作者：陳啟煌 / 臺灣大學計算機及資訊網路中心程式設計組程式設計師兼副組長
面對雲時代的來臨，網頁系統設計朝向高可用性的雲端架構已是主流趨勢， 如何將傳統網頁系統改為高可用性系統架構，提供使用者全天候不中斷的服務？
每個使用者都希望在他們使用系統的時候，系統能很快的回應，平順的完成他們想的做的事務；相同的，IT工程師願望也是可以達成這樣的任務。但要達成這個任務其實要克服不少問題，例如：網頁交易是否很複雜？同時間是否有很多人在使用系統？硬體設備會不會臨時有意外狀態？有沒有人會惡意攻擊你？老闆肯出多少預算做這件事？…等等，一連串的問號等著工程師去解決。
過去的一般的資訊系統架構大致如圖一所示，使用者存取一個網頁，會通過防火牆、由網頁伺服器回應使用者需求去後端資料庫存取資料，呈現網頁回傳給使用者。如圖所示如果有三個使用者Ａ、Ｂ、Ｃ，同時使用系統，其系統路徑會是相同的。如圖所示，這個系統路徑上：防火牆、網頁伺服器、資料庫伺服器，都是只有配置一台設備；如果任何一台設備忙不過來或當機會造成系統瓶頸或是系統停擺、服務中斷、客服電話湧入，填不完的資安表單等等…
圖一 單一路徑系統架構
為了解決這個問題，最直覺的方法是每個系統路徑上的機器都多設置至少一台，讓機器不再發生單點故障(Single Failure Point)的問題；不過事情並沒有這麼單純，如果只是純查詢的系統，資料庫放同樣的資料，網頁伺服器放同樣的程式，資料只讀不寫；基本上，走哪個路徑查詢結果都會一樣。但事實上沒幾個系統是這麼單純的，大部分會有寫入的動作，包含上傳檔和或更新資料庫，如果未妥善處理，會造成檔案/資料庫不一致或破壞系統資料的唯一性。如此，雖然達成高可用性，但卻破壞了資訊系統的一致性。
圖二 高可用性系統架構
高可用性的系統架構，以圖二簡單描述容錯的情境，使用者A原本被分配到第一台網頁伺服器服務，使用期間萬一第一台網頁伺服器突然故障，系統會幫忙把使用者A導引到其他台網頁伺服器，達成服務不中斷的目的。
比較圖一和圖二，除了把多建置幾套設備外，需要這些設備能合作無間，一起達成高可用性的：
1. 系統硬體設置：
網路設備的備援設定，防火牆、Layer4 Switch 這些設備可以設定成雙主動式(Active-Active mode)，兩套設備同時運作著，平均處理網路流量，也可防止單點故障。不過前提是兩套設備的設定要一致，且可以主動偵測另一套機器的狀態，在異常時接手取代其功能。 網站伺服器群依照系統流量決定伺服器數量，近年來大部分已經將伺服器虛擬化了，方便動態調整伺服器數量，節省成本。 關於資料庫硬體設置，如果預算允許可以建立成雙主動式架構(如Oracle RAC)，如此百分之百發揮兩台資料伺服器的運算能力；否則可以建置成Active/Standby叢集架構，如MS SQL Server，將Database 設定成叢集保護的服務，實現容錯機制也可防止單點故障的意外。
2. 系統軟體設置及變更：
如果負擔不起Layer4 Switch硬體費用，目前作業系統也有其他高可用性的方案，可參考Windows 2012 R2 網路負載平衡(Network Load Balancing)或Linux 的負載平衡套件(HAProxy)由網頁伺服器群去實現負載平衡的機制。網頁伺服器群的系統設定及存檔需保持一致，解決方法除了共享硬碟外，最常用的方式是用Rsync 之類的遠端同步軟體讓所有伺服器的檔案系統維持一致。 除此此外，多台網頁伺服器一起服務常會衍生出同時(Concurrent)的問題，舉例來說，原本單一台伺服器，很容易在應用程式層設計Semaphore 機制保護Critical Section 中的程式不被多個程序(Process)或執行緒(Thread)同時執行，造成像售票系統一票兩賣的問題。要確保多台伺服器各自執行程式不發生同時性的問題，一般會將保持唯一性的工作移至資料庫的Transaction 上，利用資料庫Transaction 維持一致性狀態(consistency state)機制來確保多個伺服器同時執行，也不會發生不一致的狀態。
3. 硬體間的互動設置：
如圖二所示，使用者的的系統路徑是由Layer 4 Switch調配的，Layer 4 Switch要設定成能監測後端網頁伺服器群的每台伺服器狀況，才能在某一台網頁伺服器出問題時，適時將故障伺服器的流量重新平均配置到其他正常的伺服器上，達到負載平衡的效果。
4. 軟硬體間的互動設置：
一般連續性網頁交易的結果會存在伺服器上的Session服務，上傳的檔案也會放在那台網頁伺服器上的硬碟中；不過這樣的設計如果那台網頁伺服器故障，使用者重新被配置到其他台網頁伺服器，會找不到原來的Session 或檔案，輕則造成交易失敗重來，嚴重的會導致資料不一致。解決方法為建置共用的Session Server或網路硬碟(NAS or SAN 成本不同)，如此就可以解決重配路徑時導致的資料不一致。
資料庫叢集(Database Cluster)，在兩台叢集主機上都有資料庫服務，透過Windows Server 容錯轉移叢集(Failover Clustering)，必要時將資料庫服務轉移到另一個可用的節點上，達到容錯的效果，提供不中斷的資料庫服務。
改採高可用性的系統架構，遇到複雜的網頁交易，可以將部分結果存到共用的Session Server,避免機器故障時需要整個重來；遇到同時間很多人來使用系統，瓶頸會發生在網頁伺服器，可以動態調整伺服器數量，維持服務品質；每個環節都已經避開單點故障的問題，臨時硬體出狀況，系統會自動備援不至停擺；遇到惡意攻擊如分散式阻斷服務攻擊(DDOS)，可在防火牆上設定阻擋；建置成本一定比原來的架構多，如果預算不夠可以視風險大的部分改善，或是改採較便宜的方案施做。如此之前所有的問號都有了解決方法，使用者的期望也不會造成IT人員的夢魘，在軟硬體合作無間下提供高可用性及一致性的優質服務。