關(guān)于集群技術(shù)及其教育科研應(yīng)用論文

　　一、集群的定義

　　廣義上說(shuō)，相互獨(dú)立的一些系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)組就是集群。一個(gè)客戶與集群相互作用時(shí)，集群的行為像是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)一樣。

　　從狹義上講，集群是一些相互獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，這些計(jì)算機(jī)作為一個(gè)整體對(duì)外提供服務(wù)。對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，這些計(jì)算機(jī)的行為就好像一個(gè)計(jì)算機(jī)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(gè)方面：

　　提高性能.一些計(jì)算密集型應(yīng)用，如：天氣預(yù)報(bào)，核試驗(yàn)?zāi)�擬等，需要計(jì)算機(jī)要有很強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，現(xiàn)有的技術(shù)，即使普通的大型機(jī)其計(jì)算也很難勝任，這時(shí)，一般都使用計(jì)算機(jī)集群技術(shù)，集中幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來(lái)滿足要求。提高處理性能一直是集群技術(shù)研究的一個(gè)重要目標(biāo)之一。

　　降低成本.通常一套象樣的群集配置，其軟硬件開(kāi)銷要超過(guò) $100,000。但與價(jià)值上百萬(wàn)美元的專用超級(jí)計(jì)算機(jī)相比已經(jīng)相當(dāng)便宜。在達(dá)到同樣性能的條件下，采用計(jì)算機(jī)集群比采用同等運(yùn)算能力的大型計(jì)算機(jī)具有更高的性價(jià)比。

　　提高規(guī)模擴(kuò)展性（Scalabilitry）.目前，計(jì)劃擴(kuò)展系統(tǒng)能力的用戶必須購(gòu)買昂貴的最新的服務(wù)器，才能獲得額外所需的CPU，驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)存。如果該服務(wù)系統(tǒng)采用集群技術(shù)，則只需要將新的服務(wù)器加入集群中即可，對(duì)于客戶來(lái)看，服務(wù)無(wú)論從連續(xù)性還是性能上都幾乎沒(méi)有變化，好像系統(tǒng)在不知不覺(jué)中完成了升級(jí)。

　　增強(qiáng)可靠性.據(jù)統(tǒng)計(jì)每年由于系統(tǒng)停運(yùn)，全美國(guó)損失40億美元。在零售業(yè)，平均每次停運(yùn)損失140000美元，保安業(yè)每次停運(yùn)平均損失450000美元，集群技術(shù)使系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)仍可以繼續(xù)工作，將系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間減到最小。集群系統(tǒng)在提高了系統(tǒng)的可靠性的同時(shí)，也大大減小了故障損失。

　　三、集群類型

　　最常見(jiàn)的三種群集類型包括高性能科學(xué)群集、負(fù)載均衡群集和高可用性群集。

　　1、科學(xué)群集

　　科學(xué)集群是并行計(jì)算的基礎(chǔ)。通常，科學(xué)群集涉及為群集開(kāi)發(fā)的并行應(yīng)用程序，以解決復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題�？茖W(xué)集群對(duì)外就好像一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)，這種超級(jí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部由十至上萬(wàn)個(gè)獨(dú)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(jìn)行通信以運(yùn)行并行應(yīng)用程序。

　　我們常常聽(tīng)說(shuō)又有一種便宜的 Linux 超級(jí)計(jì)算機(jī)問(wèn)世了。這種超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)群集，其處理能力與真的超級(jí)計(jì)算機(jī)相仿，但是硬件以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用要比真正的超級(jí)計(jì)算機(jī)低很多，具有極高的性價(jià)比。

　　并行群集系統(tǒng)之所以可以達(dá)到如此高的帶寬和低延遲，是因?yàn)樗鼈兺ǔ＠@過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如 TCP/IP。雖然網(wǎng)際協(xié)議對(duì)于廣域網(wǎng)很重要，但它包含了太多的開(kāi)銷，而這些開(kāi)銷在節(jié)點(diǎn)相互已知的封閉網(wǎng)絡(luò)群集中是不必要的。節(jié)點(diǎn)之間可以使用直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA)來(lái)進(jìn)行通訊，它類似于圖形卡和其它外圍設(shè)備在一臺(tái)機(jī)器中的工作方式。因此橫跨群集，可以通過(guò)任何節(jié)點(diǎn)上的任何處理器直接訪問(wèn)分布式共享內(nèi)存。

　　同樣也可以使用低開(kāi)銷的消息傳遞系統(tǒng)，在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)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(jiàn)實(shí)現(xiàn)。MPI 存在幾種衍生版本，但在所有情況下，它為開(kāi)發(fā)者訪問(wèn)并行應(yīng)用程序提供了一個(gè)公共 API，這樣開(kāi)發(fā)者就不必手工解決如何在群集的節(jié)點(diǎn)之間分發(fā)代碼段。

　　2、負(fù)載均衡群集

　　負(fù)載均衡群集為企業(yè)需求提供了更實(shí)用的系統(tǒng)。如名稱所暗示的，負(fù)載均衡群集使負(fù)載可以在計(jì)算機(jī)群集中盡可能平均地分?jǐn)偺幚怼Ｘ?fù)載通常包括應(yīng)用程序處理負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載。這樣的系統(tǒng)非常適合向使用同一組應(yīng)用程序的大量用戶提供服務(wù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以承擔(dān)一定的處理負(fù)載，并且可以實(shí)現(xiàn)處理負(fù)載在節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)分配，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序接受了太多入網(wǎng)流量，以致無(wú)法迅速處理，這時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量就會(huì)發(fā)送給在其它節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序。同時(shí)，還可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上不同的可用資源或網(wǎng)絡(luò)的特殊環(huán)境來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

　　與科學(xué)計(jì)算集群一樣，負(fù)載均衡群集也在多節(jié)點(diǎn)之間分發(fā)計(jì)算處理負(fù)載。他們之間的最大區(qū)別在于缺少跨節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的單并行程序。大多數(shù)情況下，負(fù)載均衡群集中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是運(yùn)行單獨(dú)軟件的獨(dú)立系統(tǒng)。但是，不管是在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行直接通信，還是通過(guò)中央負(fù)載均衡服務(wù)器來(lái)控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，在節(jié)點(diǎn)之間都有一種公共關(guān)系。通常，使用特定的算法來(lái)分發(fā)該負(fù)載。

　　網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載均衡是一個(gè)過(guò)程，它檢查到某個(gè)群集的入網(wǎng)流量，然后將流量分發(fā)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行適當(dāng)處理。它最適合大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，如 Web 或 FTP 服務(wù)器。負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)要求群集軟件檢查每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)載，并確定哪些節(jié)點(diǎn)可以接受新的作業(yè)。這最適合運(yùn)行如數(shù)據(jù)分析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(diǎn)的硬件或操作系統(tǒng)功能,這樣，群集中的節(jié)點(diǎn)就沒(méi)有必要是一致的。

　　3、高可用性群集

　　可用性(availability)當(dāng)集群中的一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，集群軟件迅速做出反映，將該系統(tǒng)的任務(wù)分配到集群中其它正在工作的系統(tǒng)上執(zhí)行。

　　考慮到計(jì)算機(jī)硬件和軟件的易錯(cuò)性，高可用性群集的的目的主要是為了使群集的整體服務(wù)盡可能可用。如果高可用性群集中的主節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障，那么這段時(shí)間內(nèi)將由次節(jié)點(diǎn)代替它。次節(jié)點(diǎn)通常是主節(jié)點(diǎn)的鏡像，所以當(dāng)它代替主節(jié)點(diǎn)時(shí)，它可以完全接管其身份，并且因此使系統(tǒng)環(huán)境對(duì)于用戶是一致的。

　　高可用性 (HA)群集致力于使服務(wù)器系統(tǒng)的運(yùn)行速度和響應(yīng)速度盡可能快。它們經(jīng)常利用在多臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行的冗余節(jié)點(diǎn)和服務(wù)，用來(lái)相互跟蹤。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗，它的替補(bǔ)將在幾秒鐘或更短時(shí)間內(nèi)接管它的職責(zé)。因此，對(duì)于用戶而言，群集永遠(yuǎn)不會(huì)停機(jī)。

　　某些 HA 群集也可以維護(hù)節(jié)點(diǎn)間冗余應(yīng)用程序。因此，用戶的應(yīng)用程序?qū)⒗^續(xù)運(yùn)行，即使他或她使用的節(jié)點(diǎn)出了故障。正在運(yùn)行的應(yīng)用程序會(huì)在幾秒之內(nèi)遷移到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而所有用戶只會(huì)察覺(jué)到響應(yīng)稍微慢了一點(diǎn)。但是，這種應(yīng)用程序級(jí)冗余要求將軟件設(shè)計(jì)成具有群集意識(shí)的，并且知道節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)應(yīng)該做什么。

　　HA 群集也可以執(zhí)行負(fù)載均衡，但通常主服務(wù)器運(yùn)行作業(yè)，而系統(tǒng)使輔助服務(wù)器保持閑置。輔助服務(wù)器通常是主服務(wù)器操作系統(tǒng)設(shè)置的鏡像，盡管硬件本身稍有不同。輔助節(jié)點(diǎn)對(duì)主服務(wù)器進(jìn)行活動(dòng)監(jiān)控或心跳觀察，以查看它是否仍在運(yùn)行。如果心跳計(jì)時(shí)器沒(méi)有接收到主服務(wù)器的響應(yīng)，則輔助節(jié)點(diǎn)將接管網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)身份。

　　在群集的這三種基本類型之間，經(jīng)常會(huì)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(diǎn)之間均衡用戶負(fù)載。同樣，也可以從要編寫(xiě)應(yīng)用程序的群集中找到一個(gè)并行群集，它可以在節(jié)點(diǎn)之間執(zhí)行負(fù)載均衡。從這個(gè)意義上講，這種集群類別的劃分是一個(gè)相對(duì)的概念，不是絕對(duì)的。

　　四、集群的教育科研應(yīng)用

　　1、 科學(xué)群集與并行計(jì)算

　　科學(xué)集群是并行計(jì)算的基礎(chǔ)，在科研領(lǐng)域，如：天氣預(yù)報(bào)，核試驗(yàn)?zāi)�擬等領(lǐng)域，科學(xué)集群獲得了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)榭茖W(xué)集群涉及為解決特定的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，需要有一定的學(xué)科背景知識(shí)，所以這里不作具體介紹。

　　2、負(fù)載均衡群集的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育應(yīng)用

　　對(duì)于教育應(yīng)用來(lái)說(shuō)，負(fù)載均衡集群是應(yīng)用面最廣，最有發(fā)展?jié)摿Φ募�群�?yīng)用形式。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)的用戶將成幾何方式增長(zhǎng)。由此而導(dǎo)致教育類網(wǎng)站的訪問(wèn)量大幅增長(zhǎng)。由于教育網(wǎng)絡(luò)資源很多是多媒體素材，包括音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)等，這就" 會(huì)產(chǎn)生極大的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載以及額外的處理負(fù)載。

　　在這種情況下，單機(jī)的處理能力很快得到飽和，一種方案就是升級(jí)系統(tǒng)。升級(jí)系統(tǒng)的方法會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器工作在降級(jí)模式下或服務(wù)器關(guān)機(jī)，對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，其效果和服務(wù)器遭受DOS攻擊時(shí)的效果時(shí)一樣的。

　　舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，許多網(wǎng)站在升級(jí)的過(guò)程中，比如www.5460.net(中國(guó)同學(xué)錄)，會(huì)不能訪問(wèn)或者有個(gè)提示："系統(tǒng)升級(jí)中，請(qǐng)稍后再訪問(wèn)"。這個(gè)"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www.5460.net(中國(guó)同學(xué)錄)的客戶訪問(wèn)量上要大很多的情況下也幾乎沒(méi)有出現(xiàn)這種情況，原因就在于google采用的是集群服務(wù)器。Google系統(tǒng)升級(jí)在后臺(tái)進(jìn)行的時(shí)候，其處理和IO負(fù)載被自動(dòng)分發(fā)到集群中的其他服務(wù)器上，所以對(duì)于用戶而言，幾乎感覺(jué)不到在響應(yīng)時(shí)間方面的差別。

　　另外一種方案就是添置新的服務(wù)器，但是在網(wǎng)絡(luò)上，一臺(tái)機(jī)器唯一的對(duì)應(yīng)于一個(gè)IP地址，一個(gè)IP唯一的與一個(gè)域名綁定，客戶需要在訪問(wèn)一個(gè)URL的時(shí)候得到相同的響應(yīng)，而不是來(lái)自不同主機(jī)的不同響應(yīng)。這就要求新添置的服務(wù)器和原有的服務(wù)器應(yīng)該對(duì)外看起來(lái)就像一臺(tái)服務(wù)器一樣，而不是多臺(tái)服務(wù)器。而這正是集群所產(chǎn)生的效果。

　　當(dāng)教育網(wǎng)站的處理能力和IO能力超出單機(jī)的負(fù)載能力時(shí)，考慮性價(jià)比、運(yùn)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(gè)集群技術(shù)在教育科研網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)例。

　　五、實(shí)際應(yīng)用方案舉例

　　方案名稱：寧波市教委教育與科研網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)

　　按照寧波市教委的意見(jiàn)，要求在2010年基本上實(shí)現(xiàn)全市范圍內(nèi)教師、學(xué)生、家長(zhǎng)共同使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行教學(xué)與管理。依據(jù)寧波市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總體水平與增長(zhǎng)趨勢(shì)，這個(gè)目標(biāo)經(jīng)過(guò)努力，是完全可以實(shí)現(xiàn)的。由此，教科網(wǎng)的構(gòu)建成為整個(gè)目標(biāo)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(tái)、網(wǎng)上學(xué)校、學(xué)習(xí)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(jià)比、高可靠性和可擴(kuò)展性，出色的擔(dān)當(dāng)了這一重任。

　　1、項(xiàng)目背景 2、業(yè)務(wù)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(fù)雜，大體包含以下部分。

　　2.1大容量電子郵件

　　根據(jù)規(guī)劃，需要將市教委直屬機(jī)關(guān)、寧波市區(qū)所有學(xué)校的老師和學(xué)生的電子信箱集中放在教育和科研網(wǎng)絡(luò)中心的電子函件服務(wù)器中。因此電子郵件服務(wù)器的容量估計(jì)需要10萬(wàn)。而且，今后可以依據(jù)需要擴(kuò)充。

　　2.2 LDPA;

　　為了保證整個(gè)網(wǎng)站的一致性和安全性，需要采用LDPA認(rèn)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。

　　2.4 Web

　　寧波市教委網(wǎng)站市一個(gè)為全市3000所中小學(xué)提供網(wǎng)上服務(wù)的平臺(tái)。該平臺(tái)應(yīng)該以方便使用為目標(biāo)，各個(gè)中小學(xué)、教委機(jī)構(gòu)通過(guò)注冊(cè)用戶發(fā)布自己的網(wǎng)上信息。網(wǎng)管中心負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)站系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定工作

　　2.5 辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OA）

　　教委辦公信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)市整個(gè)教科網(wǎng)的應(yīng)用軟件實(shí)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(wù)的需要，而且在整個(gè)體系結(jié)構(gòu)上必須和以后要實(shí)現(xiàn)的學(xué)校辦公系統(tǒng)，教委義務(wù)管理系統(tǒng)、學(xué)校業(yè)務(wù)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(xué)校

　　包括課件、教師、學(xué)生、練習(xí)、答疑、討論、點(diǎn)播、交互等多個(gè)部分

　　2.7 教育資源

　　包括各種音頻、視頻、文本、動(dòng)畫(huà)等資源

　　3. 項(xiàng)目實(shí)施

　　3.1 Web系統(tǒng)

　　通過(guò)Turbolinux server和turbo Cluster server構(gòu)建Web Server集群。實(shí)現(xiàn)Web、FTP等服務(wù)的負(fù)載均衡和高可用性方案。Web Server為Apache。對(duì)于基于BS結(jié)構(gòu)的OA系統(tǒng)�？梢酝ㄟ^(guò)此接口為用戶提供可靠的服務(wù)。

　　3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

　　通過(guò)Turbolinux DataServer＋Oracle8i和TurboHA構(gòu)建Database集群，提供高可用性的數(shù)據(jù)庫(kù)方法，數(shù)據(jù)庫(kù)為Oracle8i，通過(guò)TurboHA實(shí)現(xiàn)雙擊熱備份功能。對(duì)于OA系統(tǒng)，可以提供可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)

　　3.3 Mail系統(tǒng)

　　通過(guò)Turbolinux Server和TurboHA為Mail系統(tǒng)提供穩(wěn)定的系統(tǒng)平臺(tái)

　　3.4 OA系統(tǒng)

　　根據(jù)具體需求合作開(kāi)發(fā)，使用Turbolinux DataServer +Oracle 8i 為開(kāi)發(fā)工具，該軟件提供構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)、部署、服務(wù)等全套方案。系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用基于intel至強(qiáng)處理器的服務(wù)器。

　　4. 效果評(píng)價(jià)

　　該系統(tǒng)構(gòu)建已經(jīng)完成，預(yù)期的功能都已經(jīng)得到很好的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于寧波教委的日常工作、網(wǎng)上教育有了極大的促進(jìn)作用。當(dāng)然，這只是整個(gè)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(yīng)用Turbolinux教育解決方案的經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)全市全校網(wǎng)上教學(xué)的宏偉目標(biāo)。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　集群技術(shù)是一種通用的技術(shù)，其目的是為了解決單機(jī)運(yùn)算能力的不足、IO能力的不足、提高服務(wù)的可靠性、獲得規(guī)�？蓴U(kuò)展能力，降低整體方案的運(yùn)維成本（運(yùn)行、升級(jí)、維護(hù)成本）。只要在其他技術(shù)不能達(dá)到以上的目的，或者雖然能夠達(dá)到以上的目的，但是成本過(guò)高的情況下，就可以考慮采用集群技術(shù)。

　　科研領(lǐng)域一直是集群技術(shù)，特別是并行計(jì)算技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。但是對(duì)于教育領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，集群技術(shù)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有很大的應(yīng)用空間，即便在網(wǎng)絡(luò)教育發(fā)展的如火如荼的今天，集群的教育應(yīng)用也相當(dāng)有限。我認(rèn)為主要在于集群技術(shù)的教育應(yīng)用還沒(méi)有形成需求，對(duì)于當(dāng)今絕大多數(shù)教育類網(wǎng)站，單機(jī)處理能力就可以滿足其要求，不可能，也沒(méi)有必要采用集群技術(shù)。前文中列舉了寧波市的教育應(yīng)用方案，并不是說(shuō)寧波市的教育網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用必須要集群技術(shù)來(lái)支持，只能說(shuō)這是turbo linux的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的一個(gè)成功案例。事實(shí)上，這個(gè)案例也是turbo linux推廣其產(chǎn)品的經(jīng)典案例之一。集群技術(shù)在遠(yuǎn)程教育方面的應(yīng)用需求，至少要在遠(yuǎn)程教育形成規(guī)模的情況下才可能真正出現(xiàn)。

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