Was ist eine Multi-Node-Architektur?

Bei der Mehrknotenarchitektur handelt es sich um ein Serverdesign, bei dem mehrere unabhängige Computersysteme - so genannte Knoten - in einem einzigen Gehäuse integriert sind. Jeder Knoten fungiert als eigenständiger Server, der sein eigenes Betriebssystem und seine eigenen Arbeitslasten ausführen kann, während er eine gemeinsame Infrastruktur wie Stromversorgung, Kühlung und Verwaltungssysteme nutzt.

Diese Architektur ist vor allem in Umgebungen nützlich, in denen Platz, Energieeffizienz und Skalierbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Zu den üblichen Anwendungsfällen gehören High-Performance-Computing (HPC), Hyperscale-Server, Cloud-native Plattformen und Edge-Bereitstellungen, die von der Ausführung mehrerer Server auf einer kleineren physischen Fläche profitieren.

Wie die Multi-Node-Architektur funktioniert und wo sie eingesetzt wird

In einer Multi-Node-Architektur werden mehrere Rechenknoten - jeder mit eigener(n) CPU(s), Speicher, Storage und Netzwerk - in ein einziges gemeinsames Gehäuse integriert. Das Servergehäuse enthält zentralisierte Komponenten wie redundante Netzteile, hocheffiziente Lüfter und eine Backplane für die Netzwerkverbindung. Auf diese Weise kann jeder Knoten unabhängig arbeiten und gleichzeitig von der gemeinsamen Infrastruktur profitieren, was den Gesamtstromverbrauch und den physischen Platzbedarf reduziert.

Die meisten Systeme bieten Fernverwaltungsunterstützung - entweder pro Knoten oder zentralisiert - über Schnittstellen wie IPMI oder Redfish, so dass Administratoren den Status überwachen, Firmware-Updates bereitstellen und Arbeitslasten über Knoten hinweg verwalten können. Hochgeschwindigkeitsverbindungen wie PCIe Gen5 oder InfiniBand werden häufig verwendet, um Knoten mit geringer Latenz zu verbinden und eng gekoppelte parallele Arbeitslasten in HPC- oder KI zu unterstützen.

Ein Multi-Node-Server ist ideal für Anwendungen, die eine skalierbare Leistung erfordern, einschließlich containerisierter Microservices, Cloud-nativer Arbeitslasten und verteilter Datenbanken. Systeme, die auf dieser Architektur basieren, integrieren mehrere unabhängige Knoten in ein gemeinsames Gehäuse. Dieser Ansatz ist in Rechenzentren weit verbreitet, um die Verwaltung zu optimieren, die Komplexität der Verkabelung zu verringern und die Kühleffizienz durch gemeinsame thermische Zonen zu verbessern.

Hauptvorteile und -nachteile der Multi-Node-Architektur

Die Multi-Node-Architektur bietet erhebliche Verbesserungen bei Effizienz und Skalierbarkeit. Durch die Konsolidierung von Servern in einem einzigen Gehäuse können Unternehmen die Rechendichte maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch und den Platzbedarf im Rack reduzieren. Die zentralisierte Strom- und Kühlungsinfrastruktur vereinfacht die Systembereitstellung und senkt den betrieblichen Aufwand. Darüber hinaus ermöglicht die Unabhängigkeit jedes Knotens eine flexible Zuweisung von Arbeitslasten in verschiedenen Umgebungen - ob virtualisiert, in Containern oder als Bare-Metal-Lösung. Zentralisierte Verwaltungstools verbessern die betriebliche Steuerung und Überwachung aller Knoten über eine einzige Schnittstelle.

Es gibt jedoch Kompromisse, die zu berücksichtigen sind. Die gemeinsame Nutzung der Stromversorgungs- und Kühlungsinfrastruktur führt zu potenziellen Einzelausfällen, die sich auf mehrere Knoten auswirken können, wenn sie nicht durch Redundanz gemildert werden. Wartung oder Hardware-Upgrades können komplexer sein, da die Wartung eines Knotens möglicherweise die Berücksichtigung der gemeinsamen Umgebung erfordert. Außerdem sind die Knoten zwar unabhängig, aber die Erweiterung kann durch die physische Kapazität des Gehäuses begrenzt sein. Unternehmen müssen auch die Workload-Kompatibilität bewerten, da eng gekoppelte Anwendungen möglicherweise andere Verbindungslösungen erfordern als die, die in einer typischen Serverkonfiguration mit mehreren Knoten unterstützt werden.

Einzelknoten- vs. Multiknoten-Architektur

Die Single-Node-Architektur bezieht sich auf herkömmliche Server, bei denen alle Rechenressourcen - CPU, Arbeitsspeicher, Speicher und Netzwerk - in ein eigenständiges System integriert sind. Diese Server sind oft für bestimmte Arbeitslasten optimiert und werden einzeln mit dedizierten Stromversorgungs- und Kühlungskomponenten bereitgestellt. Dieses Modell ermöglicht eine unkomplizierte Wartung und Isolierung und eignet sich daher für Anwendungen mit besonderen Hardwareanforderungen oder Arbeitslasten, die dedizierte Systemressourcen erfordern.

Im Gegensatz dazu werden bei der Mehrknotenarchitektur mehrere unabhängige Server in einem gemeinsamen Gehäuse konsolidiert. Während jeder Knoten autonom arbeitet, führt die integrierte Infrastruktur zu einer höheren Effizienz. Dieses Design ist besser skalierbar für Umgebungen, in denen eine rationalisierte Verwaltung über viele Server hinweg Priorität hat. Es erfordert jedoch eine sorgfältige Planung der Redundanz und des Ressourcenausgleichs, insbesondere wenn die Knoten Komponenten auf Chassis-Ebene gemeinsam nutzen.

Designüberlegungen für Multi-Node-Architektur

Bei der Implementierung einer Architektur mit mehreren Knoten beeinflussen mehrere Entscheidungen auf Design-Ebene die Leistung, Ausfallsicherheit und Betriebseffizienz. Eine der wichtigsten Überlegungen ist das Wärmemanagement. Da sich mehrere Rechenknoten ein gemeinsames Gehäuse teilen, müssen Luftstrom und Wärmeableitung optimiert werden, um ein thermisches Throttling zu verhindern. Gehäuse mit klar definierten thermischen Zonen helfen dabei, eine gleichmäßige Kühlung über alle Knoten hinweg aufrechtzuerhalten, insbesondere bei Konfigurationen mit hoher Dichte oder bei Systemen mit Beschleunigern.

Ebenso wichtig ist die Redundanzplanung. Während die Knoten unabhängig voneinander arbeiten, können gemeinsam genutzte Komponenten - wie Stromverteilungseinheiten oder Lüftereinschübe - Fehlerquellen darstellen. Die Planung mit N+1- oder N+N-Redundanz in Stromversorgungs- und Kühlsystemen stellt sicher, dass der Ausfall einer Komponente nicht alle Knoten im Gehäuse beeinträchtigt.

Eine weitere Überlegung betrifft die Strategie der Workload-Platzierung. Systemarchitekten sollten die Arbeitslasten den Knotentypen auf der Grundlage der Ressourcenanforderungen zuordnen, z. B. dem Verhältnis zwischen Rechenleistung und Speicher oder den E/A-Anforderungen. Dies ist besonders in gemischt genutzten Umgebungen wichtig, in denen die Knoten unterschiedliche Konfigurationen haben können. Darüber hinaus sollten die Grenzen der Skalierbarkeit des Chassis frühzeitig evaluiert werden, insbesondere bei der Planung von Einsätzen, die im Laufe der Zeit durch horizontale Skalierung wachsen werden.

Schließlich spielt die Topologie der Netzwerkverbindungen eine entscheidende Rolle für die Leistung mehrerer Knoten, insbesondere bei Arbeitslasten, die eine Kommunikation mit geringer Latenz zwischen den Knoten erfordern. Durch die Wahl der richtigen Kombination von Fabric-Interconnects wie Ethernet, InfiniBand oder PCIe-basierten Topologien wird sichergestellt, dass die Datenübertragung nicht zu einem Engpass in verteilten Anwendungen wird.

Zusammengenommen spielen diese Faktoren eine Schlüsselrolle bei der Maximierung des Werts und der Zuverlässigkeit einer Multi-Node-Installation.

FAQs

1. Was ist ein Multiknoten im Gegensatz zu einem Cluster?
   Ein Mehrknotensystem bezieht sich auf eine Hardwarekonfiguration, bei der mehrere unabhängige Serverknoten in einem einzigen physischen Gehäuse untergebracht sind. Ein Cluster hingegen ist eine logische Gruppierung mehrerer Systeme - ob Einzelknoten oder Multiknoten -, die zusammenarbeiten, um koordinierte Aufgaben zu erfüllen. Bei Clustern liegt der Schwerpunkt auf der Verteilung der Arbeitslast und der Hochverfügbarkeit auf Softwareebene, während die Mehrknotenarchitektur ein Hardware-Designmuster ist, das die Rechendichte und die betriebliche Effizienz erhöht.
2. Können auf den Knoten eines Servers mit mehreren Knoten unterschiedliche Betriebssysteme laufen?
   Ja. Jeder Knoten in einem Multi-Node-Server ist ein völlig unabhängiges System und kann sein eigenes Betriebssystem ausführen. Dadurch ist es möglich, Betriebssysteme innerhalb desselben Chassis zu mischen, was in Umgebungen nützlich ist, die Unterstützung für verschiedene Anwendungen oder Entwicklungsstacks erfordern.
3. Unterstützt die Mehrknotenarchitektur die GPU-Beschleunigung?
   Viele Mehrknotenplattformen sind für die Unterstützung von GPU-Beschleunigern ausgelegt, wobei die Verfügbarkeit vom Gehäuselayout, der Stromversorgungskapazität und den Kühlungsmöglichkeiten abhängt. Einige Systeme widmen bestimmte Knoten GPU-lastigen Arbeitslasten, während andere modulare Konfigurationen unterstützen, bei denen GPU-Ressourcen auf einer Knotenbasis zugewiesen werden.
4. Wie funktioniert die Lizenzierung in einer Mehrknotenumgebung?
   Die Softwarelizenzierung in Umgebungen mit mehreren Knoten ist je nach Anbieter typischerweise knotenbasiert oder kernbasiert. Da jeder Knoten als unabhängiger Server fungiert, sind Lizenzen für Betriebssysteme, Hypervisoren oder Anwendungen normalerweise pro Knoten erforderlich. Zentralisierte Verwaltungstools können jedoch auch clusterweite Lizenzierungsmodelle anbieten.