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集群技術(shù)科研應用管理論文
【摘要】集群技術(shù)是一種較新的技術(shù)，通過集群技術(shù)，可以在付出較低成本的情況下獲得在性能、可靠性、靈活性方面的相對較高的收益。本文力圖對集群技術(shù)做一個簡單的介紹。本文首先給出了集群的定義，闡述了采用集群技術(shù)的意義，對幾種常見的集群類型進行了介紹，并在此基礎上給出了一個集群在科研中的實例。
【關(guān)鍵字】集群集群技術(shù)負載均衡HALBCLUSTER
一、集群的定義
廣義上說，相互獨立的一些系統(tǒng)構(gòu)成了一個組就是集群。一個客戶與集群相互作用時，集群的行為像是一個獨立的系統(tǒng)一樣。
從狹義上講，集群是一些相互獨立的計算機，這些計算機作為一個整體對外提供服務。對于客戶來說，這些計算機的行為就好像一個計算機一樣，但是其處理能力、可靠性、IO能力都得到了大幅的提升。
二、采用集群的目的
采用集群技術(shù)的目的可以概括為以下幾個方面：
提高性能.一些計算密集型應用，如：天氣預報，核試驗模擬等，需要計算機要有很強的運算處理能力，現(xiàn)有的技術(shù)，即使普通的大型機其計算也很難勝任，這時，一般都使用計算機集群技術(shù)，集中幾十臺甚至上百臺計算機的運算能力來滿足要求。提高處理性能一直是集群技術(shù)的一個重要目標之一。
降低成本.通常一套象樣的群集配置，其軟硬件開銷要超過$100,000。但與價值上百萬美元的專用超級計算機相比已經(jīng)相當便宜。在達到同樣性能的條件下，采用計算機集群比采用同等運算能力的大型計算機具有更高的性價比。
提高規(guī)模擴展性（Scalabilitry）.，計劃擴展系統(tǒng)能力的用戶必須購買昂貴的最新的服務器，才能獲得額外所需的CPU，驅(qū)動器和內(nèi)存。如果該服務系統(tǒng)采用集群技術(shù)，則只需要將新的服務器加入集群中即可，對于客戶來看，服務無論從連續(xù)性還是性能上都幾乎沒有變化，好像系統(tǒng)在不知不覺中完成了升級。
增強可靠性.據(jù)統(tǒng)計每年由于系統(tǒng)停運，全美國損失40億美元。在零售業(yè)，平均每次停運損失140000美元，保安業(yè)每次停運平均損失450000美元，集群技術(shù)使系統(tǒng)在故障發(fā)生時仍可以繼續(xù)工作，將系統(tǒng)停運時間減到最小。集群系統(tǒng)在提高了系統(tǒng)的可靠性的同時，也大大減小了故障損失。
三、集群類型
最常見的三種群集類型包括高性能科學群集、負載均衡群集和高可用性群集。
1、科學群集
科學集群是并行計算的基礎。通常，科學群集涉及為群集開發(fā)的并行應用程序，以解決復雜的科學�？茖W集群對外就好像一個超級計算機，這種超級計算機內(nèi)部由十至上萬個獨立處理器組成。但它卻使用商業(yè)系統(tǒng)，并且在公共消息傳遞層上進行通信以運行并行應用程序。
我們常常聽說又有一種便宜的Linux超級計算機問世了。這種超級計算機實際上是一個計算機群集，其處理能力與真的超級計算機相仿，但是硬件以及運行維護費用要比真正的超級計算機低很多，具有極高的性價比。
并行群集系統(tǒng)之所以可以達到如此高的帶寬和低延遲，是因為它們通常繞過使用協(xié)議，如TCP/IP。雖然網(wǎng)際協(xié)議對于廣域網(wǎng)很重要，但它包含了太多的開銷，而這些開銷在節(jié)點相互已知的封閉網(wǎng)絡群集中是不必要的。節(jié)點之間可以使用直接內(nèi)存訪問(DMA)來進行通訊，它類似于圖形卡和其它外圍設備在一臺機器中的工作方式。因此橫跨群集，可以通過任何節(jié)點上的任何處理器直接訪問分布式共享內(nèi)存。
同樣也可以使用低開銷的消息傳遞系統(tǒng)，在節(jié)點之間進行通信。消息傳遞接口(MPI)是并行群集系統(tǒng)間消息傳遞層的最常見實現(xiàn)。MPI存在幾種衍生版本，但在所有情況下，它為開發(fā)者訪問并行應用程序提供了一個公共API，這樣開發(fā)者就不必手工解決如何在群集的節(jié)點之間分發(fā)代碼段。
2、負載均衡群集
負載均衡群集為需求提供了更實用的系統(tǒng)。如名稱所暗示的，負載均衡群集使負載可以在機群集中盡可能平均地分攤處理。負載通常包括程序處理負載和流量負載。這樣的系統(tǒng)非常適合向使用同一組應用程序的大量用戶提供服務。每個節(jié)點都可以承擔一定的處理負載，并且可以實現(xiàn)處理負載在節(jié)點之間的動態(tài)分配，以實現(xiàn)負載均衡。對于網(wǎng)絡流量負載，當網(wǎng)絡服務程序接受了太多入網(wǎng)流量，以致無法迅速處理，這時，網(wǎng)絡流量就會發(fā)送給在其它節(jié)點上運行的網(wǎng)絡服務程序。同時，還可以根據(jù)每個節(jié)點上不同的可用資源或網(wǎng)絡的特殊環(huán)境來進行優(yōu)化。
與計算集群一樣，負載均衡群集也在多節(jié)點之間分發(fā)計算處理負載。他們之間的最大區(qū)別在于缺少跨節(jié)點運行的單并行程序。大多數(shù)情況下，負載均衡群集中的每個節(jié)點都是運行單獨軟件的獨立系統(tǒng)。但是，不管是在節(jié)點之間進行直接通信，還是通過中央負載均衡服務器來控制每個節(jié)點的負載，在節(jié)點之間都有一種公共關(guān)系。通常，使用特定的算法來分發(fā)該負載。
網(wǎng)絡流量負載均衡是一個過程，它檢查到某個群集的入網(wǎng)流量，然后將流量分發(fā)到各個節(jié)點以進行適當處理。它最適合大型網(wǎng)絡應用程序，如Web或FTP服務器。負載均衡網(wǎng)絡應用服務要求群集軟件檢查每個節(jié)點的當前負載，并確定哪些節(jié)點可以接受新的作業(yè)。這最適合運行如數(shù)據(jù)等串行和批處理作業(yè)。那些系統(tǒng)還可以配置成關(guān)注某特定節(jié)點的硬件或操作系統(tǒng)功能,這樣，群集中的節(jié)點就沒有必要是一致的。
3、高可用性群集
可用性(availability)當集群中的一個系統(tǒng)發(fā)生故障時，集群軟件迅速做出反映，將該系統(tǒng)的任務分配到集群中其它正在工作的系統(tǒng)上執(zhí)行。
考慮到計算機硬件和軟件的易錯性，高可用性群集的的目的主要是為了使群集的整體服務盡可能可用。如果高可用性群集中的主節(jié)點發(fā)生了故障，那么這段時間內(nèi)將由次節(jié)點代替它。次節(jié)點通常是主節(jié)點的鏡像，所以當它代替主節(jié)點時，它可以完全接管其身份，并且因此使系統(tǒng)環(huán)境對于用戶是一致的。
高可用性(HA)群集致力于使服務器系統(tǒng)的運行速度和響應速度盡可能快。它們經(jīng)常利用在多臺機器上運行的冗余節(jié)點和服務，用來相互跟蹤。如果某個節(jié)點失敗，它的替補將在幾秒鐘或更短時間內(nèi)接管它的職責。因此，對于用戶而言，群集永遠不會停機。
某些HA群集也可以維護節(jié)點間冗余應用程序。因此，用戶的應用程序?qū)⒗^續(xù)運行，即使他或她使用的節(jié)點出了故障。正在運行的應用程序會在幾秒之內(nèi)遷移到另一個節(jié)點，而所有用戶只會察覺到響應稍微慢了一點。但是，這種應用程序級冗余要求將軟件設計成具有群集意識的，并且知道節(jié)點失敗時應該做什么。
HA群集也可以執(zhí)行負載均衡，但通常主服務器運行作業(yè)，而系統(tǒng)使輔助服務器保持閑置。輔助服務器通常是主服務器操作系統(tǒng)設置的鏡像，盡管硬件本身稍有不同。輔助節(jié)點對主服務器進行活動監(jiān)控或心跳觀察，以查看它是否仍在運行。如果心跳計時器沒有接收到主服務器的響應，則輔助節(jié)點將接管網(wǎng)絡和系統(tǒng)身份。
在群集的這三種基本類型之間，經(jīng)常會發(fā)生混合與交雜�？梢园l(fā)現(xiàn)高可用性群集也可以在其節(jié)點之間均衡用戶負載。同樣，也可以從要編寫應用程序的群集中找到一個并行群集，它可以在節(jié)點之間執(zhí)行負載均衡。從這個意義上講，這種集群類別的劃分是一個相對的概念，不是絕對的。
四、集群的科研應用
1、科學群集與并行計算
科學集群是并行計算的基礎，在科研領域，如：天氣預報，核試驗模擬等領域，科學集群獲得了廣泛的應用。因為科學集群涉及為解決特定的而設計的應用程序，需要有一定的學科背景知識，所以這里不作具體介紹。
2、負載均衡群集的遠程
對于教育應用來說，負載均衡集群是應用面最廣，最有潛力的集群應用形式。
隨著網(wǎng)絡教育的發(fā)展，網(wǎng)絡教育系統(tǒng)的用戶將成幾何方式增長。由此而導致教育類網(wǎng)站的訪問量大幅增長。由于教育網(wǎng)絡資源很多是多媒體素材，包括音頻、視頻、動畫等，這就會產(chǎn)生極大的網(wǎng)絡流量負載以及額外的處理負載。
在這種情況下，單機的處理能力很快得到飽和，一種方案就是升級系統(tǒng)。升級系統(tǒng)的會導致服務器工作在降級模式下或服務器關(guān)機，對于客戶來說，其效果和服務器遭受DOS攻擊時的效果時一樣的。
舉個簡單的例子，許多網(wǎng)站在升級的過程中，比如(同學錄)，會不能訪問或者有個提示："系統(tǒng)升級中，請稍后再訪問"。這個"稍后"的概念通常是半天左右；而大家也可以注意到，象google這樣的網(wǎng)站，在比(中國同學錄)的客戶訪問量上要大很多的情況下也幾乎沒有出現(xiàn)這種情況，原因就在于google采用的是集群服務器。Google系統(tǒng)升級在后臺進行的時候，其處理和IO負載被自動分發(fā)到集群中的其他服務器上，所以對于用戶而言，幾乎感覺不到在響應時間方面的差別。
另外一種方案就是添置新的服務器，但是在網(wǎng)絡上，一臺機器唯一的對應于一個IP地址，一個IP唯一的與一個域名綁定，客戶需要在訪問一個URL的時候得到相同的響應，而不是來自不同主機的不同響應。這就要求新添置的服務器和原有的服務器應該對外看起來就像一臺服務器一樣，而不是多臺服務器。而這正是集群所產(chǎn)生的效果。
當教育網(wǎng)站的處理能力和IO能力超出單機的負載能力時，考慮性價比、運維成本、可靠性等多方面因素，集群技術(shù)就成為最佳的選擇。下面給出一個集群技術(shù)在教育科研網(wǎng)中的應用實例。
五、實際應用方案舉例
方案名稱：寧波市教委教育與科研網(wǎng)絡整體系統(tǒng)
按照寧波市教委的意見，要求在2010年基本上實現(xiàn)全市范圍內(nèi)教師、學生、家長共同使用互聯(lián)網(wǎng)進行教學與管理。依據(jù)寧波市發(fā)展的總體水平與增長趨勢，這個目標經(jīng)過努力，是完全可以實現(xiàn)的。由此，教科網(wǎng)的構(gòu)建成為整個目標的關(guān)鍵一環(huán)，其中包括了教育與科研網(wǎng)主干、教委辦公系統(tǒng)、教委網(wǎng)上平臺、網(wǎng)上學校、資源、內(nèi)部E-MAIL等部分。而基于Turbolinux的整體教育解決方案以其出眾的性價比、高可靠性和可擴展性，出色的擔當了這一重任。
1、項目背景
1999年寧波市共有各級各類學校（含幼兒園）3078所，在校生95。28萬人，教職工5。72萬人。是年，全市新增了公安海警高等專校等5所學校，使全市普通高校和成人高�？倲�(shù)達到11所，在校生超過3萬人。全市共有11185名學生升入全日制高校，高等教育毛入學率達到10。5％。與全國平均水平持平。普通中等專業(yè)學校24所。成人中專22所，在校生4。2萬人，有普通中學326所，在校生25.12萬人；初中畢業(yè)生升入高中段學習的比例為78。81％，據(jù)全省第一，普職招生比例保持在4.1：5.9，城區(qū)已經(jīng)基本普及高中段教育。小學1195所，在校生43.38萬人。幼兒園2024所，在園幼兒15.05萬人，幼兒園入園率達到93.64％。全市基本普及九年義務教育，義務教育人口覆蓋率為100％。可以看到，寧波市的教育狀況走到了全國領先的地步，而整個教育系統(tǒng)的上網(wǎng)也就提上了日程。
2、業(yè)務挑戰(zhàn)
寧波教科網(wǎng)由于組成部分多，多功能需求也就比較復雜，大體包含以下部分。
2.1大容量郵件
根據(jù)規(guī)劃，需要將市教委直屬機關(guān)、寧波市區(qū)所有學校的老師和學生的電子信箱集中放在教育和科研網(wǎng)絡中心的電子函件服務器中。因此電子郵件服務器的容量估計需要10萬。而且，今后可以依據(jù)需要擴充。
2.2LDPA;
為了保證整個網(wǎng)站的一致性和安全性，需要采用LDPA認證。
2.3支持Webmail：
為了方便使用，必須支持Webmail，用戶只要使用瀏覽器就可以完成所有的郵件操作。
2.4Web
寧波市教委網(wǎng)站市一個為全市3000所中小學提供網(wǎng)上服務的平臺。該平臺應該以方便使用為目標，各個中小學、教委機構(gòu)通過注冊用戶發(fā)布自己的網(wǎng)上信息。網(wǎng)管中心負責整個網(wǎng)站系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定工作
2.5辦公自動化系統(tǒng)（OA）
教委辦公信息系統(tǒng)的實現(xiàn)市整個教科網(wǎng)的軟件實現(xiàn)的第一步，所以它不僅要在功能上能符合現(xiàn)在教委業(yè)務的需要，而且在整個體系結(jié)構(gòu)上必須和以后要實現(xiàn)的學校辦公系統(tǒng)，教委義務管理系統(tǒng)、學校業(yè)務管理系統(tǒng)之間有很好的接口。另外在市教委系統(tǒng)和各縣（市。區(qū)）教委系統(tǒng)之間有較好的接口。
2.6網(wǎng)上學校
包括課件、教師、學生、練習、答疑、討論、點播、交互等多個部分
2.7資源
包括各種音頻、視頻、文本、動畫等資源
3.項目實施
3.1Web系統(tǒng)
通過Turbolinuxserver和turboClusterserver構(gòu)建WebServer集群。實現(xiàn)Web、FTP等服務的負載均衡和高可用性方案。WebServer為Apache。對于基于BS結(jié)構(gòu)的OA系統(tǒng)。可以通過此接口為用戶提供可靠的服務。
3.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
通過TurbolinuxDataServer＋Oracle8i和TurboHA構(gòu)建Database集群，提供高可用性的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫為Oracle8i，通過TurboHA實現(xiàn)雙擊熱備份功能。對于OA系統(tǒng)，可以提供可靠的數(shù)據(jù)庫服務
3.3Mail系統(tǒng)
通過TurbolinuxServer和TurboHA為Mail系統(tǒng)提供穩(wěn)定的系統(tǒng)平臺
3.4OA系統(tǒng)
根據(jù)具體需求合作開發(fā)，使用TurbolinuxDataServer+Oracle8i為開發(fā)工具，該軟件提供構(gòu)建復雜的網(wǎng)站的開發(fā)、部署、服務等全套方案。系統(tǒng)硬件平臺采用基于intel至強處理器的服務器。
4.效果評價
該系統(tǒng)構(gòu)建已經(jīng)完成，預期的功能都已經(jīng)得到很好的實現(xiàn)。對于寧波教委的日常工作、網(wǎng)上教育有了極大的促進作用。當然，這只是整個教科網(wǎng)構(gòu)建的第一步，而寧波市教委也正在大力推廣應用Turbolinux教育解決方案的經(jīng)驗，爭取早日實現(xiàn)全市全校網(wǎng)上教學的宏偉目標。
六、結(jié)束語
集群技術(shù)是一種通用的技術(shù)，其目的是為了解決單機運算能力的不足、IO能力的不足、提高服務的可靠性、獲得規(guī)�？蓴U展能力，降低整體方案的運維成本（運行、升級、維護成本）。只要在其他技術(shù)不能達到以上的目的，或者雖然能夠達到以上的目的，但是成本過高的情況下，就可以考慮采用集群技術(shù)。
科研領域一直是集群技術(shù)，特別是并行技術(shù)應用最為廣泛的領域。但是對于教育領域來說，集群技術(shù)在很長的一段時間內(nèi)沒有很大的應用空間，即便在教育的如火如荼的今天，集群的教育應用也相當有限。我認為主要在于集群技術(shù)的教育應用還沒有形成需求，對于當今絕大多數(shù)教育類網(wǎng)站，單機處理能力就可以滿足其要求，不可能，也沒有必要采用集群技術(shù)。前文中列舉了寧波市的教育應用方案，并不是說寧波市的教育網(wǎng)絡應用必須要集群技術(shù)來支持，只能說這是turbolinux的市場運營的一個成功案例。事實上，這個案例也是turbolinux推廣其產(chǎn)品的經(jīng)典案例之一。集群技術(shù)在遠程教育方面的應用需求，至少要在遠程教育形成規(guī)模的情況下才可能真正出現(xiàn)。
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