Node B در دسترس نیست و آن را از مدار خارج می‌کند.

این‌طوری به‌طور اتوماتیک تمام درخواست‌ها را به Node A و Node C منتقل می‌کند. کاربران حتی متوجه این اتفاق نمی‌شوند و سرویس بدون قطعی ادامه پیدا می‌کند.

بعد از رفع مشکل، وقتی Node B دوباره روشن شود، سیستم مدیریت کلاستر آن را بررسی و به‌صورت خودکار دوباره وارد چرخه پردازش می‌کند. از این لحظه به بعد، بخشی از درخواست‌ها مانند قبل به این گره نیز ارسال می‌شود.

تفاوت کلاستر سرور با سرور تکی یا اختصاصی چیست؟

سرور تکی یا اختصاصی یک سرور فیزیکی است که تمام منابع آن به یک کاربر یا یک سرویس اختصاص دارد، اما در صورت خرابی، کل سیستم از دسترس خارج می‌شود. در مقابل، کلاستر سرور مجموعه‌ای از چند سرور است که با هم کار می‌کنند تا پایداری و مقیاس‌پذیری بالاتری ارائه دهند؛ در این حالت بار کاری بین سرورها تقسیم می‌شود و اگر یکی از سرورها از کار بیفتد، سایر سرورها سرویس‌دهی را ادامه می‌دهند.

در جدول زیر به‌طور خلاصه تفاوت‌های اصلی بین سرور تکی (اختصاصی) و کلاستر سرور را بررسی کرده‌ایم:

اجزای اصلی یک کلاستر سرور چیست؟

برای اینکه بدانیم یک کلاستر چگونه کار می‌کند باید اجزای اصلی آن را بشناسیم. هر خوشه از ۴ بخش اصلی تشکیل شده است که با هم هماهنگ کار می‌کنند:

• نودها (Nodes): منظور از  نود در کلاستر سرور، هر  سرور مستقل است که بخشی از بار کاری خوشه را بر عهده دارد. این سرورها می‌توانند فیزیکی یا مجازی باشند.
• شبکه (Network): بستر ارتباطی میان نودها است. از طریق شبکه، داده‌ها، وضعیت سلامت سرورها و دستورات جهت هماهنگی بین نودها ردوبدل می‌شود.
• ذخیره‌سازی اشتراکی (Shared Storage): مهم‌ترین عنصر در یک کلاستر، ذخیره‌سازی مشترک است تا همه نودها به یک نسخه از داده‌ها دسترسی داشته باشند. به این ترتیب، حتی در صورت خرابی یک نود، داده‌ها و وضعیت سرویس‌ها برای نودهای دیگر قابل دسترسی است.
• نرم‌افزار کلاستر (Cluster Software): مغز سیستم است. این نرم‌افزار وظیفۀ هماهنگی، توزیع بار، تشخیص خرابی و انتقال وظایف بین نودها را بر عهده دارد.

اما شیوه کار این اجزا در کلاستر سرور چیست؟ 

وقتی کاربر به سرویس متصل می‌شود، نرم‌افزار کلاستر درخواست را از طریق شبکه به یکی از نودها ارسال می‌کند. اگر آن نود مشغول باشد یا دچار خطا شود، نرم‌افزار به‌صورت خودکار درخواست را به نود بعدی می‌فرستد. این فرایند در چند میلی‌ثانیه انجام می‌شود و کاربر حتی متوجه قطعی موقت سیستم نخواهد شد.

چه زمانی باید از کلاستر سرور استفاده کرد؟

به‌طور کلی، اگر سرویس یا وب‌سایت شما نیازمند پایداری بالا، سرعت زیاد و مقیاس‌پذیری بدون محدودیت باشد، کلاستر سرور به دردتان می‌خورد. به‌عبارت دیگر، هر جا که یک سرور تکی نتواند پاسخگوی بار، حساسیت یا نیازهای عملیاتی شما باشد، استفاده از کلاستر بهترین انتخاب است.

در ادامه چند موقعیت رایج را می‌بینید که استفاده از کلاستر سرور بهترین انتخاب است:

اگر وب‌سایت یا اپلیکیشن شما ترافیک بالا دارد

 وقتی تعداد کاربران افزایش پیدا می‌کند، یک سرور تکی معمولاً قادر به پردازش همه درخواست‌ها نیست و عملکرد آن کاهش می‌یابد. در این شرایط، کلاستر سرور با توزیع هوشمندانه بار بین چند نود (Node) باعث می‌شود سرعت، پایداری و کیفیت سرویس بدون افت حفظ شود.

اگر اختلال سرویس حتی چند دقیقه‌ای ضرر مالی ایجاد می‌کند

اگر حتی چند دقیقه اختلال در سرویس می‌تواند خسارت مالی سنگینی برایتان ایجاد کند، استفاده از کلاستر سرور ضروری است. فرض کنید سایت شما در هنگام خرید مشتری یا انجام تراکنش بانکی برای چند دقیقه از دسترس خارج شود؛ چنین اتفاقی علاوه بر ضرر مالی، می‌تواند اعتماد کاربران را نیز کاهش دهد.

همان‌طور که گفتیم، در کلاستر سرور، اگر یکی از نودها (Node) خراب شود، نودهای دیگر بلافاصله وارد عمل می‌شوند و جلوی قطعی سرویس را می‌گیرند. این مکانیزم در بانک‌ها، فروشگاه‌های آنلاین بزرگ و پلتفرم‌های SaaS حیاتی است.

اگر تیم شما نیاز به پشتیبانی ۲۴/۷ و سرعت بالا دارد

کسب‌وکارهایی که مشتریان بین‌المللی دارند یا خدمات شبانه‌روزی ارائه می‌کنند نمی‌توانند حتی برای مدت کوتاه به دلیل تعمیر سرور از دسترس خارج شوند. بااین‌حال در ساختار سرور خوشه‌ای حتی می‌توان یکی از نودها را برای به‌روزرسانی یا تعمیر، به‌طور موقت از مدار خارج کرد و هم‌زمان سیستم را فعال نگه داشت.

مزایای سرور خوشه‌ای چیست؟

استفاده از کلاستر سرور مزیت‌های زیادی برای سازمان‌ها و تیم‌های فنی دارد. در ادامه مهم‌ترین آن‌ها را مرور می‌کنیم:

توازن بار

در یک سیستم خوشه‌ای، درخواست‌ها بین سرورها تقسیم می‌شود تا هیچ سروری بیش‌ازحد بار نگیرد. این کار باعث افزایش سرعت پاسخ، کاهش فشار بر منابع و بهبود تجربه کاربر می‌شود.

قابلیت جایگزینی خودکار

کلاستر سرور برای مقابله با انواع خرابی‌ها طراحی شده است. این خرابی بازه گسترده‌ای از خطاهای نرم‌افزاری تا خرابی سخت‌افزار و حتی از کار افتادن دیتاسنتر در یک موقعیت جغرافیایی را در بر می‌گیرد و به آن قابلیت جایگزینی خودکار یا Failover می‌گویند.

مقیاس‌پذیری

در ساختار سرور کلاستر، افزایش ظرفیت بسیار آسان است. کافی است نودهای جدید اضافه کنید تا منابع سیستم (CPU، RAM و Storage) افزایش یابد. این ویژگی برای استارتاپ‌هایی که در حال رشد سریع هستند حیاتی است.

صرفه‌جویی در هزینه‌ها

هرچند راه‌اندازی اولیه کلاستر ممکن است پرهزینه‌تر از سرور تکی باشد، اما در بلندمدت باعث صرفه‌جویی چشمگیر می‌شود. جلوگیری از خرابی، کاهش زمان قطعی و استفاده بهینه از منابع، هزینه نگهداری زیرساخت را به‌شکل محسوسی کاهش می‌دهد.

انعطاف‌پذیری و شخصی‌سازی

کلاسترها می‌توانند متناسب با نیاز هر کسب‌وکاری طراحی شوند. از استارتاپ‌های کوچک گرفته تا شرکت‌های بزرگ ابری، می‌توانند از کلاستر ویژه خود استفاده کنند. همچنین می‌توان تمرکز کلاستر را روی سرعت، پایداری یا امنیت تنظیم کرد.

سرور ابری لیموهاست

میزبانی روی ابرها

به کمک سرور ابری لیموهاست به سرعت یک زیرساخت ابری منعطف و نامحدود بسازید و به تمام ویژگی‌ها و مزایای سرور ابری هتزنر دسترسی پیدا کنید.

شروع قیمت از
۱,۲۴۷,۰۰۰ تومان

اطلاعات بیشتر

چالش‌های کلاستر سرور

با تمام مزایایی که گفتیم، استفاده از کلاستر سرور خالی از ایراد یا مشکل نیست. پیاده‌سازی و نگهداری این سیستم نیاز به دانش فنی، برنامه‌ریزی دقیق و زیرساخت مناسب دارد. در ادامه، به چند مورد از مهم‌ترین چالش‌های آن اشاره می‌کنیم:

پیچیدگی بالا

راه‌اندازی، پیکربندی و نگهداری یک سرور خوشه‌ای از سرورهای معمولی دشوارتر است. برای پیاده‌سازی صحیح آن باید متخصصان شبکه، سیستم‌عامل و زیرساخت ابری در تیم حضور داشته باشند. کوچک‌ترین خطا در تنظیمات می‌تواند کل خوشه را مختل کند.

هزینه اولیه

برای شروع کار به چند سرور، تجهیزات شبکه پایدار و نرم‌افزار کلاسترینگ نیاز دارید. این موضوع باعث می‌شود هزینه اولیه راه‌اندازی نسبتاً بالا باشد. بااین‌حال در بلندمدت این هزینه کاملا جبران می‌شود و این تصمیم هوشمندانه، از خرابی‌های پرهزینه جلوگیری می‌کند.

هماهنگی داده‌ها

یکی از چالش‌های اصلی در سیستم‌های توزیع‌شده، هماهنگ نگه داشتن داده‌های میان چند سرور است. این کار زمانی سخت‌تر می‌شود که مانند تراکنش‌های بانکی یا سفارش‌های آنلاین، اطلاعات به‌صورت لحظه‌ای در حال تغییر باشند. در چنین شرایطی باید سازوکار دقیق‌تری در تمام نودها وجود داشته باشد تا اختلاف یا تداخل اطلاعات به حداقل برسد.

وابستگی به شبکه

کلاستر بدون شبکه پایدار عملاً کار نمی‌کند. اگر ارتباط بین نودها قطع یا کند شود، کل سیستم ممکن است دچار اختلال شود. بنابراین داشتن زیرساخت شبکه با پهنای باند و پایداری بالا از پیش‌نیازهای حیاتی است.

انواع کلاستر سرور

کلاسترها بر اساس نوع عملکرد، هدف و نحوه توزیع بار کاری به چند دسته تقسیم می‌شوند. در این بخش، با رایج‌ترین انواع Server Cluster آشنا می‌شویم:

۱. کلاسترهای با دسترس‌پذیری بالا

کلاسترهای با دسترس‌پذیری بالا (High-Availability Clusters) برای سرویس‌هایی طراحی شده که هرگز نباید از دسترس خارج شوند. برای نمونه می‌توانیم به وب‌سایت‌های بانکی، فروشگاه‌های آنلاین بزرگ یا سیستم‌های رزرو اشاره کنیم.

معماری‌های رایج این کلاستر را می‌توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

• شکل Active–Active: در این مدل چند سرور به‌صورت هم‌زمان فعال هستند و بار کاری بین آن‌ها تقسیم می‌شود. اگر یکی از آن‌ها دچار خطا شود، سرورهای دیگر بار بیشتری برمی‌دارند.
• حالت Active–Passive: وقتی که فقط یکی از سرورها فعال است و بقیه در حالت آماده‌باش قرار دارند. در صورت خرابی سرور اصلی، سرور پشتیبان بلافاصله جایگزین آن می‌شود.
• شکل Hot Standby: در این حالت نسخه‌ای از داده‌ها به‌صورت زنده روی سرور دوم نگهداری می‌شود تا در لحظه خرابی، بدون وقفه وارد مدار شود. این معماری هزینه کمتری از مدل Active–Active دارد و برای شرکت‌های متوسط گزینه‌ای متعادل محسوب می‌شود.

مزایا:

• تضمین در دسترس بودن مداوم سرویس (High Availability)
• جلوگیری از از‌دست‌رفتن داده‌ها در زمان خرابی
• مقیاس‌پذیری در زمان افزایش ترافیک

۲. کلاستر توازن بار

در مدل توازن بار (Load-Balancing Cluster) درخواست‌های کاربران بین چند سرور فعال پخش می‌شود تا هیچ‌کدام بیش‌ازحد بارگذاری نشود. این نوع خوشه‌بندی سرور برای سایت‌ها و اپلیکیشن‌هایی با ترافیک بالا بهترین گزینه است.

مزایا:

• جلوگیری از فشار بیش‌ازحد روی یک نود
• تحمل خطا (Fault Tolerance) در زمان خرابی سرور
• امکان توزیع جغرافیایی ترافیک برای افزایش سرعت در مناطق مختلف

۳. کلاستر با کارایی بالا

پردازش‌های سنگین و محاسبات علمی مخصوص به کلاسترهایی با کارایی بالا (High-Performance Cluster) است. از این نوع، گاهی با عنوان ابررایانه (Supercomputer) هم یاد می‌شود.

در این مدل چندین سرور قدرتمند از طریق شبکه به‌هم متصل هستند و با همکاری، حجم زیادی از داده را در زمان کوتاه پردازش می‌کنند.

مزایا:

• افزایش چشمگیر سرعت پردازش
• توان بالا در اجرای محاسبات موازی
• امنیت بیشتر با کنترل دقیق منابع و دسترسی‌ها

۴. کلاستر ذخیره‌سازی

تمرکز کلاستر ذخیره‌سازی (Storage Cluster) بر ذخیره و مدیریت ایمن داده‌ها است. در این ساختار چند سرور ذخیره‌سازی با هم کار می‌کنند تا حجم زیادی از داده‌ها را به‌صورت منظم و در دسترس نگه دارند. اگر یکی از سرورهای ذخیره‌سازی از کار بیفتد، داده‌ها همچنان از روی سرورهای دیگر قابل دسترسی هستند.

انواع کلاستر ذخیره‌سازی را می‌توان در دو مدل زیر خلاصه کرد:

• مدل Tightly Coupled: داده‌ها در بلوک‌های کوچک بین سرورها تقسیم می‌شوند. مناسب برای سیستم‌هایی که سرعت بالا نیاز دارند.
• نوع Loosely Coupled: هر سرور داده‌های خود را مستقل نگه می‌دارد. این مدل انعطاف بیشتری دارد، اما برای هماهنگی داده‌ها به زمان بیشتری نیاز دارد.

مزایا:

• افزایش ظرفیت ذخیره بدون تعویض تجهیزات فعلی
• امنیت بالا با پشتیبان‌گیری خودکار
• مناسب برای سازمان‌هایی با داده‌های حجیم مانند شرکت‌های ابری و مراکز تحقیقاتی

جمع‌بندی