Skalierbarkeit

Skalierbarkeit ist die Fähigkeit von Organisationen oder Systemen sich an einen geänderten Bedarf anzupassen. In der IT-Welt bezieht sich dieser Begriff darauf, dass Anwendungen, Speicher, Datenbanken und Netzwerke weiterhin ordnungsgemäß funktionieren, auch wenn sich die Anforderungen bei Größe oder Volumen verändern.

Ein System gilt als skalierbar, wenn

• sich Ressourcen problemlos hinzufügen lassen, um eine erhöhte Kundennachfrage und größere Arbeitslasten zu bewältigen
• sich Ressourcen einfach und nahtlos entfernen lassen, wenn Bedarf und Arbeitsbelastung sinken.

Digitalisierung braucht Skalierbarkeit, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Im digitalen Zeitalter müssen sich alle Unternehmen neuen Herausforderungen stellen, wenn sie ihre analogen Prozesse und Geschäftsmodelle digitalisieren. Dabei stellen sie häufig fest, dass ihre Systeme dem Anstieg der zu verarbeitenden Datenmengen nicht mehr gewachsen sind.

Wenn Anwendungen wachsen, also deutlich mehr Speicher verbrauchen, ist der vorhandene Server ab einem bestimmten Zeitpunkt ausgelastet und die Anwendungen funktionieren nicht mehr reibungslos. Digitalisierung setzt widerstandsfähige Netzwerke, Systeme und Software voraus. Nur so können höhere Anwenderzahlen, gesteigerte Produktivität und neue Trends bewältigt werden.

Dafür müssen sie müssen ein System aufbauen, das die Kapazität an die sich ständig ändernde Nachfrage anpassen kann. Es muss hochgradig zugänglich sein sowie jederzeit und überall zur Verfügung stehen. Ob Ihr System dabei eine steigende Anzahl von gleichzeitigen Nutzern aushält, sollte Sie unbedingt überprüfen mit Stress und Performance Testing überprüfen.

Grundsätzlich unterscheiden wir zwischen vertikaler und horizontaler Skalierung. Schauen wir uns beide Möglichkeiten mal genauer an.

Die vertikale Skalierung (Scale-up) erhöht die Kapazität von Hardware oder Software, indem Ressourcen zu einem physischen System hinzugefügt werden. Das kann beispielsweise durch das Hinzufügen von Rechenleistung zu einem Server passieren, um ihn schneller zu machen oder das Hinzufügen von Festplatten zu einem vorhandenen System, wenn mehr Speicherkapazität erforderlich ist.

Die vertikale Skalierung ist einfach zu implementieren und ist kostengünstig. Aber der vertikale Ansatz wird irgendwann an RAM- und Speichergrenzen stoßen, und Sie müssen mehr Ressourcen hinzufügen, um mit der Nachfrage Schritt zu halten.

Bei der horizontalen Skalierung (Scale-Out) wird die Leistungskapazität erhöht, indem Sie Ihrem System mehr Ressourcen des gleichen Typs hinzufügen. Anstatt beispielsweise die Kapazität eines Servers zu erhöhen, um seine Leistung zu verbessern, fügen Sie dem System weitere Server hinzu. Ein Load Balancer hilft, die Arbeitslast je nach Verfügbarkeit auf verschiedene Server zu verteilen. Dies erhöht die Gesamtleistung des Systems.

Mehr Rechenressourcen bedeuten mehr Fehlertoleranz und weniger Risiken von Ausfallzeiten. Das Hinzufügen von Servern und Load Balancern kann jedoch teuer werden. Sie sollten erwägen, eine Kombination aus lokalen Ressourcen und Cloud-Ressourcen zu verwenden, um den erhöhten Datenverkehr zu bewältigen.

Datenbank-Architekten streben eine lineare Skalierbarkeit an, was sich auf die Fähigkeit bezieht, eine konsistente Durchsatzrate proportional zum Hinzufügen von Ressourcen zum System aufrechtzuerhalten.

Allerdings hat jede Komponente, ob Prozessoren, Server, Speicherlaufwerke oder Load-Balancer einen Betriebsaufwand. Darum ist es wichtig zu verstehen, welcher Prozentsatz der Ressource wirklich nutzbar ist. Genau dieser tatsächliche Leistungszuwachs wir durch den Skalierungsfaktor (Speed-up) beschrieben. Wenn Sie beispielsweise dem System eine CPU hinzufügen und 5 % Prozessorleistung verlieren, beträgt der Skalierungsfaktor 0,95. Das heißt, dass Sie nur 95 % der Ressource nutzen können.

So lassen sich die verschiedenen Skalierungsfaktoren unterteilen:

Lineare Skalierbarkeit

Dabei bleibt der Skalierungsfaktor beim Skalieren konstant bei 100 %.

Sub-Lineare Skalierbarkeit

Wenn einige Komponenten nicht so gut skalieren wie andere und der Skalierbarkeitsfaktor unter 1,0 liegt, wird das als sublineare Skalierbarkeit bezeichnet.

Supra-Lineare Skalierbarkeit

Manchmal kann es vorkommen, dass eine bessere Leistung erzielt wird, indem mehr Komponenten hinzufügt werden, z.B. durch einen zweiten Prozessorkern. Dann liegt der Faktor über 1,0 und es wird als supralineare Skalierbarkeit bezeichnet.

Negative Skalierbarkeit

Wenn die Anwendung nicht auf Skalierbarkeit ausgelegt ist, kann es sein, dass sich die Leistung beim Einsatz von mehr Ressourcen verschlechtert. Dies wird als negative Skalierbarkeit bezeichnet.

Neben der bereits zuvor beschriebenen vertikalen und horizontalen Skalierung gibt es weitere Skalierungsmuster, die zur Lösung architektonischer Skalierungsprobleme verwendet werden.

Lastverteilung

Load Balancer verteilen Benutzeranfragen und Workloads effizient auf eine Gruppe von Back-End-Servern. Die Idee besteht darin, die Arbeit auf verschiedene Ressourcen auszugleichen, sodass keine einzelne Ressource überlastet wird. Load Balancing hilft Ihrer IT-Abteilung, die Verfügbarkeit und Skalierbarkeit Ihrer Dienste sicherzustellen.

Zu den Aufgaben eines Load Balancers gehören:

• Ermitteln, welche Ressourcen im System verfügbar sind.
• Überprüfen des Ressourcenzustands, um festzustellen, welche der verfügbaren Ressourcen ordnungsgemäß funktionieren, um die Arbeitslast zu bewältigen.
• Bestimmen, welcher Algorithmus verwendet werden soll, um die Arbeit auf mehrere fehlerfreie Back-End-Server auszugleichen

Caching – Content Delivery Networks (CDN)

Ein CDN ist ein globales Netzwerk von Servern, die verwendet werden, um den Zugriff auf und die Verteilung von statischen Webeigenschaften zu optimieren und zu beschleunigen. Statische Eigenschaften sind beispielsweise JavaScript, CSS, Bilder und andere Mediendateien, die sich nicht sehr oft ändern.

Bis zu 80 % einer Webanwendung können aus statischen Inhalten bestehen. Das Auslagern dieser statischen Inhalte auf ein CDN reduziert die Belastung des ursprünglichen Servers, verbessert die Inhalte auf globaler Ebene und verschiebt die Daten näher an die Kunden, wodurch sie leicht zugänglich und hochverfügbar sind.

Microservices

Microservices sind im Wesentlichen eine Reihe verschiedener kleiner Anwendungen. Sie sind nicht voneinander abhängig, um zu funktionieren, aber sie müssen in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren.

Wenn Sie beispielsweise ein zentrales Software-System haben, dass Sie über Jahre schon mit neuen Anwendungen ergänzen, kann das monolithische System immer schwerfälliger werden. Die komplexe Codebasis macht Wartungen und das Herstellen oder Verbessern der Funktionalität immer schwieriger.

In diesem Fall lohnt sich der schrittweise Umbau der Software zu einer Microservice-Plattform. Sie unterteilen das monolithische System in flexible Microservices, also kleiner Dienste.

Die Skalierbarkeit des Systems ist mit Microservices deutlich besser als in monolithischen Architekturen, da jeder Service unabhängig von anderen Services skaliert werden kann. Sie eignen sich bestens für eine agile Softwareentwicklung.

Erfahren Sie mehr Details über den Einsatz von Microservices in unserem Blogartikel „Microservices und APIs: Warum sollten Unternehmen sich damit beschäftigen?“.

Sharding

Sharding ist ein Konzept aus der Welt der traditionellen Datenbanken und beschreibt die Aufteilung einer großen Datenbank in kleinere, besser verwaltbare und skalierbare Einheiten.

Wenn eine Datenbank im Laufe der Zeit durch neue Inhalte oder Benutzer größer wird, werden auch mehr Anfragen und Transaktionen darauf ausgeführt. Dies verlangsamt die Antwortzeit bei Datenbankabfragen. Ein Shard ist eine einzelne Datenbankpartition. Um die Arbeitslast zu verteilen, können diese Partitionen auf mehreren Datenbankservern vorhanden sein und über diese verteilt werden.

Die verkleinerten Datenbanken lassen sich einfacher verwalten, sind schneller und lassen sich besser skalieren. Sharding löst durch das Aufteilen der Datenbanken beispielsweise das Skalierungsproblem von Blockchains.

Was auch immer Sie für eine Methode für die Umsetzung einer skalierbaren Infrastruktur auswählen, am Ende stellt sich Ihnen diese Frage: Kann Ihre Anwendung ein akzeptables Leistungsniveau bei zunehmender Anzahl von 100, 1.000 oder 10.000 gleichzeitigen Benutzern aufrechterhalten?

Sobald eine skalierbare Infrastruktur vorhanden ist, sollten prüfen, wie die Umsetzung erfolgt ist. Sind die Komponenten so konfiguriert sind, dass sie basierend auf den angegebenen Parametern automatisch skaliert werden? Führen Sie zur Beantwortung dieser Frage einige Performance und Stress Tests regelmäßig durch.

Performance Testing ist ein diagnostischer Leistungstest im Bereich des Software Testing, der bestimmt, wie eine Anwendungssoftware in Bezug auf Reaktionszeit und Stabilität unter bestimmten Umständen funktioniert. Damit können Sie Grenzwerte überschreiten und einen Einblick in die Geschwindigkeit Ihres Systems erhalten.

Wenn wir Software entwickeln, achten wir darauf skalierbare Architekturmuster in Ihr System zu implementieren, damit sich Ressourcen je nach Bedarf schnell entfernen oder hinzufügen lassen. Wenn das mit ihrer derzeitigen Software nicht möglich ist, dann sprechen Sie uns gern an wie wir gemeinsam eine Modernisierungsstrategie für Ihr Altsystem entwickeln. Dabei achten wir auch darauf, dass die Anwendung mit steigenden Nutzerzahlen mitwächst und führen entsprechende Performance Tests durch.

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