1 概述
備注：本文主要結合自己的學習筆記，以及參考部落格 叢集（cluster）原理（轉）整理而成。
叢集（cluster）就是一組計算機，他們作為整體向使用者提供一組網絡資源。這些單個的計算機系統就是叢集的節點（node）。一個理想的叢集是，使用者從不會意識到叢集系統底層的節點，在他/她們看來，叢集是一個系統，而非多個計算機系統。并且叢集系統的管理者可以随意的增加和删除叢集系統的節點。
2 Linux Cluster類型
a）高可用性（High Availability）叢集
HA叢集緻力于提供高度可靠的服務，避免SPOF單點失敗（single Point Of failure）的問題。就是利用叢集系統的容錯性對外提供7*24小時不間斷的服務，如高可用的檔案伺服器、資料庫服務等關鍵應用。
b）負載均衡(Load Balancing）叢集：
使任務可以在叢集中盡可能平均的分攤不同計算機處理，充分利用叢集的處理能力，提高對任務的處理效率。在實際應用中這幾種叢集類型可能混合使用，以提供更高穩定的服務，如在一個使用網絡流量負載均衡的叢集中，就會包含高可用的網絡檔案系統、高可用的網絡服務。
其中負載均衡伺服器的高可用性是指為了屏蔽負載均衡伺服器失效，需要建立一個備份機。主伺服器和備份機上都運作High Availability監控程式，通過傳送諸如“I am alive”這樣的資訊來監控對方的運作狀況。當備份機不能在一定的時間内收到這樣的資訊時，它就接管主伺服器IP并繼續提供服務；當備份管理器又從主管理器收到“I am alive”這樣的資訊時，他就釋放IP位址，這樣的主管理器就開開始再次進行叢集管理的工作了。為在主伺服器失效的情況下系統能正常工作，我們在主、備份機之間實作負載叢集系統配置資訊的同步和備份，保持兩者系統的基本一緻。
.LB Cluster分類
四層：lvs,nginx(stream)，haproxy(modetcp)
七層：基于http，如nginx(http),haproxy(mode http), httpd（apache）...
c）性能計算（High Perfervidmance Computing）叢集
HPC叢集，也稱為計算叢集。在這種叢集運作的是專門開發的并行應用程式，它可以把一個問題的資料分不到多台計算機上，利用這些計算機的共同資源來完成任務，進而可以解決單機不能勝任的工作（如果問題規模太大，單機計算速度太慢）。
這類叢集緻力于提供了單個計算機所不能提供的強大的計算能力。如天氣預報、石油勘探與油藏模拟、分子模拟、生物計算等。
3 叢集的優點
a)高擴充性
b)高可用性HA:叢集中的一個節點失效，它的任務可傳遞給其他節點。可以防止單點失效
c)高性能：負載平衡叢集允許系統同時接入更多的使用者
d)高性能價比：可以采用廉價的複合工業标準的硬體來構造高性能的系統
4 叢集分類
4.1 基于軟硬體分類
.硬體：
F5 Big-IP
Citrix Netscaler
A10 A10
.軟體：
lvs：LinuxVirtual Server，不能識别應用層資料
nginx：支援四層排程，也可以支援7層排程
haproxy：支援四層排程，也支援7層排程
應用層的排程器，需要對發過來的請求進行解開資料包，然後再封裝。有一個問題是，socket一台機器上隻能是65536個，并發請求太多，主機将不能正常提供請求。解決方案是把背景服務拆分開，對服務進行分類。把不同的服務拆開，獨立提供服務
ats：apachetraffic server，yahoo捐助
perlbal：Perl 編寫
pound
4.2 基于工作的協定層次劃分：
.傳輸層（通用）：DPORT
LVS：
nginx：stream機制
haproxy：mode tcp機制
實際工作中，生産環境用 nginx 和 haproxy進行排程
.應用層（專用）：針對特定協定，自定義的請求模型分類
proxy server：
http：nginx,httpd, haproxy(mode http), ...
fastcgi：nginx,httpd, ...
mysql：mysql-proxy,...
5 叢集相關概念介紹
5.1 HA概念介紹
計算機系統的可用性（availability）是通過系統的可靠性（reliability）和可維護性（maintainability）來度量的。工程上通常采用平均無故障時間（MTBF:MeanTime Between Failure）來度量系統的可靠性，用平均恢複時間（MTTR：MeanTime To Restoration（repair））來度量系統的可維護性。于是可用性定義為:A=MTTF/(MTBF+MTTR)*100%。 可用性百分比範圍是(0,1)，如99%,99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 99.9999%。其中99.999%表示一年内允許5分鐘的故障時間
系統故障：
硬體故障：設計缺陷、wear out（損耗）、自然災害……
軟體故障：設計缺陷
5.1.1 HA的容錯備援運作過程
自動偵測（Auto-Detect）階段 由主機上的軟體通過備援偵測線，經由複雜的偵聽程式。邏輯判斷，互相偵測對方運作情況，所檢查的項目有：主機硬體（CPU和周邊）、主機網絡、主機作業系統、資料引擎以及其他應用程式、主機與磁盤陣列連線。為確定偵測的正确性，而防止錯我的判斷，可設定安全偵測時間、包括偵測時間間隔、偵測次數以調整安全系數，并且由主機的備援通信連線，将所彙集的訊息記錄下來，以供維護參考。
自動切換（Auto-Switch）階段 某一主機如果确認對方故障，則正常主機繼續進行原來的任務，還将依據各種容錯備援模式接管預先設定的備援作業程式，并進行後續的程式以及服務。
自動恢複（Auto-Recovery）階段 在正常主機代替故障機工作後，故障機可離線進行修複工作。在故障主機修複後，通過備援通訊線與原來主機連線，自動切換回修複完成的主機上。整個回複過程完成有EDI-HA自動完成，亦可依靠預先配置，選擇回複動作為半自動或不回複。
5.1.2 HA三種工作方式
a) 主從方式（非對稱方式）
工作原理：主機工作，備機處于監控狀況；當主機當機時，備機接管主機的一切工作，待主機恢複正常後，按使用者的設定以自動或手動方式将服務切換到主機上運作，資料的一緻性通過共享存儲系統解決。
b) 雙機雙工方式（互備互援）
工作原理：兩台主機同時運作各自的服務工作且互相檢測情況，當任一台主機當機時，另一台主機立即接管它的一切工作，保證工作實時，應用服務系統的關鍵資料存放在共享存儲系統中。
c) 叢集工作方式（多伺服器互備方式）
工作原理：多台主機一起工作，各自運作一個或幾個服務，各為服務定義一個或多個備用主機，當某個主機故障時，運作在其上的服務就可以被其它主機接管。
5.1.4 HA叢集實作方案
keepalived: vrrp協定，和lvs配合使用。keepalive實作高可用，lvs實作排程。
ais:應用接口規範
heartbeat
cman+rgmanager(RHCS)
coresync_pacemaker
5.2 會話保持：負載均衡（LB）
(1) session sticky：同一使用者排程固定伺服器
Source IP：LVS sh算法（對某一特定服務而言）
注意，基于源位址排程不太靠譜，因為可能IP經過NAT轉換，該源IP後端可能有很多機器發起請求，如果将這些請求都集中排程到
同一台機器，可能會會後端該伺服器造成較大的負擔
Cookie：伺服器分發給用戶端的
cookie用來表示用戶端的身份的。早期用重cookie，包含了所有的資訊。
後來用輕cookie，主要有session的id.session是在伺服器端的。
根據cookie的資訊來決定分發給哪台機器上。cookie屬于應用層的資料。是以要使用應用層的排程器，如Ngnix或haproxy
(2) session replication：每台伺服器擁有全部session，如session multicastcluster
(3) session server：專門的session伺服器,如Memcached，Redis
6 高可用的實作
有如下6種方法實作高可用
1）共享存儲（shared storage）
NAS：網絡附屬存儲（NetworkAttached Storage），檔案共享伺服器
SAN：存儲區域網絡，（Storage Area Network）,塊級别的共享
2）網絡分區 （Networkpartition）
有以下兩個方式：
a) 法定人數（quorum）：
with quorum：> total/2
without quorum: <= total/2
b)隔離裝置：fence，有兩種手段
當監測到有裝置異常是，可以通過以下兩個方法隔離異常裝置
斷電重新開機：STONITH = ShootingThe Other Node In The Head，
隔離資源：斷開存儲的連接配接
3）雙節點叢集(TWO nodes Cluster)
4）Failover：故障切換，即某資源的主節點故障時，将資源轉移至其它節點的操作
5）Failback：故障移回，即某資源的主節點故障後重新修改上線後，将之前已轉移至其它節點的資源重新切回的過程
6）HACluster實作方案:
有以下兩個方案：
vrrp協定的實作:輕量級解決方案，如keepalived
ais：重量級的解決方案，應用接口規範完備HA叢集，邏輯比較複雜。有三個解決方案
RHCS：Red Hat Cluster Suite紅帽叢集套件，完整解決方案