網管人 171 期 - 動手部署叢集集合彙整容錯資源組成大群

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本文刊載於 網管人雜誌第 171 期 - 2020 年 4 月 1 日出刊，NetAdmin 網管人雜誌為一本介紹 Trend Learning 趨勢觀念、Solution Learning 解決方案、Technology Learning 技術應用的雜誌，下列筆記為本站投稿網管人雜誌獲得刊登的文章，網管人雜誌於每月份 1 日出刊您可於各大書店中看到它，或透過城邦出版人讀者服務網進行訂閱。

文章目錄

前言
剖析叢集集合運作架構
          叢集集合運作架構和角色
          叢集集合的常見疑問
實戰叢集集合
          建立叢集集合
          加入成員叢集
          檢查叢集集合命名空間功能
          建立容錯網域
          建立可用性集合
          組態設定即時遷移權限
          部署 VM 虛擬主機至叢集集合
          跨成員叢集遷移 VM 虛擬主機
結語

前言

在現代化 IT 基礎架構中，企業和組織的資料中心架構，已經從過去單獨或多個各自運作的容錯移轉叢集，轉變成「軟體定義資料中心」（Software Defined Data Center，SDDC）的運作架構（如圖 1 所示）。因此，在 SDDC 軟體定義資料中心的架構下，多個容錯移轉叢集之間，不僅能夠互相支援達到負載平衡，並且當災難發生時更能夠達到容錯移轉的目的。


新一代雲端作業系統 Windows Server 2019，新增「叢集集合」（Cluster Set）容錯移轉叢集特色功能。簡單來說，叢集集合能夠將多個各自運作的容錯移轉叢集，透過「鬆散耦合」（Loosely-Coupled）的方式將資源彙整，也就是將多個容錯移轉叢集把 運算 / 儲存 / 網路 等硬體資源融合在一起，建構出一個採用「統一儲存命名空間」（Unified Storage Namespace）的超大型融合式容錯移轉叢集。

那麼，對於企業和組織來說使用叢集集合能夠帶來什麼好處？ 首先，對於資料中心的維運人員來說，過去所有的管理經驗和工具都能持續使用無須變更，同時多個容錯移轉叢集雖然融合為一個超大型容錯移轉叢集，然而每個容錯移轉叢集仍然具備獨立性和彈性，舉例來說，管理人員倘若有兩個不同儲存資源的 S2D HCI 超融合容錯移轉叢集，其中一個 HCI 叢集採用 Hybrid（SSD+HDD）儲存資源，另一個 HCI 叢集採用 All-Flash（NVMe+SSD）儲存資源，那麼企業便可以將正式營運環境或需要大量儲存資源的 VM 虛擬主機，運作在採用 All-Flash 儲存資源的 HCI 叢集上，而第二線營運服務或測試用途的 VM 虛擬主機，則運作在 Hybrid 儲存資源的 HCI 叢集即可。

此外，採用叢集集合也能增加容錯移轉叢集的可用性，舉例來說，企業和組織建構一個具有 8 台節點主機的 HCI 叢集，資料保護則採用自動複寫三份的 3-Way Mirror 方式進行保護，然而當這個 HCI 叢集發生重大災難事件，導致 3 台節點主機發生故障無法服務，那麼仍然會導致 VM 虛擬主機無法運作並且遺失資料。

同樣的基礎架構運作環境，企業和組織分別建構兩個 HCI 叢集，並且每個 HCI 叢集具備 4 台節點主機，並且同樣採自動複寫三份的 3-Way Mirror 方式進行資料保護，當災難事件發生時，其中一個 HCI 叢集 2 台節點主機發生故障無法服務，另一個 HCI 叢集 1 台節點主機發生故障無法服務。此時，運作在兩個 HCI 叢集中的 VM 虛擬主機，仍然能夠持續正常運作並且不會發生任何資料遺失的情況。

剖析叢集集合運作架構

事實上，透過叢集集合的運作機制，能夠幫助企業和組織在自家地端資料中心內，輕鬆建構出類似 Azure 公有雲環境中，高可用性和叢集生命週期管理的「容錯網域」（Fault Domains）和「可用性集合」（Availability Sets）機制（如圖 2 所示）。

叢集集合運作架構和角色

在開始實戰演練叢集集合技術之前，我們必須先了解叢集集合的運作架構和角色（如圖 3 所示），以便稍後實作演練時能夠順利建構叢集集合，並且在後續發生問題時能夠進行故障排除作業。

• 管理叢集：在叢集集合運作架構中，擔任「管理叢集」（Management Cluster）角色的容錯移轉叢集，將會負責指揮和承載整個叢集集合的高可用性管理的工作任務，並且採用「向外延展檔案伺服器」（Scale-Out File Server，SOFS）機制，提供對外服務和統一的「叢集集合命名空間」（Cluster Set Namespace）。在一般情況下，擔任管理叢集角色的容錯移轉叢集，並不會運作任何 VM 虛擬主機的工作負載，除非發生重大災難事件或特殊情況。
• 成員叢集：擔任「成員叢集」（Member Cluster）角色的容錯移轉叢集，一般來說將會建構新一代的 S2D 超融合容錯移轉叢集，並且運作大量的 VM 虛擬主機或容器等工作負載，並且加入叢集集合運作架構中的「容錯網域」（Fault Domains）和「可用性集合」（Availability Sets）。
• 叢集集合命名空間轉介至 SOFS：由管理叢集透過 SOFS 機制所建構的唯一叢集集合命名空間，而這個 SOFS 轉介採用的 SMB 共享機制，為新一代 Windows Server 2019 雲端作業系統中，新增的「SimpleReferral」特色功能，讓 SMB Client 的存取作業能夠自動導向至適合的成員叢集。由於，這個特殊的 SOFS 為輕量級的轉介機制，所以不會參與 SMB I/O 路徑，這也是一般情況下管理叢集不會運作 VM 虛擬主機和容器等工作負載的主要原因。
• 主要叢集集合：在叢集集合運作架構中多個成員叢集彼此之間，將會透過機制自動選舉出「主要叢集集合」（Cluster Set Master，CS-Master）角色，並採用新式的叢集集合 WMI 提供者機制，與成員叢集進行互相通訊，以便因應管理叢集或成員叢集發生災難事件時執行復原程序。
• 工作者叢集集合： 每個成員叢集都會運作一個「工作者叢集集合」（Cluster Set Worker，CS-Worker）執行個體，並且與 CS-Master 角色互相通訊，以便將成員叢集的硬體資源和 VM 虛擬主機存放資訊提供給 CS-Master 角色，以利後續運作 VM 虛擬主機和容器等工作負載。
• 容錯網域： 一般來說，企業和組織的資料中心管理人員，會將同一組可能發生故障的成員叢集，指定為同一個「容錯網域」（Fault Domains），例如，這些成員叢集內的成員主機，共用同一個機櫃中的 PDU 機櫃排插，或連接至同一台網路交換器。但是，不管成員主機是否同為一個容錯網域，都可以加入可用性集合內。
• 可用性集合： 透過「可用性集合」（Availability Sets）機制，為叢集集合內運作的 VM 虛擬主機或容器等工作負載提供高可用性機制。在微軟官方的最佳建議作法中，倘若要保持 VM 虛擬主機或容器的高可用性，應該將 VM 虛擬主機和容器等工作負載，運作在可用性集合內「不同」的兩個容錯網域當中，以避免其中一個容錯網域發生災難事件時，仍然能夠保持服務的高可用性。

叢集集合的常見疑問

至此，雖然已經說明叢集集合的運作架構和角色，然而管理人員可能仍然對叢集集合有其它疑問，例如，叢集集合是否僅支援採用新式的 S2D 超融合容錯移轉叢集才能建構，倘若採用舊式共享儲存設備建構的 Hyper-V 容錯移轉叢集，是否也能加入叢集集合當中？ 以下為條列，剛開始接觸叢集集合的管理人員，最常見疑問進行快問快答：

• 叢集集合是否僅支援 S2D 超融合容錯移轉叢集？當然不是! 管理人員可以在叢集集合中，同時混用傳統共享式儲存設備的 Hyper-V 容錯移轉叢集，以及新式的 S2D 超融合容錯移轉叢集。
• 可以透過 SCVMM 管理叢集集合嗎？不行! 目前，僅支援採用 PowerShell 或 WMI 管理和組態設定叢集集合，而 SCVMM 管理工具則尚未支援叢集集合。
• 舊有的容錯移轉叢集能否加入叢集集合？不行! 由於叢集集合技術是新一代 Windows Server 2019 的新增功能，因此不支援舊有的 Windows Server 2012 R2 或 2016 的容錯移轉叢集，直接加入至新式的叢集集合當中。但是，原來舊有的 Windows Server 2012 R2 或 2016 的容錯移轉叢集，可以透過滾動升級至 Windows Server 2019 的方式，然後加入至新式的叢集集合當中。
• 在叢集集合架構中，能否僅擴充儲存空間或運算資源？可以! 資料中心的管理人員，可以隨著企業和組織的工作負載需求，擴充成員叢集內的成員主機數量或硬體資源，或是新增成員叢集至容錯網域和可用性集合內，達到擴充儲存或運算資源的目的。
• 叢集集合是否支援 VM 虛擬主機跨不同處理器遷移？不行! 事實上，這並非是叢集集合的限制而是 Hyper-V 虛擬化平台的限制，倘若真的需要進行跨 CPU 處理器世代的遷移時，目前僅支援採用「快速遷移」（Quick Migration）搭配處理器相容模式達成。因此，建議叢集集合內的成員叢集伺服器，應該採用相同世代的 CPU 處理器，以便 VM 虛擬主機能夠在叢集集合內不同的成員叢集之間進行遷移。
• 叢集集合是否支援 IPv6 網路環境？  可以! 跟傳統容錯移轉叢集一樣，都支援 IPv4 和 IPv6 網路環境。
• 叢集集合對於 Active Directory 的要求是什麼？所有成員叢集必須處於同一個 Active Directory 樹系當中。
• 叢集集合支援多少台叢集節點？在 Windows Server 2019 運作環境中，微軟已經建構並測試可支援至 64 台叢集節點。事實上，叢集集合可以支援更大的運作規模就像 Azure 公有雲一樣，倘若企業和組織需要超大型運作規模時，可以向微軟請求專業技術支援。
• 叢集集合內的 S2D 成員叢集是否能匯整成更大的儲存資源？不行! 目前的 S2D 技術，仍僅支援在單個叢集中運作，尚未支援將多個成員叢集的 S2D 儲存資源進行匯整。

實戰叢集集合

在本文實作環境中，總共建立三個容錯移轉叢集，分別是擔任管理叢集的「MGMT-Cluster」，以及兩個擔任成員叢集的「MBR-Cluster01、MBR-Cluster02」（如圖 4 所示），其中成員叢集採用 S2D 超融合建構，並且每個成員叢集中有兩台叢集節點主機。

建立叢集集合

當叢集集合運作環境準備完成後，管理人員便可以執行 New-ClusterSet 指令建立叢集集合，在本文實作環境中，叢集集合的名稱為「CS-Master」，而屆時存取的叢集集合命名空間為「SOFS-ClusterSet」，至於負責管理叢集工作任務的容錯移轉叢集名稱為「MGMT-Cluster」，最後則是指定叢集集合名稱 CS-Master 使用的固定 IP 位址為「10.10.75.40」（如圖 5 所示）。

系統將會至 DC 網域控制站，建立 CS-Master、SOFS-ClusterSet 容錯移轉叢集電腦帳戶，以及新增 CS-Master 解析為 10.10.75.40 的 DNS 解析紀錄，至於 SOFS-ClusterSet 則直接採用 MGMT-Cluster 管理叢集的節點主機 IP 位址為 DNS 解析紀錄。

當叢集集合順利建立完成後，切換至 MGMT-Cluster 管理叢集中，可以發現系統已經自動新增「Infrastructure File Server」、「Scaleout Master」這兩個角色（如圖 6 所示）。

加入成員叢集

叢集集合中的管理叢集已經成形，接著請執行 Add-ClusterSetMember指令將成員叢集加入，在本文實作環境中，兩個成員叢集的名稱為「MBR-Cluster01」、「MBR-Cluster02」，而屆時運作工作負載的 SOFS 名稱則為「MBR01-SOFS」、「MBR02-SOFS」（如圖 7 所示）。

系統將會至 DC 網域控制站，建立 MBR01-SOFS、MBR02-SOFS 容錯移轉叢集電腦帳戶，並直接採用成員叢集的節點主機 IP 位址為 DNS 解析紀錄。

同樣的，當兩個成員叢集順利加入叢集集合之後，切換至 MBR-Cluster01 或 MBR-Cluster02 成員叢集時，可以發現系統已經自動新增「Infrastructure File Server」、「Scaleout Worker」這兩個角色（如圖 8 所示）。


除了透過容錯移轉叢集管理員進行查看之外，後續管理人員也可以隨時以 PowerShell 指令查詢叢集集合運作環境。執行「Get-ClusterSet」指令，查詢叢集集合中管理叢集和 SOFS 叢集集合命名空間，執行「Get-ClusterSetMember」指令，查詢成員叢集的叢集名稱以及運作狀態，執行「Get-ClusterSetNode」指令，查詢成員叢集中節點主機名稱以及運作狀態（如圖 9 所示）。

檢查叢集集合命名空間功能

叢集集合中的管理叢集和成員叢集已經建立完成，在開始下一步動作之前，先確認叢集集合命名空間的 SOFS 轉介機制是否運作正常，確保屆時 SMB Client 存取作業能夠自動導向至適合的成員叢集。在管理叢集中執行 Get-SmbShare指令，即可看到叢集集合命名空間「SOFS-ClusterSet」，以及屆時轉介至成員叢集所對應的 SOFS 儲存路徑和儲存資源「MBR01-Volume」、「MBR02-Volume」（如圖 10 所示）。


除了透過指令檢查之外，管理人員也可以開啟檔案總管，透過 UNC 路徑的方式存取叢集集合命名空間「\\SOFS-ClusterSet」，同樣可以看到轉介至成員叢集所對應的 SOFS 儲存路徑和儲存資源「MBR01-Volume」、「MBR02-Volume」（如圖 11 所示）。

建立容錯網域

在本文實作環境中，兩個成員叢集分別部署在不同的機櫃，並且叢集節點採用不同的 PDU 機櫃排插，同時也連接至不同台網路交換器。因此，為了讓屆時運作於叢集集合中的工作負載具備高可用性，我們將兩個成員叢集指定為不同的容錯網域。

執行 New-ClusterSetFaultDomain指令，指定 MBR-Cluster01成員叢集的容錯網域名稱為「FD1」，指定 MBR-Cluster02 成員叢集的容錯網域名稱為「FD2」（如圖 12 所示）。

每個容錯網域中，皆可以包括多個成員叢集至其中。

建立容錯網域後，透過 Get-ClusterSetFaultDomain 指令，即可查詢每個容錯網域包括哪些成員叢集，以及每個成員叢集的詳細資訊（如圖 13 所示）。

建立可用性集合

建立多個容錯網域之後，最後透過可用性集合的方式將多個容錯網域包括至其中，屆時即可為叢集集合內運作的 VM 虛擬主機或容器等工作負載提供高可用性機制。在本文實作環境中，執行 New-ClusterSetAvailabilitySet指令，建立名稱為「AvailabilitySet」的可用性集合（如圖 14 所示）。

組態設定即時遷移權限

為了因應叢集集合中，成員叢集工作負載進行負載平衡，或者發生災難事件時能夠進行「即時遷移」（Live Migration）。因此，必須為成員叢集中每台叢集節點主機的電腦帳戶，組態設定即時遷移權限，並且將管理叢集的電腦帳戶新增至每台叢集節點主機的本機 Administrators 群組成員中。

舉例來說，在 MBR-Cluster01 成員叢集中，共有兩台叢集節點主機 Node01、Node02，必須為電腦帳戶組態設定權限委派作業，信任另一個 MBR-Cluster02成員叢集中，叢集節點主機 Node11、Node12，服務類型為「cifs」、「Microsoft Virtual System Migration Service」（如圖 15 所示）。同樣的，在 MBR-Cluster02 成員叢集中，叢集節點主機 Node11、Node12，必須為電腦帳戶組態設定權限委派作業，信任另一個 MBR-Cluster01成員叢集中，叢集節點主機 Node01、Node02，服務類型為「cifs」、「Microsoft Virtual System Migration Service」。


接著，將管理叢集的「MGMT-Cluster」電腦帳戶，新增至每台叢集節點主機「Node01，Node02，Node11，Node12」的本機 Administrators 群組成員中（如圖 16 所示）。

部署 VM 虛擬主機至叢集集合

在叢集集合運作環境中建立 VM 虛擬主機時，可以透過檢查機制讓即將部署的 VM 虛擬主機，能夠在獲得最佳資源的叢集節點主機上運作，舉例來說，我們可以透過 Get-ClusterSetOptimalNodeForVM指令，檢查目前叢集集合中，哪一台叢集節點主機最適合部署，資源需求「2 vCPU、8 GB vRAM、10% CPU 運算資源」的 VM 虛擬主機。如圖 17 所示，可以看到系統建議依據資源需求條件，VM 虛擬主機建議部署在「Node02」叢集節點主機。


獲得 VM 虛擬主機最佳部署建議後，我們在 MBR-Cluster01 的 Node02 叢集節點主機中，部署名稱為「CS-VM01」的 VM 虛擬主機，在 MBR-Cluster02 的 Node12 叢集節點主機中，部署名稱為「CS-VM02」的 VM 虛擬主機。然而，管理人員會發現部署的兩台 VM 虛擬主機，並非叢集集合類型的 VM 虛擬主機（如圖 18 所示）。


管理人員必須執行 Register-ClusterSetVM指令，將部署的 VM 虛擬主機註冊為叢集集合類型，並且將 VM 虛擬主機加入可用性集合當中，以便能夠受到可用性集合以及容錯網域的保護。當 VM 虛擬主機註冊為叢集集合類型後，由於部署的兩台 VM 虛擬主機在不同的容錯網域中，便可以看到處於不同的更新網域中（如圖 19 所示）。

跨成員叢集遷移 VM 虛擬主機

部署後的叢集集合 VM 虛擬主機，在同一個成員叢集中 VM 虛擬主機可以隨心所欲的進行各種遷移。然而，在跨成員叢集遷移 VM 虛擬主機的部份卻與過去不同，在傳統容錯移轉叢集運作環境中，跨叢集遷移 VM 虛擬主機時，必須移除 VM 虛擬主機叢集角色、即時遷移至不同叢集和節點主機、加入新的叢集中並新增角色，在叢集集合運作環境中則無須執行上述繁雜的步驟。

在叢集集合環境中的 VM 虛擬主機，只要執行 Move-ClusterSetVM指令，並且指定欲遷移的 VM 虛擬主機名稱，以及目的地叢集節點主機名稱即可。如圖 20 所示，可以看到原本 CS-VM01 虛擬主機，運作於 MBR-Cluster01 的 Node02 節點主機中，遷移至 MBR-Cluster02 的 Node12 節點主機繼續運作。

結語

透過本文的深入剖析和實戰演練，相信讀者已經了解叢集集合的各項優點，透過叢集集合、容錯網域、可用性集合等運作機制，可以有效幫助 IT 管理人員，提供企業和組織更強大更彈性的基礎架構。