Linux集群技术研究：集群体系结构设计与特点

（一）集群体系结构的设计与特点

集群是一种并行处理系统，由很多连接在一起的独立的计算机组成，像一个整体的计算资源一样协同工作。

集群计算机的一些重要部件有：多个高性能计算机工作节点，可以是PC、工作站或SMP；良好的操作系统；高性能网络以及网络接口卡；快速通信协议和服务；集群中间件；并行编程环境和工具（可以是编译器、PVM和MPI，本书采用MPI编程环境）应用程序。

组成部件主要是根据具体的需求来确定的。但如果以参考模型的角度来看，对于理解各个部件所处的位置及其作用来说，建立层次结构描述有助于从整体了解集群的组成部分。

我们发现，集群的组成涵盖了软件到硬件的几乎每一个方面。如果把集群想象成类似OSI互联参考模型一样具有层次结构的话，那么从底层到顶层，覆盖了现有的硬件构造、网络设计、操作系统、中间件以及应用环境等所有层次的技术面。因此，在每一层选择什么样的技术就尤显重要。采用现有的成熟的产品技术，可以大大降低构造集群的技术和资金风险，而选择适当的层次和技术点作为突破，又往往是解决性能、安全或者其他特殊需求的关键。

（二）集群的典型体系结构

理想的集群支持各类的节点，可用的有工作站、PC、SMP服务器甚至超级计算机，节点的操作系统是多用户、多任务和多线程的系统。节点彼此可以是同构也可以是异构的。节点间由一个或多个高速商品化网络互连。这些网络使用标准的通信协议，传输速度应该比目前使用在以太网上的TCP/IP高两个数量级。商品化网络不但沟通了集群节点，完成了必要的通信功能，而且也为实现SAN（存储区域网络）、一致的分布式I/O、一致的内存访问以及其他集群硬件资源的统一访问打下了基础。其实，网络仅仅是物理的实现，关于资源的控制却还需借助操作系统来进行。(www.xing528.com)

每个节点的网络接口电路与节点的标准I/O总线（如PCI）相连，所有的驱动模块都是可热拔插、可动态加载的。当处理机或操作系统改变时，只需修改驱动软件并重新加载，不必修改网络或网络接口，也不必重新启动系统。

在节点工作平台上有一组与工作平台相独立的软件子系统，即集群操作系统，能提供操作系统最基本的核心功能。操作系统之上是特殊的扩展或者中间件层，用于为HA和SSI提供必要的支持。

中间件层之上便是提供高可用性服务的可用性子系统。还有一个单一系统映像层能提供单一的用户入口点、单一的文件层次结构、单一的控制点以及高效的作业管理系统。可以通过编译器或运行时间库技术帮助实现单一存储器，但集群不一定需要支持单一进程空间。

最上层便是集群的管理、控制和应用扩展实现层，用户的入口、管理员的控制、作业的调度都在这一层具体实现。具体可以通过SSI提供的标准API或者动态运行库实现。此外，其他一些扩展子系统也在该层实现，如分布式的OLTP（联机事务处理）数据库。

网络接口硬件负责集群节点之间通过网络传送和接收数据包，通信软件提供了快速而可靠的节点间以及与外界数据通信的手段，集群通常使用网络通信协议在节点间进行快速通信。集群各节点可以像集成的计算资源一样共同合作，而集群中间件发展为独立但互联的计算机对外提供同一的系统映像和易用性。编程环境可以为应用程序的开发提供可移植的、有效的和易用的工具。编程环境包括消息传递库、调试器和剖视器。