集群架构及常见集群特性介绍

本文部分内容来源以下文章：

• http://soft.chinabyte.com/25/13169025.shtml

• http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs1.html

本篇索引

• 什么是集群
  

• 集群的特点

• 集群的优势

• 集群分类

1 什么是集群

计算机集群简称”集群”，是一种计算机系统，它通过一组松散集成的计算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。在某种意义上，他们可以被看作是一台计算机。集群系统中的单个计算机通常称为节点，通常通过局域网连接，但也有其它的可能连接方式。集群计算机通常用来改进单个计算机的计算速度和/或可靠性。一般情况下集群计算机比单个计算机，工作站或超级计算机性能价格比要高得多。

集群就是一组相互独立的计算机，通过高速的网络组成一个计算机系统，每个集群节点都是运行其自己进程的一个独立服务器。对网络用户来讲，网站后端就是一个单一的系统，协同起来向用户提供系统资源，系统服务。通过网络连接组合成一个组合来共同完一个任务。常见的集群结果如下图：

2 集群的特点

1）高性能(performance)

一些需要很强的运算处理能力比如天气预报，核试验等。这就不是几台计算机能够搞定的。这需要上千台一起来完成这个工作的。

网络服务的工作负载通常是大量相互独立的任务，通过一组服务器分而治之，可以获得很高的整体性能。

2）价格有效性（性价比）

通常一套系统集群架构，只需要几台或数十台服务器主机即可，与动则上百万的专用超级计算机相比具有更高的性价比。

组成集群系统的PC服务器或RISC服务器和标准网络设备因为大规模生产降低成本，价格低，具有最高的性能/价格比。若整体性能随着结点数的增长而接近线性增加，该系统的性能/价格比接近于PC服务器。所以，这种松耦合结构比紧耦合的多处理器系统具有更好的性能/价格比。

3）可伸缩性

集群系统中的结点数目可以增长到几千个，乃至上万个，其伸缩性远超过单台超级计算机。

当服务器负载压力增长的时候，系统能够扩展来满足需求，且不降低服务质量。

4）高可用性

在硬件和软件上都有冗余，通过检测软硬件的故障，将故障屏蔽，由存活结点提供服务，可实现高可用性。即使部分硬件和软件发生故障，但整个系统的服务必须是7*24小时运行的。当发现一个模块失败时，要这模块上提供的服务迁移到其他模块上。在理想状况下，这种迁移是即时的、自动的。

3 集群的优势

1）透明性

如果一部分服务器宕机了业务不受影响，一般耦合度没有那么高，依赖关系没有那么高。比如NFS服务器宕机了其他就挂载不了了，这样依赖性太强。

如何高效地使得由多个独立计算机组成的松藕合的集群系统构成一个虚拟服务器；客户端应用程序与集群系统交互时，就像与一台高性能、高可用的服务器交互一样，客户端无须作任何修改。部分服务器的切入和切出不会中断服务，这对用户也是透明的。

2）高性能

访问量增加，能够轻松扩展。

性能要接近线性加速，这需要设计很好的软硬件的体系结构，消除系统可能存在的瓶颈。将负载较均衡地调度到各台服务器上。

3）可管理性

整个系统可能在物理上很大，要使集群系统变得易管理，就像管理一个单一映像系统一样。在理想状况下，软硬件模块的插入能做到即插即用（Plug & Play）。

4）可编程性

在集群系统上，容易开发应用程序，门户网站会要求这个。

4 集群分类

【1】负载均衡集群（Load balancing clusters）简称LBC

【2】高可用性集群（High-availability clusters）简称HAC

【3】高性能计算集群（High-perfomance clusters）简称HPC

【4】网格计算（Gridcomputing）

在网络上，一般认为只前三有三个，"负载均衡"和"高可用集群"是互联网行业常用的集群架构，也是我们必须掌握的。下面详细说说前三种集群。

@@|负载均衡集群|

负载均衡集群为企业提供了更为实用，性价比更高的系统架构解决方案。负载均衡集群把很多客户集中访问的请求负载压力尽可能平均的分摊到计算机集群中处理。客户请求负载通常包括"应用程度处理负载"和"网络流量负载"。这样的系统非常适合向使用同一组应用程序为大量用户提供服务。每个节点都可以承担一定的访问请求负载压力，并且可以实现访问请求在各节点之间动态分配，以实现负载均衡。

负载均衡运行时，一般通过一个或多个前端负载均衡器将客户访问请求分发到后端一组服务器上，从而达到整个系统的高性能和高可用性。这样计算机集群有时也被称为服务器群。一般高可用性集群和负载均衡集群会使用类似的技术，或同时具有高可用性与负载均衡的特点。

|负载均衡集群的作用|：

分担访问流量（负载均衡）

保持业务的连续性（高可用性）

@@|高可用性集群|：

一般是指当集群中的任意一个节点失效的情况下，节点上的所有任务自动转移到其他正常的节点上，并且此过程不影响整个集群的运行，不影响业务的提供。

类似是集群中运行着两个或两个以上的一样的节点，当某个主节点出现故障的时候，那么其他作为从节点的节点就会接替主节点上面的任务。从节点可以接管主节点的资源（IP地址，架构身份等），此时用户不会发现提供服务的对象从主节点转移到从节点。

|高可用性集群的作用|：

当一个机器宕机另一台进行接管。

比较常用的高可用集群开源软件有：keepalive，heardbeat

@@|高性能计算集群|:

高性能计算集群采用将计算任务分配到集群的不同计算节点儿提高计算能力，因而主要应用在科学计算领域。比较流行的HPC采用Linux操作系统和其它一些免费软件来完成并行运算。这一集群配置通常被称为Beowulf集群。这类集群通常运行特定的程序以发挥HPCcluster的并行能力。这类程序一般应用特定的运行库, 比如专为科学计算设计的MPI库。

HPC集群特别适合于在计算中各计算节点之间发生大量数据通讯的计算作业，比如一个节点的中间结果会影响到其它节点计算结果的情况。

@@|常用集群软硬件|：

常用开源集群软件有：lvs，keepalived，haproxy，nginx，apache，heartbeat

常用商业集群硬件有：F5,Netscaler，Radware，A10等

笔者便签

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