What is linux clusters

Linux Cluster

A Linux cluster is a connected array of Linux computers or nodes that work together and can be viewed and managed as a single system. Nodes are usually connected by fast local area networks, with each node running its own instance of Linux. Nodes may be physical or virtual machines, and they may be separated geographically. Each node includes storage capacity, processing power and I/O (input/output) bandwidth. Multiple redundant nodes of Linux servers may be connected as a cluster for high availability (HA) in a network or data center, where each node is capable of failure detection and recovery.

IT organizations use Linux clusters to reduce downtime and deliver high availability of IT services and mission-critical workloads. The redundancy of cluster components eliminates single points of failure. Linux clusters may be connected nodes of servers, storage devices or virtualized containers. A server cluster is a group of linked servers that work together to improve system performance, load balancing and service availability. If a server fails, other servers in the cluster can take over the functions and workloads of the failed server.

Compared to a single computer, a Linux cluster can provide faster processing speed, larger storage capacity, better data integrity, greater reliability and wider availability of resources. Clusters are usually dedicated to specific functions, such as load balancing, high availability, high performance, storage or large-scale processing. Compared to a mainframe computer, the amount of power and processing speed produced by a Linux cluster is more cost effective. The networked nodes in a cluster also create an efficient, distributed infrastructure that prevents bottlenecks, thus improving performance. SUSE Linux High Availability Extension provides open source HA clustering that can be deployed in physical or virtual environments.

Источник

Кластеры в Linux

Тема данной статьи — параллельные вычисления в Linux. В этой статье рассмотрены общие вопросы по организации кластеров, кластерное программное обеспечение, в частности PVM. В конце статьи вы найдете ссылки на дополнительную литературу по этому вопросу.

Общие сведения о кластерах

Сначала нужно вообще разобраться что же такое кластер. Как правило, кластер состоит из узлов (отдельных компьютеров) и объединяющей их сети. Для построения сети обычно используется технология Fast Ethernet (100Mbit/sec), но в простейшем случае (например, создание кластера в домашних условиях или в демонстративных целях) подойдет и один сегмент Ethernet на 10Mbit/sec.

Обычно кластеры используются научно-исследовательскими организациями для моделирования различного рода задач или проведения сложных расчетов. Цена суперкомпьютеров является недоступной большинства для организаций такого рода, поэтому появилась идея собрать свой «суперкомпьютер» из «подручного материала» — рабочих станций на базе процессоров Intel. Производительность процессоров производства Intel сейчас практически достигла уровня процессоров архитектуры RISC (процессоры Intel включая Pentium III используют архитектуру CISC, а P4 — VLIW).

Собираем свой кластер

Конфигурация узлов кластера зависит от задач, которые они будут выполнять. Если ваша цель — само создание кластера без решения каких-нибудь важных задач, подойдут и старенькие машины с 486-ым процессором (желательно DX2 или DX4). Для решения относительно важных задач подойдут компьютеры с процессорами Pentium II от 400Mhz или Pentium III (от 600Mhz).

Обратите внимание на объем оперативной памяти. В первом случае (486/демонстрация работы кластера) достаточным будет 16-32MB (желательно). Во втором — минимум 64Мб, рекомендуется 128Мб ОЗУ.
При использовании многопроцессорных машин объем ОЗУ желательно увеличить до уровня Nx64Mb, где N — это количество процессоров, то есть по 64Мб на каждый процессор. Обычно используются двухпроцессорные машины — в этом случае минимальный объем ОЗУ будет равен 126Мб, а рекомендуемый — 128Мб.

Один компьютер (узел) будет центральным. Желательно, чтобы он был более мощным, чем остальные узлы кластера. На нем нужно установить более мощный процессор, в два раза большим объем оперативной памяти, чем на остальных узлах (минимум 128Мб). Желательно на центральном компьютере использовать SCSI-диск, но подойдет и ATA133 / 7200 rpm. Лучше поставить быстрый SCSI, а на узлах вообще отказаться от жесткого диска — так будет дешевле. Все эти требования — желательные, но не обязательные.

Если вы откажетесь от использования жестких дисков на узлах кластера, операционная система будет загружаться по сети, но об этом мы поговорим немного позже. В этом случае вы получите лишь выигрыш во времени: операционную систему и программное обеспечение нужно будет настраивать только один раз.
Вполне возможен отказ и от видеоплат при сборке узлов кластера (на центральном узле видеоплата все-таки будет нужна).

Теперь поговорим о сети. Как я уже писал, желательно использовать Fast Ethernet. Если количество узлов довольно велико (от 20), для уменьшения коллизий необходимо разбить на отдельные сегменты или использовать для их соединения коммутатор (swith), а не повторитель (hub).
В некоторых случаях имеет смысл разбить сеть на сегменты даже при небольшом числе узлов (от 8), например, если вы используете Ethernet (10Mbit/sec).

При использовании Ethernet отказываться от жестких дисков не рекомендуется: кластер будет работать ужасно медленно, будет возникать огромное число коллизий.
Одним из самых эффективных решений для связи узлов кластера является использование 1.28GBit-ных коммутаторов Myrinet. Также можно использовать технологию Gigabit Ethernet.

Программное обеспечение

В качестве операционных систем можно использовать:

1. Linux
2. FreeBSD
3. Windows NT

Предпочтительнее использовать любую Unix-систему, так как именно эти операционные системы наиболее эффективнее используют сетевые ресурсы. Оптимальным решением является операционная система Linux — она бесплатна и довольно проста в настройке.

Можно использовать любую Linux-систему с версией ядра 2.2.* и выше. Я бы порекомендовал использовать шестую версию Linux RedHat, так как она нетребовательна к системным ресурсам (минимальная конфигурация — 486 33Mhz/8MB RAM/120MB HDD) и в состав дистрибутива входит относительно новое программное обеспечение по сравнению с версией 5.2, которую также можно использовать для построения кластера. Версия ядра, используемая этим дистрибутивом (RH 6), 2.2.5-15.

После установки и настройки (настройки сети) операционной системы нужно установить специальные компиляторы. Дело в том, что бесплатно распространяемые компиляторы gcc/g77/egcs не обеспечивают необходимого уровня оптимизации программ для процессоров Intel (PII, PIII). Рекомендуется использовать коммерческие компиляторы, например, входящие в проект PGI Workstation.
При использовании Windows NT как операционной системы кластера можно также выбрать компилятор компании Intel, оптимизированный для платформы Intel. Ознакомиться с этим компилятором вы можете на сайте http://developer.intel.com/ .

В первом и во втором случае доступны тестовые версии компиляторов. Shareware-версию пакета PGI вы можете скачать на сайте PGI Group — http://www.pgroup.com/register_home.html . А тестовую (14 дней) версию компилятора Intel можно скачать на сайте Intel.

После установки компиляторов нужно установить среду распределения задач. В этой статье я опишу работу со средой PVM, хотя доступны и другие средства — MPI , Condor .

MPI CHameleon представляет собой реализацию промышленного стандарта MPI 1.1. MPI CHameleon позволяет программам выполнятся внутри локальной системы или на сетевом кластере с использованием TCP-соединений.
Среда Condor обеспечивает равномерную нагрузку на кластер путем миграции процессов между несколькими машинами.

Я выбрал более простой вариант — PVM (Parallel Virtual Machine). PVM обеспечивает условия для выполнения одной (или нескольких — в большинстве случаем) задач на нескольких машинах. Другими словами PVM просто распределяет процессы на узлах кластера также как планировщик заданий операционной системы распределяет процессорное время для выполнения нескольких задач.
PVM может работать на следующих архитектурах:

Это дадеко не все архитектуры, которые поддерживает PVM. Список всех доступных архитектур вы найдете в документации pvm. Интересующие нас (точнее, доступные нам) архитектуры выделены жирным шрифтом.

Работа с «параллельной машиной» довольно проста. Нужно установить ее на всех машинах кластера. Мой «кластер» состоял из двух машин класса Pentium (100 и 150Mhz) с объемом ОЗУ по 32Мб и одной (центральной) Celeron 433 (128Mb). От сетевой загрузки я отказался из-за использование 10Mbit-го Ethernet’a. К тому же на всех узлах уже были установлены жесткие диски. На центральном была установлена ОС Linux Mandrake 7, а на вспомогательных машинах Linux RedHat 6.0 Hedwig. Я не устанавливал каких-нибудь коммерческих комплиляторов, а использовал те, которые входят в состав дистрибутива.
Кстати, PVM может работать и на платформе Windows 9x, но вот этого не рекомендую делать. Ради интереса я установил PVM для Windows 98. Скорость работы даже тестовых приложений (не говоря уже о реальных расчетах) была значительно ниже. То, что кластер работает медленнее было видно даже «невооруженным глазом». Скорее всего, это объясняется неэффективной работой Windows с сетью. К тому же, довольно часто весь кластер «зависал» даже при выполнении тестовых задач, которые входят в состав пакета PVM.

Использование PVM

PVM компилируется с помощью привычной тройки команды:
configure; make; make install

Перед запуском make установите переменную окружения PVM_ROOT. В этой переменной окружения нужно указать каталог, в котором находятся каталоги PVM (например, $HOME/pvm, если вы распаковали архив в свой домашний каталог). Еще одной важной переменной окружения является PVM_ARCH. В ней содержится название архитектуры операционной системы. Данная переменная должна устанавливаться автоматически, но если этого не произошло (как в моем случае), нужно установить архитектуру самостоятельно. При использовании Linux эта переменная должна содержать значение LINUX.

Как я уже писал, нужно установить PVM на всех узлах кластера. Вся параллельная машина состоит из демона pvmd и консоли pvm. Назначение опций запуска демона можно узнать, выполнив команду man pvmd. На центральной машине нужно запустить демон pvmd и выполнить команду:
pvm
Этим мы запустим консоль, с помощью которой мы будем управлять всем кластером.

После запуска консоли вы должны увидеть приглашение, которое свидетельствует о том, что кластер готов к работе:
pvm >
Введите команду conf для печати конфигурации кластера. Вы должны увидеть примерно это:
Листинг 1.
Из листинга 1 видно, что сейчас наш кластер состоит из одной машины — центрального узла, который работает под управлением Linux. Теперь самое время добавить в наш кластер еще два узла. Добавление узлов осуществляется с помощью команды:
add hostname
После успешного добавления узла в кластер он должен быть отображен в списке узлов кластера. Теперь уже можно запускать программы, которые поддерживают PVM. Примеры таких программ вы можете найти в каталоге $PVM_ROOT/bin/$PVM_ARCH/. В нашем случае это будет каталог /root/pvm/bin/LINUX (я установил pvm в каталог /root). Для начала запустим самую простую программу — hello. Прежде чем запустить ее, нужно сделать несколько замечаний:

1. Вы не можете запускать процессы прямо из консоли pvm. Консоль служит лишь для управления кластером.
2. Запуск задачи осуществляется обычным способом — из консоли операционной системы. Но «распараллеливаться» будут лишь те процессы, которые поддерживают pvm. С помощью команды spawn также можно породить задачу (см. ниже)

При запуске hello вы должны увидеть сообщение
hello, world from hostname ,
где hostname — это узел кластера. Другими словами все узлы кластера должны поприветствовать вас.

Более интересной является программа gexample. После запуска нужно ввести два аргумента: n и число процессоров. Не вдаваясь в математические подробности, она рассчитывает сумму от 1 до n и факториал числа n. Второй аргумент определяет количество процессоров, которые будут задействованы в вычислении. В нашем случае второй аргумент равен трем. Просмотреть список всех задач можно с помощью команды ps -a. Эту команду нужно вводить в консоли pvm, а не в консоли операционной системы! Породить задачу можно также с помощью команды spawn, которая подробно рассмотрена ниже. Назначение всех команд консоли pvm представлено в таблице 1.

Таблица 1.

Команда	Описание
add hostname	Добавляет узел в кластер
alias	Определяет псевдоним для команды
conf	Выводит текущую конфигурацию кластера
delete hostname	Удаляет узел из кластера
halt	Останавливает кластер (точнее завершает процесс pvmd — узлы при этом не выключаются, а продолжают работать)
help [command]	Выводит список всех команд или краткую справку по указанной команде
id	Выводит идентификатор процесса pvm (консоли)
jobs	Выводит список выполняемых задач
kill TID (task id)	«Убивает» задачу
mstat host, tid	Показывает состояние узлов
ps -a	Выводит список всех задач параллельной машины
pstat task-tid	Показывает состояние задачи
quit	Выход из консоли pvm
reset	Сброс — завершаются все задачи
setenv	Отображает или устанавливает переменные окружения
sig signum task	Посылает сигнал задаче
spawn [opt] a.out	Порождает задачу. Об этой команде мы поговорим подробнее после этой таблицы.
trace	Устанавливает/отображает маску трассировки событий. Более подробное объяснение вы найдете в документации.
unalias	Удаляет ранее созданный псевдоним команды
version	Отображает версию библиотеки libpvm

В таблице 1 я описал не все команды консоли pvm, обо всех остальных мы можете прочитать, введя команду man pvm.
Теперь рассмотрим некоторые команды подробнее. Начнем с самой простой — alias. С ее помощью можно определить псевдонимы для часто используемых команд, например
alias ? help
Теперь вместо команды help вы можете просто вводить ?

Команда id выводит идентификатор консоли pvm:

Команда mstat отображает состояние узла, например:

Подобно привычной нам команде ps, команда консоли pvm ps -a также используется для отображения всех выполняемых параллельной машиной задач:

Команда pstat выводит состояние задачи:

Вот теперь мы подошли к одной из самых интересных команд — spawn. Данная команда порождает задачу. С ее помощью можно указать некоторые параметры задачи, например, узел, на котором она должна выполняться.
spawn [opt] a.out
a.out — любой исполнимый бинарный файл — программа, которая даже не поддерживает библиотеку libpvm. Для таких программ также можно указать, на какой машине она будет выполняться. В среде Windows параметр a.out — это exe или com — файл.
Можно указать такие параметры команды spawn:

Таблица 2.

Параметр	Описание
-(count)	Число задач. По умолчанию — 1.
-(host)	Определяет узел, на котором будет выполняться задача
-(ARCH)	Задает архитектуру узлов, на которых будет выполняться задача.
-?	Включает отладку (debugging)
->	Перенаправляет стандартный вывод задачи на консоль
->file (*)	Перенаправляет стандартный вывод задачи в файл
->>file (*)	Дописывает стандартный вывод задачи в файл

(*) после знака > не должно быть пробела!

На этом я завершаю эту небольшую статью о Linux-кластерах. В следующих статьях мы поговорим о других кластерных проектах, в которых используется операционная система Linux. Список дополнительной литературы вы найдете ниже. Если что-нибудь непонятно, пишите — с удовольствием выслушаю ваши вопросы и комментарии, да и команду man тоже никто не отменял.

Источник