系统集群的概念和作用

系统集群的概念和作用

(整理时间：2006-10-10)

l 什么时系统集群

Cluster集群技术可如下定义：一组相互独立的服务器在网络中表现为单一的系统，并以单一系统的模式加以管理。此单一系统为客户工作站提供高可*性的服务。大多数模式下，集群中所有的计算机拥有一个共同的名称，集群内任一系统上运行的服务可被所有的网络客户所使用。Cluster必须可以协调管理各分离的组件的错误和失败，并可透明地向Cluster中加入组件。一个Cluster包含多台(至少二台)拥有共享数据存储空间的服务器。任何一台服务器运行一个应用时，应用数据被存储在共享的数据空间内。每台服务器的操作系统和应用程序文件存储在其各自的本地储存空间上。Cluster内各节点服务器通过一内部局域网相互通讯。当一台节点服务器发生故障时，这台服务器上所运行的应用程序将在另一节点服务器上被自动接管。当一个应用服务发生故障时，应用服务将被重新启动或被另一台服务器接管。当以上的任一故障发生时，客户都将能很快连接到新的应用服务上。

l 集群系统的分类

我们按照应用类型可以将集群分为以下三类：

1. 高性能集群（High Performance，HP）：

通常，这种涉及为群集开发并行编程应用程序，以解决复杂的问题。这是并行计算的基础。这种集群内部由十至上万个独立处理器组成，使用商业系统，如通过高速连接来链接的一组单处理器或双处理器 PC，并且在公共消息传递层上进行通信以运行并行应用程序。 
2. 负载均衡群集：

负载均衡群集为企业需求提供了更实用的系统。如名称所暗示的，该系统使负载可以在计算机群集中尽可能平均地分摊处理。该负载可能是需要均衡的应用程序处理负载或网络流量负载。这样的系统非常适合于运行同一组应用程序的大量用户。每个节点都可以处理一部分负载，并且可以在节点之间动态分配负载，以实现平衡。对于网络流量也是如此。通常，网络服务器应用程序接受了太多入网流量，以致无法迅速处理，这就需要将流量发送给在其它节点上运行的网络服务器应用。还可以根据每个节点上不同的可用资源或网络的特殊环境来进行优化。 
3. 高可用性群集（High Availabity，HA）：

高可用性群集的出现是为了使群集的整体服务尽可能可用，以便考虑计算硬件和软件的易错性。如果高可用性群集中的主节点发生了故障，那么这段时间内将由次节点代替它。次节点通常是主节点的镜像，所以当它代替主节点时，它可以完全接管其身份，并且因此使系统环境对于用户是一致的。
注意：在群集的这三种基本类型之间，经常会发生混合与交杂。于是，可以发现高可用性群集也可以在其节点之间均衡用户负载，同时仍试图维持高可用性程度。同样，可以从要编入应用程序的群集中找到一个并行群集，它可以在节点之间执行负载均衡。尽管集群系统本身独立于它在使用的软件或硬件，但要有效运行系统时，硬件连接将起关键作用。

l 常见的集群技术种类

1．服务器镜像技术  

服务器镜像技术是将建立在同一个局域网之上的两台服务器通过软件或其他特殊的网络设备（比如镜像卡）将两台服务器的硬盘做镜像。其中，一台服务器被指定为主服务器，另一台为从服务器。客户只能对主服务器上的镜像的卷进行读写，即只有主服务器通过网络向用户提供服务，从服务器上相应的卷被锁定以防对数据的存取；主/从服务器分别通过心跳监测线路互相监测对方的运行状态，当主服务器因故障宕机时，从服务器将在很短的时间内接管主服务器的应用。 服务器镜像技术的特点是成本较低，提高了系统的可用性，保证了在一台服务器宕机的情况下系统仍然可用，但是这种技术仅限于两台服务器的集群，系统不具有可扩展性。

2．应用程序错误接管集群技术  

错误接管集群技术是将建立在同一个网络里的两台或多台服务器通过集群技术连接起来，集群节点中的每台服务器各自运行不同的应用，具有自己的广播地址，对前端用户提供服务，同时每台服务器又监测其他服务器的运行状态，为指定服务器提供热备份作用。当某一节点因故障宕机时，集群系统中指定的服务器会在很短的时间内接管故障机的数据和应用，继续为前端用户提供服务。  

错误接管集群技术通常需要共享外部存储设备——磁盘阵列柜，两台或多台服务器通过SCSI电缆或光纤与磁盘阵列柜相连，数据都存放在磁盘阵列柜上；这种集群系统中通常是两个节点互为备份的，并不是几台服务器同时为一台服务器备份，集群系统中的节点通过串口、共享磁盘分区或内部网络来互相监测对方的心跳。  

错误接管集群技术经常用在数据库服务器、MAIL服务器等的集群中。这种集群技术由于采用共享存储设备，所以增加了外设费用，但是可以实现最多32台机器的集群，极大的提高了系统的可用性及可扩展性。  

3．容错集群技术  

错集群技术的一个典型的应用即容错机，在容错机中，每一个部件都具有冗余设计。在容错集群技术中集群系统的每个节点都与其他节点紧密的联系在一起，它们经常需要共享内存、硬盘、CPU和I/O等重要的子系统，容错集群系统中各个节点被共同影像成为一个独立的系统，并且所有节点都是这个影像系统的一部分。在容错集群系统中各种应用在不同节点之间的切换可以很平滑的完成，不花费任何时间。  

容错集群技术的实现往往需要特殊的软硬件设计，因此成本很高，但是容错系统最大限度的提高了系统的可用性，是财政、金融和安全部门的最佳选择。  

4．并行运行和分布式处理技术  

这种技术与其他集群技术有点不同，它是用来提高系统的计算能力和处理能力的，在这种集群系统中，向系统提交应用被分配到不同的节点上分别运行，如果提交系统的是一个比较大的任务，系统将把它分成许多小块，然后交给不同的节点去处理，这与多处理器协调工作有点相像。  

5．可连续升级的集群技术  

这种集群技术提供了可连续升级的能力，是前几种技术的一个组合。在这种集群系统中通常有一个负责管理整个集群系统的中央节点，中央节点负责将用户的请求分配给集群系统中的某个节点，然后这个节点将直接通过INTERNET网络向用户提供服务。在集群系统中每一个节点都互为备份，包括中央节点，他在完成向集群节点分配任务的同时，也向用户提供服务，一旦中央节点宕机，系统将自动推举一个节点为中央节点，来接管它的全部应用。  

这种可连续升级的集群系统通常只需简单的设置就可以添加或移除一个节点，使用管理比较简单。通常用在WEB、MAIL、FTP等服务上。