کلاسترها، Load Balancing، Geo DNS، Anycast DNS و Fault Tolerance: آموزش کامل از مبانی تا پیشرفته

این صفحه به طور کامل مفاهیم کلاسترها، Load Balancing، Geo DNS، Anycast DNS و Fault Tolerance در شبکه‌های کامپیوتری را از مبانی تا سطوح پیشرفته تشریح و آموزش می‌دهد، همراه با مثال‌های کدنویسی عملی.

مبانی کلاسترها در شبکه‌های کامپیوتری

کلاستر (Cluster) به گروهی از سرورها یا سیستم‌ها گفته می‌شود که با هم کار می‌کنند تا عملکرد بهتری نسبت به یک سیستم منفرد فراهم کنند. این سیستم‌ها به گونه‌ای ترکیب می‌شوند که به نظر یک سیستم واحد می‌رسند.

اهداف اصلی کلاسترها شامل افزایش دسترس‌پذیری (Availability)، مقیاس‌پذیری (Scalability) و کارایی (Performance) است. منابع سخت‌افزاری و نرم‌افزاری بین سرورها به اشتراک گذاشته می‌شود تا بار کاری به طور موثر توزیع شود و در صورت خرابی یک سیستم، سایر سیستم‌ها به طور خودکار جایگزین شوند.

انواع کلاسترها

  1. کلاستر دسترس‌پذیری بالا (High Availability - HA): برای تضمین دسترس‌پذیری طراحی شده است. در صورت خرابی یک سرور، سیستم به سرور دیگری منتقل می‌شود تا سرویس قطع نشود.
  2. کلاستر تعادل بار (Load Balancing): بار کاری بین چندین سرور توزیع می‌شود تا کارایی سیستم افزایش یابد.
  3. کلاستر پردازش موازی (High Performance Computing - HPC): برای پردازش‌های محاسباتی پیچیده، مانند شبیه‌سازی‌ها، استفاده می‌شود.
  4. کلاستر هوش مصنوعی (AI Clusters): برای بارهای کاری AI و یادگیری ماشین، مانند تشخیص چهره.
  5. کلاستر توزیع‌شده: در چندین مکان جغرافیایی برای کاهش تأخیر و افزایش دسترس‌پذیری.

معماری کلاستر

کلاستر شامل نودهای متصل از طریق شبکه‌های پرسرعت (مانند InfiniBand) است. الگوهای معماری شامل:

مثال کدنویسی: تنظیم یک کلاستر ساده با Docker Swarm


# مقداردهی اولیه Docker Swarm
docker swarm init

# افزودن نودهای کارگر
docker swarm join --token <TOKEN> <MANAGER-IP>:2377

# استقرار سرویس توزیع‌شده
docker service create --name my-app --replicas 3 nginx

این کد یک کلاستر ساده با Docker Swarm ایجاد می‌کند که 3 کپی از یک اپلیکیشن NGINX را اجرا می‌کند.

Load Balancing (تعادل بار)

Load Balancer دستگاه یا نرم‌افزاری است که ترافیک ورودی را بین چندین سرور توزیع می‌کند تا از overload شدن جلوگیری کرده و کارایی را افزایش دهد.

انواع Load Balancer

الگوریتم‌های توزیع

مثال کدنویسی: تنظیم NGINX به عنوان Load Balancer


# فایل تنظیمات NGINX: /etc/nginx/nginx.conf
http {
    upstream backend {
        server backend1.example.com;
        server backend2.example.com;
        server backend3.example.com;
    }
    server {
        listen 80;
        location / {
            proxy_pass http://backend;
        }
    }
}
# راه‌اندازی NGINX
sudo nginx -s reload

این تنظیم NGINX ترافیک را بین سه سرور backend توزیع می‌کند.

Geo DNS (هدایت جغرافیایی DNS)

Geo DNS پاسخ‌های DNS را بر اساس موقعیت جغرافیایی کاربر سفارشی می‌کند. به جای یک IP ثابت، IP سروری نزدیک به کاربر برگردانده می‌شود.

چگونگی کارکرد

  1. کاربر دامنه (مثل example.com) را درخواست می‌کند.
  2. DNS resolver موقعیت IP کاربر را تشخیص می‌دهد.
  3. بر اساس قوانین جغرافیایی، IP سرور مناسب برگردانده می‌شود.

مثال کدنویسی: تنظیم Geo DNS با BIND


// فایل تنظیمات BIND: /etc/bind/named.conf
acl "europe" { 192.168.1.0/24; }; // محدوده IP اروپا
acl "asia" { 10.0.0.0/24; }; // محدوده IP آسیا

view "europe" {
    match-clients { europe; };
    zone "example.com" {
        type master;
        file "/etc/bind/db.europe.example.com";
    };
};

view "asia" {
    match-clients { asia; };
    zone "example.com" {
        type master;
        file "/etc/bind/db.asia.example.com";
    };
};

// فایل db.europe.example.com
example.com. IN A 192.168.1.10

// فایل db.asia.example.com
example.com. IN A 10.0.0.10

این تنظیم کاربران اروپایی را به سرور 192.168.1.10 و کاربران آسیایی را به 10.0.0.10 هدایت می‌کند.

Anycast DNS (دی‌ان‌اس انی‌کست)

Anycast DNS روشی است که در آن یک آدرس IP واحد به چندین سرور DNS در مکان‌های جغرافیایی مختلف اختصاص داده می‌شود. پروتکل‌های روتینگ مانند BGP (Border Gateway Protocol) درخواست‌ها را به نزدیک‌ترین سرور هدایت می‌کنند، که این امر latency را کاهش می‌دهد و دسترس‌پذیری را افزایش می‌دهد.

چگونگی کارکرد Anycast DNS

Anycast با استفاده از روتینگ شبکه کار می‌کند: چندین سرور همان IP را تبلیغ می‌کنند، و شبکه درخواست را به نزدیک‌ترین (از نظر روتینگ) سرور می‌فرستد. این متفاوت از Unicast (یک به یک) یا Multicast (یک به چند) است.

ارتباط با Geo DNS و Load Balancing

Anycast DNS اغلب با Geo DNS ترکیب می‌شود برای توزیع جغرافیایی بهتر. در حالی که Geo DNS بر اساس موقعیت کاربر در سطح DNS تصمیم می‌گیرد، Anycast از روتینگ شبکه برای هدایت به نزدیک‌ترین PoP (Point of Presence) استفاده می‌کند. همچنین، برای Load Balancing جهانی مفید است زیرا بار را بین مکان‌های مختلف توزیع می‌کند و از failover خودکار پشتیبانی می‌کند.

مزایا

معایب

مثال‌ها

سرویس‌هایی مانند Cloudflare DNS، Google Public DNS (8.8.8.8) و Microsoft Azure DNS از Anycast استفاده می‌کنند. برای پیاده‌سازی، نیاز به پیکربندی BGP در روترها است، اما مثال ساده با ابزارهای ابری:


# مثال با AWS Route 53 برای فعال‌سازی Anycast (با AWS CLI)
aws route53 create-hosted-zone \
    --name example.com \
    --caller-reference $(date +%s) \
    --hosted-zone-config Comment="Anycast enabled zone"

# افزودن رکوردهای A با TTL پایین برای توزیع
aws route53 change-resource-record-sets \
    --hosted-zone-id /hostedzone/Z123456789 \
    --change-batch '{
        "Changes": [{
            "Action": "CREATE",
            "ResourceRecordSet": {
                "Name": "anycast.example.com",
                "Type": "A",
                "TTL": 60,
                "ResourceRecords": [{ "Value": "192.0.2.1" }]  // IP مشترک برای چندین مکان
            }
        }]
    }'

در این مثال، IP مشترک برای چندین مکان تبلیغ می‌شود و روتینگ BGP هدایت را مدیریت می‌کند.

Fault Tolerance (تحمل خطا)

Fault Tolerance توانایی سیستم برای ادامه کار در صورت خرابی یک یا چند جزء است. در کلاسترها، این شامل redundancy، failover و replication است.

مکانیزم‌های Fault Tolerance

مثال کدنویسی: پیاده‌سازی Failover با HAProxy


# فایل تنظیمات HAProxy: /etc/haproxy/haproxy.cfg
frontend http_front
   bind *:80
   default_backend servers

backend servers
   server server1 192.168.1.11:80 check
   server server2 192.168.1.12:80 check backup

# راه‌اندازی HAProxy
sudo systemctl restart haproxy

در این تنظیم، اگر server1 خراب شود، HAProxy به server2 سوئیچ می‌کند.

ترکیب Load Balancer، Geo DNS، Anycast DNS و Fault Tolerance

این فناوری‌ها با هم در Global Server Load Balancing (GSLB) ترکیب می‌شوند:

  1. Geo DNS و Anycast DNS: کاربر را به نزدیک‌ترین data center هدایت می‌کنند.
  2. Load Balancer: بار را در data center توزیع می‌کند.
  3. Fault Tolerance: با failover و redundancy از قطعی جلوگیری می‌کند.

دیاگرام مفهومی


+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
|   کاربر اروپا   |     |   کاربر آسیا    |     |   کاربر آمریکا   |
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
          |                        |                        |
          |                        |                        |
          v                        v                        v
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
|     Geo / Anycast |-----|     Geo / Anycast |-----|     Geo / Anycast |
|        DNS        |     |        DNS        |     |        DNS        |
| (تشخیص موقعیت)  |     | (تشخیص موقعیت)  |     | (تشخیص موقعیت)  |
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
          |                        |                        |
          | (IP اروپا)            | (IP آسیا)             | (IP آمریکا)
          v                        v                        v
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
| Load Balancer EU  |     | Load Balancer AS  |     | Load Balancer US  |
| (Failover فعال)   |     | (Failover فعال)   |     | (Failover فعال)   |
+-------------------+     +-------------------+     +-------------------+
          |                        |                        |
          +-- توزیع بار محلی --+                        |
          |                        |                        |
          v                        v                        v
+---------+---------+     +---------+---------+     +---------+---------+
| سرور 1 | سرور 2 |     | سرور 1 | سرور 2 |     | سرور 1 | سرور 2 |
| (Replication) |   |     | (Replication) |   |     | (Replication) |   |
+---------+---------+     +---------+---------+     +---------+---------+

این دیاگرام نشان می‌دهد که Geo DNS و Anycast ترافیک را به data center مناسب هدایت می‌کنند، Load Balancer بار را توزیع می‌کند و Fault Tolerance با failover و replication از قطعی جلوگیری می‌کند.

مفاهیم پیشرفته

در سطوح پیشرفته، تمرکز بر موارد زیر است:

مثال پیشرفته: تنظیم GSLB با AWS Route 53


# تعریف سیاست Geo در Route 53 (با AWS CLI)
aws route53 create-hosted-zone \
    --name example.com \
    --caller-reference $(date +%s)

aws route53 change-resource-record-sets \
    --hosted-zone-id /hostedzone/Z123456789 \
    --change-batch '{
        "Changes": [{
            "Action": "CREATE",
            "ResourceRecordSet": {
                "Name": "example.com",
                "Type": "A",
                "SetIdentifier": "Europe",
                "GeoLocation": { "ContinentCode": "EU" },
                "TTL": 300,
                "ResourceRecords": [{ "Value": "192.168.1.10" }]
            }
        }, {
            "Action": "CREATE",
            "ResourceRecordSet": {
                "Name": "example.com",
                "Type": "A",
                "SetIdentifier": "Asia",
                "GeoLocation": { "ContinentCode": "AS" },
                "TTL": 300,
                "ResourceRecords": [{ "Value": "10.0.0.10" }]
            }
        }]
    }'

این کد Route 53 را برای هدایت کاربران اروپایی و آسیایی به IPهای مختلف تنظیم می‌کند.

کاربردها

مزایا و معایب

مزایا

معایب