集群和负载均衡的概念_科学计算集群的应用场合有哪些

一、集群和负载均衡的概念

（一）集群的概念
　　集群（Cluster）是由两台或多台节点机（服务器）构成的一种松散耦合的计算节点集合，为用户提供网络服务或应用程序(包括数据库、Web服务和文件服务等)的单一客户视图，同时提供接近容错机的故障恢复能力。集群系统一般通过两台或多台节点服务器系统通过相应的硬件及软件互连，每个群集节点都是运行其自己进程的独立服务器。这些进程可以彼此通信，对网络客户机来说就像是形成了一个单一系统，协同起来向用户提供应用程序、系统资源和数据。除了作为单一系统提供服务，集群系统还具有恢复服务器级故障的能力。集群系统还可通过在集群中继续增加服务器的方式，从内部增加服务器的处理能力，并通过系统级的冗余提供固有的可靠性和可用性。
（二）集群的分类
1、高性能计算科学集群：
　　以解决复杂的科学计算问题为目的的IA集群系统。是并行计算的基础，它可以不使用专门的由十至上万个独立处理器组成的并行超级计算机，而是采用通过高速连接来链接的一组1/2/4 CPU的IA服务器，并且在公共消息传递层上进行通信以运行并行应用程序。这样的计算集群，其处理能力与真正超级并行机相等，并且具有优良的性价比。
2、负载均衡集群：
　　负载均衡集群为企业需求提供更实用的系统。该系统使各节点的负载流量可以在服务器集群中尽可能平均合理地分摊处理。该负载需要均衡计算的应用程序处理端口负载或网络流量负载。这样的系统非常适合于运行同一组应用程序的大量用户。每个节点都可以处理一部分负载，并且可以在节点之间动态分配负载，以实现平衡。对于网络流量也如此。通常，网络服务器应用程序接受了大量入网流量，无法迅速处理，这就需要将流量发送给在其它节点。负载均衡算法还可以根据每个节点不同的可用资源或网络的特殊环境来进行优化。
3、高可用性集群：
　　为保证集群整体服务的高可用，考虑计算硬件和软件的容错性。如果高可用性群集中的某个节点发生了故障，那么将由另外的节点代替它。整个系统环境对于用户是一致的。
　　实际应用的集群系统中，这三种基本类型经常会发生混合与交杂。
（三）典型集群
科学计算集群：
1、Beowulf
当谈到 Linux 集群时，许多人的第一反映是 Beowulf。那是最著名的 Linux科学软件集群系统。实际上，它是一组适用于在 Linux 内核上运行的公共软件包的通称。其中包括流行的软件消息传递 API，如“消息传送接口”(MPI) 或“并行虚拟机”(PVM)，对 Linux 内核的修改，以允许结合几个以太网接口、高性能网络驱动器，对虚拟内存管理器的更改，以及分布式进程间通信 (DIPC) 服务。公共全局进程标识空间允许使用 DIPC 机制从任何节点访问任何进程。
2、MOSIX
Beowulf类似于给系统安装的一个支持集群的外挂软件，提供了应用级的集群能力。而MOSIX是彻底修改Linux的内核，从系统级提供了集群能力，它对应用而言是完全透明的，原有的应用程序，可以不经改动，就能正常运行在MOSIX系统之上。集群中的任何节点都可以自由地加入和移除，来接替其它节点的工作，或是扩充系统。MOSIX 使用自适应进程负载均衡和内存引导算法使整体性能最大化。应用程序进程可以在节点之间实现迁移，以利用最好的资源，这类似于对称多处理器系统可以在各个处理器之间切换应用程序。由于MOSIX通过修改内核来实现集群功能，所以存在兼容性问题，部分系统级应用程序将无法正常运行。
负载均衡/高可用性集群
3、LVS（Linux Virtual Server）
这是一个由国人主持的项目。
它是一个负载均衡/高可用性集群，主要针对大业务量的网络应用（如新闻服务、网上银行、电子商务等）。
LVS是建立在一个主控服务器(通常为双机)（director）及若干真实服务器（real-server）所组成的集群之上。real-server负责实际提供服务，主控服务器根据指定的调度算法对real-server进行控制。而集群的结构对于用户来说是透明的，客户端只与单个的IP（集群系统的虚拟IP）进行通信，也就是说从客户端的视角来看，这里只存在单个服务器。
N54537Real-server可以提供众多服务，如ftp, http, dns, telnet, nntp, smtp 等。主控服务器负责对Real-Server进行控制。客户端在向LVS发出服务请求时，Director会通过特定的调度算法来指定由某个Real-Server来应答请求，而客户端只与Load Balancer的IP（即虚拟IP，VIP）进行通信。
其他集群：
现在集群系统可谓五花八门，绝大部分的OS开发商，服务器开发商都提供了系统级的集群产品，最典型的是各类双机系统，还有各类科研院校提供的集群系统。以及各类软件开发商提供的应用级别的集群系统，如数据库集群，Application Server 集群，Web Server集群，邮件集群等等。
（四）负载均衡
1、概念
由于目前现有网络的各个核心部分随着业务量的提高，访问量和数据流量的快速增长，其处理能力和计算强度也相应地增大，使得单一的服务器设备根本无法承担。在此情况下，如果扔掉现有设备去做大量的硬件升级，这样将造成现有资源的浪费，而且如果再面临下一次业务量的提升时，这又将导致再一次硬件升级的高额成本投入，甚至性能再卓越的设备也不能满足当前业务量增长的需求。

针对此情况而衍生出来的一种廉价有效透明的方法以扩展现有网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性的技术就是负载均衡（Load Balance）。
2、特点和分类
负载均衡(Server Load Balance)一般用于提高服务器的整体处理能力，并提高可靠性，可用性，可维护性，最终目的是加快服务器的响应速度，从而提高用户的体验度。　　

负载均衡从结构上分为本地负载均衡(Local Server Load Balance)和地域负载均衡(Global Server Load Balance)(全局负载均衡)，一是指对本地的服务器群做负载均衡，另一是指对分别放置在不同的地理位置、有不同的网络及服务器群之间作负载均衡。　　

地域负载均衡有以下的特点：

（1）解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性

（2）对用户提供更好的访问质量

（3）提高服务器响应速度

（4）提高服务器及其他资源的利用效率

（5）避免了数据中心单点失效
3、负载均衡技术主要应用

（1）DNS负载均衡 最早的负载均衡技术是通过DNS来实现的，在DNS中为多个地址配置同一个名字，因而查询这个名字的客户机将得到其中一个地址，从而使得不同的客户访问不同的服务器，达到负载均衡的目的。DNS负载均衡是一种简单而有效的方法，但是它不能区分服务器的差异，也不能反映服务器的当前运行状态。

（2）代理服务器负载均衡 使用代理服务器，可以将请求转发给内部的服务器，使用这种加速模式显然可以提升静态网页的访问速度。然而，也可以考虑这样一种技术，使用代理服务器将请求均匀转发给多台服务器，从而达到负载均衡的目的。

（3）地址转换网关负载均衡 支持负载均衡的地址转换网关，可以将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址，对每次TCP连接请求动态使用其中一个内部地址，达到负载均衡的目的。

（4）协议内部支持负载均衡 除了这三种负载均衡方式之外，有的协议内部支持与负载均衡相关的功能，例如HTTP协议中的重定向能力等，HTTP运行于TCP连接的最高层。

（5）NAT负载均衡 NAT（Network Address Translation 网络地址转换）简单地说就是将一个IP地址转换为另一个IP地址，一般用于未经注册的内部地址与合法的、已获注册的Internet IP地址间进行转换。适用于解决Internet IP地址紧张、不想让网络外部知道内部网络结构等的场合下。

（6）反向代理负载均衡 普通代理方式是代理内部网络用户访问internet上服务器的连接请求，客户端必须指定代理服务器,并将本来要直接发送到internet上服务器的连接请求发送给代理服务器处理。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。反向代理负载均衡技术是把将来自internet上的连接请求以反向代理的方式动态地转发给内部网络上的多台服务器进行处理，从而达到负载均衡的目的。

（7）混合型负载均衡 在有些大型网络，由于多个服务器群内硬件设备、各自的规模、提供的服务等的差异，我们可以考虑给每个服务器群采用最合适的负载均衡方式，然后又在这多个服务器群间再一次负载均衡或群集起来以一个整体向外界提供服务（即把这多个服务器群当做一个新的服务器群），从而达到最佳的性能。我们将这种方式称之为混合型负载均衡。此种方式有时也用于单台均衡设备的性能不能满足大量连接请求的情况下。

二、web集群服务的负载均衡方案选择与实现

web应用服务器集群系统，是由一群同时运行同一个web应用的服务器组成的集群系统，在外界看来，就像是一个服务器一样。为了均衡集群服务器的负载，达到优化系统性能的目的，集群服务器将众多的访问请求，分散到系统中的不同节点进行处理。从而实现了更高的有效性和稳定性，而这也正是基于Web的企业应用所必须具备的特性。

高可靠性可以看作为系统的一种冗余设定。对于一个特定的请求，如果所申请的服务器不能进行处理的话，那么其他的服务器能不能对之进行有效的处理呢？对于一个高效的系统，如果一个Web服务器失败的话，其他的服务器可以马上取代它的位置，对所申请的请求进行处理，而且这一过程对用户来说，要尽可能的透明，使用户察觉不到！

稳定性决定了应用程序能否支持不断增长的用户请求数量，它是应用程序自身的一种能力。稳定性是影响系统性能的众多因素的一种有效的测量手段，包括机群系统所能支持的同时访问系统的最大用户数目以及处理一个请求所需要的时间。

在现有众多的均衡服务器负载的方法中，广泛研究并使用的是以下两个方法：

• DNS负载平衡的方法RR-DNS(Round-Robin Domain Name System)
• 负载均衡器

以下，我们将就这两种方法进行讨论。

DNS轮流排程 RR-DNS(Round-Robin Domain Name System)

域名服务器（Domain Name Server）中的数据文件将主机名字映射到其IP地址。当你在浏览器中键入一个URL时（例如： ），浏览器则将请求发送到DNS，要求其返回相应站点的IP地址，这被称为DNS查询。当浏览器获得该站点的IP地址后，便通过该IP地址连接到所要访问的站点，将页面展现在用户面前。

域名服务器（DNS）通常包含一个单一的IP地址与该IP地址所映射的站点的名称的列表。在我们上面所假象的例子中，  这个站点的映射IP地址为203.24.23.3。

为了利用DNS均衡服务器的负载，对于同一个站点来讲，在DNS服务器中同时拥有几个不同的IP地址。这几个IP地址代表集群中不同的机器，并在逻辑上映射到同一个站点名。通过我们的例子可以更好的理解这一点， 将通过下面的三个IP地址发布到一个集群中的三台机器上：

203.34.23.3

203.34.23.4

203.34.23.5

在本例中，DNS服务器中包含下面的映射表：

203.34.23.3

203.34.23.4

203.34.23.5

当第一个请求到达DNS服务器时，返回的是第一台机器的IP地址203.34.23.3；当第二个请求到达时，返回的是第二台机器的IP地址203.34.23.4，以此类推。当第四个请求到达时，第一台机器的IP地址将被再次返回，循环调用。

利用上述的DNS Round Robin技术，对于某一个站点的所有请求将被平均的分配到及群中的机器上。因此，在这种技术中，集群中的所有的节点对于网络来说都是可见的。

DNS 轮流排程的优势

   DNS Round Robin的最大的优点就是易于实现和代价低廉：

• 代价低，易于建立。 为了支持轮流排程，系统管理员只需要在DNS服务器上作一些改动，而且在许多比较新的版本的DNS服务器上已经增加了这种功能。对于Web应用来说，不需要对代码作任何的修改；事实上，Web应用本身并不会意识到负载均衡配置，即使在它面前。
• 简单. 不需要网络专家来对之进行设定，或在出现问题时对之进行维护。

DNS 轮流排程的缺点

    这种基于软件的负载均衡方法主要存在两处不足，一是不实时支持服务期间的关联，一是不具有高可靠性。

   •  不支持服务器间的一致性。服务器一致性是负载均衡系统所应具备的一种能力，通过它，系统可以根据会话信息是属于服务器端的，还是底层数据库级别的，继而将用户的请求导向相应的服务器。而DNS轮流排程则不具备这种智能化的特性。它是通过cookie、隐藏域、重写URL三种方法中的一种来进行相似的判断的。当用户通过上述基于文本标志的方法与服务器建立连接之后，其所有的后续访问均是连接到同一个服务器上。问题是，服务器的IP是被浏览器暂时存放在缓存中，一旦记录过期，则需要重新建立连接，那么同一个用户的请求很可能被不同的服务器进行处理，则先前的所有会话信息便会丢失。

• 不支持高可靠性。设想一个具有N个节点的集群。如果其中的一个节点毁坏，那么所有的访问该节点的请求将不会有所回应，这是任何人都不愿意看到的。比较先进的路由器可以通过每隔一定的时间间隔，对节点检查，如果有毁坏的节点，则将之从列表中去除的方法，解决这个问题。但是，由于在Internet上，ISPs将众多的DNS存放在缓存中，以节省访问时间，因此，DNS的更新就会变得非常缓慢，以至于有的用户可能会访问一些已经不存在的站点，或者一些新的站点得不到访问。所以，尽管DNS轮流排程在一定程度上解决了负载均衡问题，但这种状况的改变并不是十分乐观和有效的。

除了上面介绍的轮流排程方法外，还有三种DNS负载均衡处理分配方法，将这四种方法列出如下：

Ø           Round robin (RRS)： 将工作平均的分配到服务器 (用于实际服务主机性能一致)

Ø           Least-connections (LCS)： 向较少连接的服务器分配较多的工作(IPVS 表存储了所有的活动的连接。用于实际服务主机性能一致。)

Ø           Weighted round robin (WRRS)： 向较大容量的服务器分配较多的工作。可以根据负载信息动态的向上或向下调整。 (用于实际服务主机性能不一致时)

Ø           Weighted least-connections (WLC)： 考虑它们的容量向较少连接的服务器分配较多的工作。容量通过用户指定的砝码来说明，可以根据装载信息动态的向上或向下调整。(用于实际服务主机性能不一致时)

 

负载均衡器

负载均衡器通过虚拟IP地址方法，解决了轮流排程所面临的许多问题。使用了负载均衡器集群系统，在外部看来，像是具有一个IP地址的单一服务器一样，当然，这个IP地址是虚拟的，它映射了集群中的每一台机器的地址。所以，在某种程度上，负载均衡器是将整个集群的IP地址报漏给外部网络。

当请求到达负载均衡器时，它会重写该请求的头文件，并将之指定到集群中的机器上。如果某台机器被从集群中移除了，请求不会别发往已经不存在的服务器上，因为所有的机器表面上都具有同一个IP地址，即使集群中的某个节点被移除了，该地址也不会发生变化。而且，internet上缓存的DNS条目也不再是问题了。当返回一个应答时，客户端看到的只是从负载均衡器上所返回的结果。也就是说，客户端操作的对象是负载均衡器，对于其更后端的操作，对客户端来讲，是完全透明的。

负载均衡器的优点

    •  服务器一致性. 负载均衡器读取客户端发出的每一个请求中所包含的cookies或url解释。基于所读出的这些信息，负载均衡器就可以重写报头并将请求发往集群中合适的节点上，该节点维护着相应客户端请求的会话信息。在HTTP通信中，负载均衡器可以提供服务器一致性，但并不是通过一个安全的途径（例如：HTTPS）来提供这种服务。当消息被加密后（SSL），负载均衡器就不能读出隐藏在其中的会话信息。

 •  通过故障恢复机制获得高可靠性. 故障恢复发生在当集群中某个节点不能处理请求，需将请求重新导向到其他节点时。主要有两种故障恢复：

• 请求级故障恢复。当集群中的一个节点不能处理请求时（通常是由于down机），请求被发送到其他节点。当然，在导向到其他节点的同时，保存在原节点上的会话信息将会丢失。

• 透明会话故障恢复。当一个引用失败后，负载均衡器会将之发送到集群中其他的节点上，以完成操作，这一点对用户来说是透明的。由于透明会话故障恢复需要节点具备相应的操作信息，因此为了实现该功能，集群中的所有节点必须具有公共存储区域或通用数据库，存储会话信息数据，以提供每个节点在进行单独进程会话故障恢复时所需要的操作信息。

    •  统计计量。既然所有的Web应用请求都必须经过负载均衡系统，那么系统就可以确定活动会话的数量，在任何实例访问中的活动会话的数目，应答的次数，高峰负载次数，以及在高峰期和低谷期的会话的数目，还有其他更多的。所有的这些统计信息都可以被很好的用来调整整个系统的性能。

负载均衡器的缺点

     硬件路由的缺点在于费用、复杂性以及单点失败的。由于所有的请求均是通过一个单一的硬件负载均衡器来传递，因此，负载均衡器上的任何故障都将导致整个站点的崩溃。

HTTPS请求的负载均衡

     正如上面所提到的，很难在那些来自HTTPS的请求上进行负载均衡和会话信息维护处理。因为，这些请求中的信息已经被加密了。负载均衡器没有能力处理这类请求。不过，这里有两种方法可以解决这一问题：

• 代理网络服务器
• 硬件SSL解码器

     代理服务器位于服务器集群之前，首先由它接受所有的请求并对之进行解密，然后将这些处理后的请求根据头信息重新发往相应的节点上，这种方式不需要硬件上的支持，但会增加代理服务器的额外的负担。

     硬件SSL解码器，则是在请求到达负载均衡器之前，先经由它进行解密处理。这种方式比代理服务器的处理速度要快捷一些。但代价也高，而且实现比较复杂。