基于linux系統(tǒng)集群的架構與實現(xiàn)

華東石油局物探研究院系統(tǒng)保障部 萬曉姣

1.引言

伴隨互聯(lián)網技術飛速發(fā)展和各種應用的逐漸開發(fā)，以及對計算機運行效率要求的不斷提高，依靠增加單一服務器的處理能力并不能很好地解決迅速增長的網絡應用的需求。因為采用單一服務器就意味著單點失效問題的存在，同時服務器的升級往往需要暫時中斷服務。這都難以保證網絡的高可用性，而且采用更高性能的服務器意味著更高的成本投入，由于這些特點，集群技術由此應運而生。而且由于其造價低廉，性能優(yōu)異，便于管理，編程方便，可擴展性好等優(yōu)勢，集群系統(tǒng)的應用變得越來越廣泛。

2.集群的概念和分類

集群就是一組計算機，它們作為一個整體向用戶提供一組網絡資源。這些單個的計算機系統(tǒng)就是集群的節(jié)點，它們之間通過高速網絡連接。這些計算機能夠協(xié)同工作，并對外表現(xiàn)為一個集成單一的計算機資源[1]。

常見的Linux集群系統(tǒng)分為如下三種基本類型：

(1)高性能計算集群(HPC：High Performance Clus ter)。主要特點為并行計算，目的是用于進行大規(guī)模數(shù)值計算，解決復雜的科學問題。這種集群中的服務器(也稱計算節(jié)點)采用并行計算方法，把一個海量的計算任務分解成各個子任務，然后分配給各節(jié)點并行計算，并通過標準化的消息傳遞接口(PVM或MPI)實現(xiàn)各計算節(jié)點的同步和數(shù)據(jù)的匯集。根據(jù)其高效的計算特性一般應于于航空航天、環(huán)境科學、石油地震勘探計算數(shù)學、DNA模型計算等領域。

(2)高可用性集群(HA：High Availability)。主要特點為主備服務器自動無縫切換，目的是提供不間斷的服務。它是由主、從或多臺服務器組成。發(fā)生故障時，服務器自動切換到后備服務器，這種切換對用戶是透明的，用戶無法感覺到服務器的切換。目前，對于要求24小時提供不間斷服務的地方常常使用高可用性集群。如實時計費系統(tǒng)、實時交易處理系統(tǒng)、氣象信息數(shù)據(jù)庫、科技信息數(shù)據(jù)庫服務等領域。

(3)高可伸縮性負載均衡集群(HSLB：High Scalability Load Balance)主要特點為負載均衡，目的是提供與節(jié)點個數(shù)成正比的負載能力，將系統(tǒng)的整體負載合理地分配到各個服務器節(jié)點上，使得每個節(jié)點都不會因為超負荷工作而崩潰；并且當對系統(tǒng)整體負載需求大于系統(tǒng)整體負載能力時，可以通過增加服務器節(jié)點，平滑地拓展系統(tǒng)負荷能力。這種集群非常適合提供大訪問量的網絡服務。如網上銀行、圖形對象發(fā)布、氣象信息檢索服務、科技信息檢索服務等領域。

結合公司的服務器及實際應運情況，本文只討論第一種高性能計算集群。

3.并行計算集群設計

本文并行集群構造方案是一個管理節(jié)點與一組同構或者異構的計算節(jié)點通過網絡相連，管理節(jié)點承擔分配并行任務和提供外部管理接口的任務，計算節(jié)點負責各自分配得到的并行計算任務以及和其它節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，可選的存儲節(jié)點提供配置文件和處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理[2][3]。以四個節(jié)點為例的集群系統(tǒng)的構造拓撲如圖1所示。

集群軟件模塊如圖2所示：

(1)操作系統(tǒng)：Linux系統(tǒng)對不同計算機架構的良好支持保證了高性能集群的擴展能力和性價比。選取比較穩(wěn)定的Linux系統(tǒng)版本(本文采用的是Red Hat)。對于計算節(jié)點的系統(tǒng)管理可以采用PXE網絡安裝等方式，提升安裝和管理的效率。

(2)節(jié)點間通信：通過建立節(jié)點間的無密碼SSH訪問實現(xiàn)節(jié)點間通信。

(3)文件共享方案：NFS文件共享系統(tǒng)的引入方便并行程序或者待處理的數(shù)據(jù)文件的統(tǒng)一部署。該方案便于統(tǒng)一管理，對可執(zhí)行程序或者配置文件的修改都可以在同一路徑下一次性完成。各個計算節(jié)點之間的環(huán)境變量等配置文件都相同。

4)計算任務分配：MPI。

4.實現(xiàn)并行計算集群的關鍵技術

高性能計算集群之所以高效其核心在于并行計算模型的設計[4]——MPI。

圖1 集群系統(tǒng)的構造拓撲圖

并行計算將進程相對獨立的分配于不同的節(jié)點上，由各自獨立的操作系統(tǒng)調度，享有獨立的CPU和內存資源(內存可以共享)；通過網絡聯(lián)接的不同計算機的多個進程，進程位于不同的計算機，消息傳遞是實現(xiàn)進程間通信的唯一方式；根據(jù)應用程序對消息傳遞功能的需求，全球工業(yè)、應用和研究部門聯(lián)合推出標準的消息傳遞界面函數(shù)，不考慮其具體實現(xiàn)，以保證并行應用程序的可移植性在當前所有的消息傳遞軟件中。最重要的就是MPI，MPI表示消息傳遞接口(Message Passing Interface)，它能運行在所有的并行平臺上，包括SMP和PVP。

MPI的目的是為編寫消息傳遞程序而開發(fā)的廣范使用的標準。象這個接口一樣，為消息傳遞建立一個實際的、可移植的、有效的和靈活的標準。實現(xiàn)如下目標：

(1)統(tǒng)一的應用編程接口(不必為編譯器或一個系統(tǒng)實現(xiàn)庫)。

(2)允許有效的通信：避免存儲器到存儲器的拷貝，而允許計算和通信的重疊，盡可能給通信協(xié)同處理器卸載。

(3)對于接口允許方便的C語言和Fortran 77聯(lián)接。

(4)設定一個可靠的通信接口：用戶不必處理通信失敗。這些失敗由基本的通信子系統(tǒng)處理。

(5)定義一個接口，并非不同于現(xiàn)在的實踐，如：PVM，NX，Express，p4等，還提供更大靈活性的擴展。

(6)定義一個接口，它能在基本的通信和系統(tǒng)軟件無重大改變時，在許多生產商的平臺上實現(xiàn)。接口的語義是獨立于語言的。

(7)接口應設計成允許線索-安全(threadsafety)。

5.架設適合我公司的集群

5.1 硬件選擇

(1)以使用的曙光服務器為例，使用千兆網絡(千兆交換機)，進行高性能計算。使用百兆網絡進行網絡監(jiān)控和管理。

(2)每臺服務器做為一個節(jié)點(以四臺服務器為例)，每臺機器的系統(tǒng)及配置必須一致。

圖2 集群軟件模塊

5.2 軟件安裝準備

主(Master)服務器需安裝：

(1)防火墻(含NAT架設)；

(2)RSH；

(3)NIS Server；

(4)NFS Server；

(5)Compiler Install；

(6)MPICH Install；

(7)其它特殊功能。

從屬(Slave)服務器所需安裝：

(1)防火墻的設定；

(2)RSH；

(3)NIS Client；

(4)NFS Client。

5.3 安裝步驟

(1)架設服務器系統(tǒng)

以圖1所示拓撲圖為例，但需在主服務器上連接顯示器，鍵盤及鼠標。

(2)系統(tǒng)安裝(Red Hat)

選擇安裝類型：Red Hat提供了三種不同類型的軟件包套件、個人桌面、工作站和服務器，以根據(jù)自己的需要選擇不同的安裝類型，這里選擇“定制”。硬盤分區(qū)選擇用Disk Druid工具進行分區(qū)，這里將分成兩個分區(qū)，一個Swap和一個根目錄(/)，swap空間的大小一般為物理內存的2-3倍，剩下的空間都分給根目錄。

(3)防火墻(含NAT主機)與網絡設定、網絡配置

Red Hat提供了三種安全級別的防火墻配置，可以根據(jù)自己的需要進行選擇。在此設計中，需要開22端口，也就是SSH服務。

分別將四臺機器的IP地址設置為192.168.1.1(master)、192.196.1.2、192.196.1.3、192.168.1.4，子網掩碼為255.255.255.0。按先后順序對NFS、NIS和RSH進行設定，主要目的為實現(xiàn)資源共享。

(4)選擇安裝軟件包(關鍵要是對MPICH的安裝)但注意需要安裝GCC編譯器

下面是在命令界面下測試集群是否安裝成功進行的測試舉例[5]：

注：在最后一行命令-np后面接的就是所使用的節(jié)點的個數(shù)。

6.結論

通過一個簡單的測試對1000個100000進行累加運算表明：即使只有四個節(jié)點的集群服務器的運算速度也比一臺主機的運算速度高出3倍，充分發(fā)揮曙光集群系統(tǒng)的作用。但必須注意的是做為服務器的集群系統(tǒng)，在日常的使用和維護中，必須以穩(wěn)定和安全做為首要目的，因此以具備系統(tǒng)穩(wěn)定性的linux集群系統(tǒng)防火墻的設計也值得去研究。

[1]曹占濤,曾小波,王淵.L inux服務器配置與管理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:8.

[2]張文力,陳明宇,樊建平.HPL測試性能仿真與預測[J].計算機研究與發(fā)展,2006,43(3):45046

[3]李貴明,俞國揚,羅家融.基于RedHat7.1(linux)的Beouwulf集群的實現(xiàn)[J].計算機工程,2003(23):111-112

[4]Hwang K,Xu Z W,Scalable parallel computing technolo gy,architecture,programming[M].New York:Mc Graw-Hill Book Company,1998.

[5]楊鵬.Linux服務器架設[M].北京:清華大學出版社,2008:48.