Linux集群系統(tǒng)簡介及現(xiàn)狀

第一臺計算機問世已經(jīng)半個世紀了，在這期間計算機技術經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代。更新?lián)Q代的標志主要有兩個：一個是計算機的器件，另一個是系統(tǒng)體系結(jié)構。從第一代到第五代計算機，器件發(fā)生了根本的變化：從電子管、晶體管發(fā)展到集成電路，而集成電路又經(jīng)小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、非常大規(guī)模等階段發(fā)展到超大規(guī)模階段。系統(tǒng)體系結(jié)構的不斷改進，許多重要的概念的不斷提出并且得到實現(xiàn)，推動計算機技術向更高的層次發(fā)展。從早期的變址寄存器、通用寄存器、程序中斷和 I/O通道等概念，到虛擬存儲器、Cache存儲器、微程序設計、系列機、基于總線的多CPU系統(tǒng)、向量處理機等概念，發(fā)展到64位RISC處理器、基于 MPP、NUMA、集群等體系結(jié)構的可伸縮并行處理系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)技術也取得了突飛猛進的發(fā)展。

將多臺同構或異構的計算機連接起來協(xié)同完成特定的任務就構成了集群系統(tǒng)。早在二十世紀七八十年代，Digital equipment公司和Tandem計算機公司就開始了集群系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。

集群系統(tǒng)主要分為兩種：

高可用性集群和高性能集群。

高可用性集群的主要功能就是提供不間斷的服務。有許多應用程序都必須一天二十四小時地不停運轉(zhuǎn)，如所有的web服務器、工業(yè)控制器、ATM、遠程通訊轉(zhuǎn)接器、醫(yī)學與軍事監(jiān)測儀以及股票處理機等。對這些應用程序而言，暫時的停機都會導致數(shù)據(jù)的丟失和災難性的后果。

高性能集群通過將多臺機器連接起來同時處理復雜的計算問題。模擬星球附近的磁場、預測龍卷風的出現(xiàn)、定位石油資源的儲藏地等情況都需要對大量的數(shù)據(jù)進行處理。傳統(tǒng)的處理方法是使用超級計算機來完成計算工作，但是超級計算機的價格比較昂貴，而且可用性和可擴展性不夠強，因此集群成為了高性能計算領域矚目的焦點。

集群系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)主要有VMS、UNIX、WindowsNT和Linux.

美國DEC公司(Digital Equipment Corporation)開發(fā)的VMScluster系統(tǒng)開發(fā)最早，技術也很成熟，應用也很廣泛，但由于VMS操作系統(tǒng)只能在DEC公司的VAX系列和Alpha系列服務器上運行，VMScluster的應用受到很大限制。

UNIX是服務器或工作站上普遍使用的操作系統(tǒng)，它運行穩(wěn)定、安全性也比較好，因此許多大的公司都采用了基于UNIX的集群系統(tǒng)解決方案，如DEC、 HP、SUN、IBM、NCR和DG等公司，其中在國內(nèi)影響比較大的主要是DEC、HP、SUN和IBM.其中DEC公司的Trucluster系統(tǒng)提供了由4臺Digital Alpha Server組成的集群系統(tǒng)，它集高可靠性、高可用性和易管理性于一身，是關鍵業(yè)務計算機系統(tǒng)的理想解決方案。

基于WindowsNT的集群系統(tǒng)解決方案廠商主要有Mircrosoft和DEC.Microsoft于1995年就開始了集群系統(tǒng)的開發(fā)工作。 Windows 2000中已經(jīng)增加了集群功能，該高可用性集群叫做WolfPack，也叫做Microsoft Cluster Server (MCS)。它主要是在企業(yè)級對基于Windows NT服務器的應用程序提供可用性和可升級性。WolfPack現(xiàn)在支持兩個服務器，一個用來對用戶提供服務，另一個作為備份服務器使用。 Microsoft下一步的目標是將WolfPack支持的節(jié)點數(shù)擴展到16個。Wolfpack的缺陷在于：它只提供了兩個節(jié)點的失敗恢復功能，而沒有采用復雜的應用程序資源管理功能，因此在一定程度上影響了系統(tǒng)的高可用性、高可靠性和可升級性。Wolfpack不能支持多種操作系統(tǒng)，而只能運行于 Windows NT操作系統(tǒng)上。由于WindowsNT操作系統(tǒng)本身在穩(wěn)定性、大型并行計算上與UNIX系統(tǒng)存在較大差距，目前主要在中小型系統(tǒng)上應用。但是隨著 WindowsNT系統(tǒng)走向成熟，基于WindowsNT的計算機集群系統(tǒng)將獲得更廣泛的應用。

九十年代末期，Linux操作系統(tǒng)不斷走向成熟，它的健壯性不斷增強，并且提供了GNU軟件和標準化的PVM、MPI消息傳遞機制，最重要的是Linux在普通PC機上提供了對高性能網(wǎng)絡的支持，這樣就大大推動了基于Linux的集群系統(tǒng)的發(fā)展。

Turbolinux公司推出了能夠顯著地提高基于TCP/IP協(xié)議的多種網(wǎng)絡服務的服務質(zhì)量的高可用性集群系統(tǒng)Turbocluster.Red Hat也提供了基于Linux Virtual Server思想構建的高可用性集群系統(tǒng)Piranha.由Ericsson軟件工程研究中心開發(fā)的高可用性集群系統(tǒng)Eddie的主要目的是提供一個商業(yè)級的，能提供較好的服務質(zhì)量的web服務器的解決方案。

Platform公司開發(fā)的高可用性集群系統(tǒng)Lsf提供了分布式集群系統(tǒng)的解決方案，通過將物理上分離的多個集群連接在一起使使多個同構或異構的計算機能夠通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)共享計算資源，并能夠為用戶提供對資源的透明訪問。

高性能集群系統(tǒng)MOSIX為Linux核心增添了集群計算的功能。在MOSIX集群環(huán)境中，用戶無需對應用程序進行修改，或?qū)贸绦蚺c庫連接起來，或?qū)贸绦蚍峙涞讲煌墓?jié)點上運行。MOSIX會自動將這些工作透明地交給別的節(jié)點來執(zhí)行。

日本的F5公司開發(fā)出了高可用性集群BIG-IP，它是使用于本地網(wǎng)絡站點或數(shù)據(jù)中心的高可用的、智能化的負載平衡產(chǎn)品，它提供了對網(wǎng)絡流量的自動和智能的管理。與前幾種集群系統(tǒng)不同的是，BIG-IP向用戶提供的是一個即插即用設備，而其它的提供的都是軟件方法。

IBM、Microsoft和Intel于2000年7月聯(lián)合發(fā)布了一種高可用性服務器集群軟件及硬件包，這種服務器集群的配置包括32臺IBM Netfinity 8500R及Intel Pentium Ⅲ Xeon處理器，運行IBM的DB2 Universal Database和Microsoft Windows 2000 Advanced Server操作系統(tǒng)，每分鐘可以執(zhí)行440879次交易。這套系統(tǒng)面向數(shù)據(jù)密集的應用，特別是B2B、電子商務和企業(yè)資源規(guī)劃領域。

在科學計算領域中，人們開始把注意力投向通過普通PC機或工作站的集群來代替昂貴的超級計算機。比較成功的例子是高性能集群系統(tǒng)Beowulf，它最初是由NASA的Goddard Flight Center進行開發(fā)的，主要目的是支持大規(guī)模的科學計算問題，如地球和太空科學面臨的一些計算問題。

國內(nèi)也有不少公司進行了集群系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。

聯(lián)想公司在1999年9月推出了用于分布式高性能計算的NS10000高性能集群服務器，該系統(tǒng)是一個四節(jié)點的系統(tǒng)，主要基于聯(lián)想萬全4500R服務器，以總體成本相對較低的設備組合，足以替代傳統(tǒng)RISC小型機和中型機的工作，而價格僅為市場上同等性能小型機的1/2——1/4.

朗新公司也推出了類似于Turbocluster的高可用性集群系統(tǒng)LongShine Cluster Server.

1999年9月20日，中國第一家專業(yè)面向Linux高端應用市場的集群網(wǎng)絡有限公司推出了國內(nèi)首例Linux安全集群系統(tǒng)。它是國內(nèi)第一個通過公安部認證的安全Linux系統(tǒng)，而其集群技術也已應用于諸多國際著名網(wǎng)站，如Linux的門戶linux.com">www.linux.com、英國國家JANET Cache網(wǎng)、奧地利的入口站點和瑞士電信等。其核心代碼也已被納入美國Red Hat Linux發(fā)布版的核心。

中國自主開發(fā)研制的集群式高性能計算機集群系統(tǒng)"自強2000-SUHPCS"于2000年9月在上海大學問世。這一系統(tǒng)的峰值速度達到每秒3000億次浮點操作。是當前中國國內(nèi)集群式高性能計算機系統(tǒng)中速度最快的。

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