linux下叢集技術介紹

一、 叢集的定義

叢集是一組協同工作的服務集合，用來提供比單一服務更穩定、更高效、更具擴充性的服務平台，在外界看來，叢集就是一個獨立的服務實體，但實際上，在叢集的内部，有兩個或兩個以上的服務實體在協調、配合完成一系列複雜的工作。

 叢集一般有兩個或兩個以上的伺服器組建而成，每個伺服器被稱為一個叢集節點，叢集節點之間可以互相通信，通信的方式有兩種，一種是基于RS232線的心 跳監控，另一種是用一塊單獨的網卡來跑心跳，因而，叢集具有節點間服務狀态監控功能，同時還必須具有服務實體的擴充功能，可以靈活的增加和剔除某個服務實 體。

在叢集中，同樣的服務可以由多個服務實體提供。因而，當一個節點出現故障時，叢集的另一個節點可以自動接管故障節點的資源，進而保證服務持久、不間斷運作。因而叢集具有故障自動轉移功能。

 一個叢集系統必須擁有共享的資料存儲，因為叢集對外提供的服務是一緻的，任何一個叢集節點運作一個應用時，應用的資料都集中存儲在節點共享空間内，而每個節點的作業系統上僅運作應用的服務，同時存儲應用程式檔案。

綜上所述，建構一個叢集系統至少需要兩台伺服器，同時還需要有序列槽線、叢集軟體、共享儲存設備（例如磁盤陣列）等。

基于Linux的叢集以其極高的計算能力、可擴充性、可用性及更加優化的成本效益在企業各種應用中脫穎而出。 成為目前大家都關心的Linux應用熱點，熟練掌握Linux叢集知識，可以用低價格做出高性能的應用。為企業、個人節省了成本。國内大型網站新浪、網易 等都采用了linux叢集系統建構高性能web應用，著名搜尋引擎google采用了上萬台linux伺服器組成了一個超大叢集，這些執行個體都說明了叢集在 linux應用中的地位和重要性。

二、 叢集的特點與功能

2.1 高可用性與可擴充性

1．高可用性

 對于一些實時性很強的應用系統，必須保證服務的24小時不間斷運作，而由于軟體、硬體、網絡、人為等各種原因，單一的服務運作環境很難達到這種要求，此 時建構一個叢集系統是個不錯的選擇，建構叢集的一個最大優點是叢集具有高可用性，在服務出現故障時，叢集系統可以自動将服務從故障節點切換到另一個備用節 點，進而提供不間斷性服務，保證了業務的持續運作。

2．可擴充性

 随着業務量的加大，現有的叢集服務實體不能滿足需求時，可以向此叢集中動态的加入一個或多個服務節點，進而滿足應用的需要，增強叢集的整體性能。這就是叢集的可擴充性。

2.2 負載均衡與錯誤恢複

1．負載均衡

 叢集系統最大的特點是可以靈活、有效的分擔系統負載，通過叢集自身定義的負載分擔政策，将用戶端的通路配置設定到下面的各個服務節點，例如，可以定義輪詢分 配政策，将請求平均的配置設定到各個服務節點，還可以定義最小負載配置設定政策，當一個請求進來時，叢集系統判斷哪個服務節點比較清閑，就将此請求分發到這個節 點。

2．錯誤恢複

 當一個任務在一個節點上還沒有完成時，由于某種原因，執行失敗，此時，另一個服務節點應該能接着完成此任務，這就是叢集提供的錯誤恢複功能，通過錯誤的重定向，保證了每個執行任務都能有效的完成。

2.3心跳檢測與漂移IP

1．心跳監測

 為了能實作負載均衡、提供高可用服務和執行錯誤恢複，叢集系統提供了心跳監測技術，心跳監測是通過心跳線實作的，可以做心跳線的裝置有RS 232序列槽線，也可以用獨立的一塊網卡來跑心跳，還可以是共享磁盤陣列等，心跳線的數量應該為叢集節點數減1，需要注意的是，如果通過網卡來做心跳的話， 每個節點需要兩塊網卡，其中，一塊作為私有網絡直接連接配接到對方機器相應的網卡，用來監測對方心跳。另外一塊連接配接到公共網絡對外提供服務，同時心跳網卡和服 務網卡的IP位址盡量不要在一個網段内。心跳監控的效率直接影響故障切換時間的長短，叢集系統正是通過心跳技術保持着節點間的内部有效通信。

2．漂移IP位址

 在叢集系統中，除了每個服務節點自身的真實IP位址外，還存在一個漂移IP位址，為什麼說是漂移IP呢，因為這個IP位址并不固定，例如在兩個節點的雙 機熱備中，正常狀态下，這個漂移IP位于主節點上，當主節點出現故障後，漂移IP位址自動切換到備用節點，是以，為了保證服務的不間斷性，在叢集系統中， 對外提供的服務IP一定要是這個漂移IP位址，雖然節點本身的IP也能對外提供服務，但是當此節點失效後，服務切換到了另一個節點，但是服務IP仍然是故 障節點的IP位址，此時，服務就随之中斷。

三、 叢集的分類

3.1 高可用叢集 

1．高可用的概念

高可用叢集的英文全稱是High Availability Cluster，簡稱HA Cluster， 高可用的含義是最大限度的可以使用，從叢集的名字上可以看出，此類叢集實作的功能是保障使用者的應用程式持久、不間斷的提供服務。

當應用程式出現故障，或者系統硬體、網絡出現故障時，應用可以自動、快速從一個節點切換到另一個節點，進而保證應用持續、不間斷的對外提供服務，這就是高可用叢集實作的功能，

2．常見的HA Cluster

我們常說的雙機熱備、雙機互備、多機互備等都屬于高可用叢集的範疇，這類叢集一般都有兩個或兩個以上節點組成。典型的雙機熱備結構如圖1所示

<a href="http://img1.51cto.com/attachment/201105/101546598.png" target="_blank"></a>

圖1 雙機熱備結構

雙機熱備是最簡單的應用模式，即經常說的active/standby方式，它使用兩台伺服器，一台作為主伺服器（action），運作應用程式對 外提供服務，另一台作為備機（standby），安裝和主伺服器一樣的應用程式，但是并不啟動服務，處于待機狀态。主機和備機之間通過心跳技術互相監控， 監控的資源可以是網絡、作業系統、也可以是服務，使用者可以根據自己的需要，選擇需要監控的資源，當備機監控到主機的某個資源出現故障時，根據預先設定好的 政策，首先将IP切換過來，然後将應用程式服務也接管過來，接着就由備機對外提供服務，由于切換過程時間非常端，使用者根本感覺不到程式出了問題，而且還進 行了切換，進而保障了應用程式持久、不間斷的服務。

雙機互備是在雙機熱備的基礎上，兩個互相獨立的應用在兩個機器上同時運作，互為主備，即兩台伺服器既是主機也是備機，當任何一個應用出現故障，另一台服務 器都能在短時間内将故障機器的應用接管過來，進而保障了服務的持續、無間斷運作。雙機互備的好處是節省了裝置資源，兩個應用的雙機熱備至少需要四台服務 器，而雙機互備僅需兩台伺服器即可完成高可用叢集功能，但是雙機互備也有自身的缺點：在某個節點故障切換後，另一個節點上就同時運作了兩個應用的服務，有 可能出現負載過大的情況。

多機互備是雙機熱備的技術更新，通過多台機器組成一個叢集，可以在多台機器之間設定靈活的接管政策，例如，某個叢集環境有8台伺服器組成，3台運作web 應用，3台運作mail應用，因而，可以将剩餘的一台作為3台web伺服器的備機，另一台作為3台mail伺服器的備機，通過這樣的部署，合理充分的利用 了伺服器資源，同時也保證了系統的高可用性。

需要注意的是：高可用叢集不能保證應用程式資料的安全性，它僅僅解決的是對外提供持久不間斷的服務，把由于軟體、硬體、網絡、人為因素造成的故障而對應用造成的影響降低到最底程度。

3．高可用叢集軟體

高可用叢集一般是通過高可用軟體來實作的，在linux下常用的高可用軟體有：開源heartbea HA、Redhat提供的RHCS、商業軟體ROSE、keepalived等。在下面的章節中我們會詳細介紹heartbea HA的配置和使用。

3.2 負載均衡叢集

負載均衡系統的英文全稱為Load Balance Cluster，簡稱LB Cluster，負載均衡叢集也是有兩台或者兩台以上的伺服器組成，分為前端負載排程和後端節點服務兩個部分，負載排程部分負責把用戶端的請求按照不同的 政策配置設定給後端服務節點，而後端節點是真正提供應用程式服務的部分。

與HA Cluster不同的是，在負載均衡叢集中，所有的後端節點都處于活動狀态，它們都對外提供服務，分攤系統的工作負載。

負載均衡叢集可以把一個高負荷的應用分散到多個節點來共同完成，适用于業務繁忙、大負荷通路的應用系統，但是它也有不足的地方：當一個節點出現故障時，前 端排程系統并不知道此節點已經不能提供服務，仍然會把用戶端的請求排程到故障節點上來，這樣通路就會失敗，為了解決這個問題，負載排程系統一般都引入了節 點監控系統。

節點監控系統位于前端負載排程機上，負責監控下面的服務節點，當某個節點出現故障後，節點監控系統會自動将故障節點從叢集中剔除，當此節點恢複正常後，節點監控系統又會自動将其加入叢集中，而這一切，對使用者來說是完全透明的。

圖2顯示了負載均衡叢集的基本結構：

<a href="http://img1.51cto.com/attachment/201105/101615786.png" target="_blank"></a>

圖2 負載均衡叢集基本構架

負載均衡叢集可以通過軟體方式實作，也可以由硬體裝置來完成，linux下典型的負載均衡軟體有：開源LVS叢集、Oracle的RAC叢集等，硬體負載均衡器有F5 Networks等。關于LVS叢集，在下面的章節我們會進行詳細講解。

3.3 科學計算叢集

高性能計算(High Perfermance Computing)叢集，簡稱HPC叢集。這類叢集緻力于提供單個計算機所不能提供的強大的計算能力，包括數值計算和資料處理，并且傾向于追求綜合性 能。HPC與超級計算類似，但是又有不同，計算速度是超級計算追求的第一目标。最快的速度，最大的存儲，最龐大的體積，最昂貴的價格代表了超級計算的特 點，随着人們對計算速度需求的提高，超級計算也應用到了各個領域，對超級計算追求單一計算速度名額轉變為追求高性能的綜合名額。即高性能計算。

HPC應用領域非常廣泛，典型應用有：生命科學研究、基因測試比對、資料挖掘應用、石油和天然氣勘探、圖像呈現等。

本文轉自 goldfishe 51CTO部落格，原文連結:http://blog.51cto.com/jack88/1896048