Кластер (группа компьютеров)

Кластеры распределения нагрузки

Принцип их действия строится на распределении запросов через один или несколько входных узлов, которые перенаправляют их на обработку в остальные, вычислительные узлы. Первоначальная цель такого кластера - производительность, однако, в них часто используются также и методы, повышающие надёжность. Подобные конструкции называются серверными фермами . Программное обеспечение (ПО) может быть как коммерческим (OpenVMS , MOSIX , Platform LSF HPC, Solaris Cluster , Moab Cluster Suite, Maui Cluster Scheduler), так и бесплатным (OpenMosix , Sun Grid Engine , Linux Virtual Server).

Вычислительные кластеры

Кластеры используются в вычислительных целях, в частности в научных исследованиях. Для вычислительных кластеров существенными показателями являются высокая производительность процессора в операциях над числами с плавающей точкой (flops) и низкая латентность объединяющей сети, и менее существенными - скорость операций ввода-вывода, которая в большей степени важна для баз данных и web-сервисов . Вычислительные кластеры позволяют уменьшить время расчетов, по сравнению с одиночным компьютером, разбивая задание на параллельно выполняющиеся ветки, которые обмениваются данными по связывающей сети. Одна из типичных конфигураций - набор компьютеров, собранных из общедоступных компонентов, с установленной на них операционной системой Linux, и связанных сетью Ethernet , Myrinet , InfiniBand или другими относительно недорогими сетями. Такую систему принято называть кластером Beowulf . Специально выделяют высокопроизводительные кластеры (Обозначаются англ. аббревиатурой HPC Cluster - High-performance computing cluster ). Список самых мощных высокопроизводительных компьютеров (также может обозначаться англ. аббревиатурой HPC ) можно найти в мировом рейтинге TOP500 . В России ведется рейтинг самых мощных компьютеров СНГ.

Системы распределенных вычислений (grid)

Такие системы не принято считать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами . Главное отличие - низкая доступность каждого узла, то есть невозможность гарантировать его работу в заданный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе работы), поэтому задача должна быть разбита на ряд независимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый компьютер, а служит упрощённым средством распределения вычислений. Нестабильность конфигурации, в таком случае, компенсируется больши́м числом узлов.

Кластер серверов, организуемых программно

Кластерные системы занимают достойное место в списке самых быстрых, при этом значительно выигрывая у суперкомпьютеров в цене. На июль 2008 года на 7 месте рейтинга TOP500 находится кластер SGI Altix ICE 8200 (Chippewa Falls, Висконсин , США).

Сравнительно дешёвую альтернативу суперкомпьютерам представляют кластеры, основанные на концепции Beowulf , которые строятся из обыкновенных недорогих компьютеров на основе бесплатного программного обеспечения. Один из практических примеров такой системы - Stone Soupercomputer (Оак Ридж, Теннесси , США, ).

Крупнейший кластер, принадлежащий частному лицу (из 1000 процессоров), был построен Джоном Коза (John Koza).

История

История создания кластеров неразрывно связана с ранними разработками в области компьютерных сетей. Одной из причин для появления скоростной связи между компьютерами стали надежды на объединение вычислительных ресурсов. В начале 1970-х гг. группой разработчиков протокола TCP/IP и лабораторией Xerox PARC были закреплены стандарты сетевого взаимодействия. Появилась и операционная система Hydra («Гидра») для компьютеров PDP-11 производства DEC , созданный на этой основе кластер был назван C.mpp (Питтсбург , шт. Пенсильвания , США, ). Тем не менее, только около г. были созданы механизмы, позволяющие с лёгкостью пользоваться распределением задач и файлов через сеть, по большей части это были разработки в SunOS (операционной системе на основе BSD от компании Sun Microsystems).

Первым коммерческим проектом кластера стал ARCNet , созданный компанией Datapoint в г. Прибыльным он не стал, и поэтому строительство кластеров не развивалось до г., когда DEC построила свой VAXcluster на основе операционной системы VAX/VMS . ARCNet и VAXcluster были рассчитаны не только на совместные вычисления, но и совместное использование файловой системы и периферии с учётом сохранения целостности и однозначности данных. VAXCluster (называемый теперь VMSCluster) - является неотъемлемой компонентой операционной системы OpenVMS , использующих процессоры Alpha и Itanium .

Два других ранних кластерных продукта, получивших признание, включают Tandem Hymalaya ( , класс HA) и IBM S/390 Parallel Sysplex (1994).

История создания кластеров из обыкновенных персональных компьютеров во многом обязана проекту Parallel Virtual Machine. В г. это ПО для объединения компьютеров в виртуальный суперкомпьютер открыло возможность мгновенного создания кластеров. В результате суммарная производительность всех созданных тогда дешёвых кластеров обогнала по производительности сумму мощностей «серьёзных» коммерческих систем.

Создание кластеров на основе дешёвых персональных компьютеров, объединённых сетью передачи данных, продолжилось в г. силами Американского аэрокосмического агентства (NASA), затем в г. получили развитие кластеры Beowulf , специально разработанные на основе этого принципа. Успехи таких систем подтолкнули развитие grid-сетей , которые существовали ещё с момента создания UNIX .

Программные средства

Широко распространённым средством для организации межсерверного взаимодействия является библиотека MPI , поддерживающая языки и Fortran . Она используется, например, в программе моделирования погоды MM5 .

Операционная система Solaris предоставляет программное обеспечение Solaris Cluster , которое служит для обеспечения высокой доступности и безотказности серверов, работающих под управлением Solaris. Для OpenSolaris существует реализация с открытым кодом под названием OpenSolaris HA Cluster .

Среди пользователей GNU/Linux популярны несколько программ:

• distcc , MPICH и др. - специализированные средства для распараллеливания работы программ. distcc допускает параллельную компиляцию в GNU Compiler Collection .
• Linux Virtual Server , Linux-HA - узловое ПО для распределения запросов между вычислительными серверами.
• MOSIX , openMosix , Kerrighed, OpenSSI - полнофункциональные кластерные среды, встроенные в ядро, автоматически распределяющие задачи между однородными узлами. OpenSSI, openMosix и Kerrighed создают между узлами.

Кластерные механизмы планируется встроить и в ядро DragonFly BSD , ответвлившуюся в 2003 году от FreeBSD 4.8. В дальних планах также превращение её в среду единой операционной системы .

Компанией Microsoft выпускается HA-кластер для операционной системы Windows . Существует мнение, что он создан на основе технологии Digital Equipment Corporation , поддерживает до 16 (с 2010 года) узлов в кластере, а также работу в сети SAN (Storage Area Network). Набор API-интерфейсов служит для поддержки распределяемых приложений, есть заготовки для работы с программами, не предусматривающими работы в кластере.

Windows Compute Cluster Server 2003 (CCS), выпущенный в июне 2006 года разработан для высокотехнологичных приложений, которые требуют кластерных вычислений. Издание разработано для развертывания на множестве компьютеров, которые собираются в кластер для достижения мощностей суперкомпьютера. Каждый кластер на Windows Compute Cluster Server состоит из одного или нескольких управляющих машин, распределяющих задания и нескольких подчиненных машин, выполняющих основную работу. В ноябре 2008 представлен Windows HPC Server 2008, призванный заменить Windows Compute Cluster Server 2003.

При построении любых достаточно мощных вычислительных систем, поддерживающих чувствительные к сбоям приложения, необходимо решить две основные проблемы: обеспечение высокой производительности и продолжительного функционирования. Это прежде всего касается критичных к любого рода остановкам приложений, связанным с обработкой транзакций, базами данных и телекоммуникационными сервисами.

Продолжительность функционирования системы зависит от трех факторов: надежности, готовности и эргономичности обслуживания. Эти факторы определяются устойчивостью системы к возникающим сбоям, способностью адекватно реагировать на отказ отдельных элементов и системы в целом, способностью восстанавливать свои свойства после сбоя или отказов в ее работе. Перечисленные факторы тесно связаны друг с другом, и поэтому оценивать их необходимо в комплексе.

Повышение надежности основано на принципе снижения до минимального уровня неисправностей, отказов и сбоев. Эта цель достигается за счет применения современной элементной базы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры.

Готовность системы к использованию - показатель ее надежности для конечного пользователя - выражается в процентном соотношении между работоспособным состоянием системы и ее простоями по любой причине, в том числе и плановыми (к ним относятся профилактические работы, реконфигурации, смена версий программного обеспечения, модернизация оборудования и т.п.).

Повышение уровня готовности предполагает подавление в определенных пределах влияния отказов и сбоев на работу системы с помощью средств контроля и коррекции нештатных ситуаций, а также средств автоматического восстановления вычислительного процесса после проявления неисправности, включая аппаратную и программную избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур.

Основные эксплуатационные характеристики системы серьезно зависят от удобства ее обслуживания, в частности, от ремонтопригодности, контролепригодности и т.д.

В зависимости от уровня готовности корпоративной системы к использованию выделяют четыре типа надежности:

В последнее десятилетие широкое распространение получил термин «системы высокой готовности» (High Availability Systems). Весь спектр данных систем имеет общую цель - минимизировать время простоя (в основном это касается внеплановых простоев).

Существует несколько типов систем высокой готовности, различающихся своими функциональными возможностями и стоимостью. Следует отметить, что высокая готовность не дается бесплатно. Стоимость систем высокой готовности намного превышает стоимость обычных систем. Именно поэтому наибольшее распространение в мире получили кластерные системы .

Для типичного современного сервера величина готовности к использованию составляет 99,0%. Практика показывает, что при тщательной настройке операционной системы и продуманном системном администрировании надежность обычного сервера можно довести до уровня 99,5% и даже до 99,8%. Однако при достижении 99,5%-ной готовности основную роль среди причин простоя системы начинают играть так называемые внешние причины (ошибки в программном обеспечении, неквалифицированные действия персонала и т.д.), от которых обычный сервер никак не застрахован. Кластерная технология позволяет обеспечить уровень готовности системы к использованию в 99,9% и выше, что на практике означает менее 8 часов простоя в год.

Термин «кластеризация» в компьютерной области имеет много значений. Наиболее общее определение могло бы звучать так: «Реализация объединения компьютеров, представляющегося единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей».

Компьютеры, образующие кластер, - так называемые узлы кластера - всегда относительно независимы, что допускает остановку или выключение любого из них для проведения профилактических работ или установки дополнительного оборудования без нарушения работоспособности всего кластера. Кроме того, все узлы кластера выполняют полезную работу - в отличие от систем с реплицированием данных (к примеру, Novell SFT III), а также в отличие от FT-систем (Fault Tolerant), которые обеспечивают не более пяти минут простоя в год за счет максимальной избыточности - резервирования всех подверженных отказам элементов. При отказе одного из узлов кластера оставшиеся узлы могут взять на себя задания, выполнявшиеся на отказавшем узле, не останавливая общий процесс работы. При этом сбой в работе кластера выражается лишь в некотором снижении производительности системы или в недоступности приложений на короткое время, необходимое для переключения на другой узел.

Производительность кластерной системы легко масштабируется; это значит, что добавление в систему дополнительных процессоров, оперативной и дисковой памяти и новых узлов может выполняться в любое время, когда это реально требуется.

Обзор архитектур на основе кластеров

Эффективность работы любой кластерной системы определяется двумя главными компонентами: механизмом высокоскоростного взаимодействия процессоров между собой и системным ПО, которое обеспечивает клиентам прозрачный доступ к системным ресурсам.

Существуют две основные архитектуры современных кластеров: одна основана на совместном использовании дисков, другая же не предполагает их совместного использования. Для каждой архитектуры существует множество разновидностей.

Кластерная архитектура с совместным использованием дисков

Главная особенность данного типа построения кластеров заключается в том, что на компьютерах, входящих в состав кластера, запускается одно приложение, хотя это условие не является обязательным (рис. 1). Поскольку все компьютеры могут совместно использовать общедоступные данные для проверки паролей, контроля за изменением и удалением этих данных, необходим диспетчер доступа.

Другой особенностью является то, что в данном случае сервер приложений должен координировать доступ к дискам. Для этого в локальной сети между серверами должны быть установлены постоянные соединения.

Кластерные хост-компьютеры могут обращаться к дискам непосредственно, без помощи контроллера. Этот вариант проиллюстрирован на рис. 2 . Поскольку для нормальной работы кластера управление доступом к ресурсам все-таки необходимо, в данном случае оно выполняется на уровне протокола, а не с помощью физического устройства.

При кластеризации с совместным использованием дисков реализована возможность управления узкоспециализированными кластерами непосредственно через базы данных или через любое другое программное обеспечение, координирующее доступ к дискам и хранимым на них данных.

В общем случае применение кластеризации с предоставлением доступа к дискам позволяет удовлетворить все требования, предъявляемые к операциям интенсивного ввода/вывода. Ее применение также повышает общую производительность системы и равномерно распределяет нагрузку. Такой подход часто комбинируется с другими механизмами восстановления системы после выхода из строя одного из компонентов.

К недостаткам данного типа построения кластера относится невысокая степень масштабируемости и невозможность совместного использования ресурсов, расположенных на больших расстояниях. Первый недостаток связан с необходимостью управления совместно используемыми дисками и, что более важно, их содержимым. Процедуры обслуживания усложняются при добавлении в кластер дополнительных компьютеров. Второй недостаток связан с необходимостью приобретения, установки и поддержки средств доступа и управления, географически разнесенных ресурсов кластера, а это потребует значительных затрат. Кроме того, серьезно усложняется управление удаленными данными и увеличивается время доступа к ним.

Кластерная архитектура без предоставления доступа к ресурсам

Кластеры данного типа являются более масштабируемыми и обладают большим потенциалом в отношении отказоустойчивости и исправления ошибок. Это достигается посредством того, что в данном типе кластера нет совместного использования каких-либо устройств. Для достижения высокой масштабируемости и надежной работы пришлось пожертвовать производительностью работы приложения. Скорость работы глобальных сетей по сравнению с локальными практически всегда ниже.

Это тип кластеров представлен в одном из двух вариантов. Первый из них предназначен для оборудования, находящегося в непосредственной близости, а второй - для географически удаленного. Структура кластера без предоставления доступа к ресурсам представлена на рис. 3 , а географически распределенный кластер - на рис. 4 .

Кластеры рассматриваемого типа могут быть распределены в обширной географической области. При этом достигается уровень надежности, который не доступен ни одной локальной системе, независимо от того, является она кластерной или нет.

Архитектура кластера с резервированием

Существует большое количество высоконадежных кластерных продуктов, поддерживающих возможность автоматического восстановления после отказа одного из компонентов. Все они называются системами с резервированием (fail-over systems). В таких системах два или более хост-компьютера функционируют в режиме резервных устройств. Если один из них выходит из строя, то другой (другие) автоматически начинает обрабатывать все данные, которые до этого обслуживал отказавший компьютер. Это исключает возможность фатального сбоя в работе всей системы. Данный тип организации кластеров оптимально подходит для поддержки работы критически важных приложений. Простейшая топология кластера с резервированием представлена на рис. 5 .

Для работы кластеров с резервированием и совместным использованием ресурсов обычно разворачивается дополнительная высокопроизводительная сеть, предназначенная исключительно для передачи служебной информации между хост-компьютерами.

В кластерах с резервированием наблюдается более разумный подход к избыточности. Резервные хост-компьютеры постоянно получают информацию о состоянии других хост-компьютеров, и поэтому в случае возникновения неисправности кластер восстанавливается незамедлительно. Использование механизма мониторинга позволяет создателям систем равномерно распределить нагрузку между хост-компьютерами, снизив коэффициент загруженности центральных процессоров до 50%.

Независимо от способа их реализации кластеры с резервированием обеспечивают наивысший уровень надежности, равномерно распределяя нагрузку на все аппаратные средства.

Масштабируемая архитектура кластера

Организация масштабируемых кластеров непосредственно затрагивает топологию и функциональные возможности системы. В коммерческих кластерных продуктах, обеспечивающих высокую степень масштабируемости, более строгому управлению кластерами уделяется особое внимание. Более высокие, по сравнению с кластерами с резервированием, требования предъявляются и к распределению нагрузки. Это приводит к необходимости предоставления всем хост-компьютерам одинаковых привилегий доступа к данным, независимо от их расположения и способа обеспечения доступа.

Кластеры должны создаваться таким образом, чтобы объем операций управления доступом к ресурсам и данным не изменился с увеличением объемов томов, иначе все эти увеличения приведут к росту кластеров. Поскольку при добавлении новых компьютеров в кластер управление доступом к дискам и данным усложняется, простейшим способом решения такой проблемы является организация кластеров, использующих расширяемые симметричные мультипроцессорные системы (SMP). Такой подход позволяет кластеру, независимо от его архитектуры, расширяться за счет простого добавления микропроцессоров в уже установленные SMP.

Корректно организованные масштабируемые кластеры дают массу преимуществ. Технологические изменения, модернизация и даже обслуживание могут осуществляться без прекращения работы. Для кластеров такого типа особенно необходимы высокоскоростные устройства ввода/вывода к совместно используемым устройствам хранения информации.

Многоуровневая архитектура кластера

Многоуровневый кластер лучше всего описать как среду «клиент/сервер/сервер». На рис. 6 показано, что кластеру сервера приложения может быть предоставлен совместный доступ к серверу, содержащему данные и подсистему базы данных. Такая организация работы позволяет один класс машин настроить непосредственно на управление базой данных, а второй - на работу с приложением.

Использование двухуровневой модели физически разделяет приложение и данные, предоставляя тем самым возможность дальнейшего масштабного расширения приложения и его хост-компьютера. Объединяющее три сервера малое кольцо FDDI используется для отделения внутреннего трафика от потоков запросов ввода/вывода. В случае организации средств резервирования такая сеть может использоваться и для установления соединений между хост-компьютерами.

Поскольку для каждого типа обработки данных сервер должен обладать определенными возможностями, системные администраторы могут настроить каждый сервер в соответствии с выполняемой им функцией. Например, серверы приложений могут быть максимально оптимизированы для обработки определенного типа транзакций или вычислений, в зависимости от типа задач. Подобным образом сервер данных можно оснастить средствами высокоскоростного ввода/вывода и дисками большого объема.

Для наиболее важных приложений можно также кластеризовать сервер данных кластера. Таким образом, два (или больше) полностью «зеркальных» сервера могут взаимозаменяемо функционировать в качестве кластерного сервера управления базой данных.

Использование географически распределенного кластера без предоставления совместного доступа к ресурсам позволяет разработчикам удовлетворить все требования, предъявляемые к восстановлению после сбоя, не затрачивая дополнительных средств на приобретение избыточных систем резервирования.

Исходя из вышеописанного можно сделать следующий вывод: пытаясь удовлетворить коммерческие требования какой-либо организации, можно не только комбинировать несколько топологий или их разновидности, но даже объединять их в иерархические вложенные структуры. Производительность и функциональные возможности отдельных компьютеров кластера при этом можно настроить в соответствии с выполняемыми функциями.

Как известно, кластеры позволяют решать проблемы, связанные с производительностью, балансировкой нагрузки и отказоустойчивостью. Для построения кластеров используются различные решения и технологии, как на программном, так и на аппаратном уровне. В этой статье будут рассмотрены программные решения, предлагаемые компаниями Microsoft и Oracle.

Виды кластеров

Кластер - это группа независимых компьютеров (так называемых узлов или нодов), к которой можно получить доступ как к единой системе. Кластеры могут быть предназначены для решения одной или нескольких задач. Традиционно выделяют три типа кластеров:

• Кластеры высокой готовности или отказоустойчивые кластеры (high-availability clusters или failover clusters) используют избыточные узлы для обеспечения работы в случае отказа одного из узлов.
• Кластеры балансировки нагрузки (load-balancing clusters) служат для распределения запросов от клиентов по нескольким серверам, образующим кластер.
• Вычислительные кластеры (compute clusters), как следует из названия, используются в вычислительных целях, когда задачу можно разделить на несколько подзадач, каждая из которых может выполняться на отдельном узле. Отдельно выделяют высокопроизводительные кластеры (HPC - high performance computing clusters), которые составляют около 82% систем в рейтинге суперкомпьютеров Top500.

Системы распределенных вычислений (gird) иногда относят к отдельному типу кластеров, который может состоять из территориально разнесенных серверов с отличающимися операционными системами и аппаратной конфигурацией. В случае грид-вычислений взаимодействия между узлами происходят значительно реже, чем в вычислительных кластерах. В грид-системах могут быть объединены HPC-кластеры, обычные рабочие станции и другие устройства.

Такую систему можно рассматривать как обобщение понятия «кластер». ластеры могут быть сконфигурированы в режиме работы active/active, в этом случае все узлы обрабатывают запросы пользователей и ни один из них не простаивает в режиме ожидания, как это происходит в варианте active/passive.

Oracle RAC и Network Load Balancing являются примерами active/ active кластера. Failover Cluster в Windows Server служит примером active/passive кластера. Для организации active/active кластера требуются более изощренные механизмы, которые позволяют нескольким узлам обращаться к одному ресурсу и синхронизовать изменения между всеми узлами. Для организации кластера требуется, чтобы узлы были объединены в сеть, для чего наиболее часто используется либо традиционный Ethernet, либо InfiniBand.

Программные решения могут быть довольно чувствительны к задержкам - так, например, для Oracle RAC задержки не должны превышать 15 мс. В качестве технологий хранения могут выступать Fibre Channel, iSCSI или NFS файловые сервера. Однако оставим аппаратные технологии за рамками статьи и перейдем к рассмотрению решений на уровне операционной системы (на примере Windows Server 2008 R2) и технологиям, которые позволяют организовать кластер для конкретной базы данных (OracleDatabase 11g), но на любой поддерживаемой ОС.

Windows Clustering

У Microsoft существуют решения для реализации каждого из трех типов кластеров. В состав Windows Server 2008 R2 входят две технологии: Network Load Balancing (NLB) Cluster и Failover Cluster. Существует отдельная редакция Windows Server 2008 HPC Edition для организации высокопроизводительных вычислительных сред. Эта редакция лицензируется только для запуска HPC-приложений, то есть на таком сервере нельзя запускать базы данных, web- или почтовые сервера.

NLB-кластер используется для фильтрации и распределения TCP/IPтрафика между узлами. Такой тип кластера предназначен для работы с сетевыми приложениями - например, IIS, VPN или межсетевым экраном.

Могут возникать сложности с приложениями, которые полага ются на сессионные данные, при перенаправлении клиента на другой узел, на котором этих данных нет. В NLB-кластер можно включать до тридцати двух узлов на x64-редакциях, и до шестнадцати - на x86.

Failoverclustering - это кластеризации с переходом по отказу, хотя довольно часто термин переводят как «отказоустойчивые кластеры».

Узлы кластера объединены программно и физически с помощью LAN- или WAN-сети, для multi-site кластера в Windows Server 2008 убрано требование к общей задержке 500 мс, и добавлена возможность гибко настраивать heartbeat. В случае сбоя или планового отключения сервера кластеризованные ресурсы переносятся на другой узел. В Enterprise edition в кластер можно объединять до шестнадцати узлов, при этом пятнадцать из них будут простаивать до тех пор, пока не произойдет сбой. Приложения без поддержки кластеров (cluster-unaware) не взаимодействуют со службами кластера и могут быть переключены на другой узел только в случае аппаратного сбоя.

Приложения с поддержкой кластеров (cluster-aware), разработанные с использованием ClusterAPI, могут быть защищены от программных и аппаратных сбоев.

Развертывание failover-кластера

Процедуру установки кластера можно разделить на четыре этапа. На первом этапе необходимо сконфигурировать аппаратную часть, которая должна соответствовать The Microsoft Support Policy for Windows Server 2008 Failover Clusters. Все узлы кластера должны состоять из одинаковых или сходных компонентов. Все узлы кластера должны иметь доступ к хранилищу, созданному с использованием FibreChannel, iSCSI или Serial Attached SCSI. От хранилищ, работающих с Windows Server 2008, требуется поддержка persistent reservations.

На втором этапе на каждый узел требуется добавить компонент Failover Clustering - например, через Server Manager. Эту задачу можно выполнять с использованием учетной записи, обладающей административными правами на каждом узле. Серверы должны принадлежать к одному домену. Желательно, чтобы все узлы кластера были с одинаковой ролью, причем лучше использовать роль member server, так как роль domain controller чревата возможными проблемами с DNS и Exchange.

Третий не обязательный, но желательный этап заключается в проверке конфигурации. Проверка запускается через оснастку Failover Cluster Management. Если для проверки конфигурации указан только один узел, то часть проверок будет пропущена.

На четвертом этапе создается кластер. Для этого из Failover Cluster Management запускается мастер Create Cluster, в котором указываются серверы, включаемые в кластер, имя кластера и дополнительные настройки IP-адреса. Если серверы подключены к сетям, которые не будут использоваться для общения в рамках кластера (например, подключение только для обмена данными с хранилищем), то в свойствах этой сети в Failover Cluster Management необходимо установить параметр «Do not allow the cluster to use this network».

После этого можно приступить к настройке приложения, которое требуется сконфигурировать для обеспечения его высокой доступности.

Для этого необходимо запустить High Availability Wizard, который можно найти в Services and Applications оснастки Failover Cluster Management.

Cluster Shared Volumes

В случае failover-кластера доступ к LUN, хранящему данные, может осуществлять только активный узел, который владеет этим ресурсом. При переключении на другой узел происходит размонтирование LUN и монтирование его для другого узла. В большинстве случаев эта задержка не является критичной, но при виртуализации может требоваться вообще нулевая задержка на переключение виртуальных машин с одного узла на другой.

Еще одна проблема, возникающая из-за того, что LUN является минимальной единицей обхода отказа, заключается в том, что при сбое одного приложения, находящегося на LUN, приходится переключать все приложения, которые хранятся на этом LUN, на другой сервер. Во всех приложениях (включая Hyper-V до второго релиза Server 2008) это удавалось обходить за счет многочисленных LUN, на каждом из которых хранились данные только одного приложения. В Server 2008 R2 появилось решение для этих проблем, но предназначенное для работы только с Hyper-V и CSV (Cluster Shared Volumes).

CSV позволяет размещать на общем хранилище виртуальные машины, запускаемые на разных узлах кластера - тем самым разбивается зависимость между ресурсами приложения (в данном случае виртуальными машинами) и дисковыми ресурсами. В качестве файловой системы CSV использует обычную NTFS. Для включения CSV необходимо в Failover Cluster Manage выполнить команду Enable Cluster Shared Volumes. Отключить поддержку CSV можно только через консоль:

Get-Cluster | %{$_.EnableSharedVolumes = "Disabled"}

Для использования этой команды должен быть загружен Failover Clusters, модуль PowerShell. Использование CSV совместно с live migration позволяет перемещать виртуальные машины между физическими серверами в считанные миллисекунды, без обрыва сетевых соединений и совершенно прозрачно для пользователей. Стоит отметить, что копировать любые данные (например, готовые виртуальные машины) на общие диски, использующие CSV, следует через узел-координатор.

Несмотря на то, что общий диск доступен со всех узлов кластера, перед записью данных на диск узлы запрашивают разрешение у узлакоординатора. При этом, если запись требует изменений на уровне файловой системы (например, смена атрибутов файла или увеличение его размера), то записью занимается сам узел-координатор.

Oracle RAC

Oracle Real Application Clusters (RAC) - это дополнительная опция Oracle Database, которая впервые появилась в Oracle Database 9i под названием OPS (Oracle Parallel Server). Опция предоставляет возможность нескольким экземплярам совместно обращаться к одной базе данных. Базой данных в Oracle Database называет ся совокупность файлов данных, журнальных файлов, файлов параметров и некоторых других типов файлов. Для того, чтобы пользовательские процессы могли получить доступ к этим данным, должен быть запущен экземпляр. Экземпляр (instance) в свою очередь состоит из структур памяти (SGA) и фоновых процессов. В отсутствии RAC получить доступ к базе данных может строго один экземпляр.

Опция RAC не поставляется с Enterprise Edition и приобретается отдельно. Стоит отметить, что при этом RAC идет в составе Standard Edition, но данная редакция обладает большим количеством ограничений по сравнению с Enterprise Edition, что ставит под сомнение целесообразность ее использования.

Oracle Grid Infrastructure

Для работы Oracle RAC требуется Oracle Clusterware (или стороннее ПО) для объединения серверов в кластер. Для более гибкого управления ресурсами узлы такого кластера могут быть организованы в пулы (с версии 11g R2 поддерживается два варианта управления - на основании политик для пулов или, в случае их отсутствия, администратором).

Во втором релизе 11g Oracle Clusterware был объединен с ASM под общим названием Oracle Grid Infrastructure, хотя оба компонента и продолжают устанавливаться по различным путям.

Automatic Storage Management (ASM) - менеджер томов и файловая система, которые могут работать как в кластере, так и с singleinstance базой данных. ASM разбивает файлы на ASM Allocation Unit.

Размер Allocation Unit определяется параметром AU_SIZE, который задается на уровне дисковой группы и составляет 1, 2, 4, 8, 16, 32 или 64 MB. Далее Allocation Units распределяются по ASM-дискам для балансировки нагрузки или зеркалирования. Избыточность может быть реализована, как средствами ASM, так и аппаратно.

ASM-диски могут быть объединены в Failure Group (то есть группу дисков, которые могут выйти из строя одновременно - например, диски, подсоединенные к одному контролеру), при этом зеркалирование осуществляется на диски, принадлежащие разным Failure Group. При добавлении или удалении дисков ASM автоматически осуществляет разбалансировку, скорость которой задается администратором.

На ASM могут помещаться только файлы, относящиеся к базе данных Oracle, такие как управляющие и журнальные файлы, файлы данных или резервные копии RMAN. Экземпляр базы данных не может взаимодействовать напрямую с файлами, которые размещены на ASM. Для обеспечения доступа к данным дисковая группа должна быть предварительно смонтирована локальным ASM-экземпляром.

Развертывание Oracle RAC

Рассмотрим этапы установки различных компонентов, необходимых для функционирования Oracle RAC в режиме active/active кластера с двумя узлами. В качестве дистрибутива будем рассматривать последнюю на момент написания статьи версию Oracle Database 11g Release 2. В качестве операционной системы возьмем Oracle Enterprise Linux 5. Oracle Enterprise Linux - операционная система, базирующаяся на RedHat Enterprise Linux. Ее основные отличия - цена лицензии, техническая поддержка от Oracle и дополнительные пакеты, которые могут использоваться приложениями Oracle.

Подготовка ОС к установке Oracle стандартна и заключается в создании пользователей и групп, задании переменных окружения и параметров ядра. Параметры для конкретной версии ОС и БД можно найти в Installation Guide, который поставляется вместе с дистрибутивом.

На узлах должен быть настроен доступ к внешним общим дискам, на которых будут храниться файлы базы данных и файлы Oracle Clusterware. К последним относятся votingdisk (файл, определяющий участников кластера) и Oracle Cluster Registry (содержит конфигурационную информацию - например, какие экземпляры и сервисы запущены на конкретном узле). Рекомендуется создавать нечетное количество votingdisk. Для создания и настройки ASMдисков желательно использовать ASMLib, которую надо установить на всех узлах:

# rpm -Uvh oracleasm-support-2.1.3-1.el4.x86_64.rpm

rpm -Uvh oracleasmlib-2.0.4-1.el4.x86_64.rpm

rpm -Uvh oracleasm-2.6.9-55.0.12.ELsmp-2.0.3-1.x86_64.rpm

Кроме интерфейса для взаимодействия с хранилищем на узлах желательно настроить три сети - Interconnect, External и Backup.
Необходимо настроить IP-адресацию (вручную или с использованием Oracl e GNS) и DNS для разрешения всех имен (или только GNS).

Вначале осуществляется установка Grid Infrastructure. Для этого загружаем и распаковываем дистрибутив, затем запускаем установщик. В процессе установки необходимо указать имя кластера; указать узлы, которые будут входить в кластер; указать назначение сетевых интерфейсов; настроить хранилище.

В конце нужно выполнить с правами root скрипты orainstRoot.sh и root.sh. Первым на всех узлах выполняется скрипт orainstRoot.sh, причем запуск на следующем узле осуществляется только после завершения работы скрипта на предыдущем. После выполнения orainstRoot.sh последовательно на каждом узле выполняется root.sh. Проверить успешность установки можно с помощью команды:

/u01/grid/bin/crsctl check cluster –all

Выполнив проверку, можно приступать к установке базы данных. Для этого запускаем Oracle Universal installer, который используется и для обычной установки базы.

Кроме active/active-кластера в версии 11g R2 существуют две возможности для создания active/passive-кластера. Одна из них - Oracle RACOneNode. Другой вариант не требует лицензии для RAC и реализуется средствами Oracle Clusterware. В этом случае вначале создается общее хранилище; затем устанавливается Grid Infrastructure, с использованием ASM_CRS и SCAN; а после этого на узлы устанавливается база данных в варианте Standalone. Далее создаются ресурсы и скрипты, которые позволяют запускать экземпляр на другом узле в случае недоступности первого.

Заключение

Oracle RAC совместно с Oracle Grid Infrastructure позволяют реализовать разнообразные сценарии построения кластеров. Гибкость настройки и широта возможностей компенсируются ценой такого решения.

Решения же Microsoft ограничены не только возможностями самой кластеризации, но и продуктами, которые могут работать в такой среде. Хотя стоит отметить, что набор таких продуктов все равно шире, чем одна база данных.

Ссылки по теме

• High Availability решения от Microsoft: microsoft.com/windowsserver2008/en/us/high-availability.aspx ;
• Подборка ссылок на документацию и ресурсы по Failover Clustering и NLB: blogs.msdn.com/b/clustering/archive/2009/08/21/9878286.aspx (блог - Clusteringand HighAvailability содержит много полезной информации);
• Документация и дистрибутивы Oracle RAC: oracle.com/technetwork/database/clustering/overview/index.html ;
• Документация и дистрибутивы Oracle Clusterware и Oracle Grid Infrastructure: oracle.com/technetwork/database/clusterware/overview/index.html ;
• Настройка Oracle Clusterware для защиты Single Instance Oracle Database 11g:

Высокопроизводительный кластер (группа компьютеров)

Компьютерный кластер - это группа компьютеров объединённых между собой высокоскоростными линиями связи, которые совместно обрабатывают одни и те же запросы и представляются со стороны пользователя как единая вычислительная система.

Главные свойства кластеров

Кластеры состоят из нескольких компьютерных систем;

Они работают как одна вычислительная система (не все);

Кластер управляется и представляется пользователю как одна вычислительная система;

Зачем нужны кластеры

Кластеры можно использовать в разных целях. Кластеры могут создавать отказоустойчивые системы, могут служить для повышения производительности компьютерного узла, а могут быть использовании для трудоёмких вычислений.

Какие бывают кластеры

Отказоустойчивые кластеры

Подобные кластера создают для обеспечения высокого уровня доступности сервиса представляемого кластером. Чем больше количество компьютеров входящих в кластер, тем меньше вероятность отказа представляемого сервиса. Компьютеры, которые входят в кластер, разнесённые географически, так же обеспечивают защиту от стихийных бедствий, террористических атак и других угроз.

Данные кластера могут быть построены по трём основным принципам

• кластеры с холодным резервом - это когда активный узел обрабатывает запросы, а пассивный бездействует, и просто ждёт отказа активного. Пассивный узел начинает работать только после отказа активного. Кластер, построенный по данному принципу, может обеспечить высокую отказоустойчивость, но в момент выключения активного узла, запросы обрабатываемые им в этот момент могут быть утеряны.
• кластер с горячим резервом - это когда все узлы системы совместно обрабатывают запросы, а в случае отказа одного или нескольких узлов, нагрузка распределяется между оставшимися. Данный тип кластера можно так же назвать кластер распределения нагрузки о котором мы поговорим далее, но с поддержкой распределения запросов при отказе одного или нескольких узлов. При использовании данного кластера, так же есть вероятность потери данных, обрабатываемых узлом, который дал сбой.
• кластер с модульной избыточностью - это когда все компьютеры кластера обрабатывают одни и те же запросы параллельно друг другу, а после обработки берётся любое значение. Подобная схема гарантирует выполнение запроса, так как можно взят любой результат обработки запроса.

Кластер распределения нагрузки

Эти кластера создают в основном для повышения производительности, но их можно использовать и для повышения отказоустойчивости, как в случае с отказоустойчивым кластером горячего резерва. В данных кластера запросы распределяются через входные узлы на все остальные узлы кластера.

Вычислительные кластеры

Данный тип кластеров, используется как правило в научных целях. В данных системах, задача разбивается на части, параллельно-выполняемые на всех узлах кластера. Это позволяет существенно сократить время обработки данных по сравнению с одиночными компьютерами.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:«Конструирование, производство и эксплуатация средств вычислительной техники»

На тему:«Состояние и перспективы развития кластерных систем»

г. Город - 2014г

Введение

1. Понятие кластер

2. Основные классы современных параллельных ЭВМ

3. Краткая история появления и обзор первых кластерных с истем

5. Виды кластерных систем

Заключение

Литература

Введение

В течение последних лет наблюдался бурный рост производительности микропроцессоров и вычислительной техники на их основе. Однако, не смотря на это, потребность в суперкомпьютерах не снизилась, а наоборот продолжает расти. Многие задачи, требующие решения, являются весьма требовательными к вычислительным ресурсам. А это требует создания вычислительных систем, превышающих самые современные микропроцессоры по производительности во много раз. Становится очевидным, что единственным выходом из этой ситуации становится использование многопроцессорных технологий. Эти технологии имеют массу преимуществ. Одним из них является возможность масштабирования этих систем, а именно изменения объёма вычислительных ресурсов за счёт числа процессоров, используемых в системе. Поэтому многопроцессорность в настоящее время перестаёт быть чертой, исключительно присущей суперкомпьютерам.

Сама же идея параллельной обработки данных была выдвинута более сотни лет назад до появления первого компьютера Чарльзом Бэббиджем, но существовавшие на тот момент технологии не могли позволить ему реализовать её. И вот, с появлением ЭВМ эти идеи стали воплощаться в жизнь. До недавнего времени этим воплощением были супер ЭВМ, но и им появилась альтернатива. И эта альтернатива - кластер .

Кластерные системы возникли как более дешевое решение проблемы недостатка вычислительных ресурсов, и основываются на использовании в своей архитектуре широко распространенных и относительно дешевых технологий, аппаратных и программных средств, таких как PC, Ethernet, Linux и т.д. Использование массовых технологии в кластерных системах стало возможным благодаря значительному прогрессу в развитии компонентов обычных вычислительных систем, таких как центральные процессоры, операционные системы, коммуникационные среды.

1. Понятие кластер

Один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер дал кластеру следующее определение:

«Кластер -- это разновидность параллельной или распределённой системы, которая: состоит из нескольких связанных между собой компьютеров; используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс».

Кластер всегда состоит из узлов, являющихся полноценными компьютерами, которые соединены сетью для выполнения обмена данными. При этом, эти компьютеры не обязательно должны быть однотипными, система может быть и гетерогенной, объединяя в себе компьютеры различной архитектуры - от персональных ЭВМ до сверхпроизводительных супер ЭВМ.

Кластер может быть как территориально сосредоточен, так и распределён. Построению распределённых кластеров способствует развитие глобальной сети Internet. На наш взгляд, в будущем будет происходить преобладание именно этого типа кластеров, что позволит получить вычислительные мощности огромных объёмов, которые не будут уступать отдельным супер ЭВМ.

При построении кластеров можно выделить два следующих подхода:

· в кластерную систему собираются все доступные компьютеры, которые также могут функционировать и отдельно. Например в такую кластерную систему можно объединить компьютеры, находящиеся в учебной аудитории или подключённые к университетской сети;

· в кластерную систему целенаправленно соединяются промышленно выпускаемые ЭВМ. При это создаётся мощный вычислительный ресурс. Этот подход позволяет удешевить саму кластерную систему, т.к. не требуется снабжать каждый отдельный узел монитором, клавиатурой и другими периферийными устройствами.

Отметим, что при использовании второго подхода узлы кластера располагаются в специальных стойках, а для управления кластером и мониторинга его состояния выделяются один или несколько полнофункциональных компьютеров. Эти компьютеры называются хост-компьютерами. Подобный подход использован, например, в кластере CliC (Chemnitzer Linux Cluster) Кемнитцкого технического университета (TU Chemnitz), Германия.

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

1. Отказоустойчивые кластеры (High-availability clusters, HA, кластеры высокой доступности)

2. Кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters)

3. Вычислительные кластеры (High perfomance computing clusters, HPC)

4. Системы распределенных вычислений

2. Основные классы современных параллельных ЭВМ

Кластерные системы являются развитием параллельных систем. Чтобы показать место кластерных систем среди остальных типов параллельных архитектур вычислительных систем нужно привести их классификацию. Параллельные системы могут быть классифицированы по различным критериям.

Одним из наиболее распространенных способов классификации ЭВМ является систематика Флинна (Flynn), в рамках которой основное внимание при анализе архитектуры вычислительных систем уделяется способам взаимодействия последовательностей (потоков) выполняемых команд и обрабатываемых данных.

SISD (Single Instruction, Single Data) - системы, в которых существует одиночный поток команд и одиночный поток данных. К такому типу можно отнести обычные последовательные ЭВМ;

SIMD (Single Instruction, Multiple Data) - системы c одиночным потоком команд и множественным потоком данных. Подобный класс составляют многопроцессорные вычислительные системы, в которых в каждый момент времени может выполняться одна и та же команда для обработки нескольких информационных элементов; такой архитектурой обладают, например, многопроцессорные системы с единым устройством управления. Этот подход широко использовался в предшествующие годы (системы ILLIAC IV или CM-1 компании Thinking Machines), в последнее время его применение ограничено, в основном, созданием специализированных систем;

MISD (Multiple Instruction, Single Data) - системы, в которых существует множественный поток команд и одиночный поток данных. Относительно этого типа систем нет единого мнения: ряд специалистов считает, что примеров конкретных ЭВМ, соответствующих данному типу вычислительных систем, не существует и введение подобного класса предпринимается для полноты классификации; другие же относят к данному типу, например, систолические вычислительные системы или системы с конвейерной обработкой данных;

MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) - системы c множественным потоком команд и множественным потоком данных. К подобному классу относится большинство параллельных многопроцессорных вычислительных систем.

Рис.1 Классификация многопроцессорных вычислительных систем

Кластерные системы относятся к MIMD параллельным многопроцессорным вычислительным системам.

Основные классы многопроцессорных систем:

SMP (symmetric multiprocessing) - симметричная многопроцессорная архитектура . Система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти.

Рис.2 Устройства системы с симметричной мультипроцессрностью.

MPP (massive parallel processing) - массивно - параллельная архитект у ра . Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена. В этом случае система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти (ОП).

NUMA (Nonuniform memory access) - неоднородный доступ к памяти память физически распределена по различным частям системы, но логически она является общей , так что пользователь видит единое адресное простра н ство .

Рис.3 Non-Uniform Memory Access

Сlusters - Кластерная архитектура, группа компьютеров, объединённых высокоскоростными каналами связи, представляющая с точки зрения пользователя единый аппаратный ресурс.

3. Краткая история появления и обзор первых кластерных систем

Идея построения кластеров зародилась ещё в начале 80-х годов, когда компанией Digital Equipment был представлен кластер VAXCluster, использовавший операционную систему OpenVMS. Далее пришло время кластеров на основе Unix-подобных операционных систем. Это было связано с тем, что всё большее число компаний стало использовать Unix для критичных приложений, что само собою ставило вопрос надёжности и высокой готовности, а, значит, и кластеризации.

Таблица 2 Список производителей параллельных вычислительных систем.

В 90-х годах начался процесс интенсивного развития кластерных технологий. В эту область пришло большое количество разработчиков и производителей. В следующей таблице приведен список производителей параллельных вычислительных систем с указанием их доли.

Перечислим наиболее интересные проекты, связанные с кластерными технологиями. электронный кластер компьютерный вычисление

Проект Beowulf (Этот проект возник летом 1994 года в научно-космическом центре NASA - Goddard Space Flight Center (GSFC ), точнее в созданном на его основе CESDIS (Center of Excellence in Space Data and Information Sciences). Всё начиналось сборкой в GSFC 16-процессорного кластера (на процессорах 486DX4/100MHz, 16MB памяти и 3 сетевых адаптера на каждом узле, 3 "параллельных" Ethernet-кабеля по 10Mbit). Этим проектом занимались Томас Стерлинг (Thomas Sterling) и Дон Бэкер (Don Becker). Этот кластер положил начало целому семейству кластеров, а его название стало для них нарицательным. В ходе выполнения этого проекта было также разработано специализированное программное обеспечение (в частности высокопроизводительные сетевые драйвера).

Проект Avalon . Avalon берёт своё начало в 1998 году в Лосаламосской национальной лаборатории для группы теоретической астрофизики. Этот проект возглавил Майкл Уоррен (Michael Warren). Avalon представляет из себя Linux-кластер на базе процессоров DEC Alpha/533MHz. Первоначально он состоял из 68 процессоров, затем был расширен до 140. В каждом узле установлено 256MB оперативной памяти, EIDE-жесткий диск на 3.2GB, сетевой адаптер от Kingston (общая стоимость узла - $1700). Узлы соединены с помощью 4-х 36-портовых коммутаторов Fast Ethernet и расположенного "в центре" 12-портового коммутатора Gigabit Ethernet от 3Com . Общая стоимость Avalon - $313 тыс. , а его производительность по LINPACK (47.7 GFLOPS ) позволила ему занять 114 место в 12-й редакции списка Top500 (рядом с 152-процессорной системой IBM SP2). 70-процессорная конфигурация Avalon по многим тестам показала такую же производительность, как 64-процессорная система SGI Origin2000 /195MHz стоимость которой превышает $1 млн.

В настоящее время Avalon активно используется в астрофизических, молекулярных и других научных вычислениях . На конференции SC"98 создатели Avalon представили доклад, озаглавленный "Avalon: An Alpha/Linux Cluster Achieves 10 Gflops for $150k" и заслужили премию по показателю цена/производительность ("1998 Gordon Bell Price/Performance Prize").

Кластера VAX/VMS - Компания DEC первой анонсировала концепцию кластерной системы в 1983 году, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации. По существу VAX-кластер представляет собой слабосвязанную многомашинную систему с общей внешней памятью, обеспечивающую единый механизм управления и администрирования.

VAX-кластер обладает следующими свойствами:

· Разделение ресурсов. Компьютеры VAX в кластере могут разделять доступ к общим ленточным и дисковым накопителям. Все компьютеры VAX в кластере могут обращаться к отдельным файлам данных как к локальным.

· Высокая готовность. Если происходит отказ одного из VAX-компьютеров, задания его пользователей автоматически могут быть перенесены на другой компьютер кластера. Если в системе имеется несколько контроллеров HSC и один из них отказывает, другие контроллеры HSC автоматически подхватывают его работу.

· Высокая пропускная способность. Ряд прикладных систем могут пользоваться возможностью параллельного выполнения заданий на нескольких компьютерах кластера.

· Удобство обслуживания системы. Общие базы данных могут обслуживаться с единственного места. Прикладные программы могут инсталлироваться только однажды на общих дисках кластера и разделяться между всеми компьютерами кластера.

· Расширяемость. Увеличение вычислительной мощности кластера достигается подключением к нему дополнительных VAX-компьютеров. Дополнительные накопители на магнитных дисках и магнитных лентах становятся доступными для всех компьютеров, входящих в кластер.

Работа VAX-кластера определяется двумя главными компонентами. Первым компонентом является высокоскоростной механизм связи, а вторым - системное программное обеспечение, которое обеспечивает клиентам прозрачный доступ к системному сервису. Физически связи внутри кластера реализуются с помощью трех различных шинных технологий с различными характеристиками производительности.

Основные методы связи в VAX-кластере представлены на рис. 4

Рис. 4 VAX/VMS-кластер

· Шина связи компьютеров CI (Computer Interconnect) работает со скоростью 70 Мбит/с и используется для соединения компьютеров VAX и контроллеров HSC с помощью коммутатора Star Coupler. Каждая связь CI имеет двойные избыточные линии, две для передачи и две для приема, используя базовую технологию CSMA, которая для устранения коллизий использует специфические для данного узла задержки. Максимальная длина связи CI составляет 45 метров. Звездообразный коммутатор Star Coupler может поддерживать подключение до 32 шин CI, каждая из которых предназначена для подсоединения компьютера VAX или контроллера HSC. Контроллер HSC представляет собой интеллектуальное устройство, которое управляет работой дисковых и ленточных накопителей.

· Компьютеры VAX могут объединяться в кластер также посредством локальной сети Ethernet, используя NI - Network Interconnect (так называемые локальные VAX-кластеры), однако производительность таких систем сравнительно низкая из-за необходимости делить пропускную способность сети Ethernet между компьютерами кластера и другими клиентами сети.

· Также кластера могут строиться на основе шины DSSI (Digital Storage System Interconnect). На шине DSSI могут объединяться до четырех компьютеров VAX нижнего и среднего класса. Каждый компьютер может поддерживать несколько адаптеров DSSI. Отдельная шина DSSI работает со скоростью 4 Мбайт/с (32 Мбит/с) и допускает подсоединение до 8 устройств. Поддерживаются следующие типы устройств: системный адаптер DSSI, дисковый контроллер серии RF и ленточный контроллер серии TF. DSSI ограничивает расстояние между узлами в кластере 25 метрами.

Также внимания заслуживают следующие кластерные системы:

* CLiC (Chemnitzer Linux Cluster, www.tu-chemnitz.de ), созданный в Техническом университете города Кемнитц (Chemnitz), Германия. Использует операционную систему Linux и содержит 528 узлов;

* Lots of Boxes on Shelves (LoBoS, www.lobos.nih.gov ), реализованный в Национальном Институте здоровья США в 1997 году. Представляет интерес тем, что в качестве среды коммуникаций используется технология Gigabit Ethernet.

4. Цели создания кластерных систем

Разработчики архитектур кластерных систем преследовали различные цели при их создании. Первой была фирма «Digital Equipment» с кластерами VAX/VMS. Целью создания этой машины было повышение надежности работы системы, обеспечение высокой готовности и отказоустойчивости системы. В настоящее время существует множество аналогичных по архитектуре систем от других производителей.

Другой целью создания кластерных систем является создание дешевых высокопроизводительных параллельных вычислительных систем. Один из первых проектов, давший имя целому классу параллельных систем - кластер «Beowulf», который состоит из широко распространённого аппаратного обеспечения, работающий под управлением операционной системы, распространяемой с исходными кодами (например, Linux или FreeBSD). Он возник в центре NASA для поддержки необходимыми вычислительными ресурсами проекта Earth and Space Sciences. Проект Beowulf начался летом 1994 года, и вскоре был собран 16-процессорный кластер на процессорах Intel 486DX4/100 МГц. На каждом узле было установлено по 16 Мбайт оперативной памяти и по 3 сетевых Ethernet-адаптера. Эта система оказалась очень удачной по отношению цена/производительность, поэтому такую архитектуру стали развивать и широко использовать в других научных организациях и институтах.

Особенностью такого кластера также является масштабируемость, то есть возможность увеличения количества узлов системы с пропорциональным увеличением производительности. Узлами в кластере могут служить любые серийно выпускаемые автономные компьютеры, количество которых может быть от 2 до 1024 и более. Для распределения обработки данных между узлами обычно используются технологии MPI или PVM. Для каждого класса кластеров характерны свои особенности архитектуры и применяемые аппаратные средства. Рассмотрим их более подробно.

5. Виды кластерных систем

Отказоустойчивые кластеры

Для обеспечения надежности и отказоустойчивости вычислительных систем применяется множество различных аппаратурных и программных решений. Например, в системе может дублироваться все подверженные отказам элементы -- источники питания, процессоры, оперативная и внешняя память. Такие отказоустойчивые системы с резервированием компонентов применяются для решения задач, в которых недостаточно надежности обычных вычислительных систем, оцениваемой в настоящий момент вероятностью безотказной работы 99%. В таких задачах требуется вероятность 99,999% и выше. Такую надежность можно достичь применяя отличные от приведенного выше методы повышения отказоустойчивости. В зависимости от уровня готовности вычислительной системы к использованию выделяют четыре типа надежности:

Таблица 1. Уровень доступности

В отличие от отказоустойчивых систем с избыточными компонентами, а также различных вариантов многопроцессорности, кластеры объединяют относительно независимые друг от друга машины, каждую из которых можно остановить для профилактики или реконфигурирования, не нарушая при этом работоспособности кластера в целом. Высокая производительность кластера и сведение к минимуму времени простоев приложений достигается благодаря тому, что:

· в случае сбоя ПО на одном из узлов приложение продолжает функционировать или автоматически перезапускается на других узлах кластера;

· выход из строя одного из узлов (или нескольких) не приведет к краху всей кластерной системы;

· профилактические и ремонтные работы, реконфигурацию или смену версий программного обеспечения, как правило, можно осуществлять в узлах кластера поочередно, не прерывая работы других узлов.

Неотъемлемой частью кластера является специальное программное обеспечение, которое, собственно, и решает проблему восстановления узла в случае сбоя, а также решает другие задачи. Кластерное ПО обычно имеет несколько заранее заданных сценариев восстановления работоспособности системы, а также может предоставлять администратору возможности настройки таких сценариев. Восстановление после сбоев может поддерживаться как для узла в целом, так и для отдельных его компонентов -- приложений, дисковых томов и т.д. Эта функция автоматически инициируется в случае системного сбоя, а также может быть запущена администратором, если ему, например, необходимо отключить один из узлов для реконфигурации.

Кластеры могут иметь разделяемую память на внешних дисках, как правило, на дисковом массиве RAID. Дисковый массив RAID -- это серверная подсистема ввода- вывода для хранения данных большого объема. В массивах RAID значительное число дисков относительно малой емкости используется для хранения крупных объемов данных, а также для обеспечения более высокой надежности и избыточности. Подобный массив воспринимается компьютером как единое логическое устройство.

Восстановление после сбоев может поддерживаться как для узла в целом, так и для отдельных его компонентов -- приложений, дисковых томов и т.д. Эта функция автоматически инициируется в случае системного сбоя, а также может быть запущена администратором, если ему, например, необходимо отключить один из узлов для реконфигурации.

Узлы кластера контролируют работоспособность друг друга и обмениваются специфической «кластерной» информацией, например, о конфигурации кластера, а также передавать данные между разделяемыми накопителями и координировать их использование. Контроль работоспособности осуществляется с помощью специального сигнала, который узлы кластера передают друг другу, для того чтобы подтвердить свое нормальное функционирование. Прекращение подачи сигналов с одного из узлов сигнализирует кластерному программному обеспечению о произошедшем сбое и необходимости перераспределить нагрузку на оставшиеся узлы. В качестве примера рассмотрим отказоустойчивый кластер VAX/VMS.

Высокопроизводительные кластеры

Архитектура высокопроизводительных кластеров появилась как развитие принципов построения систем MPP на менее производительных и массовых компонентах, управляемых операционной системой общего назначения. Кластеры также как и MPP системы состоят из слабосвязанных узлов, которые могут быть как однородными, так и, в отличие от MPP, различными или гетерогенными. Особое внимание при проектировании высокопроизводительной кластерной архитектуры уделяется обеспечению высокой эффективности коммуникационной шины, связывающей узлы кластера. Так как в кластерах нередко применяются массовые относительно низко производительные шины, то приходится принимать ряд мер по исключению их низкой пропускной способности на производительность кластеров и организацию эффективного распараллеливания в кластере. Так например пропускная способность одной из самых высокоскоростных технологий Fast Ethernet на порядки ниже, чем у межсоединений в современных суперкомпьютерах МРР-архитектуры.

Для решения проблем низкой производительности сети применяют несколько методов:

· кластер разделяется на несколько сегментов, в пределах которых узлы соединены высокопроизводительной шиной типа Myrinet, а связь между узлами разных сегментов осуществляется низкопроизводительными сетями типа Ethernet/Fast Ethernet. Это позволяет вместе с сокращением расходов на коммуникационную среду существенно повысить производительность таких кластеров при решении задач с интенсивным обменом данными между процессами.

· применение так называемого «транкинга», т.е. объединение нескольких каналов Fast Ethernet в один общий скоростной канал, соединяющий несколько коммутаторов. Очевидным недостатком такого подхода является «потеря» части портов, задействованных в межсоединении коммутаторов.

· для повышения производительности создаются специальные протоколы обмена информацией по таким сетям, которые позволяют более эффективно использовать пропускную способность каналов и снимают некоторые ограничения накладываемые стандартными протоколами (TCP/IP,IPX). Такой метод часто используют в системах класса Beowulf.

Основным качеством, которым должен обладать высоко производительный кластер является горизонтальная масштабируемость, так как одним из главных преимуществ, которые предоставляет кластерная архитектура является возможность наращивать мощность существующей системы за счет простого добавления новых узлов в систему. Причем увеличение мощности происходит практически пропорционально мощности добавленных ресурсов и может производиться без остановки системы во время ее функционирования. В системах с другой архитектурой (в частности MPP) обычно возможна только вертикальная масштабируемость: добавление памяти, увеличение числа процессоров в многопроцессорных системах или добавление новых адаптеров или дисков. Оно позволяет временно улучшить производительность системы. Однако в системе будет установлено максимальное поддерживаемое количество памяти, процессоров или дисков, системные ресурсы будут исчерпаны, и для увеличения производительности придется создавать новую систему или существенно перерабатывать старую. Кластерная система также допускает вертикальную масштабируемость. Таким образом, за счет вертикального и горизонтального масштабирования кластерная модель обеспечивает большую гибкость и простоту увеличения производительности систем.

Кластеры распределения нагрузки

Кластеры распределения нагрузки (Network Load Balancing) - Принцип их действия строится на распределении запросов через один или несколько входных узлов, которые перенаправляют их на обработку в остальные, вычислительные узлы. Первоначальная цель такого кластера -- производительность, однако, в них часто используются также и методы, повышающие надёжность. Подобные конструкции называются серверными фермами. Программное обеспечение (ПО) может быть как коммерческим (OpenVMS, MOSIX, Platform LSF HPC, Solaris Cluster, Moab Cluster Suite, Maui Cluster Scheduler), так и бесплатным (OpenMosix, Sun Grid Engine, Linux Virtual Server).

Системы распределенных вычислений

Системы распределенных вычислений (Grid ) - Такие системы не принято считать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами. Главное отличие -- низкая доступность каждого узла, то есть невозможность гарантировать его работу в заданный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе работы), поэтому задача должна быть разбита на ряд независимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый компьютер, а служит упрощённым средством распределения вычислений. Нестабильность конфигурации, в таком случае, компенсируется большим числом узлов.

Заключение

Как уже было отмечено, в настоящий момент происходит бурное развитие параллельных вычислительных систем и кластерных систем в частности. Как показывает статистика распределения различных параллельных систем в мире, кластерные системы занимают не последнее место по производительности (как максимальной, так и пиковой).

Итак, подведём итог сказанному, перечислив преимущества и недостатки кластеров.

Преимущества кластеров .

1. Наличие общедоступного ПО.

2. Возможность использования существующей сетевой инфраструктуры.

3. Не требуется приобретать специализированное оборудование.

4. Возможность создания гетерогенных вычислительных систем.

5. Возможность создания систем с произвольным количеством узлов(от двух до нужного количества).

6. Возможность использования кластера несколькими пользователями одновременно, причём каждый пользователь резервирует лишь необходимые для его вычислений ресурсы.

Недостатки кластеров .

1. Скорость обмена между узлами зависит от используемого сетевого оборудования. А, следовательно, желательно использовать наиболее современное и дорогостоящее оборудование.

Как мы видим из перечисленного, кластерные технологии являются наиболее перспективным направлением для разработок и исследований в области высокопроизводительных вычислительных систем. Они позволяют добиться приемлемых результатов при приемлемом уровне затрат, что является одним из основных аргументов в их пользу.

Рассмотрев вопрос организации параллельных вычислений, без использования суперкомпьютеров, напрашивается вывод, что собрать кластерную систему можно и дома, потратив на это небольшие денежные средства, так как кластерные системы являются «дешевой альтернативой» суперкомпьютеров и собираются из готовых серийно-выпускаемых компьютеров, достаточно лишь локальной сети и планировщика задач. Также кластерная система удобна потому, что в неё можно включить SMP-узлы.

Литература

1. Андреев, A.M. Многопроцессорные вычислительные системы. Теоретический анализ, математические модели и применение / A.M. Андреев, Г.П. Можаров, В.В. Сюзев - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 336с.

2. Воеводин, B.B. Параллельные вычисления / B.B. Воеводин - M.: Книга по Требованию, 2004. - 602 c.

3. Гергель, В.П. Высокопроизводительные вычисления для многопроцессорных многоядерных систем / В.П. Гергель - М.: Издательство МГУ, 2010. - 544с.

4. Черемисинов, Д.И. Проектирование и анализ параллелизма в процессах и программах / Черемисинов, Д.И. - M.: Беларуская Навука, 2011. - 302c.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Описание кластерных систем и характеристика библиотек параллелизма. Аналоги PVM. Организация параллельных вычислений. Описание оборудования и программного обеспечения кластера. Гипотеза Гольдбаха. Процесс компиляции собственной программы для работы с PVM.

курсовая работа , добавлен 05.12.2014


Историческое развитие средств вычислений. Структурные схемы вычислительных систем. Развитие элементной базы и развитие архитектуры самих систем. Основные классы вычислительных машин. Каналы передачи данных. Требования к составу периферийных устройств.

реферат , добавлен 09.01.2011


Главный недостаток систем с общей шиной. Использование матричного коммутатора в схемах. Соединения между процессорами с системах с распределенной памятью. Схема соединений процессоров в компьютере BBN Butterfly. Топологии типа гиперкуб. Архитектура NUMA.

лекция , добавлен 22.10.2014


Классификации архитектур вычислительных систем. Организация компьютерных систем. Устройство центрального процессора. Принципы разработки современных компьютеров. Эволюция микропроцессорных систем. Увеличение числа и состава функциональных устройств.

дипломная работа , добавлен 29.01.2009


Классификация ЭВМ: по принципу действия, этапам создания, назначению, размерам и функциональным возможностям. Основные виды электронно-вычислительных машин: суперЭВМ, большие ЭВМ, малые ЭВМ, МикроЭВМ, серверы.

реферат , добавлен 15.03.2004


Классификация Флинна как наиболее ранняя и известная классификация архитектур вычислительных систем, ее структура и содержание, признаки. Общая характеристика используемых классов. Описание и значение других распространенных методов классификации.

лекция , добавлен 22.10.2014


Пути достижения параллелизма вычислений. Понятие и разновидности, а также сферы и особенности использования суперкомпьютеров. Параллельные вычисления как процессы решения задач, в которых могут выполняться одновременно несколько вычислительных операций.

презентация , добавлен 11.10.2014


Роль распределенных вычислительных систем в решении современных задач. Инструментальная система DVM для разработки параллельных программ. Средства построения формальной модели графического интерфейса. Требования к графическому интерфейсу DVM-системы.

курсовая работа , добавлен 15.10.2010


Ранние приспособления и устройства для счета. Появление перфокарт, первые программируемые машины, настольные калькуляторы. Работы Джона Фон Неймана по теории вычислительных машин. История создания и развития, поколения электронно-вычислительных машин.

реферат , добавлен 01.04.2014


Структуры вычислительных машин и систем. Фон-неймановская архитектура, перспективные направления исследований. Аналоговые вычислительные машины: наличие и функциональные возможности программного обеспечения. Совокупность свойств систем для пользователя.