Was sind zellbasierte Architekturen und wie tragen sie zur Skalierbarkeit und Resilienz bei?

Zellbasierte Architekturen bieten eine innovative Lösung zur Skalierung und Fehlerisolierung von Anwendungen. Diese Architekturform geht davon aus, dass Systeme in einzelne Zellen unterteilt werden, die jeweils eine festgelegte, maximale Größe haben und somit leichter zu verwalten sind. Im Allgemeinen zielt der Einsatz dieser Architektur darauf ab, die Verfügbarkeit, Testbarkeit und Skalierbarkeit zu optimieren, während gleichzeitig die Komplexität und das Risiko von Ausfällen minimiert werden.

Zellen sind in der Regel so gestaltet, dass sie auf mehrere Konten oder Regionen verteilt sind. Sie sind besonders dann von Vorteil, wenn Anwendungen mehrere Mandanten bedienen müssen und dabei verhindern wollen, dass große Kunden kleinere Nutzer negativ beeinflussen. Weitere Anwendungsfälle für zellbasierte Architekturen sind Systeme, die horizontal und vertikal skalieren müssen oder solche, die extrem ausfallsicher sein müssen. Die Isolation innerhalb einer Zelle stellt sicher, dass Fehler lokalisiert und nicht auf das gesamte System ausgedehnt werden.

Ein zentraler Aspekt dieser Architektur ist das Sharding – eine Technik zur Verteilung von Daten über mehrere Zellen oder Partitionen hinweg. Sharding sorgt dafür, dass Daten effizient zwischen verschiedenen Zellen aufgeteilt und verteilt werden. Der Routing-Mechanismus innerhalb der Architektur leitet den Datenverkehr durch eine dünne Zwischenschicht, die auf Basis eines Sharding-Algorithmus weiß, wo Anfragen hingeschickt werden müssen. Diese Trennung ermöglicht eine feingranulare Steuerung und das Management des Datenverkehrs, was zu einer besseren Lastenverteilung führt.

Ein entscheidender Vorteil von zellbasierten Architekturen ist die Reduktion des sogenannten „Blast Radius“. Wenn eine Zelle versagt, bleibt der Schaden auf diese Zelle begrenzt, sodass andere Zellen und deren Nutzer nicht betroffen sind. Zellen sind in ihrer Größe begrenzt, was bedeutet, dass bei einem Ausfall die Wiederherstellung schneller erfolgen kann als in einem großen, monolithischen System. Auch die Skalierbarkeit profitiert von der Struktur: Da Zellen in ihrer Infrastruktur gleich groß sind, kann horizontal skaliert werden, was deutlich schneller und kostengünstiger ist als eine vertikale Skalierung.

Trotz dieser Vorteile erfordert der Einsatz von zellbasierten Architekturen eine gründliche Planung und stetige Anpassung. Ein weiterer Vorteil der Zellen ist die Möglichkeit zur Durchführung von Tests. Da jede Zelle eine begrenzte Größe hat, können Tests und Experimente gezielt auf einzelne Zellen angewendet werden, ohne das gesamte System zu gefährden. Dies ermöglicht eine einfache Durchführung von Chaos-Engineering-Tests, bei denen gezielt einzelne Zellen belastet werden, um die Ausfallsicherheit zu prüfen.

Ein weiterer Aspekt der Zellenarchitektur ist die Verfügbarkeit. Während der Ausfall einer Zelle zwar das betreffende Segment betrifft, bleibt die Gesamtverfügbarkeit des Systems weitgehend erhalten. Dies sorgt für eine bessere Nutzererfahrung und eine hohe Betriebsstabilität. Außerdem bieten Zellen einen klaren Rahmen für sichere Rollouts und Deployments. Bei fehlerhaften Deployments kann der Rollout auf einzelne Zellen beschränkt und schnell rückgängig gemacht werden, was das Risiko von großflächigen Ausfällen verringert.

Neben der zusätzlichen Komplexität entstehen auch höhere Kosten, da jede Zelle eine vollständige Kopie der Infrastruktur erfordert. Dies führt zu einer Verdopplung oder sogar Verdreifachung der benötigten Ressourcen, was die Betriebskosten erhöhen kann. Allerdings sind diese Kosten nicht exponentiell, da die Skalierung der Infrastruktur auf horizontale Weise erfolgt. Dennoch müssen Unternehmen sicherstellen, dass die zusätzlichen Kosten in Relation zu den Vorteilen stehen, die sie aus der Skalierbarkeit und Fehlerisolierung ziehen können.

Die kontinuierliche Verbesserung der Architektur ist ein weiterer wichtiger Punkt. Zellen müssen regelmäßig überprüft und angepasst werden, um den sich verändernden Anforderungen und Lasten gerecht zu werden. Die Anforderungen an Skalierbarkeit und Performance entwickeln sich ständig weiter, sodass eine Zelle möglicherweise neu konfiguriert oder ihre Größe angepasst werden muss. Ein weiterer Punkt, den Unternehmen beachten sollten, ist die Implementierung robuster Deployment-Pipelines. Diese helfen, neue Versionen von Anwendungen oder Systemen sicher und mit minimaler Ausfallzeit zu integrieren. Dabei kann die Nutzung von Blue/Green- oder Canary-Deployments helfen, Änderungen schrittweise und kontrolliert auszurollen.

Nicht zuletzt ist die Beobachtbarkeit ein zentraler Bestandteil jeder zellbasierten Architektur. Die Implementierung zentraler Logging- und Monitoring-Tools ist unerlässlich, um eine vollständige Übersicht über den Zustand und die Leistung der Zellen zu behalten. Mit entsprechenden Metriken und Monitoring-Systemen kann das Verhalten jeder Zelle überwacht und gegebenenfalls schnell auf Störungen oder Ausfälle reagiert werden.

Es ist jedoch zu beachten, dass zellbasierte Architekturen nicht für jede Art von Anwendung oder System geeignet sind. Sie erfordern eine hohe Betriebsdisziplin und sind mit erhöhtem Aufwand verbunden. Der Einsatz sollte gut durchdacht und auf konkrete geschäftliche Anforderungen und Ziele abgestimmt sein. Während diese Architekturform viele Vorteile bietet, ist sie nicht die einzige Lösung für Skalierbarkeit und Resilienz. Andere, einfachere Modelle könnten in manchen Fällen ebenfalls ausreichen.

Wie ein effektives Disaster Recovery (DR) und Systemausfallschutz konzipiert wird

Die Gestaltung eines robusten Systems für die Notfallwiederherstellung (Disaster Recovery, DR) und die Sicherstellung der Systemstabilität erfordert eine gründliche Analyse von verschiedenen Aspekten der Infrastruktur und deren Wiederherstellungskapazitäten im Falle eines Ausfalls. Ein zentraler Bestandteil dabei ist das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die für eine unterbrechungsfreie Betriebsführung nötig sind, und das ständige Testen dieser Mechanismen, um die Unternehmensdienste im Ernstfall schnell wiederherzustellen.

Eines der grundlegenden Prinzipien im Bereich Disaster Recovery ist die Implementierung einer ordnungsgemäßen Sicherung und Wiederherstellung von Systemkomponenten, die durch verschiedene Techniken wie differenzielle Backups, vollständige Systemwiederherstellung und georedundante Replikationen unterstützt werden. Bei der Planung eines DR-Systems müssen Unternehmen nicht nur sicherstellen, dass eine vollständige Datenwiederherstellung möglich ist, sondern auch, dass diese im Rahmen der festgelegten Recovery Time Objectives (RTO) und Recovery Point Objectives (RPO) realisiert werden kann.

Es ist ebenso von entscheidender Bedeutung, die Auswirkungen eines möglichen Ausfalls systematisch zu testen. Chaos Engineering, bei dem absichtlich Störungen im System erzeugt werden, hilft dabei, potenzielle Schwachstellen zu identifizieren und das Systemverhalten unter realistischen Bedingungen zu beobachten. Solche Tests sollten regelmäßig durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass alle DR-Pläne wie erwartet funktionieren. In diesem Zusammenhang wird auch der Begriff "graceful degradation" von Bedeutung. Dieser beschreibt den kontrollierten Abbau von Systemfunktionen, sodass die wichtigsten Dienste auch bei einem Ausfall anderer Systemteile weiterhin verfügbar bleiben.

Die Verfügbarkeit und Stabilität eines Systems hängt auch maßgeblich von der richtigen Lastenverteilung und Skalierung ab. Load Balancer sind unerlässlich, um den Datenverkehr gleichmäßig über mehrere Server zu verteilen und damit eine Überlastung einzelner Instanzen zu verhindern. Besonders bei multi-regionalen Architekturen ist die Nutzung von globalen Load Balancern, wie etwa dem AWS Global Accelerator, notwendig, um die Verfügbarkeit und Performance über verschiedene geografische Standorte hinweg zu optimieren.

Der Schutz vor Sicherheitsbedrohungen wie Distributed Denial of Service (DDoS)-Angriffen gehört ebenfalls zu den zentralen Aspekten eines resilienten Systems. Hierbei ist der Einsatz von modernen Schutzmechanismen und Intrusion Detection Systems (IDS) von entscheidender Bedeutung, um den Betrieb selbst bei Angriffen aufrechterhalten zu können. Gleichzeitig sollten Sicherheitslücken wie fehlerhafte Berechtigungen im Identity and Access Management (IAM) regelmäßig überprüft und korrigiert werden.

Neben den technischen Aspekten muss auch die Organisation des Unternehmens an die Notfallwiederherstellung angepasst werden. Die Mitarbeiter müssen nicht nur mit den Abläufen vertraut sein, sondern auch in der Lage sein, unter Druck die richtigen Entscheidungen zu treffen. Regelmäßige Übungen und Simulationen sind ein wichtiges Mittel, um das Notfallteam auf den Ernstfall vorzubereiten und sicherzustellen, dass alle Beteiligten wissen, was zu tun ist.