Linux集群技術概論
1 集群的定義
集群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、更具擴展性的服務平臺，在外界看來，集群就是一個獨立的服務實體，但實際上，在集群的內部，有兩個或兩個以上的服務實體在協調、配合完成一系列復雜的工作。
?集群一般有兩個或兩個以上的服務器組建而成，每個服務器被稱為一個集群節點，集群節點之間可以相互通信，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，集群具有節點間服務狀態監控功能，同時還必須具有服務實體的擴展功能，可以靈活的增加和剔除某個服務實體。
在集群中，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，集群的另一個節點可以自動接管故障節點的資源，從而保證服務持久、不間斷運行。因而集群具有故障自動轉移功能。
?一個集群系統必須擁有共享的數據存儲，因為集群對外提供的服務是一致的，任何一個集群節點運行一個應用時，應用的數據都集中存儲在節點共享空間內，而每個節點的操作系統上僅運行應用的服務，同時存儲應用程序文件。
綜上所述，構建一個集群系統至少需要兩臺服務器，同時還需要有串口線、集群軟件、共享存儲設備（例如磁盤陣列）等。
基于Linux的集群以其極高的計算能力、可擴展性、可用性及更加優化的性價比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集群知識，可以用低價格做出高性能的應用。為企業、個人節省了成本。國內大型網站新浪、網易等都采用了linux集群系統構建高性能web應用，著名搜索引擎google采用了上萬臺linux服務器組成了一個超大集群，這些實例都說明了集群在linux應用中的地位和重要性。
2 集群的特點與功能
2.1 高可用性與可擴展性
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小時不間斷運行，而由于軟件、硬件、網絡、人為等各種原因，單一的服務運行環境很難達到這種要求，此時構建一個集群系統是個不錯的選擇，構建集群的一個最大優點是集群具有高可用性，在服務出現故障時，集群系統可以自動將服務從故障節點切換到另一個備用節點，從而提供不間斷性服務，保證了業務的持續運行。
2．可擴展性
?隨著業務量的加大，現有的集群服務實體不能滿足需求時，可以向此集群中動態的加入一個或多個服務節點，從而滿足應用的需要，增強集群的整體性能。這就是集群的可擴展性。
2.2 負載均衡與錯誤恢復
1．負載均衡
?集群系統最大的特點是可以靈活、有效的分擔系統負載，通過集群自身定義的負載分擔策略，將客戶端的訪問分配到下面的各個服務節點，例如，可以定義輪詢分配策略，將請求平均的分配到各個服務節點，還可以定義最小負載分配策略，當一個請求進來時，集群系統判斷哪個服務節點比較清閑，就將此請求分發到這個節點。
2．錯誤恢復
?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著完成此任務，這就是集群提供的錯誤恢復功能，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
?為了能實現負載均衡、提供高可用服務和執行錯誤恢復，集群系統提供了心跳監測技術，心跳監測是通過心跳線實現的，可以做心跳線的設備有RS 232串口線，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集群節點數減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到對方機器相應的網卡，用來監測對方心跳。另外一塊連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地址盡量不要在一個網段內。心跳監控的效率直接影響故障切換時間的長短，集群系統正是通過心跳技術保持著節點間的內部有效通信。
2．漂移IP地址
?在集群系統中，除了每個服務節點自身的真實IP地址外，還存在一個漂移IP地址，為什么說是漂移IP呢，因為這個IP地址并不固定，例如在兩個節點的雙機熱備中，正常狀態下，這個漂移IP位于主節點上，當主節點出現故障后，漂移IP地址自動切換到備用節點，因此，為了保證服務的不間斷性，在集群系統中，對外提供的服務IP一定要是這個漂移IP地址，雖然節點本身的IP也能對外提供服務，但是當此節點失效后，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地址，此時，服務就隨之中斷。

3 集群的分類
3.1 高可用集群
1．高可用的概念
高可用集群的英文全稱是High Availability Cluster，簡稱HA Cluster， 高可用的含義是最大限度的可以使用，從集群的名字上可以看出，此類集群實現的功能是保障用戶的應用程序持久、不間斷的提供服務。
當應用程序出現故障，或者系統硬件、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，從而保證應用持續、不間斷的對外提供服務，這就是高可用集群實現的功能，
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集群的范疇，這類集群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:

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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，它使用兩臺服務器，一臺作為主服務器（action），運行應用程序對外提供服務，另一臺作為備機（standby），安裝和主服務器一樣的應用程序，但是并不啟動服務，處于待機狀態。主機和備機之間通過心跳技術相互監控，監控的資源可以是網絡、操作系統、也可以是服務，用戶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，根據預先設定好的策略，首先將IP切換過來，然后將應用程序服務也接管過來，接著就由備機對外提供服務，由于切換過程時間非常端，用戶根本感覺不到程序出了問題，而且還進行了切換，從而保障了應用程序持久、不間斷的服務。
雙機互備是在雙機熱備的基礎上，兩個相互獨立的應用在兩個機器上同時運行，互為主備，即兩臺服務器既是主機也是備機，當任何一個應用出現故障，另一臺服務器都能在短時間內將故障機器的應用接管過來，從而保障了服務的持續、無間斷運行。雙機互備的好處是節省了設備資源，兩個應用的雙機熱備至少需要四臺服務器，而雙機互備僅需兩臺服務器即可完成高可用集群功能，但是雙機互備也有自身的缺點：在某個節點故障切換后，另一個節點上就同時運行了兩個應用的服務，有可能出現負載過大的情況。
多機互備是雙機熱備的技術升級，通過多臺機器組成一個集群，可以在多臺機器之間設置靈活的接管策略，例如，某個集群環境有8臺服務器組成，3臺運行web應用，3臺運行mail應用，因而，可以將剩余的一臺作為3臺web服務器的備機，另一臺作為3臺mail服務器的備機，通過這樣的部署，合理充分的利用了服務器資源，同時也保證了系統的高可用性。
需要注意的是：高可用集群不能保證應用程序數據的安全性，它僅僅解決的是對外提供持久不間斷的服務，把由于軟件、硬件、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．高可用集群軟件
高可用集群一般是通過高可用軟件來實現的，在linux下常用的高可用軟件有：開源heartbea HA、Redhat提供的RHCS、商業軟件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 負載均衡集群
負載均衡系統的英文全稱為Load Balance Cluster，簡稱LB Cluster，負載均衡集群也是有兩臺或者兩臺以上的服務器組成，分為前端負載調度和后端節點服務兩個部分，負載調度部分負責把客戶端的請求按照不同的策略分配給后端服務節點，而后端節點是真正提供應用程序服務的部分。
與HA Cluster不同的是，在負載均衡集群中，所有的后端節點都處于活動狀態，它們都對外提供服務，分攤系統的工作負載。
負載均衡集群可以把一個高負荷的應用分散到多個節點來共同完成，適用于業務繁忙、大負荷訪問的應用系統，但是它也有不足的地方：當一個節點出現故障時，前端調度系統并不知道此節點已經不能提供服務，仍然會把客戶端的請求調度到故障節點上來，這樣訪問就會失敗，為了解決這個問題，負載調度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調度機上，負責監控下面的服務節點，當某個節點出現故障后，節點監控系統會自動將故障節點從集群中剔除，當此節點恢復正常后，節點監控系統又會自動將其加入集群中，而這一切，對用戶來說是完全透明的。
圖2顯示了負載均衡集群的基本結構：
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圖2 負載均衡集群基本構架
負載均衡集群可以通過軟件方式實現，也可以由硬件設備來完成，linux下典型的負載均衡軟件有：開源LVS集群、Oracle的RAC集群等，硬件負載均衡器有F5 Networks等。關于LVS集群，在下面的章節我們會進行詳細講解。
3.3 科學計算集群
高性能計算(High Perfermance Computing)集群，簡稱HPC集群。這類集群致力于提供單個計算機所不能提供的強大的計算能力，包括數值計算和數據處理，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標。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，隨著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指標轉變為追求高性能的綜合指標。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、數據挖掘應用、石油和天然氣勘探、圖像呈現等。

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集群概述