Масштабирование систем: основные принципы

Масштабируемость системы — ключевой фактор успеха любого современного проекта. Веб-приложение, облачная платформа или корпоративный сервис — любая растущая инфраструктура должна выдерживать повышение нагрузки. Иногда недостаточные ресурсы масштабирования могут затормозить развитие, а иногда — стать причиной отката в росте, а то и провала всего проекта.

Поэтому важно знать, какое бывает масштабирование (горизонтальное и вертикальное), как выбрать метод для себя, что такое оптимизация БД, а также как можно избежать самых распространенных проблем. И, конечно, как облачные технологии решают или облегчают подобные задачи.

Что такое масштабирование системы?

Масштабируемость инфраструктуры — это возможность расширить ее производительность и возможности для обработки большего объема данных или предоставления обслуживания для большего количества пользователей. Это особенно актуально для приложений, которые быстро растут, например, социальных сетей, онлайн-магазинов или сервисов по доставке. Если система не масштабируема, то при увеличении нагрузки она может начать «тормозить», а в худшем случае — полностью выйти из строя.

Масштабирование можно разделить на два основных типа: горизонтальное и вертикальное. Каждый из них имеет свои особенности, преимущества и недостатки, которые мы рассмотрим ниже.

Вертикальное масштабирование

Масштабировать систему вертикально («scaling up») значит наращивать мощности доступной аппаратуры. Скажем, у вас есть сервер, обеспечивающий работу приложения для 10 человек, а вам нужно для двадцати. Вы вставляете в него (теоретически допустим, что его структура это позволяет) еще столько же процессоров, дисков и плашек оперативной памяти, сколько уже есть или заменяете комплектующие на вдвое более производительные — и вот он уже может обслуживать вдвое больше пользователей.

Почему это практично?

• Как правило, это дешевле, чем покупать больше целых серверов.
• Хорошо подходит проектам с плавным ростом нагрузки.
• Почему может не подойти?
• Не существует серверов, которые можно бесконечно масштабировать «вверх». Количество устанавливаемых комплектующих всегда ограничено, как и любая их линейка не бесконечна.
• Чем мощнее комплектующие, тем дороже они стоят, цена может в определенный момент перестать оправдываться.
• Все риски сосредотачиваются в одном «бутылочном горлышке».
• Любое обновление или перезагрузка вертикального сервера означает паралич всех его ресурсов.

Когда проект только начинает свой путь, вертикальное масштабирование — норма. Но со временем приходит понимание, что эффективнее будет масштабироваться горизонтально.

Уже на этом уровне развития задачи молодого проекта могут облегчить облачные технологии. Обычный недорогой сервер достаточно быстро достигает потолка — максимального количества процессоров, жестких дисков, плашек оперативной памяти. А вот предел облачного сервера очень высок, и его масштабировать можно очень долго. Кроме того, это гораздо проще — не нужно ничего докупать, достаточно заказать дополнительные мощности — и они будут добавлены на лету.

Что такое горизонтальное масштабирование?

Горизонтальное масштабирование («scaling out») — это, по сути, рост инфраструктуры за счет добавления к ней новых сегментов. Был один сервер приложений — просто берем второй идентичный, третий, десятый.

Есть много решений, укладывающихся в эту простую формулу.

• Кластеризация БД. Когда нагрузка зашкаливает, можно создать кластер, состоящий из нескольких экземпляров базы данных, которые работают вместе, распределяя запросы между собой.
• Распределенные вычисления. В случае больших вычислительных задач, таких как машинное обучение или обработка больших данных, можно использовать несколько серверов для параллельной обработки, что значительно ускоряет выполнение задач.
• Балансировка нагрузки. Для веб-приложений, которые получают большое количество запросов, можно использовать балансировщики нагрузки, которые распределяют входящие запросы.

Какие плюсы у такого вида масштабируемости:

• Нет ограничений. Любой сервер ограничен вертикально, но горизонтально инфраструктуру можно развивать бесконечно.
• Отказоустойчивость. В случае выхода из строя одного сервера нагрузка перераспределяется между остальными, что минимизирует время простоя.
• Гибкость. Позволяет использовать более дешевые и менее мощные серверы, что может быть экономически выгоднее.
• Постепенное наращивание ресурсов. Можно добавлять серверы по мере необходимости, постепенно увеличивая мощность системы.

Недостатки горизонтального масштабирования:

• Бывает сложно реализовать. Могут потребоваться дополнительные средства, например, балансировщики нагрузки.
• Выдвигает дополнительные требования. Например, приложение и БД нужно проектировать с учетом распределенной работы.
• Стоимость эксплуатации. Затраты на обслуживание и управление растут пропорционально количеству оборудования.
• Необходимо учитывать пропускную способность сети. Новым узким местом системы может стать скорость передачи данных от сервера к серверу.

Горизонтальное масштабирование применяется в основном в крупных проектах, где нагрузка постоянно растет. Крупные корпорации могут использовать этот подход для обработки миллионов запросов в секунду.

Одним из способов горизонтального масштабирования для высоконагруженных инфраструктур является облачное масштабирование через кластеры на Kubernetes.

Kubernetes — это платформа контейнеризации, создания виртуальных машин, не связанных с аппаратной инфраструктурой. Этот способ развертывания и запуска приложений проще обычного, позволяет настраивать распределение ресурсов, мониторить сервисы, откатывать изменения в случае необходимости и т.д. Кластер — это набор контейнеров, запускающийся на нескольких узлах, что делает такие системы отказоустойчивыми и высокодоступными.

Звучит достаточно сложно — но масштабироваться через кластеры на Kubernetes сильно проще, чем традиционным образом.

Как выбрать метод масштабирования?

Выбор вида масштабирования зависит от множества факторов:

• Характер нагрузки. Если нагрузка растет постепенно и предсказуемо, можно начать с вертикального масштабирования. При резких скачках нагрузки лучше подходит горизонтальное масштабирование.
• Бюджет. Сначала систему, как правило, дешевле масштабировать вертикально, а потом — горизонтально.
• Сложность системы. Если система относительно проста, вертикальное масштабирование может быть достаточным. Для сложных систем с большим количеством данных и пользователей, скорее всего, потребуется горизонтальное масштабирование.

В некоторых случаях можно комбинировать оба подхода. Например, увеличить мощность основного сервера и добавить дополнительные узлы для распределения нагрузки.

В классическом исполнении, в собственной серверной, это очень сложная задача, связанная с выстраиванием собственной инфраструктурной архитектуры, закупкой оборудования и прогнозированием роста. Распределить же функции из одного по нескольким виртуальным серверам в облаке сравнительно просто. Наши компетентные инженеры готовы проконсультировать вас по этому вопросу и помочь с распределением нагрузки! У нас есть как богатый опыт горизонтального облачного масштабирования вообще, так и построения и оптимизации облачной инфраструктуры высоконагруженных проектов в частности.

Оптимизация базы данных как часть масштабирования

Одной из ключевых частей любой системы является база данных. Именно она отвечает за хранение и обработку данных, и ее производительность напрямую влияет на работу всего приложения.

Как можно добиться оптимизации БД:

• Индексация. Запросы выполняются гораздо быстрее после создания индекса самых популярных полей таблиц. Однако важно не переборщить! Избыточная индексация, наоборот, замедлит процесс.
• Кэширование. Использование кэша позволяет хранить часто запрашиваемые данные в RAM.
• Денормализация данных. Иногда отказ от строгой нормализации данных может ускорить выполнение запросов. Например, вместо того чтобы соединять несколько таблиц, можно хранить дублирующиеся данные в одной таблице.
• Разделение данных (шардинг). Если база данных слишком большая, ее можно разделить на несколько частей (шардов), каждая из которых будет храниться на отдельном сервере.
• Оптимизация запросов. Плохо написанные запросы могут сильно замедлять работу системы. Регулярный анализ и оптимизация SQL-запросов помогут улучшить производительность.

Практические советы по масштабированию системы

Масштабирование системы — это сложный процесс, требующий тщательного планирования и анализа. Вот несколько практических советов, которые помогут вам сделать этот процесс более эффективным:

• Мониторинг и анализ нагрузки. Перед тем как начать масштабирование, важно понять, где именно возникают узкие места. Используйте инструменты мониторинга, чтобы отслеживать производительность серверов, базы данных и приложения.
• Планирование на будущее. Не ждите, пока система начнет "тормозить". Заранее продумайте, как вы будете масштабировать систему, чтобы избежать простоя.
• Тестирование. Перед внедрением изменений обязательно протестируйте их на тестовой среде. Это позволит избежать неожиданных проблем в продакшене.
• Автоматизация. Используйте инструменты автоматизации для развертывания сервисов и управления инфраструктурой.
• Обучение команды. Масштабирование часто требует новых навыков, особенно если вы переходите от вертикального к горизонтальному масштабированию. Убедитесь, что ваша команда готова к этим изменениям.

Наша команда компетентна в вопросах вертикального и горизонтального масштабирования как небольших, так и высоконагруженных облачных инфраструктур (IaaS). Если перед вами стоит задача масштабирования, то мы готовы подобрать для вас оптимальные решения с минимальными дополнительными затратами или вовсе без них.

Также если вам стало интересно, как использовать облачный метод масштабирования — добро пожаловать в другую нашу статью.

Заключение

Масштабирование системы — это не просто техническая задача, а стратегический процесс, который требует глубокого понимания архитектуры приложений, нагрузки на систему и возможностей оборудования. Горизонтальное и вертикальное масштабирование предлагают разные подходы, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. А оптимизация производительности, как базы данных, так и самого приложения, может значительно улучшить производительность, но ее нужно производить с умом.

Мы с радостью поможем вам с масштабированием инфраструктуры любого размера наши инженеры проконсультируют вас по любым вопросам, связанным с высокой нагрузкой. Если вы хотите, чтобы ваш проект оставался конкурентоспособным и мог справляться с растущими нагрузками, но не хотите связываться с масштабированием собственными силами — переезжайте к нам в облако: самые распространенные задачи по распределению нагрузки уже входят в стандартные уровни поддержки!