Proposition d une architecture pour ebay, en mettant l accent sur les notions de scalabilité, de résilience, et de tolérance aux pannes.

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1 PROJET «EBAY» V1 MANUEL ROLLAND, SCIA 2009, REMIS LE 7 MARS Rappels sur le projet : Proposition d une architecture pour ebay, en mettant l accent sur les notions de scalabilité, de résilience, et de tolérance aux pannes. Sachant que : - un marchand vend 100 objets différents. - on veut pourvoir connaître la somme des opérations d'un marchand par type d'objet, analyse historique. - on dispose de petits serveurs UNIX d entrée de gamme. - chaque serveur peut être contacté par clients en même temps, celui-ci doit répondre à toutes en 3ms. - un serveur s'occupe initialement d'un certain nombre de marchand. Quelle technique permet d'allouer le bon nombre de marchand par serveur? - le serveur ne doit pas tomber. Même si il tombe en pane l'architecture doit prévoir des solutions pour ne pas perdre l'historique sans intervention humaine. - le temps d'attente maximum d un client est de 10 millisecondes. - le serveur SUN subit tout d'un coup un engorgement de demandes car tous les marchands vendent beaucoup. Comment les répartir? Aucune erreur n est tolérée. - il faut indexer les serveurs, les marchands, les produits et cet index ne doit jamais tomber. - Il faut grouper les produits d'un marchand sur un serveur. - la logique des informations doit être gardée lors de l ajout de nouveaux serveurs. 2. Quelques chiffres en plus sur ebay : - En moyenne sur une journée, les serveurs d ebay lancent 44 milliards de requêtes SQL sur à peu près 100 millions d objets à vendre. - EBay compte 212 millions d utilisateurs enregistrés. - Il y a 1 milliard de photos descriptives des objets. - Un milliard d articles à vendre sont vus chaque jour, auxquels il faut ajouter 100 millions de pages de recherche. Cela représente un volume de données de 2 PétaOctets. - Chaque seconde 1800$ sont échangés entres acheteurs et vendeurs. - Les serveurs d ebay présentent un «up time», c'est-à-dire un temps ou toutes les fonctionnalités d ebay sont accessibles depuis n importe quel endroit du globe, de 99,94%. - EBay a grandi d un facteur 35 entre 1999 et 2006, en termes de nombre de pages vues et de largeur de bande passante des serveurs.

2 3. Les trois notions importantes : Scalabilité : La scalabilité est la propriété d un système, d un réseau ou d un processus, à d une part recevoir et traiter des flux de travail ou de données de plus en plus importants, et d autre part à pouvoir être lui-même agrandi rapidement et automatiquement. Un système est dit «scalable» quand sa performance augmente de manière au moins proportionnelle à la capacité ajoutée (par exemple capacité en bande passante, en mémoire vive, etc.). Pour un modèle logiciel, la scalabilité revient au fait que le design logiciel n a pas besoin d être modifié pour pouvoir être installé sur des systèmes à grande échelle. Cette propriété est particulièrement importante dans le domaine des bases de données, mais aussi des routeurs et plus généralement du matériel réseau. La scalabilité peut aussi être géographique, et désigne alors la facilité avec laquelle on peut maintenir un système pour le passage d une utilisation locale à une région plus importante. Enfin la scalabilité se réfère aussi à la capacité d un système à être utilisé, mis en œuvre et administré par un nombre grandissant de personnes et d organisations. Résilience : La résilience est la capacité d un système à se corriger, à se réparer lors d une panne, afin de retrouver à la fin de la panne les mêmes caractéristique qu avant. Dans le monde de l industrie, la conception de systèmes résilients implique essentiellement que la sécurité du système doit être tout à la fois réactive et proactive, afin d assurer la reprise en temps réel après une panne. Les anciennes approches classiques pour des systèmes de cette sorte sont basées sur les calculs de probabilité de panne, mais la conception de systèmes résilients cherche à créer des systèmes euxmêmes capables d analyser et de modifier les modèles de risques. Tolérance aux pannes (Fault tolerance): La tolérance aux pannes permet à un système de continuer à fonctionner correctement dans le cas d un dysfonctionnement d un de ses composants. Lors d une panne, ces systèmes permettent d avoir une qualité de service réduite proportionnellement au dysfonctionnement, alors que les systèmes classiques s effondreraient et leur qualité de service deviendrait nulle. La tolérance aux pannes est aussi une propriété qui peut caractériser les règles avec lesquelles interagissent les machines.

3 4. Exemples, techniques et références : Les techniques permettant la scalabilité, la résilience et la tolérance aux pannes apparaissent à différents niveaux de la conception d un projet. Niveau Réseau: On peut noter du côté réseau une multitude de techniques résumées par ce qu on appelle le «load-balancing» (bien que le terme aie des significations différentes). Cela comporte essentiellement : - factorisation des paquets TCP : permet d encapsuler plusieurs requêtes http dans un seul socket TCP, factorisant ainsi le poids des entêtes TCP. - TCP Buffering : mise en tampon des réponses du serveur. Cela permet par exemple au serveur de préparer trois paquets TCP, puis d effectuer trois requêtes vers les serveurs de données, et d envoyer ensuite les trois paquets. Cela permet de grouper les actions du serveur et donc de diminuer le nombre de communications, d authentifications entre les serveurs. - Filtrage IP : liste noire / liste grise d adresses IP dont il ne faut pas accepter les connexions - File de priorité : permet d accorder une priorité différente suivant la requête (transaction ou non dans le cas ebay par exemple) ou selon le client (bas débit / haut débit, client/vendeur). Les routeurs internes doivent pouvoir aussi gérer la priorité selon les serveurs, (typé / capacité / niveau de sécurité / dépendance fonctionnelle). - Protection contre les attaques DDoS, avec l utilisation de cookies SYN, qui permet aux serveurs de données de ne pas voir le client si celui-ci n a pas correctement effectué son authentification TCP. - Cache http : stockage du résultat de requêtes fréquentes, dans le cas ebay cela pourrait être très utile pour les requêtes de listings d objets. - accélération SSL: les serveurs peuvent aussi effectuer du load-balancing pour les applications sécurisées par SSL, qui sont extrêmement gourmandes en temps CPU, comme les transactions ou enchères dans le cas qui nous intéresse. Il existe aussi une variété importante d algorithmes de routage intelligent entre les serveurs. De manière générale un protocole de routage est considéré comme scalable, si la taille de la table de routage grandit en complexité logarithmique par rapport au nombre de serveurs. Niveau Stockage des données: En ce qui concerne la gestion de la base de données, une approche qui permet la scalabilité est la segmentation fonctionnelle, c'est-à-dire la séparation en modules logiques des données. Pour ebay on aurait ainsi User, Item, Transaction, Account et Feedback, et une unité par catégorie de produits. L intérêt de ces unités logiques est de s abstraire complètement de la

4 réalisation physique. Le nombre de serveurs peut augmenter dans un unité logique sans que les autres s en aperçoivent. La base de données, pour répondre aux critères de résilience et de tolérance aux pannes, peut aussi présenter une séparation horizontale, c'est-à-dire une séparation d une table sur plusieurs serveurs en faisant un modulo sur la clef primaire par exemple, ou encore par un système de plusieurs tables de hash reliées en profondeur. Une évolution de cette séparation horizontale est la création d une table de n colonnes contenant l index avec le système du modulo, et pour chacune de ses colonnes la réplication sur m serveurs de cet index ; et enfin la mise en place d un «agrégateur» qui lorsqu il reçoit la requête, la dispatche sur un serveur de la bonne colonne, en répartissant uniformément la charge sur les m serveurs de la colonne. Ces systèmes doivent toujours fournir la couche d abstraction nécessaire aux développeurs pour qu ils n aient pas à se préoccuper des systèmes physiques. Pour satisfaire la scalabilité, il faut par ailleurs prévoir la mise à jour des applications tournant sur le système, par un Rollout Plan, c'est-à-dire un outil permettant de calculer les dépendances entre les serveurs et les applications, et de déterminer la meilleure séquence de mise à jour possible. Niveau Cluster de calcul : Du point de vue théorique, la loi d Amdahl est très importante dans le domaine («Validity of the single processor approach to achieving large scale computing capabilitie», 1967). Cette loi permet notamment de trouver la performance maximale possible dans des architectures multiprocesseurs. Elle se résume à cette formule : Avec : Stotal : le rapport de vitesse d un système parallélisé par rapport à un système classique k : chaque opération de la tâche, si la tâche peut être décomposée bien sûr Pk : indique pour chaque opération k sa fréquence d apparition (la somme des Pk est donc égale à 1) Sk : le coefficient d acceleration possible pour l opération. On aura par exemple un Sk de 1 pour aucune accélération, et un Sk de 2 pour une augmentation de la vitesse de 100%. Cette loi est très fréquemment utilise pour calculer les performances théoriques des clusters de calcul. En pratique, on utilise pour satisfaire la résilience et la tolérance aux pannes des «High Availability Clusters» ou encore «Failover Clusters», qui permettent la redondance sur plusieurs serveurs, et d assurer de manière transparente un relai entre les serveurs en cas de panne. Il existe plusieurs configurations possibles pour ces clusters :

5 - Actif/Actif : Le trafic du serveur en panne est passé à un autre serveur ou réparti entre les autres serveurs - Actif/Passif : Les serveurs sont organisés en couple, le serveur «secondaire» est une copie du serveur «primaire», et effectue les mêmes opérations en même temps. Lors d une panne sur le «primaire» le secondaire est mis sur le réseau du cluster à sa place. - N+1 : Généralisation du mode Actif/Actif, mais cette fois les serveurs primaires font tourner des services qui peuvent être différents, et lors d une panne d un serveur primaire, le seul serveur secondaire doit être capable de prendre le relai, quelque soit le service. - N + M : comme le N+ 1, mais M serveurs peuvent servir de relai, chacun pour n importe quel service. Mais les configurations possibles sont infinies, il existe ainsi aussi N-to-1, N-to-N Le nombre minimum de serveurs pour ces clusters est bien sur de 2, mais la plupart du temps ils sont organisés par douzaines. Chacun des serveurs du cluster doit être conçu de manière à être le plus fiable possible, ainsi on utilise les techniques habituelles de RAID sur les disques durs, le réseau est redondant (routeurs et câbles dédoublés), l alimentation électrique est redondante elle aussi (groupes électrogènes, Uninterruptible Power Supply, Battery Energy Storage System, ). Au niveau logiciel il existe plusieurs outils pour gérer de tels clusters : - Sun Cluster pour des serveurs Solaris - RedHat Cluster Suite pour les serveurs Linux - High availabilty Cluster Multiprocessing par IBM pour AIX et Linux - Parallel Sysplex par IBM pour ses Mainframes - HP ServiceGaurd pour HP/UX et Linux IBM a développé pour ses Mainframes un autre design : RAS, pour Reliability, Availability et Serviceability, qui permet d intégrer tous les outils nécessaires à la mise en production de clusters, notamment au plus bas-niveau : vérification des segments mémoire, RAID sur les disques durs, exécution des programmes dans des machines virtuelles,. Niveau applicatif : L architecture Web la plus répandue : REST REST, pour «Representational State Transfer», a été mis au point par Roy T. Fielding dans sa thèse «Architectural Styles and The Design of Network-based Software Architectures en Roy T. Fielding est par ailleurs le co-fondateur d Apache (les serveurs Apache représentent pas moins de 70% des serveurs Web). REST est le principal standard du Web, cette architecture étant notamment utilisée par Google, Yahoo et Amazon. REST peut s assimiler à un automate, un état étant alors l affichage d une page Web et la transition d un état à l autre étant tout simplement le click utilisateur.

6 Concrètement REST permet de définir quels composants standards utiliser : - Bonne utilisation des requêtes HTTP (GET, POST) pour l optimisation des performances - Bon nommage logique des composants et pages du serveur Web - Utilisation des standards (UTF8, XML, ) afin de bien pouvoir repousser le calcul de la représentation des ressources du côté client. - Utilisation de format tolérants aux pannes par définition : comme les formats XML ou HTML : si balise est incorrecte, alors le programme client (le navigateur généralement) essaie soit de l interpréter comme il peut, de manière transparente, soit il ignore la balise et passe à la suivante, et la perte d informations est alors minimisée. - Les bonnes pratiques en termes de sécurité : les composants, les serveurs, doivent se méfier les uns des autres (cela s oppose à la configuration classique des entreprises ou la sécurité est dite «périmétrique», où dès qu un point d entrée est attaqué, toutes les machines de l entreprise sont vulnérables). Par ailleurs il existe une multitude de frameworks applicatifs dans le domaine, on peut citer par exemple Proactive de l INRIA, qui permet de concevoir des applications dédiées au parallélisme et au calcul distribué en mettant l accent sur les contraintes de tolérance aux pannes et de load-balancing. Bilan Comme on a pu le voir, il existe une multitude de techniques et d outils permettant de satisfaire les contraintes imposées par la conception d une architecture pour ebay. Les propriétés de résilience, de scalabilité et de tolérance aux pannes peuvent être prises en compte à tous les niveaux de l architecture, de la couche réseau à la couche applicative en passant par les bases de données et les serveurs de calcul. Mais on peut remarquer que c est la bonne intégration de toutes ces couches qui semble être la phase la plus difficile lors de la conception de tels systèmes.

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