Škálování Platformy IIoT

S rostoucím počtem uživatelů, objemem dat a počtem zařízení je nutné Platformu IIoT škálovat. Architektura, na níž je postavena, a její základní potenciál škálovatelnosti jsou popsány v kapitole Škálovatelnost systému; tato stránka se zaměřuje na praktické strategie škálování produkčního nasazení.

Strategie škálování platformy

flowchart LR
subgraph subGraph0["IIoT Platform Scaling Strategies"]
F["Vertical Scaling"]
A["Application Servers (Ruby on Rails)"]
G["Horizontal Scaling"]
B["Data Collection Servers (GO)"]
C["PostgreSQL Database"]
H["Database Optimization"]
D["Docker/Kubernetes"]
E["Frontend Scaling"]
end
A --> F & G
B --> F & G
C --> F & G & H
D --> B & A
E -- Efficient_Distribution --> D

Vertikální a horizontální škálování

Platforma podporuje dva vzájemně se doplňující přístupy ke škálování: vertikální škálování přidává prostředky stávajícím serverům, zatímco horizontální škálování přidává další servery.

Vertikální škálování

• Navýšení serverových prostředků:

  • Přidání CPU, RAM a SSD úložiště aplikačním serverům (Ruby on Rails) a serverům pro sběr dat (Go).
  • Zvýšení výkonu PostgreSQL prostřednictvím výkonnějších diskových polí a optimalizace indexů.

• Výhody: Snadná realizace s minimálními zásahy do architektury.

• Omezení: Fyzické limity jednotlivých serverů a vysoké náklady.

Horizontální škálování

• Přidávání nových serverů:
  • Ruby on Rails: nasazení dalších instancí aplikace za nástroj pro vyvažování zátěže (například Nginx nebo HAProxy).
  • Servery Go: snadné škálování díky vícevláknovému zpracování a vestavěné podpoře horizontálního škálování.
  • PostgreSQL: replikace a šardování dat pro vyvážení zátěže.
• Výhody: Vysoká odolnost proti chybám a prakticky neomezená škálovatelnost.
• Omezení: Vyšší složitost správy distribuovaného systému.

Využití Kubernetes/Docker Compose pro orchestraci kontejnerů

Přechod na Kubernetes/Docker Compose

• Kontejnerizace aplikací:
  • Servery Ruby on Rails a Go jsou zabaleny do kontejnerů Docker.
  • Kubernetes/Docker Compose řídí nasazení, škálování a monitorování těchto kontejnerů.
• Automatické škálování:
  • Horizontal Pod Autoscaler (HPA) automaticky zvyšuje počet podů podle zatížení.
  • Cluster Autoscaler přidává do clusteru nové uzly, jakmile začínají docházet prostředky.
• Výhody: Vysoká flexibilita, automatizace a odolnost proti chybám.

Příklad architektury na Kubernetes

• Ingress Controller: směruje požadavky na servery Ruby on Rails a Go.
• StatefulSets: spravují stavové repliky PostgreSQL.
• Service Mesh: využívá Istio nebo Linkerd ke správě provozu a zvýšení bezpečnosti.

Optimalizace databáze

Databázová vrstva se škáluje kombinací replikace, šardování a ukládání do mezipaměti.

Replikace a šardování PostgreSQL

• Replikace:
  • Konfigurace replikace master-slave pro rozložení zátěže čtení.
  • Použití nástrojů jako Patroni pro automatickou správu replikace.
• Šardování:
  • Rozdělení dat mezi více clusterů PostgreSQL pro rozložení zátěže zápisu.
  • Použití Citus pro horizontální škálování PostgreSQL.

Ukládání do mezipaměti

• Redis nebo Memcached:
  • Ukládání často požadovaných dat do mezipaměti pro snížení zátěže databáze.
  • Integrace s Ruby on Rails prostřednictvím ActiveSupport::Cache.

Škálování frontendu

• Ukládání do mezipaměti na straně klienta:

  • Použití Service Workers a Cache API pro ukládání statických prostředků do mezipaměti.

• CDN (Content Delivery Network):

  • Distribuce statických souborů prostřednictvím CDN pro snížení zátěže serverů.

Přednosti navrhovaného řešení

• Vysoká odolnost proti chybám: díky Kubernetes/Docker Compose a replikaci PostgreSQL.
• Flexibilita: snadné přidávání nových serverů a mikroslužeb.
• Automatizace: škálování vyžaduje minimální lidský zásah.
• Hospodárnost: využití prostředků je optimalizováno automatickým škálováním.

Výše popsaný scénář škálování umožňuje telemetrickému systému efektivně zvládat rostoucí zátěž a zajišťuje vysoký výkon, odolnost proti chybám a flexibilitu. Díky nasazení těchto moderních technologií je platforma připravena na budoucí výzvy.