计算机集群

计算机集群简称集群是一种计算机系统，它通过一组松散集成的计算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。在某种意义上，他们可以被看作是一台计算机。集群系统中的单个计算机通常称为节点，通常通过局域网连接，但也有其它的可能连接方式。集群计算机通常用来改进单个计算机的计算速度和/或可靠性。一般情况下集群计算机比单个计算机，比如工作站或超级计算机性能价格比要高得多。

或者说：

集群，是一组独立的计算机系统构成一个松耦合的多处理器系统，它们之间通过网络实现进程间的通信。应用程序可以通过网络共享内存进行消息传送，实现分布式计算机。集群的工作方式类似于人们之间的协同工作。

　Vs-nat集群是一种最简单的集群。他的结构类似于linux透明代理服务器。

架设基于Linux(2.6内核)的服务器集群

　　这是从网络上下载的一幅图，这是一种典型的nat结构。可以用此种结构作简单测试。上图的LVS标识是一台linux主机，它负责均衡流量。通常称它为linux虚拟服务器。RS1标识和RS2标识是实际的服务器。虚拟服务器不处理服务请求，所有的请求都由实际服务器处理。上图的nat结构非常简单，可以根据实际情况修改网络结构。

集群分为同构与异构两种，它们的区别在于：组成集群系统的计算机之间的体系结构是否相同。集群计算机按功能和结构可以分成以下几类:

集群分类

高可用性集群 High-availability (HA) clusters
负载均衡集群 Load balancing clusters
高性能计算集群 High-performance (HPC) clusters
网格计算 Grid computing

高可用性集群

一般是指当集群中有某个节点失效的情况下，其上的任务会自动转移到其他正常的节点上。还指可以将集群中的某节点进行离线维护再上线，该过程并不影响整个集群的运行。

负载均衡集群

负载均衡集群运行时，一般通过一个或者多个前端负载均衡器，将工作负载分发到后端的一组服务器上，从而达到整个系统的高性能和高可用性。这样的计算机集群有时也被称为服务器群（Server Farm）。一般高可用性集群和负载均衡集群会使用类似的技术，或同时具有高可用性与负载均衡的特点。

Linux虚拟服务器（LVS）项目在Linux操作系统上提供了最常用的负载均衡软件。

在现实的应用中，LVS得到了大量的部署，请参考http://www.linuxvirtualserver.org/deployment.html，

关于Linux LVS的工作原理和更详细的信息，请参考http://www.linuxvirtualserver.org

或者说：

即把负载压力根据某种算法合理分配到集群中的每一台计算机上，以减轻主服务器的压力，降低对主服务器的硬件和软件要求。

基于Linux的集群解决方案可谓百花齐放，具体请参见Linux 集群系统大比拼。在实际应用中，最常见的情况是利用集群解决负载平衡问题，比如用于提供WWW服务。在这里主要展示如何使用LVS(Linux Virtial Server)来实现实用的WWW负载平衡集群系统。

高性能计算集群

高性能计算集群采用将计算任务分配到集群的不同计算节点而提高计算能力，因而主要应用在科学计算领域。比较流行的HPC采用Linux操作系统和其它一些免费软件来完成并行运算。这一集群配置通常被称为Beowulf集群。这类集群通常运行特定的程序以发挥HPC cluster的并行能力。这类程序一般应用特定的运行库, 比如专为科学计算设计的MPI库。

HPC集群特别适合于在计算中各计算节点之间发生大量数据通讯的计算作业，比如一个节点的中间结果或影响到其它节点计算结果的情况。

或者说：

即充分利用集群中的每一台计算机的资源，实现复杂运算的并行处理，通常用于科学计算领域，比如基因分析，化学分析等。

网格计算

网格计算或网格集群是一种与集群计算非常相关的技术。网格与传统集群的主要差别是网格是连接一组相关并不信任的计算机，它的运作更像一个计算公共设施而不是一个独立的计算机。还有，网格通常比集群支持更多不同类型的计算机集合。

网格计算是针对有许多独立作业的工作任务作优化，在计算过程中作业间无需共享数据。网格主要服务于管理在独立执行工作的计算机间的作业分配。资源如存储可以被所有结点共享，但作业的中间结果不会影响在其他网格结点上作业的进展。

集群技术特点

1、是通过多台计算机完成同一个工作。达到更高的效率。

2、是两机或多机内容、工作过程等完全一样。如果一台死机，另一台可以起作用。

集群软件

Sun Grid Engine
SLURM (天河一号的Job Scheduler)
JBoss Application Server
Lander Vault
Solaris Cluster
Oracle Real Application Cluster RAC

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三 LVS配置实例

通过Linux LVS，实现WWW，Telnet服务的负载平衡。这里实现Telnet集群服务仅为了测试上的方便。

LVS有三种负载平衡方式，NAT（Network Address Translation），DR（Direct Routing），IP Tunneling。其中，最为常用的是DR方式，因此这里只说明DR(Direct Routing)方式的LVS负载平衡。为测试方便，4台机器处于同一网段内，通过一交换机或者集线器相连。实际的应用中，最好能将虚拟服务器vs1和真实服务器rs1, rs2置于于不同的网段上，即提高了性能，也加强了整个集群系统的安全性。

服务器的软硬件配置

首先说明，虽然本文的测试环境中用的是3台相同配置的服务器，但LVS并不要求集群中的服务器规格划一，相反，可以根据服务器的不同配置和负载情况，调整负载分配策略，充分利用集群环境中的每一台服务器。

这3台服务器中，vs1作为虚拟服务器（即负载平衡服务器），负责将用户的访问请求转发到集群内部的rs1,rs2，然后由rs1,rs2分别处理。client为客户端测试机器，可以为任意操作系统。 4台服务器的操作系统和网络配置分别为：

vs1: RedHat 6.2, Kernel 2.2.19 
vs1: eth0 192.168.0.1 
vs1: eth0:101 192.168.0.101 
rs1: RedHat 6.2, Kernel 2.2.14 
rs1: eth0 192.168.0.3 
rs1: dummy0 192.168.0.101 
rs2: RedHat 6.2, Kernel 2.2.14 
rs2: eth0 192.168.0.4 
rs2: dummy0 192.168.0.101 
client: Windows 2000 
client: eth0 192.168.0.200

其中，192.168.0.101是允许用户访问的IP。

虚拟服务器的集群配置

大部分的集群配置工作都在虚拟服务器vs1上面，需要下面的几个步骤：

重新编译内核。

首先，下载最新的Linux内核，版本号为2.2.19，下载地址为：http://www.kernel.org/，解压缩后置于/usr/src/linux目录下。

其次需要下载LVS的内核补丁，地址为：http://www.linuxvirtualserver.org/software/ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz。这里注意，如果你用的Linux内核不是2.2.19版本的，请下载相应版本的LVS内核补丁。将ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz解压缩后置于/usr/src/linux目录下。

然后，对内核打补丁，如下操作：

[root@vs2 /root]# cd /usr/src/linux 
[root@vs2 linux]# patch -p1 < ipvs-1.0.6-2.2.19/ipvs-1.0.6-2.2.19. 
patch

下面就是重新配置和编译Linux的内核。特别注意以下选项：

1 Code maturity level options---> 
* [*]Prompt for development and/or incomplete code/drivers 
2 Networking部分： 
[*] Kernel/User netlink socket 
[*] Routing messages 
<*> Netlink device emulation 
* [*] Network firewalls 
[*] Socket Filtering 
<*> Unix domain sockets 
* [*] TCP/IP networking 
[*] IP: multicasting 
[*] IP: advanced router 
[ ] IP: policy routing 
[ ] IP: equal cost multipath 
[ ] IP: use TOS value as routing key 
[ ] IP: verbose route monitoring 
[ ] IP: large routing tables 
[ ] IP: kernel level autoconfiguration 
* [*] IP: firewalling 
[ ] IP: firewall packet netlink device 
* [*] IP: transparent proxy support 
* [*] IP: masquerading 
--- Protocol-specific masquerading support will be built as modules. 
* [*] IP: ICMP masquerading 
--- Protocol-specific masquerading support will be built as modules. 
* [*] IP: masquerading special modules support 
* IP: ipautofw masq support (EXPERIMENTAL)(NEW) 
* IP: ipportfw masq support (EXPERIMENTAL)(NEW) 
* IP: ip fwmark masq-forwarding support (EXPERIMENTAL)(NEW) 
* [*] IP: masquerading virtual server support (EXPERIMENTAL)(NEW) 
[*] IP Virtual Server debugging (NEW) <--最好选择此项，以便观察LVS的调试信息 
* (12) IP masquerading VS table size (the Nth power of 2) (NEW) 
* IPVS: round-robin scheduling (NEW) 
* IPVS: weighted round-robin scheduling (NEW) 
* IPVS: least-connection scheduling (NEW) 
* IPVS: weighted least-connection scheduling (NEW) 
* IPVS: locality-based least-connection scheduling (NEW) 
* IPVS: locality-based least-connection with replication scheduling 
(NEW) 
* [*] IP: optimize as router not host 
* IP: tunneling 
IP: GRE tunnels over IP 
[*] IP: broadcast GRE over IP 
[*] IP: multicast routing 
[*] IP: PIM-SM version 1 support 
[*] IP: PIM-SM version 2 support 
* [*] IP: aliasing support 
[ ] IP: ARP daemon support (EXPERIMENTAL) 
* [*] IP: TCP syncookie support (not enabled per default) 
--- (it is safe to leave these untouched) 
< > IP: Reverse ARP 
[*] IP: Allow large windows (not recommended if <16Mb of memory) 
< > The IPv6 protocol (EXPERIMENTAL)

面，带*号的为必选项。然后就是常规的编译内核过程，不再赘述，请参考编译Linux教程。

在这里要注意一点：如果你使用的是RedHat自带的内核或者从RedHat下载的内核版本，已经预先打好了LVS的补丁。这可以通过查看/usr/src/linux/net/目录下有没有几个ipvs开头的文件来判断：如果有，则说明已经打过补丁。

编写LVS配置文件，实例中的配置文件如下：

#lvs_dr.conf (C) Joseph Mack mack@ncifcrf.gov 
LVS_TYPE=VS_DR 
INITIAL_STATE=on 
VIP=eth0:101 192.168.0.101 255.255.255.0 192.168.0.0 
DIRECTOR_INSIDEIP=eth0 192.168.0.1 192.168.0.0 255.255.255.0 192.168.0. 255 
SERVICE=t telnet rr rs1:telnet rs2:telnet 
SERVICE=t www rr rs1:www rs2:www 
SERVER_VIP_DEVICE=dummy0 
SERVER_NET_DEVICE=eth0 
#----------end lvs_dr.conf------------------------------------

将该文件置于/etc/lvs目录下。

使用LVS的配置脚本产生lvs.conf文件。该配置脚本可以从http://www.linuxvirtualserver.org/Joseph.Mack/configure-lvs_0.8.tar.gz 单独下载，在ipvs-1.0.6-2.2.19.tar.gz包中也有包含脚本configure的使用方法：

[root@vs2 lvs]# configure lvs.conf

这样会产生几个配置文件，这里我们只使用其中的rc.lvs_dr文件。修改/etc/rc.d/init.d/rc.local，增加如下几行：

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_always_defrag 
# 显示最多调试信息 
echo 10 > /proc/sys/net/ipv4/vs/debug_level

配置NFS服务。这一步仅仅是为了方便管理，不是必须的步骤。假设配置文件lvs.conf文件放在/etc/lvs目录下，则/etc/exports文件的内容为：

/etc/lvs ro(rs1,rs2)

然后使用exportfs命令输出这个目录:

[root@vs2 lvs]# exportfs

如果遇到什么麻烦，可以尝试：

[root@vs2 lvs]# /etc/rc.d/init.d/nfs restart 
[root@vs2 lvs]# exportfs

这样，各个real server可以通过NFS获得rc.lvs_dr文件，方便了集群的配置:你每次修改lvs.conf中的配置选项，都可以即可反映在rs1,rs2的相应目录里。修改/etc/syslogd.conf，增加如下一行： kern.* /var/log/kernel_log。这样，LVS的一些调试信息就会写入/var/log/kernel_log文件中。

Real Server的配置

Real Server的配置相对简单，主要是是以下几点：

配置telnet和WWW服务。telnet服务没有需要特别注意的事项，但是对于www服务，需要修改httpd.conf文件，使得 apache在虚拟服务器的ip地址上监听，如下所示：

Listen 192.168.0.101:80

关闭Real Server上dummy0的 arp请求响应能力。这是必须的，具体原因请参见 ARP problem in LVS/TUN and LVS/DR关闭dummy0的arp响应的方式有多种，比较简单地方法是，修改/etc/rc.d/rc.local文件，增加如下几行：

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/hidden 
ifconfig dummy0 up 
ifconfig dummy0 192.168.0.101 netmask 255.255.255.0 broadcast 192.168. 0.0 up 
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/dummy0/hidden 
再次修改/etc/rc.d/rc.local，增加如下一行：（可以和步骤2合并） 
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

四 LVS的测试

好了，经过了上面的配置步骤，现在可以测试LVS了，步骤如下：

分别在vs1，rs1，rs2上运行/etc/lvs/rc.lvs_dr。注意，rs1,rs2上面的/etc/lvs目录是vs2输出的。如果您的NFS配置没有成功，也可以把vs1上/etc/lvs/rc.lvs_dr复制到rs1,rs2上，然后分别运行。确保rs1,rs2上面的apache已经启动并且允许telnet。

然后从client运行telnet 192.168.0.101，如果登录后看到如下输出就说明集群已经开始工作了。（假设以guest用户身份登录）

[guest@rs1 guest]$-----------说明已经登录到服务器rs1上。

再开启一个telnet窗口，登录后会发现系统提示变为：

[guest@rs2 guest]$-----------说明已经登录到服务器rs2上。

然后在vs2上运行如下命令：

[root@vs2 /root]ipvsadm

运行结果应该为：

IP Virtual Server version 1.0.6 (size=4096) 
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags 
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn 
TCP 192.168.0.101:telnet rr 
-> rs2:telnet Route 1 1 0 
-> rs1:telnet Route 1 1 0 
TCP 192.168.0.101:www rr 
-> rs2:www Route 1 0 0 
-> rs1:www Route 1 0 0

至此已经验证telnet的LVS正常。然后测试一下WWW是否正常：用你的浏览器查看http://192.168.0.101/是否有什么变化？为了更明确的区别响应来自那个Real Server，可以在rs1,rs2上面分别放置如下的测试页面(test.html)：

我是real server #1 or #2

然后刷新几次页面（http://192.168.0.101/test.html），如果你看到“我是real server #1”和“我是real server #2”交替出现，说明www的LVS系统已经正常工作了。

但是由于Internet Explore 或者Netscape本身的缓存机制，你也许总是只能看到其中的一个。不过通过ipvsadm还是可以看出，页面请求已经分配到两个Real Server上了，如下所示：

IP Virtual Server version 1.0.6 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port       Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP 192.168.0.101:telnet rr
-> rs2:telnet Route 1 0 0
-> rs1:telnet Route 1 0 0
TCP 192.168.0.101:www rr
-> rs2:www Route 1 0 5
-> rs1:www Route 1 0 4

或者，可以采用linux的lynx作为测试客户端，效果更好一些。如下运行命令：

[root@client /root]while true; do lynx -dump 
http://10.64.1.56/test.html; sleep 1; done

这样，每隔1秒钟“我是realserver #1”和“我是realserver #2”就交替出现一次，清楚地表明响应分别来自两个不同的Real Server。