Was ist Hochverfügbarkeit?

Das Grundprinzip hinter dem Erreichen von High Availability (HA) ist die systematische Identifizierung und Beseitigung von Single Points of Failure innerhalb der Infrastruktur, einschließlich Hardware, Software, Netzwerk, Speicher und Stromquellen.

Durch die Architektur von Systemen mit integrierten Redundanz- und Resilienzmechanismen zielt HA darauf ab, zu verhindern, dass sich lokale Ausfälle zu merklichen Ausfallzeiten ausweiten. Auf diese Weise wird ein hohes Maß an betrieblicher Leistung aufrechterhalten, und es wird sichergestellt, dass Dienste bei Bedarf konsistent verfügbar sind.

Die Effektivität einer Hochverfügbarkeitsstrategie wird in der Regel anhand des Prozentsatzes der über einen bestimmten Zeitraum erreichten Uptime quantifiziert, der häufig mit „Neuner“-Notation ausgedrückt wird (z. B. 99,9 % oder „Drei Neuner“, 99,99 % oder „Vier Neuner“ usw.), was die Nähe zu 100 % Betriebszeit anzeigt.

Die wichtigsten Merkmale von High Availability

Hochverfügbarkeit ist kein einzelnes Produkt oder eine einzelne Anstrengung, sondern ein Ergebnis, das durch die Implementierung mehrerer grundlegender technischer Merkmale und Designprinzipien erzielt wird, die zusammenarbeiten, um die Systemstabilität und -kontinuität sicherzustellen. Zu den wichtigsten Merkmalen einer HA-Umgebung zählen:

• Redundanz: Dies ist der Grundstein für Hochverfügbarkeit (HA). Dabei werden kritische Komponenten innerhalb der IT-Infrastruktur wie Server, Speichergeräte, Netzwerkpfade und Netzteile dupliziert. Fällt eine Komponente aus, übernimmt ein redundantes Gegenstück dessen Funktion und vermeidet so einen Single Point of Failure.
   
• Automatisches Failover: Wenn in einer Hauptkomponente ein Fehler erkannt wird, muss ein HA-System den Betrieb automatisch und nahtlos auf die redundante (Standby-)Komponente umstellen.
   
• Zuverlässige Fehlererkennung: Um ein automatisches Failover auszulösen, muss das System zuerst zuverlässig erkennen können, dass ein Fehler aufgetreten ist. Dies wird in der Regel durch kontinuierliches Monitoring erreicht, häufig unter Verwendung von „Heartbeat“-Mechanismen, bei denen Komponenten regelmäßig den Status der anderen überprüfen.
   
• Datenreplikation und -synchronisierung: Für Anwendungen und Systeme, die Daten verwalten, z. B. Datenbanken, reicht ein einfaches Failover auf einen Standby-Server nicht aus; die Daten müssen auch auf dem Standby-System verfügbar und konsistent sein.

Diese Schlüsselfunktionen ermöglichen es Systemen, Komponentenausfällen standzuhalten, Wartungsarbeiten problemlos durchzuführen und die kontinuierliche Betriebsleistung zu liefern, die von einem hochverfügbaren Dienst erwartet wird.

Die Implementierung von Hochverfügbarkeit bietet wesentliche Vorteile, die weit über die technische Stabilität hinausgehen und sich direkt auf den Geschäftsbetrieb, die Kundenzufriedenheit und die Finanzleistung auswirken.

Der unmittelbarste und bedeutendste Vorteil ist die drastische Reduzierung der Systemausfallzeiten. Durch die Minimierung von Unterbrechungen aufgrund unerwarteter Komponentenausfälle und erforderlicher geplanter Wartungsfenster stellt HA sicher, dass kritische Anwendungen und Services konsistent betriebsbereit und verfügbar bleiben.

Darüber hinaus hat die Reduzierung von Ausfallzeiten erhebliche positive finanzielle und betriebliche Auswirkungen. Sie schützt direkt vor Umsatzverlusten, die häufig bei Ausfällen auftreten, wie z. B. Verlust von E-Commerce-Umsätzen oder fehlgeschlagenen Transaktionen, und verhindert kostspielige Einbrüche in der Mitarbeiterproduktivität, wenn wichtige Systeme nicht verfügbar sind.

Eine konsistente Systemverfügbarkeit sichert den hart erarbeiteten Ruf eines Unternehmens und verhindert negative Publicity, Kundenfrustration und potenziellen Markenschaden, der oft mit Serviceausfällen einhergeht.

Hochverfügbarkeitskomponenten

Um eine hohe Verfügbarkeit zu erreichen, muss eine robuste Infrastruktur mit einer Kombination aus spezialisierten Hardware- und Softwarekomponenten zusammengestellt werden, die Single Points of Failure eliminieren und die automatische Recovery erleichtern.

Während die spezifische Konfiguration je nach Anwendungsanforderungen und Budget variiert, bilden verschiedene Schlüsseltypen von Komponenten in der Regel die Bausteine einer HA-Architektur:

• Redundante Server: Verwendung mehrerer physischer oder virtueller Server, häufig in Clustern gruppiert. In gängigen Konfigurationen, wie z. B. aktiv-passiv oder aktiv-aktiv, kann ein Server bei Ausfall oder Wartungsbedarf sofort von einem anderen Server übernommen werden, was eine kontinuierliche Anwendungsverarbeitung gewährleistet.
   
• Loadbalancer Diese Hardware-Appliances oder Software-Module verteilen den eingehenden Netzwerkverkehr und die Anwendungsanforderungen über die Gruppe von Servern in einem Cluster. Dadurch wird verhindert, dass ein einzelner Server überlastet wird, die Reaktionsgeschwindigkeit verbessert und, was besonders wichtig ist, der Traffic automatisch von ausgefallenen oder offline gegangenen Servern umgeleitet wird.
   
• Redundanter Speicher: Einsatz von auf Resilienz ausgelegten Speichersystemen. Dies umfasst häufig interne Redundanzfunktionen wie RAID (Redundant Array of Independent Disks) innerhalb einer Speichereinheit und umfasst häufig die Replikation von Daten zwischen separaten physischen Speichersystemen (unter Verwendung von SAN/NAS-Replikationsfunktionen oder serverbasierter Replikationssoftware), um sicherzustellen, dass die Daten auch bei einem Ausfall des primären Speichers verfügbar bleiben.
   
• Redundante Netzwerkinfrastruktur: Implementieren von Duplizierung in den Netzwerkpfaden. Hierbei werden mehrere Netzwerkschnittstellenkarten (NICS) in Servern, redundanten Netzwerk-Switches und Routern verwendet und mehrere physische Verbindungen zwischen Geräten konfiguriert, um sicherzustellen, dass kritische Systeme nicht durch ein einziges Netzwerkkabel oder einen Geräteausfall isoliert werden.
   
• Zuverlässige Netzteile: Die Sicherstellung einer kontinuierlichen Stromversorgung über unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) bietet sofortige Datensicherung bei kurzen Stromschwankungen oder Ausfällen und stellt so einen unterbrechungsfreien Betrieb sicher. Für längere Zeiträume werden häufig Backup-Generatoren eingesetzt. Der Schutz der Stromquelle ist von entscheidender Bedeutung, um den Betriebsstatus aller anderen HA-Komponenten aufrecht zu erhalten.

Die genaue Mischung und Konfiguration dieser Komponenten hängt stark von den jeweiligen Verfügbarkeitsanforderungen, Recovery Time Objectives (RTO), Recovery Point Objectives (RPO) und dem Budget für das zu schützende System ab.

Hochverfügbarkeit bedeutet mehr als nur Backup-Hardware. Es handelt sich um einen automatisierten, dynamischen Prozess, der die Dienstkontinuität im Falle von Ausfällen aufrecht erhält. Sie basiert auf dem ständigen Zusammenspiel redundanter Komponenten, kontinuierlicher Überwachung und intelligenter Softwareorchestrierung innerhalb eines Frameworks, das häufig als Cluster bezeichnet wird.

Wenn man bedenkt, was Cloud Computing mit HA eigentlich ist, werden in einer typischen HA-Umgebung mehrere Server (Nodes) so konfiguriert, dass sie zusammenarbeiten, zusammen mit potenziell redundanten Speicher- und Netzwerkpfaden.

Während des normalen Betriebs werden kritische Anwendungen auf einem primären Knoten (oder über mehrere aktive Knoten hinweg) ausgeführt, während Daten kontinuierlich auf einen oder mehrere Standby-Knoten repliziert werden.

Der Schlüssel zu HA liegt in ständiger Wachsamkeit: Die Nodes im Cluster überwachen ständig den Gesundheitszustand der anderen Nodes und setzen dabei oft „Heartbeat“-Signale ein. Hierbei handelt es sich um regelmäßige Netzwerknachrichten, die bestätigen, dass sie aktiv sind und ordnungsgemäß funktionieren. Auch anwendungsspezifische Health Checks können durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Dienste selbst reagieren.

Wenn ein Knoten keine Heartbeats mehr sendet oder eine kritische Zustandsprüfung über einen definierten Schwellenwert hinaus nicht besteht, erkennt die Clustersoftware diesen Fehler. Diese Erkennung löst den Failover-Prozess automatisch aus.

Der gesamte Prozess, von der Erkennung bis zur Wiederaufnahme des Dienstes auf dem Failover-Knoten, ist so konzipiert, dass er je nach Konfiguration und Anwendung automatisch und schnell abläuft, häufig innerhalb von Sekunden oder Minuten.

Sowohl Hochverfügbarkeit als auch Disaster Recovery (DR) sind grundlegende Komponenten einer zuverlässigen Business Continuity-Strategie. Wenn wir jedoch von der Public Cloud ausgehen, erfüllen sie unterschiedliche Zwecke und gehen verschiedene Arten von Ausfallszenarien an.

Für einen umfassenden Schutz ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Unterschiede zu verstehen. HA konzentriert sich in erster Linie darauf, Dienstunterbrechungen aufgrund von lokalen Ausfällen zu verhindern, wie z. B. bei einem Absturz eines einzelnen Servers, dem Ausfall einer Speicherkomponente oder wenn eine Anwendung innerhalb eines Rechenzentrums oder in eng verbundenen Cloud-Verfügbarkeitszonen nicht mehr reagiert.

Dies wird durch automatisches Failover auf redundante Komponenten erreicht, die innerhalb der gleichen allgemeinen Infrastruktur betrieben werden. Dabei wird eine minimale bis gar keine Ausfallzeit (sehr niedriger RTO) und ein minimaler bis gar kein Datenverlust (sehr niedriger RPO) angestrebt. 

Disaster Recovery bereitet sich dagegen auf groß angelegte Katastrophen vor, die ein gesamtes primäres Rechenzentrum oder eine ganze Einrichtung unbrauchbar machen könnten. Denken Sie an größere Brände, Überschwemmungen, Erdbeben oder weit verbreitete Stromausfälle, die möglicherweise Auswirkungen auf ein ganzes Gebiet haben könnten.

Um eine umfassende Hochverfügbarkeit zu erreichen, wenn man bedenkt, was ein virtueller Server mit sich bringt, ist mehr erforderlich, als sich nur auf eine einzige Anwendung oder einen einzigen Server zu konzentrieren. Es erfordert einen mehrschichtigen Ansatz, der die Resilienz in der gesamten IT-Infrastruktur integriert.

Das Vernachlässigen einer einzelnen Ebene kann zu einem Single Point of Failure führen, der den gesamten Aufwand untergräbt. HA-Prinzipien werden in verschiedenen Technologiebereichen angewendet. Das ist entscheidend, wenn man bedenkt, was eine Cloud-VPC mit sich bringt, da wir bestrebt sind, ein wirklich robustes System aufzubauen.

Auf der grundlegenden physischen Ebene und auf der Ebene des Netzwerks umfasst HA die Implementierung von Redundanz in der Kerninfrastruktur. Dazu gehören redundante Netzteile (unterstützt durch USV und möglicherweise Generatoren), mehrere Netzwerkschnittstellenkarten (NICs) in Servern, redundante Netzwerk-Switches und Router, die häufig in Failover-Paaren konfiguriert sind (mithilfe von Protokollen wie HSRP oder VRRP), sowie verschiedene physische Netzwerkpfade, um Verbindungsverluste zu vermeiden.

Firewalls werden auch häufig in HA-Paaren eingesetzt, um sicherzustellen, dass Sicherheitskontrollen bei einem Ausfall aktiv bleiben.

Die Serververfügbarkeit ist von entscheidender Bedeutung, wenn man den Stack nach oben bewegt. Dies wird häufig durch Server-Clustering erreicht, entweder mit physischen Maschinen oder, heute üblicher, mit Virtualisierungsplattform-Funktionen (wie VMware vSphere HA oder Hyper-V Failover Clustering).

Hohe Verfügbarkeit gewährleisten

Die Implementierung einer Hochverfügbarkeitslösung ist ein Anfang, aber um ihre kontinuierliche Effektivität sicherzustellen, sind kontinuierliche Aufmerksamkeit, proaktives Management und regelmäßige Validierung erforderlich.

Hochverfügbarkeit ist keine „set it and vergiss it“-Technologie; sie erfordert kontinuierliche Sorgfalt, lange nach der ersten Einrichtung, um sicherzustellen, dass sie wie beabsichtigt funktioniert, wenn ein Ausfall unweigerlich auftritt. Die effektive Instandhaltung von HA umfasst mehrere wichtige Aktivitäten:

• Regelmäßige Tests Dies ist der wohl kritischste Aspekt der HA-Wartung. Die regelmäßige Durchführung von kontrollierten Failover- und Failback-Tests (Drillbacks) ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass die automatisierten Mechanismen ordnungsgemäß funktionieren, die Recovery-Verfahren korrekt sind und von den Mitarbeitern verstanden werden und das System sich innerhalb der erwarteten Recovery Time Objective (RTO) erholt.
   
• Kontinuierliche Überwachung und Benachrichtigung: Wachsames Monitoring rund um die Uhr für alle Komponenten im HA-Ökosystem, einschließlich Serverzustand, Netzwerkkonnektivität, Speicherstatus, Latenz und Integrität der Datenreplikation sowie Reaktionsfähigkeit der Anwendungen, ist von grundlegender Bedeutung. Es müssen robuste Warnsysteme konfiguriert werden, um das zuständige IT-Personal umgehend zu benachrichtigen.
   
• Disziplinierte Patch-Verwaltung und Updates: Betriebssysteme, Anwendungen und HA-Software müssen durch Sicherheits-Patches und funktionale Updates stets auf dem neuesten Stand gehalten werden. Das Patchen muss jedoch in einer HA-Umgebung sorgfältig durchgeführt werden, um unbeabsichtigte Ausfallzeiten zu vermeiden.
   
• Konfigurationsverwaltung und Konsistenz: Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass die Konfigurationseinstellungen - Betriebssystem, Anwendungen, Sicherheitsrichtlinien und HA-Softwareparameter - identisch und über alle redundanten Knoten hinweg synchronisiert bleiben.

Die konsistente Ausführung dieser Wartungsarbeiten macht Hochverfügbarkeit von der theoretischen zur zuverlässigen betrieblichen Realität. Diese kontinuierlichen Anstrengungen stellen sicher, dass die Erstinvestition weiterhin Schutz für kritische Business-Services bietet, was für Unternehmen überall unabdingbar ist.