实现高可用性和冗余性的网络设计原则

在当今这个互联互通的世界里，大多数企业都依赖网络来获取数据、享受各种服务，并保持不间断的通信联系。 网络故障可能由多种原因导致，例如硬件故障、系统运行中断、意外事件或软件问题等。 这样的失败可能会导致系统停机，同时还会带来经济损失。 因此，高可用性和冗余性在构建一个强大的网络中起着至关重要的作用。 以下文章详细介绍了高可用性和冗余性方面的内容，以及需要考虑的网络设计原则。

在计算机网络中，所谓的高可用性指的是什么？

高可用性（HA）指的是系统能够在没有任何中断的情况下，持续为用户提供服务的能力。 高可用性可以确保在出现硬件故障、应用程序无法正常运行、与云服务提供商的连接中断等情况时，服务仍能持续运行。 在系统的各个层面增加冗余性，被定义为提高系统可用性的最佳方式。 如果任何一个组件发生故障，那么整个HA系统仍然必须保持正常运行状态。 高可用性系统被广泛应用于各种领域，例如医疗设备、自动驾驶汽车、电子健康记录等。

可用性可以通过以下公式计算得出：

可用性 = （每月的分钟数 – 故障发生的分钟数）× 100 / 每月的分钟数

所谓“停机时间”，指的是系统无法正常运行的时间段。

在计算机网络中，所谓“冗余”指的是什么？

网络冗余指的是为业务网络在出现错误或故障时，创建替代或额外的路径、设备或其他组件的过程。很多时候，网络冗余被视作一种灾难恢复计划，因为它能够降低出现损坏、错误以及系统停机的可能性。

网络冗余分为四种类型，具体如下：

• 权力冗余：电力冗余是指一种机制，当电力或供电系统出现故障时，企业仍能继续正常运行。因为，网络设备的正常运作离不开电力供应。

• 数据冗余：数据冗余指的是通过辅助手段或方式来获取所有关键且重要的业务相关信息的过程。这有助于防止数据的丢失。

• 地理上的冗余：地理冗余指的是将业务网络分布在多个地理位置上的过程。实现地理冗余是为了降低因局部事件而影响到业务数据的可能性。

• 路径冗余：路径冗余指的是为各种功能创建多个或替代性的网络路径的过程。因此，即使常规的连接通道出现故障，企业仍然能够继续开展其业务活动。

实现高可用性和冗余性的网络设计原则

设置负载均衡器

负载均衡器它用于将整体网络流量分配到多条路径、多个设备或服务器上，而不是将所有流量集中到一个服务器上。使用负载均衡器可以帮助避免过载现象，减少系统停机时间，优化性能，并提高系统的冗余性。负载均衡器会从可用的资源中选择最适合处理工作负载和网络流量的资源。可以使用不同类型的负载均衡算法来实现这一目标。

• 循环赛：轮询式负载均衡算法会将所有流量均匀分配到所有可用的服务器上。
• 源IP地址哈希值：源IP哈希算法根据请求的源IP地址来选择合适的服务器。负载均衡器会利用源地址和目的地址生成一个唯一的哈希键。
• 最少连接数：使用最小连接数算法的负载均衡器会选择拥有最少活跃连接的服务器。

2. 数据备份与恢复

数据备份与恢复过程旨在确保在出现故障时能够最大限度地减少数据的损失。 一个高可用性的系统，必须具备数据保护和灾难恢复的相关计划。 企业和公司需要制定应急计划，以便在发生数据丢失、损坏等故障时能够立即恢复业务。 如果某个组织需要较低的RTO和RPO，并且无法承受数据丢失的情况，那么使用数据复制技术就成为了一个非常好的选择。 如果任何主要系统出现故障，或者硬件或软件出现故障，那么备份系统必须能够更新相关记录，以确保备份过程能够顺利进行且准确无误。

3. 故障转移机制

如果出现任何与硬件或软件相关的故障，无论是整个系统还是某个特定组件的故障，都应能够在短时间内实现实时切换，且无需人工干预。 例如，该配置包括两台设备，分别称为机器1和机器2。这两台设备也被称为“热备盘”。 机器2持续监控着机器1，以发现任何可能出现的突发错误或问题。 如果作为主机的机器1在出现突发错误后无法继续运行，那么机器2就会上线，从而替代机器1成为可用的主机。 这个过程不会给最终用户带来任何影响或干扰。 一旦管理员解决了机器1的问题，那么机器2就会离线，而机器1则再次成为主设备。

4. 选择合适的冗余协议

虽然存在多种冗余协议，但并非所有协议都具备强大的可靠性。因此，必须为网络选择合适的协议。那些高效且可靠的协议，其配置过程相对简单。以下是几种适合且高效的协议：

第1层和第2层的冗余协议

• 链路聚合控制协议LACP：链路聚合控制协议（Link Aggregation Control Protocol）用于实现链路的冗余功能，该协议有多种适用于多机箱环境的变体。
• 生成树协议STP：采用Spanning Tree Protocol（STP）协议，因为该协议拥有一些现代化的、收敛速度较快的变体，比如RSTP和SMTP。

第3层冗余协议

• 思科自研的Hot Standby路由协议HSRP：这是思科自主研发的热备份路由协议。该协议被广泛应用于工作站和服务器等终端设备中。
• 动态路由协议：如OSPF、EIGRP或BGP等动态路由协议，用于连接不同的网络设备。

5. 安全措施

有必要实施各种安全防护措施，以应对那些可能降低系统可用性的威胁。为了预防各种网络攻击，必须遵循一系列安全措施。这些措施包括：

• 安装防火墙：防火墙它充当了公司内部网络与来自外部来源的流量之间的屏障。它能够阻止恶意内容、病毒等威胁，从而为系统提供安全保障。
• 培训员工：在组织中工作的员工需要了解必须遵循的安全措施，比如设置强密码、制定网络故障时的应急计划等。
• 保护Wi-Fi网络：所使用的Wi-Fi网络需要借助密码来保护。甚至，还可以通过设置路由器来隐藏Wi-Fi网络，这样路由器就不会广播网络的名称或SSID了。
• 控制对公司设备的访问权限：通过控制访问权限，可以防止未经授权的实体使用公司的设备。这样，当这些设备不处于使用状态时，它们会被锁定起来。

6. 定期进行测试与文档记录

定期测试包括检查故障转移机制以及负载测试情况，以确保这些机制能够按照预期的方式正常运行。为了将来能够顺利解决各种问题，还需要保持相关的文档记录。这样的做法有助于更容易地诊断错误并对其进行修复。