Архитектуры управления ресурсами в крупных кластерах

Масштабирование кластеров приводит к росту накладных расходов планирования и оркестрации. Эффективные архитектуры распределяют управление по уровням и доменам отказа.

$$ \text{Задача размера }N \;\to\; K \text{ независимых подзадач},\quad T_{\text{total}} \approx \max_i T_i\;+\;T_{\text{overhead}} $$

Подходы разделения на домены

Три практические стратегии (на примере OpenStack и совместимых стеков):

Подход	Суть	Когда применять
Мульти-регион (multi-region)	Несколько независимых регионов (площадки/ЦОД), общий контур аутентификации. Сервисы внутри региона автономны.	Геораспределённость, изоляция доменов отказа, разные версии/политики по регионам.
Nova Cells (multi-cell)	Деление вычислительного кластера на «ячейки» (cells) с иерархией: корневая ячейка, API-ячейки, вычислительные ячейки.	Очень большие пулы ВМ, контроль планировщиков и очередей, локализация трафика управления.
Каскадирование (cascading)	Верхний OpenStack управляет множеством нижних кластеров через единый API-шлюз.	Единая витрина ресурсов для 10+ площадок и смешанных облаков (в т.ч. публичных).

Мульти-регион

- Общий сервис идентификации (Keystone), отдельные контроллеры и пулы ресурсов по регионам. - Свобода версий и конфигураций между регионами, простая эксплуатация. - Недостаток: кросс-регионная миграция ВМ и общие пулы обычно не поддерживаются «из коробки».

Схема мульти-региона

flowchart LR classDef small font-size:16px,stroke-width:1px; U["Пользователь/клиент"]:::small --> API["Единая точка входа (каталог услуг)"]:::small K["Keystone (общий)"]:::small --> R1API["API региона R1"]:::small K --> R2API["API региона R2"]:::small API --> R1API API --> R2API subgraph R1["Регион R1"] R1API --> R1Pool["Пул ресурсов\n(Вычисления/Сеть/Хранилище)"]:::small end style R1 fill:#fff9d9,stroke:#d4c882,stroke-width:1px; subgraph R2["Регион R2"] R2API --> R2Pool["Пул ресурсов\n(Вычисления/Сеть/Хранилище)"]:::small end style R2 fill:#fff9d9,stroke:#d4c882,stroke-width:1px;

- Примеры: регионы «Запад/Восток» в публичном облаке + корпоративный регион на собственной площадке. - Российский контекст: Яндекс Облако, VK Cloud, Selectel поддерживают многорегиональные размещения.

Nova Cells (многоячеечная архитектура)

Цель — масштабировать вычислительный сервис за счёт разделения планирования, очередей и баз данных.

- Root cell: агрегирует каталоги и маршрутизирует запросы. - API-cells: принимают пользовательские операции. - Compute-cells: содержат планировщик/исполнитель и набор узлов.

Иерархия Nova Cells (упрощённо)

flowchart TB classDef small font-size:16px,stroke-width:1px; Root["Root cell\n(Nova-API, каталоги)"]:::small --> API1["API cell #1\n(очереди, БД)"]:::small Root --> API2["API cell #2\n(очереди, БД)"]:::small API1 --> C11["Compute cell #1\n(планировщик, исполнитель, узлы)"]:::small API1 --> C12["Compute cell #2\n(...)"]:::small API2 --> C21["Compute cell #3\n(...)"]:::small API2 --> C22["Compute cell #4\n(...)"]:::small

- Применяется в сверхкрупных кластерах (тысячи узлов). - Локализует трафик управления и сбои внутри ячейки. - Требует продуманной телеметрии и трассировки между ячейками.

Каскадирование OpenStack (cascading)

Верхний слой предоставляет единый API и каталог услуг; нижние кластеры остаются самостоятельными «облаками».

Каскадирование кластеров

flowchart TB classDef small font-size:16px,stroke-width:1px; TopAPI["Верхний OpenStack API\n(единая витрина ресурсов)"]:::small --> C1["Нижний кластер 1\n(OpenStack)"]:::small TopAPI --> C2["Нижний кластер 2\n(OpenStack)"]:::small TopAPI --> C3["Нижний кластер 3\n(OpenStack/совместимый)"]:::small C1 --> R1["Ресурсы кластера 1"]:::small C2 --> R2["Ресурсы кластера 2"]:::small C3 --> R3["Ресурсы кластера 3"]:::small

- Поддерживает десятки площадок и смешанные среды (частные/публичные). - Для сетевой автоматизации в мультиоблаке применяются проекты уровня интеграции (аналог Tricircle/Neutron). - Для унификации доступа к вычислениям и хранилищам — API-шлюзы (аналог Trio2o).

Сравнение подходов

Подход	Преимущества	Ограничения
Мульти-регион	Простая эксплуатация; изоляция доменов отказа; регионы могут отличаться по версиям и политике.	Нет кросс-регионных пулов и «живой» миграции ВМ; единый каталог нужен отдельно.
Nova Cells	Масштаб вычислительного сервиса; локализация отказов; контроль планировщиков.	Сложнее трассировка, сквозной мониторинг и операционные процессы.
Каскадирование	Единый API для многих кластеров; смешанные среды (частные/публичные); мягкая миграция.	Дополнительный верхний слой; задержки на проксирование; требования к согласованности каталогов.

Практические рекомендации

- Для геораспределённости и простоты — мульти-регион с общим идентификационным контуром. - Для «супер-кластера» вычислений — Nova Cells с чётким разделением ячеек и метрик. - Для объединения разнородных площадок и гибридов — каскадирование с единым API-шлюзом. - Планировать единый слой наблюдаемости и биллинга, иначе выигрыш масштаба теряется. - Тестировать сценарии деградации: отказ одной ячейки/региона не должен влиять на остальные.

Ключевые идеи

- Разделяй управление по доменам: регион, ячейка, каскад. - Локализуй трафик управления и очереди — это ограничивает «лавину» сбоев. - Единый каталог и API ускоряют интеграции и миграции. - Сквозной мониторинг и трассировка — обязательны при многоуровневых схемах. - Выбор архитектуры зависит от профиля нагрузки, географии и зрелости процессов эксплуатации.