Single Point of Failure | Ein einfacher Überblick

Im Bereich der Informationstechnologie umfasst das Systemdesign den Prozess der Bestimmung der Architektur, Schnittstellen, Module und Daten, damit ein System bestimmte Anforderungen erfüllt. Dies ist ein entscheidender Prozess, um die Effizienz der Produkt-/Dienstleistungsentwicklung zu verbessern und eine großartige Benutzererfahrung zu ermöglichen.

Angenommen, Sie haben eine Anwendung, die jeden Tag Millionen von Benutzern bedient. Auf der Serverseite benötigen Sie exzellentes Engineering, um eine so große Anzahl von Anfragen zu bewältigen. Serveranforderungen dürfen niemals fehlschlagen, selbst wenn ein Problem mit der Datenbank oder ein Hardwarefehler vorliegt.

Wenn das Backend oder Frontend jedoch nicht richtig gestaltet ist, kann ein einfacher Fehler die gesamte Anwendung beenden – alles vom Server bis zum computerweiten Netzwerk. Eine der Hauptquellen für solche Fehler ist der Single Point of Failure (SPOF).

In diesem Übersichtsartikel haben wir erklärt, warum SPOF das schlimmste Problem für IT-Experten ist, seine häufigste Ursache und wie solche Fehler vermieden werden können. Beginnen wir mit einer grundlegenden Frage.

Was ist ein Single Point of Failure?

Definition: Ein Single Point of Failure ist jeder Teil eines Systems, der dazu führt, dass das gesamte System den Betrieb einstellt, wenn es ausfällt. Einfach ausgedrückt:Wenn etwas kaputt geht, geht alles kaputt.

SPOFs entstehen aufgrund fehlerhafter Designs und schlechter Implementierungstechniken. Sie sind in jedem System unerwünscht, sei es eine Softwareanwendung, ein Hardwaremodul, ein Fertigungssystem oder eine Geschäftspraxis.

Wenn Sie beispielsweise eine Website betreiben, die nur auf einem Server an einem bestimmten Standort gehostet wird, dann wäre dieser Server ein Single Point of Failure. Wenn der Server ausfällt, können Besucher nicht auf die Website zugreifen. Dieser einzelne Punkt kann jede Aktivität im Zusammenhang mit Ihrer Website zum Erliegen bringen. Wenn ein solches Risiko in Ihrem Unternehmen besteht, müssen Sie Maßnahmen ergreifen, um dieses Risiko zu mindern.

Was ist die Lösung?

Der effektivste Weg, das potenzielle Risiko von SPOFs zu reduzieren, besteht darin, Redundanz hinzuzufügen. Dies beinhaltet die Installation redundanter Hardwarekomponenten und Softwareanwendungen.

Beispielsweise könnte man Redundant Arrays of Independent Disks (RAID) verwenden, um Directory Server-Datenbanken zu speichern, oder mehrere, doppelte Instanzen von Directory Servern auf verschiedenen Hosts bereitstellen.

Redundanz kann auf verschiedenen Ebenen hinzugefügt werden. Nehmen wir das Beispiel eines selbstständigen Taxifahrers. Auf einem niedrigen Niveau hat er möglicherweise Werkzeuge und Ersatzteile, um das Fahrzeug zu reparieren, falls es eine Panne hat. Auf mittlerer Ebene kann er sich das Taxi seines Freundes ausleihen, um die Arbeit zu erledigen. Auf der höchsten Ebene hat er möglicherweise ein anderes Auto und genügend Komponenten, um bei mehreren Ausfällen fehlerhafte Teile vollständig zu ersetzen.

Sehen wir uns nun das einfache Beispiel für Redundanz in der Datenverarbeitung an.

1.) In einem einfachen Setup kann es mehrere mögliche Single Points of Failure geben.

Abbildung 1

2.) Einige Single Points of Failure können durch Hinzufügen doppelter Hardwarekomponenten vermieden werden.

Abbildung 2

3). Zero SPOF kann durch den Aufbau eines vollständig redundanten Systems erreicht werden, obwohl dieses Setup viel teurer ist als das einfache Setup in Abbildung 1.

Abbildung 3 | Null SPOF

Auf Systemebene kann ein Load Balancer bereitgestellt werden, um eine hohe Verfügbarkeit für einen Servercluster sicherzustellen. In diesem Fall kann jeder Server über mehrere Festplatten, Netzteile und andere Module verfügen. Ein höheres Maß an Redundanz kann erreicht werden, indem zusätzliche Server hinzugefügt werden, die bei einem Ausfall eine Menge aktiver Server aufnehmen könnten.

Das Rechenzentrum selbst unterstützt viele Vorgänge wie die Geschäftslogik. Daher ist es an sich ein potenzieller SPOF für das Unternehmen, wenn seine Funktionen nicht anderswo repliziert werden können.

Auf der (höchsten) Standortebene kann das gesamte Rechenzentrum in verschiedenen Einstellungen repliziert und darauf zugegriffen werden, wenn der primäre Server nicht mehr reagiert. Diese Art von Redundanz steht normalerweise im Mittelpunkt eines IT-Disaster-Resilience- oder Recovery-Programms.

Um kein SPOF zu haben, verwenden große Netzwerke – einschließlich Internet und ARPANET – Paketvermittlung, eine Technik zum Routing und Übertragen von Daten über ein digitales Netzwerk in Pakete. Es nutzt die mehreren Pfade zwischen zwei Hosts in den Netzwerken und nutzt die Kanalkapazität optimal aus.

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Wenn in einem Knoten zwischen den beiden Hosts ein Fehler auftritt, werden die Daten über einen alternativen Knoten übertragen. Die Paketvermittlung minimiert außerdem die Übertragungslatenz und erhöht die Robustheit der Kommunikation.

Es gibt drei Netzwerkprotokolle, die weit verbreitet sind, um den Single Point of Failure zu verhindern:

1. Zwischensystem zu Zwischensystem verschiebt Informationen effizient innerhalb eines Computernetzwerks, indem die beste Route für Daten bestimmt wird.
2. Kürzester Pfad zuerst öffnen verteilt Routing-Informationen zwischen Routern, die zu einem einzigen autonomen System gehören. Es verwendet den Shortest Path First Algorithmus (Dijkstra-Algorithmus), um Daten zu übertragen.
3. Kürzeste Pfadüberbrückung vereinfacht die Entwicklung und Konfiguration eines Netzwerks und ermöglicht gleichzeitig Multipath-Routing.

Beurteilung von SPOF

Die drei häufigsten Orte, an denen SPOF auftauchen, sind Hardware, Software und Dienste/Anbieter von Drittanbietern. Menschen sind in den meisten Unternehmen auch ein Single Point of Failure, aber sie werden oft übersehen. Personen in einem Unternehmen können aus verschiedenen Gründen SPOFs sein, wie z. B. Fehler, Betrug, Unehrlichkeit, mangelndes Wissen und begrenzte Erfahrung.

Sobald Sie SPOF erkannt haben, besteht der nächste Schritt darin, es danach zu klassifizieren, wie schwierig es ist, es zu beheben. Es kann drei Kategorien geben:

• Einfach: Kann in angemessener Zeit und zu angemessenen Kosten repariert werden.
• Mäßig: Kann nicht direkt behoben werden; es könnte jedoch eine zuverlässige Problemumgehung entwickelt werden.
• Schwierig: Der Fehler ist knifflig und sehr teuer zu beheben.

Darüber hinaus können SPOFs nach Eintrittswahrscheinlichkeit (niedriges, mittleres und hohes Risiko) und ihrer Auswirkung auf das Geschäft (niedrige, mittlere und hohe Auswirkung) klassifiziert werden.

Verhindern von Single Point of Failures

Da so viele geschäftskritische Prozesse von der Netzwerkkonnektivität abhängen, können Ausfälle von Rechenzentren nicht einfach toleriert werden. Dennoch erleiden jährlich über 30 % aller Rechenzentren einen Ausfall. Ungefähr 34 % der Unternehmen geben an, dass eine Stunde Ausfallzeit mehr als 1 Million US-Dollar kostet.

Ungeachtet der Verluste, die aufgrund von Ausfallzeiten des Rechenzentrums aufgetreten sind, ist die Realität, dass bis zu 80 % der Ausfälle vermeidbar sind. Obwohl jedes Tool im Netzwerk eine SPOF-Gefahr darstellen kann, werden die meisten Ausfälle durch Malware und andere Cyberbedrohungen verursacht.

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Moderne Tools zum Schutz vor Bedrohungen, einschließlich Load Balancer, Intrusion Prevention Systems, Web Application Firewalls und Advanced Threat Protection-Lösungen, sind bei Stromausfällen oder einem Ausfall des Network Interface Controllers oder beim Filtern des Internetverkehrs immer gefährdet.

Diese Tools sind sowohl für gewöhnliche Bedrohungen wie Brute-Force-Angriffe als auch für komplexe Bedrohungen wie die Implementierung externer XML-Entitäten oder Cross-Site-Request-Forgery anfällig. Da sie das Netzwerk nicht die ganze Zeit schützen können, müssen redundante Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden.

Es gibt mehrere Methoden zur Implementierung einer Firewall-Architektur für Webanwendungen, die die Effektivität und Häufigkeit einer Vielzahl von Angriffen minimiert. Mehrschichtige Web-App-Firewalls beispielsweise trennen verschiedene Anwendungsmodule basierend auf ihrem Betrieb in mehrere Schichten.

Da jede Ebene auf einem eigenen System läuft, gibt es kein SPOF. Ebenso kann die richtige Implementierung mehrerer Load Balancer den Single Point of Failure innerhalb eines Netzwerks reduzieren.

Legen Sie nicht alle Eier in einen Korb

Obwohl viele Unternehmen ihre eigene Version von Cloud-Backups anbieten, ist es nicht ratsam, sich nur auf ein Backup zu verlassen, um die Daten Ihres Unternehmens zu schützen. Sogar Cloud-Dienste von Technologiegiganten wie Amazon, Microsoft und Google scheitern mehrmals im Jahr.

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Wenn Sie ein Unternehmen führen, müssen Sie beim Aufbau der Redundanz alle wahrscheinlichen Szenarien berücksichtigen. Gehen Sie nicht davon aus, dass jemand eine 100-prozentige Verfügbarkeit bieten und immer mit Plan B bereit sein kann, wenn etwas schief geht.

Vertiefende Studien

SPOF innerhalb von Systemen-von-Systemen

Forscher der Liverpool John Moores University, Großbritannien, heben die großen Herausforderungen hervor, die bei der Integration einzelner Systeme zu großen komplexen heterogenen Systemsystemen zu bewältigen sind.

Viele moderne Ansätze konzentrieren sich tendenziell auf einen kleinen spezifischen gefährdeten Bereich. Einige von ihnen sind sehr theoretisch oder aufgrund einer großen Anzahl zusammenarbeitender Komponenten nicht skalierbar. Die Studie beschreibt, wie sich ein Single Point of Failure stark auf kollaborierende Systeme auswirken und Unternehmen erhebliche finanzielle Verluste verursachen kann.

Beseitigung von SPOF in softwarebasierter Redundanz

Softwarebasierte Redundanz wird normalerweise als effektive und kostengünstige Möglichkeit zur Erhöhung der Zuverlässigkeit angesehen. Redundante Ausführung im Sinne von Triple Modular Redundancy (TMR) ist sehr beliebt, lässt jedoch ungeschützte SPOFs zurück.

Diese Forschung präsentiert einen ganzheitlichen Ansatz namens Combined Redundancy, der sicherheitskritische Komponenten eines Systems gegen sanfte Anstrengungen härtet und gleichzeitig die durch SPOFs verursachte Schwachstelle beseitigt. Es nutzt redundante Ausführung zusammen mit codierter Verarbeitung und kann leicht in bestehende Projekte integriert werden.

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Minimierung von SPOFs beim Tree-Routing

Tree Routing (TR) verwendet Eltern-Kind-Verbindungen, um Pakete zu übertragen. Diese Links erfordern mehr Hops, wenn die Quell- und Zielknoten zu unterschiedlichen Baumzweigen gehören. Knoten, die näher am Koordinator liegen, können mehr Pakete übertragen, was zu einem höheren Energieverbrauch und mehr Überlastung führt. Dies könnte zu einem SPOF-Problem führen.

Ein Forscherteam der National Kaohsiung University of Applied Sciences in Taiwan hat einen entlastenden SPOF-Tree-Routing-Algorithmus entwickelt, um Pakete auf dem kürzesten Weg zu übertragen und Staus zu vermeiden. Der Algorithmus verringert die durchschnittliche Hop-Anzahl, minimiert die End-to-End-Verzögerung, erhöht den Durchsatz und verlängert die Lebensdauer von Baumknoten.