武汉设计培训什么是集群（cluster）东莞华泰教育
1、集群
1.1 什么是集群
简单的说，集群(cluster)就是⼀组计算机，它们作为⼀个总体向⽤户提供⼀组⽹络资源。这些单个的计算机系统就是集群的节点(node)。⼀个理想的集群是，⽤户从来不会意识到集群系统底层的节点，在他/她们看来，集群是⼀个系统，⽽⾮多个计算机系统。⽽且集群系统的管理员能够任意添加和删改集群系统的节点。
1.2 为什么须要集群
集群并⾮⼀个全新的概念，事实上早在七⼗年代计算机⼚商和研究机构就開始了对集群系统的研究和开发。因为主要⽤于科学project计算，所以这些系统并不为⼤家所熟知。直到Linux集群的出现，集群的概念才得以⼴为传播。
对集群的研究起源于集群系统的良好的性能可扩展性(scalability)。提⾼cpu主频和总线带宽是最初提供计算机性能的主要⼿段。可是这⼀⼿段对系统性能的提供是有限的。接着⼈们通过添加CPU个数和内存容量来提⾼性能，于是出现了向量机，对称多处理机(SMP)等。可是当CPU的个数超过某⼀阈值，象SM
P这些多处理机系统的可扩展性就变的极差。主要瓶颈在于CPU訪问内存的带宽并不能随着CPU个数的添加⽽有效增长。与SMP相反，集群系统的性能随着CPU个数的添加差点⼉是线性变化的。图1显⽰了这中情况。
图1. ⼏种计算机系统的可扩展性
集群系统的长处并不仅在于此。以下列举了集群系统的主要长处:
⾼可扩展性：如上所述。
⾼可⽤性：集群中的⼀个节点失效，它的任务能够传递给其它节点。能够有效防⽌单点失效。
⾼性能：负载平衡集群同意系统同⼀时候接⼊很多其它的⽤户。
⾼性价⽐：能够採⽤便宜的符合⼯业标准的硬件构造⾼性能的系统。
1.2.1 集群系统的分类二年级下册数学应用题
尽管依据集群系统的不同特征能够有多种分类⽅法，可是⼀般我们把集群系统分为两类:
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⾼可⽤(High Availability)集群，简称HA集群。这类集群致⼒于提供⾼度可靠的服务。
⾼性能计算(High Perfermance Computing)集群，简称hpC集群。这类集群致⼒于提供单个计算机所不能提供的强⼤的计算能⼒。
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2、⾼可⽤集群
2.1 什么是⾼可⽤性
计算机系统的可⽤性(availability)是通过系统的可靠性(reliability)和可维护性(maintainability)来度量的。project上通经常使⽤平均⽆故障时间(MTTF)来度量系统的可靠性，⽤平均维修时间(MTTR)来度量系统的可维护性。于是可⽤性被定义为:
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MTTF/(MTTF+MTTR)*100%
业界依据可⽤性把计算机系统分为例如以下⼏类:
表1. 系统可⽤性分类
可⽤⽐例 年停机时间 可⽤性分类
99.5 3.7天常规系统(Conventional)
99.9 8.8⼩时可⽤系统(Available)
99.99 52.6分钟⾼可⽤系统(Highly Available)
99.999 5.3分钟 Fault Resilientgoddes
99.9999 32秒 Fault Tolerant
对于关键业务，停机⼀般是灾难性的。由于停机带来的损失也是巨⼤的。以下的统计数字列举了不同类型企业应⽤系统停机所带来的损失。
表 2. 停机给企业带来的损失
应⽤系统每分钟损失(美元)
呼叫中⼼(Call Center) 27000
企业资源计划(ERP)系统 13000
供应链管理(SCM)系统 11000
pleawait
电⼦商务(eCoMMerce)系统 10000
客户服务(Customer Service Center)系统 27000
随着企业越来越依赖于信息技术，因为系统停机⽽带来的损失也越拉越⼤。life is but a dream
2.2 ⾼可⽤集群
⾼可⽤集群就是採⽤集群技术来实现计算机系统的⾼可⽤性。⾼可⽤集群通常有两种⼯作⽅式:
jtl容错系统:⼀般是主从rver⽅式。从rver检測主rver的状态，当主服务⼯作正常时，从rver并不提供服务。可是⼀旦主rver失效，从rver就開始取代主rver向客户提供服务。
负载均衡系统：集群中全部的节点都处于活动状态，它们分摊系统的⼯作负载。⼀般Webrver集群、数据库集群和应⽤rver集群都属于这样的类型。
关于⾼可⽤集群的讨论⾮常多，这⾥就不进⾏深⼊的阐述了。
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3、⾼性能计算集群
3.1 什么是⾼性能计算集群
简单的说，⾼性能计算(High-Performance Computing)是计算机科学的⼀个分⽀，它致⼒于开发超级计算机，研究并⾏算法和开发相关软件。⾼性能计算主要研究例如以下两类问题:
⼤规模科学问题，象天⽓预报、地形分析和⽣物制药等;
存储和处理海量数据，象数据挖掘、图象处理和基因測序;
顾名思义，⾼性能集群就是採⽤集群技术来研究⾼性能计算。
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3.2 ⾼性能计算分类
⾼性能计算的分类⽅法⾮常多。这⾥从并⾏任务间的关系⾓度来对⾼性能计算分类。
3.2.1 ⾼吞吐计算(High-throughput Computing)
有⼀类⾼性能计算，能够把它分成若⼲能够并⾏的⼦任务，并且各个⼦任务彼此间没有什么关联。象在家搜寻外星⼈( SETI@HOME --Search for Extraterrestrial Intelligence at Home )就是这⼀类型应⽤。这⼀项⽬是利⽤Internet上的闲置的计算资源来搜寻外星⼈。SETI项⽬的rver将⼀组数据和数据
模式发给Internet上參加SETI的计算节点，计算节点在给定的数据上⽤给定的模式进⾏搜索，然后将搜索的结果发给rver。rver负责将从各个计算节点返回的数据汇集成完整的数据。由于这样的类型应⽤的⼀个共同特征是在海量数据上搜索某些模
式，所以把这类计算称为⾼吞吐计算。所谓的Internet计算都属于这⼀类。依照Flynn的分类，⾼吞吐计算属于SIMD(Single
Instruction/Multiple Data)的范畴。
3.2.2 分布计算(Distributed Computing)
还有⼀类计算刚好和⾼吞吐计算相反，它们尽管能够给分成若⼲并⾏的⼦任务，可是⼦任务间联系⾮常紧密，须要⼤量的数据交换。依照Flynn的分类，分布式的⾼性能计算属于MIMD(Multiple Instruction/Multiple Data)的范畴。
3.3 Linux⾼性能集群系统
当论及Linux⾼性能集群时，很多⼈的第⼀反映就是Beowulf。起初，Beowulf仅仅是⼀个著名的科学计算集群系统。以后的⾮常多集群都採⽤Beowulf相似的架构，所以，实际上，如今Beowulf已经成为⼀类⼴为接受的⾼性能集群的类型。虽然名称各异，⾮常多集群系统都是Beowulf集群的衍⽣物。当然
也存在有别于Beowulf的集群系统，COW和Mosix就是另两类著名的集群系统。
3.3.1 Beowulf集群
简单的说，Beowulf是⼀种可以将多台计算机⽤于并⾏计算的体系结构。通常Beowulf系统由通过以太⽹或其它⽹络连接的多个计算节点和管理节点构成。管理节点控制整个集群系统，同⼀时候为计算节点提供⽂件服务和对外的⽹络连接。它使⽤的是常见的硬件设备，象普通pc、以太⽹卡和集线器。它⾮常少使⽤特别定制的硬件和特殊的设备。Beowulf集群的软件也是随处可见的，象Linux、PVM和MPI。
本⽂的以后⼏部分将具体介绍Beowulf集群系统的硬件、⽹络、软件和应⽤体系结构。
3.3.2 Beowulf集群和COW集群
象Beowulf⼀样，COW(Cluster Of Workstation)也是由最常见的硬件设备和软件系统搭建⽽成。通常也是由⼀个控制节点和多个计算节点构成。COW和Beowulf的主要差别在于:
COW中的计算节点主要都是闲置的计算资源，如办公室中的桌⾯⼯作站，它们就是普通的PC，採⽤普通的局域⽹进⾏连接。由于这些计算节点⽩天会作为⼯作站使⽤，所以基本的集群计算发⽣在晚上和周末等空暇时间。⽽Beowulf中的计算节点都是专职于并⾏计算，⽽且进⾏了性能优化。它们採⽤
快速⽹(Myrinet或Giganet)上的消息传递(PVM或MPI)进⾏进程间通信(IPC)。
由于COW中的计算节点基本的⽬的是桌⾯应⽤，所以它们都具有显⽰器、键盘和⿏标等外设。⽽Beowulf的计算节点通常没有这些外设，对这些计算节点的訪问⼀般是在管理节点上通过⽹络或串⼝线实现的。
由于连接COW中计算节点的⼀般是普通的局域⽹，所以COW上的⾼性能应⽤⼀般是象SETI@HOME 这种SIMD的⾼吞吐计算。⽽Beowulf 不管从硬件、⽹络和软件上都对须要频繁交换数据的MIMD应⽤做了特别的优化。
3.3.3 Mosix集群
实际上把Mosix集群放在⾼性能集群这⼀节是相当牵强的，可是和Beowulf等其它集群相⽐， Mosix集群确实是种⾮常特别的集群，它致⼒于在Linux系统上实现集群系统的单⼀系统映象SSI(Single System Image)。Mosix集群将⽹络上执⾏Linux的计算机连接成⼀个集群系统。系统⾃⼰主动均衡节点间的负载。由于Mosix是在Linux系统内核中实现的集群，所以⽤户态的应⽤程序不须要不论什么改动就能够在Mosix集群上执⾏。通经常使⽤户⾮常少会注意到Linux和Mosix的区别。对于他来说，Mosix集群就是执⾏Linux的⼀台PC。虽然如今存在着不少的问题，Mosix始终是引⼈注⽬的集群系统。
