Высокопроизводительный кластер (группа компьютеров). Кластерные системы для приложений высокой готовности

07.01.2024

Кластерная система

Что такое кластер?

Кластер - это совокупность серверов, накопителей и рабочих станций, которые:
· Действуют как одна система;
· Представляются пользователям как одна система;
· Управляются как одна система;
Кластер - это также возможность использовать вычислительные ресурсы Вашей системы так, что полученная система превосходит по своим возможностям суммарные возможности ее частей.

Основными преимуществами кластера являются:
· Обеспечение высокого уровня готовности по сравнению с разрозненным набором компьютеров или серверов. Повышение готовности системы обеспечивает работу критических для бизнеса приложений на протяжении максимально продолжительного промежутка времени. К критическим относятся все приложения, от которых напрямую зависит способность компании получать прибыль, предоставлять сервис или обеспечивать иные жизненно важные функции. Использование кластера позволяет гарантировать, что в случае, если сервер или какое-либо приложение перестает нормально функционировать, другой сервер в кластере, продолжая выполнять свои задачи, возьмет на себя роль неисправного сервера с целью минимизации простоя пользователей из-за неисправности в системе.
· Значительное увеличение общей производительность сети (высокая степень масштабируемости). Кластер позволяет гибко увеличивать вычислительную мощность системы, добавляя в него новые узлы и не прерывая при этом работы пользователей.
· Уменьшение затрат на администрирование локальной сети (хорошая управляемость).
· Обеспечение высокой доступности сетевых служб. Даже при отказе одного из серверов кластера, все обеспечиваемые кластером службы остаются доступными пользователям.

Разделение на High Avalibility и High Performance системы

В функциональной классификации кластеры можно разделить на "Высокоскоростные" (High Performance, HP), "Системы Высокой Готовности" (High Availability, HA), а также "Смешанные Системы".
Высокоскоростные кластеры используются для задач, которые требуют значительной вычислительной мощности. Классическими областями, в которых используются подобные системы, являются:
· обработка изображений: рендеринг, распознавание образов
· научные исследования: физика, биоинформатика, биохимия, биофизика
· промышленность (геоинформационные задачи, математическое моделирование)
и много других…
Кластеры, которые относятся к системам высокой готовности, используются везде, где стоимость возможного простоя превышает стоимость затрат, необходимых для построения кластерной системы, например:
· биллинговые системы
· банковские операции
· электронная коммерция
· управление предприятием, и т.п....
Смешанные системы объединяют в себе особенности как первых, так и вторых. Позиционируя их, следует отметить, что кластер, который обладает параметрами как High Performance, так и High Availability, обязательно проиграет в быстродействии системе, ориентированной на высокоскоростные вычисления, и в возможном времени простоя системе, ориентированной на работу в режиме высокой готовности.

Что такое кластер высокой готовности?
Кластер высокой готовности - это разновидность кластерной системы, предназначенная для обеспечения непрерывной работы критически важных приложений или служб. Применение кластера высокой готовности позволяет предотвратить как неплановые простои, вызываемые отказами аппаратуры и программного обеспечения, так и плановые простои, необходимые для обновления программного обеспечения или профилактического ремонта оборудования.

Кластер состоит из двух узлов (серверов), подключенных к общему дисковому массиву. Все основные компоненты этого дискового массива - блок питания, дисковые накопители, контроллер ввода/вывода - имеют резервирование с возможностью горячей замены. Узлы кластера соединены между собой внутренней сетью для обмена информацией о своем текущем состоянии. Электропитание кластера осуществляется от двух независимых источников. Подключение каждого узла к внешней локальной сети также дублируется.
Таким образом, все подсистемы кластера имеют резервирование, поэтому при отказе любого элемента кластер в целом останется в работоспособном состоянии.

Как устроен кластер
Кластер представляет собой несколько компьютеров, называемых узлами, на которых работает операционная система на базе UNIX или Windows. Эти серверы по отношению к остальной части сети выступают в роли единого объекта: мощного "виртуального" сервера. Клиенты подключаются к кластеру, не зная о том, какой именно компьютер будет на самом деле заниматься их обслуживанием. Бесперебойность доступа, обеспечиваемая кластерами, достигается за счет своевременного выявления нарушений в работе аппаратных и программных средств и автоматического переноса процессов обработки данных на исправный узел. В стандартном кластере каждый узел отвечает за размещение у себя определенного числа ресурсов. В случае отказа узла или ресурсов система передает часть ресурсов на другой узел и обеспечивает их доступность клиентам.

Для начала следует определить, на кого рассчитана статья, чтобы читатели решили, стоит ли тратить на нее время.

Потребность в написании этой статьи возникла после прочитанного семинара на выставке ENTEREX’2002 в городе Киеве. Именно тогда, в начале 2002-го я увидел, что интерес к теме кластерных систем значительно возрос по сравнению с тем, что наблюдалось всего пару лет назад.

Я не ставил себе целью на семинаре и в этой статье проанализировать варианты решения конкретных прикладных задач на кластерных системах, это отдельная и очень обширная тема. Я ставил себе задачу познакомить читателей с терминологией и средствами построения кластерных систем, а также показать, для каких задач полезен кластеринг. Для полного убеждения сомневающихся в статье приведены конкретные примеры реализации кластерных систем и мои контакты, по которым я готов отвечать по мере возможностей на вопросы, связанные с кластерными технологиями, а также принимать ваши замечания и советы.

Концепция кластерных систем

Рисунок 1. Кластерная система

LAN - Local Area Network, локальная сеть
SAN - Storage Area Network, сеть хранения данных

Впервые в классификации вычислительных систем термин "кластер" определила компания Digital Equipment Corporation (DEC).

По определению DEC, кластер - это группа вычислительных машин, которые связаны между собою и функционируют как один узел обработки информации.

Кластер функционирует как единая система, то есть для пользователя или прикладной задачи вся совокупность вычислительной техники выглядит как один компьютер. Именно это и является самым важным при построении кластерной системы.

Первые кластеры компании Digital были построены на машинах VAX. Эти машины уже не производятся, но все еще работают на площадках, где были установлены много лет назад. И наверное самое важное то, что общие принципы, заложенные при их проектировании, остаются основой при построении кластерных систем и сегодня.

К общим требованиям, предъявляемым к кластерным системам, относятся:

Высокая готовность
Высокое быстродействие
Масштабирование
Общий доступ к ресурсам
Удобство обслуживания

Естественно, что при частных реализациях одни из требований ставятся во главу угла, а другие отходят на второй план. Так, например, при реализации кластера, для которого самым важным является быстродействие, для экономии ресурсов меньше внимания придают высокой готовности.

В общем случае кластер функционирует как мультипроцессорная система, поэтому, важно понимать классификацию таких систем в рамках распределения программно-аппаратных ресурсов.

Рисунок 2. Тесно связанная мультипроцессорная система

Рисунок 3. Умеренно связанная мультипроцессорная система

Рисунок 4. Слабо связанная мультипроцессорная система

Обычно на PC платформах, с которыми мне приходится работать, используются реализации кластерной системы в моделях тесно связанной и умеренно связанной мультипроцессорных архитектур.

Разделение на High Avalibility и High Performance системы

Высокоскоростные кластеры используются для задач, которые требуют значительной вычислительной мощности. Классическими областями, в которых используются подобные системы, являются:

обработка изображений: рендеринг, распознавание образов
научные исследования: физика, биоинформатика, биохимия, биофизика
промышленность (геоинформационные задачи, математическое моделирование)

и много других…

Кластеры, которые относятся к системам высокой готовности, используются везде, где стоимость возможного простоя превышает стоимость затрат, необходимых для построения кластерной системы, например:

биллинговые системы
банковские операции
электронная коммерция
управление предприятием, и т.п….

Смешанные системы объединяют в себе особенности как первых, так и вторых. Позиционируя их, следует отметить, что кластер, который обладает параметрами как High Performance, так и High Availability, обязательно проиграет в быстродействии системе, ориентированной на высокоскоростные вычисления, и в возможном времени простоя системе, ориентированной на работу в режиме высокой готовности.

Проблематика High Performance кластеров

Рисунок 5. Высокоскоростной кластер

Почти в любой ориентированной на параллельное вычисление задаче невозможно избегнуть необходимости передавать данные от одной подзадачи другой.

Таким образом, быстродействие High Performance кластерной системы определяется быстродействием узлов и связей между ними. Причем влияние скоростных параметров этих связей на общую производительность системы зависит от характера выполняемой задачи. Если задача требует частого обмена данными с подзадачами, тогда быстродействию коммуникационного интерфейса следует уделять максимум внимания. Естественно, чем меньше взаимодействуют части параллельной задачи между собою, тем меньше времени потребуется для ее выполнения. Что диктует определенные требования также и на программирование параллельных задач.

Основные проблемы при необходимости обмена данными между подзадачами возникают в связи с тем, что быстродействие передачи данных между центральным процессором и оперативной памятью узла значительно превышает скоростные характеристики систем межкомпьютерного взаимодействия. Кроме того, сильно сказывается на изменении функционирования системы, по сравнению с привычными нам SMP системами, разница в быстродействии кэш памяти процессоров и межузловых коммуникаций.

Быстродействие интерфейсов характеризуется двумя параметрами: пропускной способностью непрерывного потока даных и максимальным количеством самых маленьких пакетов, которые можно передать за единицу времени. Варианты реализаций коммуникационных интерфейсов мы рассмотрим в разделе «Средства реализации High Performance кластеров».

Проблематика High Availability кластерных систем

Сегодня в мире распространены несколько типов систем высокой готовности. Среди них кластерная система является воплощением технологий, которые обеспечивают высокий уровень отказоустойчивости при самой низкой стоимости. Отказоустойчивость кластера обеспечивается дублированием всех жизненно важных компонент. Максимально отказоустойчивая система должна не иметь ни единой точки, то есть активного элемента, отказ которого может привести к потере функциональности системы. Такую характеристику как правило называют - NSPF (No Single Point of Failure, - англ., отсутствие единой точки отказа).

Рисунок 6. Кластерная система с отсутствием точек отказов

При построении систем высокой готовности, главная цель - обеспечить минимальное время простоя.

Для того, чтобы система обладала высокими показатели готовности, необходимо:

чтобы ее компоненты были максимально надежными
чтобы она была отказоустойчивая, желательно, чтобы не имела точек отказов
а также важно, чтобы она была удобна в обслуживании и разрешала проводить замену компонент без останова

Пренебрежение любым из указанных параметров, может привести к потере функциональности системы.

Давайте коротко пройдемся по всем трём пунктам.

Что касается обеспечения максимальной надежности, то она осуществляется путем использования электронных компонент высокой и сверхвысокой интеграции, поддержания нормальных режимов работы, в том числе тепловых.

Отказоустойчивость обеспечивается путем использования специализированных компонент (ECC, Chip Kill модули памяти, отказоустойчивые блоки питания, и т.п.), а также с помощью технологий кластеризации. Благодаря кластеризации достигается такая схема функционирования, когда при отказе одного из компьютеров задачи перераспределяются между другими узлами кластера, которые функционируют исправно. Причем одной из важнейших задач производителей кластерного программного обеспечения является обеспечение минимального времени восстановления системы в случае сбоя, так как отказоустойчивость системы нужна именно для минимизации так называемого внепланового простоя.

Много кто забывает, что удобство в обслуживании, которое служит уменьшению плановых простоев (например, замены вышедшего из строя оборудования) является одним из важнейших параметров систем высокой готовности. И если система не разрешает заменять компоненты без выключения всего комплекса, то ее коэффициент готовности уменьшается.

Смешанные архитектуры

Рисунок 7. Высокоскоростной отказоустойчивый кластер

Сегодня часто можно встретить смешанные кластерные архитектуры, которые одновременно являются как системами высокой готовности, так и высокоскоростными кластерными архитектурами, в которых прикладные задачи распределяются по узлам системы. Наличие отказоустойчивого комплекса, увеличение быстродействия которого осуществляется путем добавления нового узла, считается самым оптимальным решением при построении вычислительной системы. Но сама схема построения таких смешанных кластерных архитектур приводит к необходимости объединения большого количества дорогих компонент для обеспечения высокого быстродействия и резервирования одновременно. И так как в High Performance кластерной системе наиболее дорогим компонентом является система высокоскоростных коммуникаций, ее дублирование приведет к значительным финансовым затратам. Следует отметить, что системы высокой готовности часто используются для OLTP задач, которые оптимально функционируют на симметричных мультипроцессорных системах. Реализации таких кластерных систем часто ограничиваются 2-х узловыми вариантами, ориентированными в первую очередь на обеспечение высокой готовности. Но в последнее время использование недорогих систем количеством более двух в качестве компонент для построения смешанных HA/HP кластерных систем становится популярным решением.

Что подтверждает, в частности, информация агентства The Register, опубликованная на его страничке:

"Председатель корпорации Oracle объявил о том, что в ближайшее время три Unіх сервера, на которых работает основная масса бизнес-приложений компании, будут заменены на блок серверов на базе процессоров Іntеl под управлением ОС Lіnuх. Ларри Эллисон настаивает на том, что введение поддержки кластеров при работе с приложениями и базами данных снижает затраты и повышает отказоустойчивость."

Средства реализации High Performance кластеров

Самыми популярными сегодня коммуникационными технологиями для построения суперкомпьютеров на базе кластерных архитектур являются:

Myrinet, Virtual Interface Architecture (cLAN компании Giganet - одна из первых коммерческих аппаратных реализаций), SCI (Scalable Coherent Interface), QsNet (Quadrics Supercomputers World), Memory Channel (разработка Compaq Computer и Encore Computer Corp), а также хорошо всем известные Fast Ethertnet и Gigabit Ethernet.

Рисунок 8. Скорость передачи непрерывного потока данных

Рисунок 9. Время передачи пакета нулевой длинны

Эти диаграммы (Рис. 8 и 9) дают возможность увидеть быстродействие аппаратных реализаций разных технологий, но следует помнить, что на реальных задачах и при использовании разнообразных аппаратных платформ параметры задержки и скорости передачи данных получаются на 20-40%, а иногда на все 100% хуже, чем максимально возможные.

Например, при использовании библиотек MPI для коммуникационных карточек cLAN и Intel Based серверов с шиной PCI, реальная пропускная способность канала составляет 80-100 MByte/sec, задержка - около 20 мксек.

Одной из проблем, которые возникают при использовании скоростных интерфейсов, например, таких как SCI является то, что архитектура PCI не подходит для работы с высокоскоростными устройствами такого типа. Но если перепроектировать PCI Bridge с ориентацией на одно устройство передачи данных, то эта проблема решается. Такие реализации имеют место в решениях некоторых производителей, например, компании SUN Microsystems.

Таким образом, при проектировании высокоскоростных кластерных систем и расчета их быстродействия, следует учитывать потери быстродействия, связанные с обработкой и передачей данных в узлах кластера.

Таблица 1. Сравнение высокоскоростных коммуникационных интерфейсов

Технология	Пропускная способность MByte/s	Задержка мксек/пакет	Стоимость карточки/свича на 8 портов	Поддержка платформ	Комментарий
Fast Ethertnet	12.5	158	50/200	Linux, UNIX, Windows	Низкие цены, популярная
Gigabit Ethernet	125	33	150/3500	Linux, UNIX, Windows	Удобство модернизации
Myrinet	245	6	1500/5000	Linux, UNIX, Windows	Открытый стандарт, популярная
VI (сLAN от Giganet)	150	8	800/6500	Linux, Windows	Первая аппаратная промышленная реализация VI
SCI	400	1.5	1200/5000 *	Linux, UNIX, Windows	Стандартизирована, широко используется
QsNet	340	2	N/A **	True64 UNIX	AlphaServer SC и системы Quadrics
Memory Channel	100	3	N/A	True64 UNIX	Используется в Compaq AlphaServer

* аппаратура SCI (и программное обеспечение поддержки) допускает построение так называемых MASH топологий без использования коммутаторов
** нет данных

Рисунок 10. Тесно связанная мультипроцессорная система с несимметричным доступом к памяти

Одной интересной особенностью коммуникационных интерфейсов, которые обеспечивают низкие задержки, является то, что на их основе можно строить системы с архитектурой NUMA, а также системы, которые на уровне программного обеспечения могут моделировать многопроцессорные SMP системы. Преимуществом такой системы является то, что вы можете использовать стандартные операционные системы и программное обеспечение, ориентированное на использование в SMP решениях, но в связи с высокой, в несколько раз выше по сравнению с SMP задержкой междупроцессорного взаимодействия, быстродействие такой системы будет малопрогнозируемо.

Средства распараллеливания

Существует несколько разных подходов к программированию параллельных вычислительных систем:

на стандартных широко распространенных языках программирования с использованием коммуникационных библиотек и интерфейсов для организации межпроцессорного взаимодействия (PVM, MPI, HPVM, MPL, OpenMP, ShMem)
использование специализированных языков параллельного программирования и параллельных расширений (параллельные реализации Fortran и C/C++, ADA, Modula-3)
использование средств автоматического и полуавтоматического распараллеливания последовательных программ (BERT 77, FORGE, KAP, PIPS, VAST)
программирование на стандартных языках с использованием параллельных процедур из специализированных библиотек, которые ориентированы на решение задач в конкретных областях, например: линейной алгебры, методов Монте-Карло, генетических алгоритмов, обработки изображений, молекулярной химии, и т.п. (ATLAS, DOUG, GALOPPS, NAMD, ScaLAPACK).

Существует также немало инструментальных средств, которые упрощают проектирование параллельных программ. Например:

CODE - Графическая система для создания параллельных программ. Параллельная программа изображается в виде графа, вершины которого есть последовательные части программы. Для передачи сообщений используются PVM и MPI библиотеки.
TRAPPER - Коммерческий продукт немецкой компании Genias. Графическая среда программирования, которая содержит компоненты построения параллельного программного обеспечения.

По опыту пользователей высокоскоростных кластерных систем, наиболее эффективно работают программы, специально написанные с учетом необходимости межпроцессорного взаимодействия. И даже несмотря на то, что программировать на пакетах, которые используют shared memory interface или средства автоматического распараллеливания, значительно удобней, больше всего распространены сегодня библиотеки MPI и PVM.

Учитывая массовою популярность MPI (The Message Passing Interface), хочется немного о нём рассказать.

"Интерфейс передачи сообщений" - это стандарт, который используется для построения параллельных программ и использует модель обмена сообщениями. Существуют реализации MPI для языка C/C++ и Fortran как в бесплатных, так и коммерческих вариантах для большинства распространенных суперкомпьютерных платформ, в том числе High Performance кластерных систем, построенных на узлах с ОС Unix, Linux и Windows. За стандартизацию MPI отвечает MPI Forum (). В новой версии стандарта 2.0 описано большое число новых интересных механизмов и процедур для организации функционирования параллельных программ: динамическое управление процессами, односторонние коммуникации (Put/Get), параллельные I/O. Но к сожалению, пока нет полных готовых реализаций этой версии стандарта, хотя часть из нововведений уже активно используется.

Для оценки функциональности MPI, хочу представить вашему вниманию график зависимости времени вычисления задачи решения систем линейных уравнений в зависимости от количества задействованных процессоров в кластере. Кластер построен на процессорах Intel и системе межузловых соединений SCI (Scalable Coherent Interface). Естественно, задача частная, и не надо понимать полученные результаты как общую модель прогнозирования быстродействия желаемой системы.

Рисунок 11. Зависимость времени вычисления задачи решения систем линейных уравнений в зависимости от количества задействованных процессоров в кластере

На графике отображены две кривые, синяя - линейное ускорение и красная - полученное в результате эксперимента. То есть, в результате использования каждой новой ноды мы получаем ускорение выше, чем линейное. Автор эксперимента утверждает, что такие результаты получаются из-за более эффективного использования кэш памяти, что вполне логично и объяснимо. Если у кого возникнут мысли и идеи по этому поводу, буду благодарен, если вы ими поделитесь (мой e-mail: [email protected]).

Средства реализации High Availability кластеров

High Availability кластеры можно распределить на:

Shared Nothing Architecture (архитектура без разделения ресурсов)
Shared Disk Architecture (архитектура с общими дисками)

Рисунок 12. Архитектура без разделения ресурсов

Архитектура без распределения ресурсов не использует общей системы хранения данных. При ее использовании каждый узел имеет свои дисковые накопители, которые не используются совместно узлами кластерной системы. Фактически, на аппаратном уровне разделяются только коммуникационные каналы.

Рисунок 13. Архитектура с общими дисками

Архитектура с общими дисками классически используется для построения кластерных систем высокой готовности, ориентированных на обработку больших объемов данных. Такая система состоит из общей системы хранения данных и узлов кластера, которые распределяют доступ к общим данным. При высокой мощности системы хранения данных, при работе с задачами, ориентированными на их обработку, архитектура с общими дисками является более эффективной. В этом случае не нужно держать несколько копий данных и в то же время, при выходе из строя узла, задачи могут быть мгновенно доступны для других узлов.

В случае, если в задаче удается логически разделить данные для того, чтобы запрос из некого подмножества запросов можно было бы обработать с использованиям части данных, то система без разделения ресурсов может оказаться более эффективным решением.

На мой взгяд интересной является возможность построения гетерогенных кластерных систем. Например, программное обеспечение Tivoli Sanergy разрешает строить системы, в которых возможно разделение доступа к данным между гетерогенными узлами. Такое решение может быть очень полезным в системах коллективной обработки видеоинформации или других данных в организации, где на одной платформе просто не существует требуемого спектра решений или же уже существует сформированный парк аппаратных и программных ресурсов, которые нужно использовать более эффективно.

Рисунок 14. Гетерогенная кластерная система

Самыми популярными коммерческими системами сегодня являются двухузловые отказоустойчивые кластеры. Различают Активный-Активный (Active-Active) и Активный-Пассивный (Active-Passive) модели реализации отказоустойчивых кластерных систем в отношении распределения програмных ресурсов.

Рисунок 15. Модель Активный-Активный

В модели Активный-Активный мы практически получаем вместе с отказоустойчивым решением - решение высокоскоростное, так как одна задача работает на нескольких серверах одновременно. Такой вариант реализован, например, в Oracle Prallel Server, MS SQL 2000, IBM DB2. То есть, реализация такой модели возможна лишь в случае написания прикладного программного обеспечения с ориентацией на функционирование в кластерном режиме (исключение составляют кластерные системы с разделением оперативной памяти). В модели Активный-Активный возможно масштабирование скорости работы задачи путем добавления нового узла, если конечно программным обеспечением поддерживается необходимое количество нод. Например, Oracle Parallel Server 8.0.5 поддерживает работу на кластере от 2-х до 6-ти узлов.

Рисунок 16. Активный-Активный кластер на 3-х узлах

Очень часто пользователи встречаются с такой проблемой, когда нужно обеспечить отказоустойчивое функционирование уже готовых программных решений. К сожалению, модель Активный-Активный в таком случае не работает. Для подобных ситуаций используется модель, в которой обеспечивается миграция задач, выполнявшихся на узле, вышедшем из строя, на другие узлы. Таким образом, мы получаем реализацию Активный-Пассивный.

Рисунок 17. Модель Активный-Пассивный

Учитывая то, что во многих случаях мы можем разбить одну задачу на несколько распределением зон ответственности, а также то, что в общем случае на предприятии нужно выполнять много разных задач, реализуется так называемая модель кластерной системы псевдо Активный-Активный.

Рисунок 18. Псевдо Активный-Активный кластер на 3-х узлах

Если вам нужно обеспечить отказоустойчивую работу нескольких программных ресурсов, то достаточно добавить в систему новый узел и запустить на кластере нужные вам задачи, которые в случае отказа этого узла перейдут на выполнение на другом узле. Такая модель реализована в программном обеспечении ReliantHA для ОС Caldera OpenUnix и Unixware, которое поддерживает кластеризацию от 2-х к 4-х узлам, в MSCS (Microsoft Cluster Service) и Linux Failover Cluster модели.

Система коммуникаций в отказоустойчивых кластерных системах может быть построена на таком же оборудовании, как и в высокоскоростных кластерах. Но в случае реализации архитектуры с разделяемым дисковым накопителем, возникает необходимость обеспечения высокоскоростного доступа к общей системе хранения данных. Эта задача имеет сегодня множество вариантов решений.

Если используется простейшая 2-х узловая модель, то доступ к дискам может быть построен через их прямое подключение к общей SCSI шине,

Рисунок 19. Архитектура с общей SCSI шиной

или с помощью автономной дисковой подсистемы со встроенным контролером SCSI to SCSI. В последнем случае диски подключаются ко внутренним независимым каналам дисковой подсистемы.

Рисунок 20. Вариант с использованием SCSI to SCSI дисковой подсистемы

Вариант с использованием SCSI to SCSI дисковой подсистемы является более масштабируемым, функциональным и отказоустойчивым. Несмотря на то, что появляется еще один мостик между узлом и дисками, скорость такой системы обычно выше, так как мы получаем коммутируемый доступ к накопителю (ситуация похожа на использование концентратора и коммутатора в локальной сети). В отличие от варианта с разделением доступа к дискам на общей SCSI шине, отдельная независимая дисковая подсистема имеет также удобную возможность построения систем без точек отказа и возможность построения многоузловых конфигураций.

В последнее время начинает приобретать популярность новый последовательный интерфейс для протокола SCSI - FC (Fibre Channel). На базе FC строятся так называемые сети хранения данных - SAN (Storage Area Network).

Рисунок 21. Кластерная система с использованием SAN на базе Fibre Channel

К основным преимуществам Fibre Channel можно отнести практически все его особенности.

Высокие скорости передачи данных
Протоколо-независимость (0-3 уровни)
Большие расстояния между точками
Низкие задержки при передаче коротких пакетов
Высокая надежность передачи данных
Практически неограниченное масштабирование
Многоточечные топологии

Эти замечательные особенности Fibre Channel получил благодоря тому, что в его проектировании принимали участие специалисты в областях как канальных, так и сетевых интерфейсов, причем им удалось объединить в одном FC интерфейсе положительные черты обоих.

Для понимания значимости FC я приведу сравнительную табличку FC и параллельного SCSI интерфейса.

Таблица 2. Таблица сравнительных характеристик FC и параллельного SCSI интерфейса

Сегодня FC устройства стоят дороже, чем устройства с параллельным SCSI, но разница в цене в последнее время резко уменьшается. Диски и системы хранения данных уже практически равны по стоимости с параллельными SCSI реализациями, значительную разницу в стоимости обеспечивают только FC адаптеры.

Существует еще один очень интересный вариант реализации кластерной архитектуры - кластерная система с разделяемой памятью (в т.ч. оперативной) Shared Memory Cluster. Фактически этот кластер может функционировать как в модели умеренно связанной многопроцессорной системы, так и тесно связанной. Такая система, как уже говорилось в начале статьи, называется NUMA.

Рисунок 22. Модель кластера с разделяемой памятью

Кластер с разделяемой памятью использует программное обеспечение (кластерные сервисы), которое обеспечивает один образ системы (single system image), даже если кластер построен как архитектура без распределения ресурсов, которым его соответственно видит операционная система.

В завершение рассказа о кластерных системах высокой готовности, хочу привести статистику по простоям различных систем.

Рисунок 23. Сравнение среднего времени простоя различных систем

Приведены усредненные данные, а также данные, взятые из рекламных материалов одной из компаний производителей, поэтому их нужно воспринимать с некоторой долей критичности. Однако общая картина, которую они описывают, является вполне корректной.

Как видим, кластерные системы высокой готовности не являются панацеей при минимизации простоев. Если простой системы является чрезвычайно критичным, тогда следует использовать системы класса Fault Tolerant или Continuous Availability, системы такого класса имеют коэффициент готовности на порядок выше, чем системы класса High Availability.

Примеры проверенных решений

Так как успешность любой технологии доказывается примерами ее практического использования, я хочу показать конкретные варианты реализации нескольких наиболее важных, на мой взгляд, кластерных решений.

Сперва о высокоскоростных кластерах.

Одним из наиболее полезных, на мой взгляд, примеров является то, что первые места, да и вообще большинство мест 18-й редакции списка самых мощных суперкомпьютеров мира занимают системы IBM SP2 и Compaq AlphaServer SC. Обе системы являются массивно-параллельными вычислительными системами (MPP), которые структурно аналогичны High Performance кластерным решениям.

В IBM SP2 в качестве узлов используются машины RS/6000, соединенные коммутатором SP Switch2. Пропускная способность коммутатора - 500MB/s в одном направлении, величина задержки - 2.5 мксек.

Compaq AlphaServer SC. Узлы - 4-х процессорные системы типа Compaq AlphaServer ES45, соединенные с помощью коммуникационного интерфейса QsNet, параметры которого упоминались выше.

В том же суперкомпьютерном списке находятся машины, построенные на обычных Intel платформах и коммутаторах SCI и Myrinet и даже обычном Fast и Gigabit Ethernet. Причем как в первых двух вариантах, так и на высокоскоростных кластерных системах, построенных на рядовом оборудовании, для програмирования используются пакеты MPI.

Ну и напоследок хочется привести красивый пример масштабируемой кластерной системы высокой готовности. Аппаратная модель кластерного решения для отказоустойчивой высокоскоростной обработки базы данных IBM DB/2.

Рисунок 24. Кластер IBM DB2

На этом все. Если у кого возникнут вопросы, советы или желание пообщаться - милости просим. Мои координаты вы найдете в конце статьи.

Литература

"Sizing Up Parallel Architectures", - Greg Pfister, старший технический специалист компании IBM.
"Возможна ли отказоустойчивость для Windows?", - Наталья Пирогова, материалы издательства «Открытые системы».
"Использование систем распараллеливания задач в слабосвязанном кластере", - М.Н.Иванов.
"Отказоустойчивые компьютеры компании Stratus", - Виктор Шнитман, материалы издательства «Открытые системы».
"Современные высокопроизводительные компьютеры", - В. Шнитман, информационно-аналитические материалы Центра Информационных Технологий.
"Шаг к сетям хранения данных", информационно-аналитические материалы компании ЮСТАР.
"Эволюция архитектуры виртуального интерфейса", - Торстен фон Айкен, Вернер Фогельс, материалы издательства «Открытые системы».
Материалы Лаборатории Параллельных Информационных Технологий "НИВЦ МГУ".
Материалы Cluster Computing Info Centre.
Материалы SCI Europe.
Материалы VI Forum (Virtual Architecture Developers Forum).
Материалы компании Caldera.
Материалы компании Dolphinics.
Материалы компании Emulex.
Материалы компании KAI Software, a Division of Intel Americas, Inc. (KAI).
Материалы компании Myricom, Inc.
Материалы компании Oracle.
Рекомендации технической поддержки корпорации Intel.

Высокопроизводительный кластер (группа компьютеров)

Компьютерный кластер - это группа компьютеров объединённых между собой высокоскоростными линиями связи, которые совместно обрабатывают одни и те же запросы и представляются со стороны пользователя как единая вычислительная система.

Главные свойства кластеров

Кластеры состоят из нескольких компьютерных систем;

Они работают как одна вычислительная система (не все);

Кластер управляется и представляется пользователю как одна вычислительная система;

Зачем нужны кластеры

Кластеры можно использовать в разных целях. Кластеры могут создавать отказоустойчивые системы, могут служить для повышения производительности компьютерного узла, а могут быть использовании для трудоёмких вычислений.

Какие бывают кластеры

Отказоустойчивые кластеры

Подобные кластера создают для обеспечения высокого уровня доступности сервиса представляемого кластером. Чем больше количество компьютеров входящих в кластер, тем меньше вероятность отказа представляемого сервиса. Компьютеры, которые входят в кластер, разнесённые географически, так же обеспечивают защиту от стихийных бедствий, террористических атак и других угроз.

Данные кластера могут быть построены по трём основным принципам

кластеры с холодным резервом - это когда активный узел обрабатывает запросы, а пассивный бездействует, и просто ждёт отказа активного. Пассивный узел начинает работать только после отказа активного. Кластер, построенный по данному принципу, может обеспечить высокую отказоустойчивость, но в момент выключения активного узла, запросы обрабатываемые им в этот момент могут быть утеряны.
кластер с горячим резервом - это когда все узлы системы совместно обрабатывают запросы, а в случае отказа одного или нескольких узлов, нагрузка распределяется между оставшимися. Данный тип кластера можно так же назвать кластер распределения нагрузки о котором мы поговорим далее, но с поддержкой распределения запросов при отказе одного или нескольких узлов. При использовании данного кластера, так же есть вероятность потери данных, обрабатываемых узлом, который дал сбой.
кластер с модульной избыточностью - это когда все компьютеры кластера обрабатывают одни и те же запросы параллельно друг другу, а после обработки берётся любое значение. Подобная схема гарантирует выполнение запроса, так как можно взят любой результат обработки запроса.

Кластер распределения нагрузки

Эти кластера создают в основном для повышения производительности, но их можно использовать и для повышения отказоустойчивости, как в случае с отказоустойчивым кластером горячего резерва. В данных кластера запросы распределяются через входные узлы на все остальные узлы кластера.

Вычислительные кластеры

Данный тип кластеров, используется как правило в научных целях. В данных системах, задача разбивается на части, параллельно-выполняемые на всех узлах кластера. Это позволяет существенно сократить время обработки данных по сравнению с одиночными компьютерами.

Не забываем оставлять

Бурное развитие информационных технологий, рост обрабатываемых и передаваемых данных и в то же время повышение требований к надежности, степени готовности, отказоустойчивости и масштабируемости заставляют по-новому взглянуть на уже далеко не молодую технологию кластеризации. Эта технология позволяет создавать довольно гибкие системы, которые будут отвечать всем вышеперечисленным требованиям. Было бы не верно думать, что установка кластера решит абсолютно все проблемы. Но добиться впечатляющих результатов от кластеризации вполне реально. Нужно только четко представлять себе, что это такое, в чем наиболее существенные различия их отдельных разновидностей, а также знать преимущества тех или иных систем - с точки зрения эффективности применения их в вашем деле.

Аналитики из IDC подсчитали, что объем рынка кластеров в 1997 году составлял всего 85 млн. долл., тогда как в прошлом году этот рынок «стоил» уже 367,7 млн. долл. Тенденция роста налицо.

Итак, попробуем расставить все точки над «i». На сегодняшний день не существует какого-либо четкого определения кластера. Более того, нет ни одного стандарта, четко регламентирующего кластер. Однако не стоит отчаиваться, ведь сама суть кластеризации не подразумевает соответствие какому-либо стандарту. Единственное, что определяет, что кластер - это кластер, так это набор требований, предъявляемых к таким системам. Перечислим эти требования (четыре правила):l надежность;l доступность функции (готовность);l масштабируемость;l вычислительная мощность. Исходя из этого сформулируем определение кластера. Кластер - это система произвольных устройств (серверы, дисковые накопители, системы хранения и пр.), обеспечивающих отказоустойчивость на уровне 99,999%, а также удовлетворяющая «четырем правилам». Для примера: серверный кластер - это группа серверов (обычно называемых узлами кластера), соединенных и сконфигурированных таким образом, чтобы предоставлять пользователю доступ к кластеру как к единому целостному ресурсу.

Отказоустойчивость

Несомненно, основной характеристикой в кластере является отказоустойчивость. Это подтверждает и опрос пользователей: 95% опрошенных ответили, что в кластерах им необходимы надежность и отказоустойчивость. Однако не следует смешивать эти два понятия. Под отказоустойчивостью понимается доступность тех или иных функций в случае сбоя, другими словами, это резервирование функций и распределение нагрузки. А под надежностью понимается набор средств обеспечения защиты от сбоев. Такие требования к надежности и отказоустойчивости кластерных систем обусловлены спецификой их использования. Приведем небольшой пример. Кластер обслуживает систему электронных платежей, поэтому если клиент в какой-то момент останется без обслуживания для компании-оператора, это ему будет дорого стоить. Другими словами, система должна работать в непрерывном режиме 24 часа в сутки и семь дней в неделю (7Ѕ24). При этом отказоустойчивости в 99% явно не достаточно, так как это означает, что почти четыре дня в году информационная система предприятия или оператора будет неработоспособной. Это может показаться не таким уж и большим сроком, учитывая профилактические работы и техническое обслуживание системы. Но сегодняшнему клиенту абсолютно безразличны причины, по которым система не работает. Ему нужны услуги. Итак, приемлемой цифрой для отказоустойчивости становится 99,999%, что эквивалентно 5 минутам в год. Таких показателей позволяет достичь сама архитектура кластера. Приведем пример серверного кластера: каждый сервер в кластере остается относительно независимым, то есть его можно остановить и выключить (например, для проведения профилактических работ или установки дополнительного оборудования), не нарушая работоспособность кластера в целом. Тесное взаимодействие серверов, образующих кластер (узлов кластера), гарантирует максимальную производительность и минимальное время простоя приложений за счет того, что:l в случае сбоя программного обеспечения на одном узле приложение продолжает функционировать (либо автоматически перезапускается) на других узлах кластера;l сбой или отказ узла (или узлов) кластера по любой причине (включая ошибки персонала) не означает выхода из строя кластера в целом;l профилактические и ремонтные работы, реконфигурацию и смену версий программного обеспечения в большинстве случаев можно осуществлять на узлах кластера поочередно, не прерывая работу приложений на других узлах кластера.Возможные простои, которые не в состоянии предотвратить обычные системы, в кластере оборачиваются либо некоторым снижением производительности (если узлы выключаются из работы), либо существенным сокращением (приложения недоступны только на короткий промежуток времени, необходимый для переключения на другой узел), что позволяет обеспечить уровень готовности в 99,99%.

Масштабируемость

Высокая стоимость кластерных систем обусловлена их сложностью. Поэтому масштабируемость кластера довольно актуальна. Ведь компьютеры, производительность которых удовлетворяет сегодняшние требования, не обязательно будет удовлетворять их и в будущем. Практически при любом ресурсе в системе рано или поздно приходится сталкиваться с проблемой производительности. В этом случае возможно два варианта масштабирования: горизонтальное и вертикальное. Большинство компьютерных систем допускают несколько способов повышения их производительности: добавление памяти, увеличение числа процессоров в многопроцессорных системах или добавление новых адаптеров или дисков. Такое масштабирование называется вертикальным и позволяет временно улучшить производительность системы. Однако в системе будет установлено максимальное поддерживаемое количество памяти, процессоров или дисков, системные ресурсы будут исчерпаны. И пользователь столкнется с той же проблемой улучшения характеристик компьютерной системы, что и ранее.Горизонтальное масштабирование предоставляет возможность добавлять в систему дополнительные компьютеры и распределять работу между ними. Таким образом, производительность новой системы в целом выходит за пределы предыдущей. Естественным ограничением такой системы будет программное обеспечение, которые вы решите на ней запускать. Самым простым примером использования такой системы является распределение различных приложений между разными компонентами системы. Например, вы можете переместить ваши офисные приложения на один кластерный узел приложения для Web на другой, корпоративные базы данных - на третий. Однако здесь возникает вопрос взаимодействия этих приложений между собой. И в этом случае масштабируемость обычно ограничивается данными, используемыми в приложениях. Различным приложениям, требующим доступ к одним и тем же данным, необходим способ, обеспечивающий доступ к данным с различных узлов такой системы. Решением в этом случае становятся технологии, которые, собственно, и делают кластер кластером, а не системой соединенных вместе машин. При этом, естественно, остается возможность вертикального масштабирования кластерной системы. Таким образом, за счет вертикального и горизонтального масштабирования кластерная модель обеспечивает серьезную защиту инвестиций потребителей.В качестве варианта горизонтального масштабирования стоит также отметить использование группы компьютеров, соединенных через коммутатор, распределяющий нагрузку (технология Load Balancing). Об этом довольно популярном варианте мы подробно расскажем в следующей статье. Здесь мы лишь отметим невысокую стоимость такого решения, в основном слагаемую из цены коммутатора (6 тыс. долл. и выше - в зависимости от функционального оснащения) и хост-адаптер (порядка нескольких сот долларов за каждый; хотя, конечно, можно использовать и обыкновенные сетевые карты). Такие решения находят основное применение на Web-узлах с высоким трафиком, где один сервер не справляется с обработкой всех поступающих запросов. Возможность распределения нагрузки между серверными узлами такой системы позволяет создавать на многих серверах единый Web-узел.

Beowulf, или Вычислительная мощность

Часто решения, похожие на вышеописанные, носят названия Beowulf-кластера. Такие системы прежде всего рассчитаны на максимальную вычислительную мощность. Поэтому дополнительные системы повышения надежности и отказоустойчивости просто не предусматриваются. Такое решение отличается чрезвычайно привлекательной ценой, и, наверное, поэтому наибольшую популярность приобрело во многих образовательных и научно-исследовательских организациях. Проект Beowulf появился в 1994 году - возникла идея создавать параллельные вычислительные системы (кластеры) из общедоступных компьютеров на базе Intel и недорогих Ethernet-сетей, устанавливая на эти компьютеры Linux и одну из бесплатно распространяемых коммуникационных библиотек (PVM, а затем MPI). Оказалось, что на многих классах задач и при достаточном числе узлов такие системы дают производительность, сравнимую с суперкомпьютерной. Как показывает практика, построить такую систему довольно просто. Все, что для этого нужно, это высокопроизводительный коммутатор и несколько подсоединенных к нему рабочих станций (серверов) с установленной операционной системой Linux. Однако этого недостаточно. Для того чтобы эта груда железа ожила, необходимо специальное программное обеспечение для параллельных вычислений.Наиболее распространенным интерфейсом параллельного программирования в модели передачи сообщений является MPI (Message Passing Interface). Название «Интерфейс передачи сообщений» говорит само за себя. Это хорошо стандартизованный механизм для построения параллельных программ в модели обмена сообщениями. Существуют бесплатные (!) и коммерческие реализации почти для всех суперкомпьютерных платформ, а также для сетей рабочих станций UNIX и Windows NT. В настоящее время MPI - наиболее широко используемый и динамично развивающийся интерфейс своего класса. Рекомендуемая бесплатная реализация MPI - пакет MPICH, разработанный в Аргоннской Национальной Лаборатории. Стандартизацией MPI занимается MPI Forum. Последняя версия стандарта - 2.0. В этой версии к MPI добавлены такие важные функции, как динамическое управление процессами, односторонние коммуникации (Put/Get), параллельный ввод-вывод.Постоянный спрос на высокие вычислительные мощности обусловил появление привлекательного для многих производителей рынка. Некоторые из них разработали собственные технологии соединения компьютеров в кластер. Наиболее известные из них - Myrinet производства MyriCom и cLAN фирмы Giganet. Myrinet является открытым стандартом. Для его реализации MyriCom предлагает широкий выбор сетевого оборудования по сравнительно невысоким ценам. На физическом уровне поддерживаются сетевые среды SAN (System Area Network), LAN (CL-2) и оптоволокно. Технология Myrinet дает высокие возможности масштабирования сети и в настоящее время очень широко используется при построении высокопроизводительных кластеров. Giganet занимается разработкой программных и аппаратных средств для непосредственного взаимодействия центральных процессорных устройств серверов кластера на гигабитных скоростях, минуя функции ОС. Стоимость решения составляет: около 2500 долл. - за 8-портовый коммутатор, 150 долл. - за адаптер для Myrinet, около 6250 долл. - за 8-портовый коммутатор и 800 долл. - за адаптер для Giganet. Последняя, кстати, получила на выставке Microsoft Tech Ed 2000 премию «Best of Show». В качестве примера приведем реализацию Beowulf-кластера в Институте высокопроизводительных вычислений и баз данных Министерства науки и технической политики РФ. Кластер, получивший название «ПАРИТЕТ», создан на базе общедоступных комплектующих для персональных компьютеров и рабочих станций и обеспечивает суммарную пиковую производительность 3,2 GFLOP/sec. Кластер состоит из четырех двухпроцессорных вычислительных узлов, на базе процессоров Intel Pentium II/450MHz. На каждом узле установлена оперативная память объемом 512 Мбайт и 10-гигабайтный жесткий диск на интерфейсе Ultra Wide SCSI. Вычислительные узлы кластера объединены высокопроизводительным коммутатором Myrinet (каналы с пропускной способностью 1,28 Гбайт/с, полный дуплекс). Имеется также резервная сеть, используемая для управления и конфигурирования (100 Mbit Fast Ethernet). На узлах вычислительного кластера установлена операционная система Linux (дистрибутив Red Hat 5,2). Для программирования параллельных приложений используются интерфейсы передачи сообщений MPI/PVM.

Мини-кластер от Dell и Compaq

Помимо коммутаторного решения для построения кластера существует еще целый ряд решений - как аппаратных, так и программных. Некоторые решения являются комплексными и поставляются «As is» - «все в одной коробке». Последний вариант - назовем его «кластер в коробке» - также является довольно популярным решением, поскольку рассчитан на массовый рынок и является кластером начального уровня (по производительности и параметрам масштабирования). Однако построение таких систем, взаимосвязь внутренних компонентов, надежность и отказоустойчивость полностью соответствуют «большим» системам. Для того чтобы разобраться, как устроен кластер, рассмотрим две похожие системы производства - Compaq и Dell. Кластеры от этих известных игроков компьютерного рынка построены из двух серверов DELL - PowerEdge 6100 либо PowerEdge 4200 и, в свою очередь, Compaq - Proliant 1850R. В качестве программного обеспечения используется Microsoft Cluster Server (Compaq, Dell) или Novell High-Availability Services for NetWare 4.0 / Clustering Services for NetWare 5.0 (Compaq). Программное обеспечение позволяет сконфигурировать два сервера таким образом, что, если в одном из серверов кластера происходит сбой, выполняемая им работа и приложения будут сразу же автоматически перенесены на другой сервер, что позволяет устранить простои. Оба сервера кластера предоставляют свои ресурсы для выполнения производственной работы, поэтому ни один из них не простаивает зря в ожидании, пока другой не выйдет из строя.Представленная на рисунке конфигурация является типичным кластером с реализацией принципа безотказности, обеспечивающим высокую степень работоспособности и дублирования компонентов на системном уровне. Связь между двумя серверами осуществляется по так называемому пульсирующему соединению (Heartbeat) выделенного участка локальной сети. При возникновении сбоя на основном сервере второй сервер, следящий за поступающими по пульсирующему соединению сообщениями, узнает об отключении основного сервера и перекладывает на себя рабочую нагрузку, выполнявшуюся вышедшей из строя машиной. В число выполняемых функций входит запуск прикладных программ, процессов и обслуживания, требуемых для ответа на запросы клиентов на предоставление доступа к вышедшему из строя серверу. Хотя каждый из серверов кластера должен иметь все ресурсы, требуемые для возложения на себя функций другого сервера, основные выполняемые обязанности могут быть абсолютно разными. Вторичный сервер, входящий в кластер с реализацией принципа безотказности, отвечает требованию предоставления возможности «горячего» резервирования, но помимо этого он может выполнять и свои собственные приложения. Однако, несмотря на массовое дублирование ресурсов, у такого кластера есть «узкое» место (bottle neck) - интерфейс шины SCSI и разделяемой системы внешней памяти, выход которых из строя влечет за собой сбой кластера. Хотя, по утверждениям производителей, вероятность этого ничтожно мала.Такие мини-кластеры прежде всего рассчитаны на автономную работу без постоянного контроля и администрирования. В качестве примера использования можно привести решение для удаленных офисов больших компаний для обеспечения высокой готовности (7Ѕ24) наиболее ответственных приложений (баз данных, почтовых систем и т.д.). С учетом повышения спроса на мощные и в то же время отказоустойчивые системы начального уровня рынок для этих кластеров выглядит довольно благоприятным. Единственное «но» в том, что не каждый потенциальный потребитель кластерных систем готов выложить за двухсерверную систему около 20 тыс. долл.

Сухой остаток

В качестве резюме следует отметить, что у кластеров наконец-то появился массовый рынок. Такой вывод легко можно сделать исходя из прогнозов аналитиков Standish Group International, которые утверждают, что в следующие два года общемировой рост количества установленных кластерных систем составит 160%. Кроме того, аналитики из IDC подсчитали, что объем рынка кластеров в 1997 году составлял всего 85 млн. долл., а в прошлом году этот рынок «стоил» уже 367,7 млн. долл. Тенденция роста налицо. И действительно, потребность в кластерных решениях сегодня возникает не только в крупных центрах обработки данных, но и в небольших компаниях, которые не хотят жить по принципу «скупой платит дважды» и вкладывают свои деньги в высоконадежные и легкомасштабируемые кластерные системы. Благо, что вариантов реализации кластера более чем достаточно. Однако при выборе какого-либо решения не следует забывать, что все параметры кластера взаимозависимы. Другими словами, нужно четко определить приоритеты на необходимые функциональные возможности кластера, поскольку при увеличении производительности уменьшается степень готовности (доступность). Увеличение производительности и обеспечение требуемого уровня готовности неизбежно ведет к росту стоимости решения. Таким образом, пользователю необходимо сделать самое важное - найти золотую середину возможностей кластера на текущий момент. Это сделать тем труднее, чем больше разнообразных решений предлагается сегодня на рынке кластеров.При подготовке статьи использованы материалы WWW-серверов: http://www.dell.ru/ , http://www.compaq.ru/ , http://www.ibm.ru/ , http://www.parallel.ru/ , http://www.giganet.com/ , http://www.myri.com/

КомпьютерПресс 10"2000

Кластерные вычислительные системы стали продолжением развития идей, заложенных в архитектуре MPA-систем. Если в MPAсистеме в качестве законченного вычислительного узла выступает процессорный модуль, то в кластерных системах в качестве таких вычислительных узлов используют серийно выпускаемые компьютеры. Развитие коммуникационных технологий, а именно, появление высокоскоростного сетевого оборудования и специальных программных библиотек, например, MPI (Message Passing Interface), реализующих механизм передачи сообщений по стандартным сетевым протоколам, сделали кластерные технологии общедоступными. В настоящее время создается множество небольших кластерных систем посредством объединения вычислительных мощностей компьютеров лаборатории или учебного класса.

Привлекательной чертой кластерных технологий является то, что для достижения необходимой производительности они позволяют строить гетерогенные системы, т. е. объединять в единые вычислительные системы компьютеры самого разного типа, начиная от персональных компьютеров и заканчивая мощными суперкомпьютерами. Широкое распространение кластерные технологии получили как средство создания систем суперкомпьютерного класса из составных частей массового производства, что значительно удешевляет стоимость вычислительной системы. В частности, одним из первых в 1998 году был реализован проект The COst effective COmputing Array (COCOA), в котором на базе 25 двухпроцессорных персональных компьютеров общей стоимостью порядка 100000 долларов была создана система с производительностью, эквивалентной 48-процессорному Cray T3D стоимостью несколько миллионов долларов.

Лайал Лонг (Lyle Long), профессор аэрокосмической инженерии в университете штата Пенсильвания (Penn State University), считает, что относительно дешевые кластерные вычислительные системы вполне могут служить альтернативой дорогим суперкомпьютерам в научных организациях. Под его руководством в университете был построен кластер COCOA. В рамках данного проекта объединены 25 ра-

бочих станций от DELL, каждая из которых включает два процессора Pentium II/400 МГц, 512 МБ оперативной памяти, 4-гигабайтный жесткий диск SCSI и сетевой адаптер Fast Ethernet. Для связи узлов используется 24-портовый коммутатор Baynetworks 450T с одним модулем расширения. Установленное программное обеспечение включает операционную систему RedHat Linux, компиляторы Fortran 90 и HPF от Portland Group, свободно распространяемую реализацию MPI - Message Passing Interface Chameleon (MPICH) и систему поддержки очередей DQS.

В работе, представленной на 38-й конференции Aerospace Science Meeting and Exhibit, Лонг описывает параллельную версию расчетной программы с автоматическим распределением вычислительной нагрузки, используемой для предсказания уровня шума от вертолетов в различных точках. Для сравнения данная расчетная программа была запущена на трех различных 48-процессорных компьютерах для расчета шума в 512 точках. На системе Cray T3E расчет занял 177 секунд, на системе SGI Origin2000 - 95 секунд, а на кластере COCOA - 127 секунд. Таким образом, кластеры являются очень эффективной вычислительной платформой для задач такого класса.

Преимущество кластерных систем перед суперкомпьютерами состоит еще и в том, что их владельцам не приходится делить процессорное время с другими пользователями, как в крупных суперкомпьютерных центрах. В частности, COCOA обеспечивает более 400 тысяч часов процессорного времени в год, тогда как в суперкомпьютерных центрах бывает трудно получить 50 тысяч часов.

Конечно, о полной эквивалентности этих систем говорить не приходится. Как известно, производительность систем с распределенной памятью очень сильно зависит от производительности коммутационной среды, которую можно охарактеризовать двумя параметрами: латентностью - временем задержки при посылке сообщения, и пропускной способностью - скоростью передачи информации. Например, для компьютера Cray T3D эти параметры составляют соответственно 1 мкс и 480 Мб/с, а для кластера, в котором в качестве коммутационной среды использована сеть Fast Ethernet, - 100 мкс и 10 Мб/с. Это отчасти объясняет очень высокую стоимость суперкомпьютеров. При таких параметрах, как у рассматриваемого кластера, найдется не так много задач, которые могут эффективно решаться на достаточно большом числе процессоров.

На основе вышеизложенного дадим определение: кластер - это связанный набор полноценных компьютеров, используемый в качестве единого вычислительного ресурса. В качестве узлов кластеров могут использоваться как одинаковые (гомогенные кластеры), так и разные (гетерогенные кластеры) вычислительные машины. По своей архитектуре кластерная вычислительная система является слабосвязанной. Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двухили четырехпроцессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные операционные системы Linux, FreeBSD, Solaris, Tru64 Unix, Windows NT.

В литературе отмечают четыре преимущества, достигаемые с помощью кластеризации вычислительной системы:

∙ абсолютная масштабируемость;

∙ наращиваемая масштабируемость;

∙ высокий коэффициент готовности;

∙ соотношение цена/производительность.

Поясним каждую из перечисленных выше особенностей кластерной вычислительной системы.

Свойство абсолютной масштабируемости означает, что возможно создание больших кластеров, превосходящих по вычислительной мощности даже самые производительные одиночные вычислительные машины. Кластер может содержать десятки узлов, каждый из которых представляет собой мультипроцессор.

Свойство наращиваемой масштабируемостиозначает, что кластер можно наращивать, добавляя новые узлы небольшими порциями. Таким образом, пользователь может начать с малой системы, расширяя ее по мере необходимости.

Поскольку каждый узел кластера - самостоятельная вычислительная машина или система, отказ одного из узлов не приводит к потере работоспособности кластера. Во многих системах отказоустойчивость автоматически поддерживается программным обеспечением.

И наконец, кластерные системы обеспечивают недостижимое для суперкомпьютеров соотношение цена/качество . Кластеры любой производительности можно создать, используя стандартные «строительные блоки», при этом стоимость кластера будет ниже, чем оди-

ночной вычислительной машины с эквивалентной вычислительной мощностью.

Таким образом, на аппаратном уровне кластер - совокупность независимых вычислительных систем, объединенных сетью. Решения могут быть простыми, основывающимися на аппаратуре Ethernet, или сложными с высокоскоростными сетями с пропускной способностью в сотни мегабайтов в секунду.

Неотъемлемая часть кластера - специализированное ПО, на которое возлагается задача поддержания вычислений при отказе одного или нескольких узлов. Такое ПО производит перераспределение вычислительной нагрузки при отказе одного или нескольких узлов кластера, а также восстановление вычислений при сбое в узле. Кроме того, при наличии в кластере совместно используемых дисков кластерное ПО поддерживает единую файловую систему.

Классификация архитектур кластерных систем

В литературе описываются различные способы классификации кластерных систем. Простейшая классификация основана на способе использования дисковых массивов: совместно либо раздельно.

На рис. 5.5.1 и5.5.2 приведены структуры кластеров из двух узлов, координация работы которых обеспечивается высокоскоростной линией, используемой для обмена сообщениями. Это может быть локальная сеть, применяемая также и не входящими в кластер компьютерами, либо выделенная линия. В случае выделенной линии один или несколько узлов кластера будут иметь выход на локальную или глобальную сеть, благодаря чему обеспечивается связь между серверным кластером и удаленными клиентскими системами.

Различие между представленными кластерами заключается в том, что в случае локальной сети узлы используют локальные дисковые массивы, а в случае выделенной линии узлы совместно используют один избыточный массив независимых жестких дисков или так называемый RAID (Redundant Array of Independent Disks). RAID состоит из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива могут обеспечиваться различные степени отказоустойчивости и быстродействия.

Процессор

Высокоскоростная

Процессор

магистраль

Устройство

ввода/вывода

Дисковый

Рис. 5.5.1. Конфигурация кластера без совместно используемых дисков

Дисковый

Устройство

Процессор

ввода/вывода

Процессор

Устройство

ввода/вывода

Дисковый

Высокоскоростная

Дисковый

магистраль

Рис. 5.5.2. Конфигурация кластера с совместно используемыми дисками

Рассмотрим наиболее распространенные типы дисковых масси-

RAID0 (striping - чередование) - дисковый массив из двух или более жестких дисков с отсутствием резервирования. Информация разбивается на блоки данных и записывается на оба (несколько) дисков одновременно. Достоинство - существенное повышение производительности. Недостаток - надежность RAID0 заведомо ниже надежности любого из дисков в отдельности и снижается с увеличением количества входящих в RAID0 дисков, так как отказ любого из дисков приводит к неработоспособности всего массива.

RAID1 (mirroring - зеркалирование) - массив, состоящий как минимум из двух дисков. Достоинствами являются приемлемая скорость записи и выигрыш в скорости чтения при распараллеливании запросов, а также высокая надежность: работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры: вновь восстанавливать избыточность. Для этого с любым уровнем RAID (кроме нулевого) рекомендуют использовать диски горячего резерва. Достоинство такого подхода - поддержание постоянной доступности. Недостаток заключается в том, что приходится оплачивать стоимость двух жестких дисков, получая полезный объем одного жесткого диска.

RAID10 - зеркалированный массив, данные в котором записываются последовательно на несколько дисков, как в RAID0. Эта архитектура представляет собой массив типа RAID0, сегментами которого вместо отдельных дисков являются массивы RAID1. Соответственно, массив этого уровня должен содержать как минимум четыре диска. RAID10 сочетает высокую отказоустойчивость и производительность.

Более полное представление о кластерных вычислительных системах дает классификация кластеров по используемым методам кластеризации, которые определяют основные функциональные особенности системы:

∙ кластеризация с пассивным резервированием;

∙ кластеризация с активным резервированием;

∙ самостоятельные серверы;

∙ серверы с подключением ко всем дискам;

∙ серверы с совместно используемыми дисками.

Кластеризация с резервированием - наиболее старый и универсальный метод. Один из серверов берет на себя всю вычислительную нагрузку, в то время как другой остается неактивным, но готовым принять вычисления при отказе основного сервера. Активный (или первичный) сервер периодически посылает резервному (вторичному) серверу тактирующее сообщение. При отсутствии тактирующих сообщений, что рассматривается как отказ первичного сервера, вторичный сервер берет управление на себя. Такой подход повышает коэффициент готовности, но не улучшает производительности. Более того, если единственный вид общения между узлами - обмен сообщениями, и если оба сервера кластера не используют диски совместно, то резервный сервер не имеет доступа к базам данных, управляемым первичным сервером.

Пассивное резервирование для кластеров нехарактерно. Термин «кластер» относят ко множеству взаимосвязанных узлов, активно участвующих в вычислительном процессе и совместно создающих иллюзию одной мощной вычислительной машины. К такой конфигурации обычно применяют понятие системы с активным вторичным сервером, и здесь выделяют три метода кластеризации: самостоятельные серверы, серверы без совместного использования дисков и серверы с совместным использованием дисков.

В первом методе каждый узел кластера рассматривается как самостоятельный сервер с собственными дисками, причем ни один из дисков в системе не является совместно используемым. Схема обеспечивает высокую производительность и высокий коэффициент готовности, однако требует специального ПО для планирования распределения запросов клиентов по серверам так, чтобы добиться сбалансированного и эффективного использования всех серверов. Необходимо, чтобы при отказе одного из узлов в процессе выполнения какого-либо приложения другой узел кластера мог перехватить и завершить это приложение. Для этого данные в системе должны постоянно копироваться, чтобы каждый сервер имел доступ ко всем наиболее свежим данным в системе. Из-за этих издержек высокий коэффициент готовности обеспечивается лишь за счет потери производительности.

Для сокращения коммуникационных издержек большинство кластеров в настоящее время состоят из серверов, подключенных к общим дискам, обычно представленных дисковым массивом RAID (см. рис. 5.5.2 ).

Один из вариантов такого подхода предполагает, что совместное использование дисков не применяется. Общие диски разбиваются на разделы, и каждому узлу кластера выделяется свой раздел. Если один из узлов отказывает, кластер может быть реконфигурирован так, что права доступа к его разделу общего диска передаются другому узлу.

При другом варианте множество серверов разделяют во времени доступ к общим дискам, так что любой узел имеет доступ ко всем разделам всех общих дисков. Такой подход требует наличия каких-либо средств блокировки, гарантирующих, что в любой момент времени доступ к данным будет иметь только один из серверов.

Кластеры обеспечивают высокий уровень доступности - в них отсутствуют единая операционная система и совместно используемая память, т. е. нет проблемы когерентности кэш-памяти. Кроме того, специальное ПО в каждом узле постоянно контролирует работоспособность всех остальных узлов. Этот контроль основан на периодической рассылке каждым узлом сигнала «Я еще бодрствую». Если сигнал от некоторого узла не поступает, то такой узел считается вышедшим из строя; ему не предоставляется возможность выполнять ввод/вывод, его диски и другие ресурсы (включая сетевые адреса) переназначаются другим узлам, а выполнявшиеся в нем программы перезапускаются в других узлах.

Производительность кластеров хорошо масштабируется при добавлении узлов. В кластере может выполняться несколько отдельных приложений, но для масштабирования отдельного приложения требуется, чтобы его части взаимодействовали путем обмена сообщениями. Однако нельзя не учитывать, что взаимодействия между узлами кластера занимают гораздо больше времени, чем в традиционных вычислительных системах. Возможность практически неограниченного наращивания числа узлов и отсутствие единой операционной системы делают кластерные архитектуры исключительно хорошо масштабируемыми. Успешно используются системы с сотнями и тысячами узлов.

При разработке кластеров можно выделить два подхода. Первый подход состоит в создании небольших кластерных систем. В кластер объединяются полнофункциональные компьютеры, которые продолжают работать как самостоятельные единицы, например, компьютеры учебного класса или рабочие станции лаборатории. Второй подход заключается в целенаправленном создании мощных вычислительных ресурсов. Системные блоки компьютеров компактно размещают-

ся в специальных стойках, а для управления системой и запуска задач выделяется один или несколько полнофункциональных компьютеров, называемых хост-компьютерами. В этом случае нет необходимости снабжать компьютеры вычислительных узлов графическими картами, мониторами, дисковыми накопителями и другим периферийным оборудованием, что значительно удешевляет стоимость системы.

Разработано множество технологий объединения компьютеров в кластер. Наиболее широко в данное время применяется технология Ethernet, что обусловлено простотой ее использования и низкой стоимостью коммуникационного оборудования. Однако за это приходится расплачиваться заведомо недостаточной скоростью обменов.

Разработчики пакета подпрограмм ScaLAPACK, предназначенного для решения задач линейной алгебры на многопроцессорных системах, в которых велика доля коммуникационных операций, формулируют требование к многопроцессорной системе следующим образом: «Скорость межпроцессорных обменов между двумя узлами, измеренная в МБ/с, должна быть не менее 1/10 пиковой производительности вычислительного узла, измеренной в MFLOPS».

Топологии кластеров

Рассмотрим топологии, характерные для так называемых «малых» кластеров, состоящих из двух - четырех узлов.

Топология кластерных пар используется при организации двухили четырехузловых кластеров (рис.5.5.3 ). Узлы группируются попарно, дисковые массивы присоединяются к обоим узлам, входящим в состав пары, причем каждый узел пары имеет доступ ко всем дисковым массивам данной пары. Один из узлов пары используется как резервный для другого.

Четырехузловая кластерная пара представляет собой простое расширение двухузловой топологии. Обе кластерные пары с точки зрения администрирования и настройки рассматриваются как единое целое.

Данная топология может быть применена для организации кластеров с высокой готовностью данных, но отказоустойчивость реализуется только в пределах пары, так как принадлежащие паре устройства хранения информации не имеют физического соединения с другой парой.

		Коммутатор



кластера	кластера		кластера	кластера


Дисковый	Дисковый		Дисковый	Дисковый

Рис. 5.5.3. Топология кластерных пар

Топология + 1 позволяет создавать кластеры из двух, трех и четырех узлов (рис.5.5.4 ). Каждый дисковый массив подключается только к двум узлам кластера. Дисковые массивы организованы по схеме RAID1 (mirroring). Один сервер имеет соединение со всеми дисковыми массивами и служит в качестве резервного для всех остальных (основных или активных) узлов. Резервный сервер может использоваться для обеспечения высокой степени готовности в паре с любым из активных узлов.

Топология рекомендуется для организации кластеров с высокой готовностью данных. В тех конфигурациях, где имеется возможность выделить один узел для резервирования, эта топология позволяет уменьшить нагрузку на активные узлы и гарантировать, что нагрузка вышедшего из строя узла будет воспроизведена на резервном узле без потери производительности. Отказоустойчивость обеспечивается между любым из основных узлов и резервным узлом. В то же время топология не позволяет реализовать глобальную отказоустойчивость, поскольку основные узлы кластера и их системы хранения информации не связаны друг с другом.

Топология × аналогично топологии + 1 позволяет создавать кластеры из двух, трех и четырех узлов, но в отличие от нее обладает большей гибкостью и масштабируемостью (рис.5.5.5 ).

		Коммутатор



кластера	кластера		кластера	кластера

		Коммутатор



кластера	кластера		кластера	кластера

Коммутатор


Дисковый	Дисковый	Дисковый

Рис. 5.5.5. Топология ×

Только в этой топологии все узлы кластера имеют доступ ко всем дисковым массивам, которые, в свою очередь, строятся по схеме RAID1 (mirroring). Масштабируемость топологии проявляется в простоте добавления к кластеру дополнительных узлов и дисковых массивов без изменения соединений в системе.

кластера

Дисковый

Рис. 5.5.6. Топология с полностью раздельным доступом

Топология с полностью раздельным доступом допускает соединение каждого дискового массива только с одним узлом кластера (рис. 5.5.6 ). Рекомендуется лишь для тех приложений, для которых характерна архитектура полностью раздельного доступа.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение кластерной вычислительной системы.

2. Назовите основные достоинства и недостатки кластерных вычислительных систем.

3. Какие классификации кластерных вычислительных систем вы

4. Какие топологии кластерных систем вам известны? Назовите их достоинства и недостатки.

Литература

1. Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем / А.В. Богданов, В.В. Корхов, В.В. Мареев, Е.Н. Станкова . - М.: ИНТУИТ.РУ, 2004. - 176 с.

2. Микропроцессорные системы: учеб. пособие для вузов /

Е.К. Александров, Р.И. Грушвицкий, М.С. Куприянов и др.; под ред. Д.В. Пузанкова. - СПб.: Политехника, 2002. - 935 с.