Linux集群系統(tǒng)簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀

第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問世已經(jīng)半個(gè)世紀(jì)了，在這期間計(jì)算機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代。更新?lián)Q代的標(biāo)志主要有兩個(gè)：一個(gè)是計(jì)算機(jī)的器件，另一個(gè)是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。從第一代到第五代計(jì)算機(jī)，器件發(fā)生了根本的變化：從電子管、晶體管發(fā)展到集成電路，而集成電路又經(jīng)小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、非常大規(guī)模等階段發(fā)展到超大規(guī)模階段。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，許多重要的概念的不斷提出并且得到實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)向更高的層次發(fā)展。從早期的變址寄存器、通用寄存器、程序中斷和 I/O通道等概念，到虛擬存儲(chǔ)器、Cache存儲(chǔ)器、微程序設(shè)計(jì)、系列機(jī)、基于總線的多CPU系統(tǒng)、向量處理機(jī)等概念，發(fā)展到64位RISC處理器、基于 MPP、NUMA、集群等體系結(jié)構(gòu)的可伸縮并行處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

將多臺(tái)同構(gòu)或異構(gòu)的計(jì)算機(jī)連接起來協(xié)同完成特定的任務(wù)就構(gòu)成了集群系統(tǒng)。早在二十世紀(jì)七八十年代，Digital equipment公司和Tandem計(jì)算機(jī)公司就開始了集群系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。

集群系統(tǒng)主要分為兩種：

高可用性集群和高性能集群。

高可用性集群的主要功能就是提供不間斷的服務(wù)。有許多應(yīng)用程序都必須一天二十四小時(shí)地不停運(yùn)轉(zhuǎn)，如所有的web服務(wù)器、工業(yè)控制器、ATM、遠(yuǎn)程通訊轉(zhuǎn)接器、醫(yī)學(xué)與軍事監(jiān)測(cè)儀以及股票處理機(jī)等。對(duì)這些應(yīng)用程序而言，暫時(shí)的停機(jī)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失和災(zāi)難性的后果。

高性能集群通過將多臺(tái)機(jī)器連接起來同時(shí)處理復(fù)雜的計(jì)算問題。模擬星球附近的磁場(chǎng)、預(yù)測(cè)龍卷風(fēng)的出現(xiàn)、定位石油資源的儲(chǔ)藏地等情況都需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的處理方法是使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來完成計(jì)算工作，但是超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格比較昂貴，而且可用性和可擴(kuò)展性不夠強(qiáng)，因此集群成為了高性能計(jì)算領(lǐng)域矚目的焦點(diǎn)。

集群系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)主要有VMS、UNIX、WindowsNT和Linux.

美國DEC公司(Digital Equipment Corporation)開發(fā)的VMScluster系統(tǒng)開發(fā)最早，技術(shù)也很成熟，應(yīng)用也很廣泛，但由于VMS操作系統(tǒng)只能在DEC公司的VAX系列和Alpha系列服務(wù)器上運(yùn)行，VMScluster的應(yīng)用受到很大限制。

UNIX是服務(wù)器或工作站上普遍使用的操作系統(tǒng)，它運(yùn)行穩(wěn)定、安全性也比較好，因此許多大的公司都采用了基于UNIX的集群系統(tǒng)解決方案，如DEC、 HP、SUN、IBM、NCR和DG等公司，其中在國內(nèi)影響比較大的主要是DEC、HP、SUN和IBM.其中DEC公司的Trucluster系統(tǒng)提供了由4臺(tái)Digital Alpha Server組成的集群系統(tǒng)，它集高可靠性、高可用性和易管理性于一身，是關(guān)鍵業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理想解決方案。

基于WindowsNT的集群系統(tǒng)解決方案廠商主要有Mircrosoft和DEC.Microsoft于1995年就開始了集群系統(tǒng)的開發(fā)工作。 Windows 2000中已經(jīng)增加了集群功能，該高可用性集群叫做WolfPack，也叫做Microsoft Cluster Server (MCS)。它主要是在企業(yè)級(jí)對(duì)基于Windows NT服務(wù)器的應(yīng)用程序提供可用性和可升級(jí)性。WolfPack現(xiàn)在支持兩個(gè)服務(wù)器，一個(gè)用來對(duì)用戶提供服務(wù)，另一個(gè)作為備份服務(wù)器使用。 Microsoft下一步的目標(biāo)是將WolfPack支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展到16個(gè)。Wolfpack的缺陷在于：它只提供了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的失敗恢復(fù)功能，而沒有采用復(fù)雜的應(yīng)用程序資源管理功能，因此在一定程度上影響了系統(tǒng)的高可用性、高可靠性和可升級(jí)性。Wolfpack不能支持多種操作系統(tǒng)，而只能運(yùn)行于 Windows NT操作系統(tǒng)上。由于WindowsNT操作系統(tǒng)本身在穩(wěn)定性、大型并行計(jì)算上與UNIX系統(tǒng)存在較大差距，目前主要在中小型系統(tǒng)上應(yīng)用。但是隨著 WindowsNT系統(tǒng)走向成熟，基于WindowsNT的計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)將獲得更廣泛的應(yīng)用。

九十年代末期，Linux操作系統(tǒng)不斷走向成熟，它的健壯性不斷增強(qiáng)，并且提供了GNU軟件和標(biāo)準(zhǔn)化的PVM、MPI消息傳遞機(jī)制，最重要的是Linux在普通PC機(jī)上提供了對(duì)高性能網(wǎng)絡(luò)的支持，這樣就大大推動(dòng)了基于Linux的集群系統(tǒng)的發(fā)展。

Turbolinux公司推出了能夠顯著地提高基于TCP/IP協(xié)議的多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量的高可用性集群系統(tǒng)Turbocluster.Red Hat也提供了基于Linux Virtual Server思想構(gòu)建的高可用性集群系統(tǒng)Piranha.由Ericsson軟件工程研究中心開發(fā)的高可用性集群系統(tǒng)Eddie的主要目的是提供一個(gè)商業(yè)級(jí)的，能提供較好的服務(wù)質(zhì)量的web服務(wù)器的解決方案。

Platform公司開發(fā)的高可用性集群系統(tǒng)Lsf提供了分布式集群系統(tǒng)的解決方案，通過將物理上分離的多個(gè)集群連接在一起使使多個(gè)同構(gòu)或異構(gòu)的計(jì)算機(jī)能夠通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)共享計(jì)算資源，并能夠?yàn)橛脩籼峁��?duì)資源的透明訪問。

高性能集群系統(tǒng)MOSIX為L(zhǎng)inux核心增添了集群計(jì)算的功能。在MOSIX集群環(huán)境中，用戶無需對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行修改，或?qū)��?yīng)用程序與庫連接起來，或?qū)��?yīng)用程序分配到不同的節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。MOSIX會(huì)自動(dòng)將這些工作透明地交給別的節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行。

日本的F5公司開發(fā)出了高可用性集群BIG-IP，它是使用于本地網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)或數(shù)據(jù)中心的高可用的、智能化的負(fù)載平衡產(chǎn)品，它提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的自動(dòng)和智能的管理。與前幾種集群系統(tǒng)不同的是，BIG-IP向用戶提供的是一個(gè)即插即用設(shè)備，而其它的提供的都是軟件方法。

IBM、Microsoft和Intel于2000年7月聯(lián)合發(fā)布了一種高可用性服務(wù)器集群軟件及硬件包，這種服務(wù)器集群的配置包括32臺(tái)IBM Netfinity 8500R及Intel Pentium Ⅲ Xeon處理器，運(yùn)行IBM的DB2 Universal Database和Microsoft Windows 2000 Advanced Server操作系統(tǒng)，每分鐘可以執(zhí)行440879次交易。這套系統(tǒng)面向數(shù)據(jù)密集的應(yīng)用，特別是B2B、電子商務(wù)和企業(yè)資源規(guī)劃領(lǐng)域。

在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中，人們開始把注意力投向通過普通PC機(jī)或工作站的集群來代替昂貴的超級(jí)計(jì)算機(jī)。比較成功的例子是高性能集群系統(tǒng)Beowulf，它最初是由NASA的Goddard Flight Center進(jìn)行開發(fā)的，主要目的是支持大規(guī)模的科學(xué)計(jì)算問題，如地球和太空科學(xué)面臨的一些計(jì)算問題。

國內(nèi)也有不少公司進(jìn)行了集群系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。

聯(lián)想公司在1999年9月推出了用于分布式高性能計(jì)算的NS10000高性能集群服務(wù)器，該系統(tǒng)是一個(gè)四節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，主要基于聯(lián)想萬全4500R服務(wù)器，以總體成本相對(duì)較低的設(shè)備組合，足以替代傳統(tǒng)RISC小型機(jī)和中型機(jī)的工作，而價(jià)格僅為市場(chǎng)上同等性能小型機(jī)的1/2——1/4.

朗新公司也推出了類似于Turbocluster的高可用性集群系統(tǒng)LongShine Cluster Server.

1999年9月20日，中國第一家專業(yè)面向Linux高端應(yīng)用市場(chǎng)的集群網(wǎng)絡(luò)有限公司推出了國內(nèi)首例Linux安全集群系統(tǒng)。它是國內(nèi)第一個(gè)通過公安部認(rèn)證的安全Linux系統(tǒng)，而其集群技術(shù)也已應(yīng)用于諸多國際著名網(wǎng)站，如Linux的門戶linux.com">www.linux.com、英國國家JANET Cache網(wǎng)、奧地利的入口站點(diǎn)和瑞士電信等。其核心代碼也已被納入美國Red Hat Linux發(fā)布版的核心。

中國自主開發(fā)研制的集群式高性能計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)"自強(qiáng)2000-SUHPCS"于2000年9月在上海大學(xué)問世。這一系統(tǒng)的峰值速度達(dá)到每秒3000億次浮點(diǎn)操作。是當(dāng)前中國國內(nèi)集群式高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中速度最快的。

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