[本篇论文由上帝论文网为您收集整理，上帝论文网http://paper.5var.com将为您整理更多优秀的免费论文，谢谢您的支持]【摘要】集群技术是一种较新的技术，通过集群技术，可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可靠性、灵活性方面的相对较高的收益。本文力图对集群技术做一个简单的介绍。本文首先给出了集群的定义，阐述了采用集群技术的意义，对几种常见的集群类型进行了介绍，并在此基础上给出了一个集群在教育科研中的应用实例。
【关键字】集群 集群技术 科学计算 负载均衡HA LB CLUSTER
一、集群的定义
    广义上说，相互独立的一些系统构成了一个组就是集群。一个客户与集群相互作用时，集群的行为像是一个独立的系统一样。
    从狭义上讲，集群是一些相互独立的计算机，这些计算机作为一个整体对外提供服务。对于客户来说，这些计算机的行为就好像一个计算机一样，但是其处理能力、可靠性、IO能力都得到了大幅的提升。
二、采用集群的目的
    采用集群技术的目的可以概括为以下几个方面：
    提高性能.一些计算密集型应用，如：天气预报，核试验模拟等，需要计算机要有很强的运算处理能力，现有的技术，即使普通的大型机其计算也很难胜任，这时，一般都使用计算机集群技术，集中几十台甚至上百台计算机的运算能力来满足要求。提高处理性能一直是集群技术研究的一个重要目标之一。
    降低成本.通常一套象样的群集配置，其软硬件开销要超过 $100,000。但与价值上百万美元的专用超级计算机相比已经相当便宜。在达到同样性能的条件下，采用计算机集群比采用同等运算能力的大型计算机具有更高的性价比。 
    提高规模扩展性（Scalabilitry）.目前，计划扩展系统能力的用户必须购买昂贵的最新的服务器，才能获得额外所需的CPU，驱动器和内存。如果该服务系统采用集群技术，则只需要将新的服务器加入集群中即可，对于客户来看，服务无论从连续性还是性能上都几乎没有变化，好像系统在不知不觉中完成了升级。
    增强可靠性.据统计每年由于系统停运，全美国损失40亿美元。在零售业，平均每次停运损失140000美元，保安业每次停运平均损失450000美元，集群技术使系统在故障发生时仍可以继续工作，将系统停运时间减到最小。集群系统在提高了系统的可靠性的同时，也大大减小了故障损失。
三、集群类型 
    最常见的三种群集类型包括高性能科学群集、负载均衡群集和高可用性群集。 
    1、科学群集 
    科学集群是并行计算的基础。通常，科学群集涉及为群集开发的并行应用程序，以解决复杂的科学问题。科学集群对外就好像一个超级计算机，这种超级计算机内部由十至上万个独立处理器组成。但它却使用商业系统，并且在公共消息传递层上进行通信以运行并行应用程序。
    我们常常听说又有一种便宜的 Linux 超级计算机问世了。这种超级计算机实际上是一个计算机群集，其处理能力与真的超级计算机相仿，但是硬件以及运行维护费用要比真正的超级计算机低很多，具有极高的性价比。
    并行群集系统之所以可以达到如此高的带宽和低延迟，是因为它们通常绕过使用网络协议，如 TCP/IP。虽然网际协议对于广域网很重要，但它包含了太多的开销，而这些开销在节点相互已知的封闭网络群集中是不必要的。节点之间可以使用直接内存访问 (DMA)来进行通讯，它类似于图形卡和其它外围设备在一台机器中的工作方式。因此横跨群集，可以通过任何节点上的任何处理器直接访问分布式共享内存。
    同样也可以使用低开销的消息传递系统，在节点之间进行通信。消息传递接口 (MPI) 是并行群集系统间消息传递层的最常见实现。MPI 存在几种衍生版本，但在所有情况下，它为开发者访问并行应用程序提供了一个公共 API，这样开发者就不必手工解决如何在群集的节点之间分发代码段。 
2、负载均衡群集 
    负载均衡群集为企业需求提供了更实用的系统。如名称所暗示的，负载均衡群集使负载可以在计算机群集中尽可能平均地分摊处理。负载通常包括应用程序处理负载和网络流量负载。这样的系统非常适合向使用同一组应用程序的大量用户提供服务。每个节点都可以承担一定的处理负载，并且可以实现处理负载在节点之间的动态分配，以实现负载均衡。对于网络流量负载，当网络服务程序接受了太多入网流量，以致无法迅速处理，这时，网络流量就会发送给在其它节点上运行的网络服务程序。同时，还可以根据每个节点上不同的可用资源或网络的特殊环境来进行优化。 
    与科学计算集群一样，负载均衡群集也在多节点之间分发计算处理负载。他们之间的最大区别在于缺少跨节点运行的单并行程序。大多数情况下，负载均衡群集中的每个节点都是运行单独软件的独立系统。但是，不管是在节点之间进行直接通信，还是通过中央负载均衡服务器来控制每个节点的负载，在节点之间都有一种公共关系。通常，使用特定的算法来分发该负载。 
    网络流量负载均衡是一个过程，它检查到某个群集的入网流量，然后将流量分发到各个节点以进行适当处理。它最适合大型网络应用程序，如 Web 或 FTP 服务器。负载均衡网络应用服务要求群集软件检查每个节点的当前负载，并确定哪些节点可以接受新的作业。这最适合运行如数据分析等串行和批处理作业。那些系统还可以配置成关注某特定节点的硬件或操作系统功能,这样，群集中的节点就没有必要是一致的。 
3、高可用性群集
    可用性(availability)当集群中的一个系统发生故障时，集群软件迅速做出反映，将该系统的任务分配到集群中其它正在工作的系统上执行。
    考虑到计算机硬件和软件的易错性，高可用性群集的的目的主要是为了使群集的整体服务尽可能可用。如果高可用性群集中的主节点发生了故障，那么这段时间内将由次节点代替它。次节点通常是主节点的镜像，所以当它代替主节点时，它可以完全接管其身份，并且因此使系统环境对于用户是一致的。 
    高可用性 (HA)群集致力于使服务器系统的运行速度和响应速度尽可能快。它们经常利用在多台机器上运行的冗余节点和服务，用来相互跟踪。如果某个节点失败，它的替补将在几秒钟或更短时间内接管它的职责。因此，对于用户而言，群集永远不会停机。
    某些 HA 群集也可以维护节点间冗余应用程序。因此，用户的应用程序将继续运行，即使他或她使用的节点出了故障。正在运行的应用程序会在几秒之内迁移到另一个节点，而所有用户只会察觉到响应稍微慢了一点。但是，这种应用程序级冗余要求将软件设计成具有群集意识的，并且知道节点失败时应该做什么。
    HA 群集也可以执行负载均衡，但通常主服务器运行作业，而系统使辅助服务器保持闲置。辅助服务器通常是主服务器操作系统设置的镜像，尽管硬件本身稍有不同。辅助节点对主服务器进行活动监控或心跳观察，以查看它是否仍在运行。如果心跳计时器没有接收到主服务器的响应，则辅助节点将接管网络和系统身份。 
    在群集的这三种基本类型之间，经常会发生混合与交杂。可以发现高可用性群集也可以在其节点之间均衡用户负载。同样，也可以从要编写应用程序的群集中找到一个并行群集，它可以在节点之间执行负载均衡。从这个意义上讲，这种集群类别的划分是一个相对的概念，不是绝对的。
四、集群的教育科研应用
1、 科学群集与并行计算
    科学集群是并行计算的基础，在科研领域，如：天气预报，核试验模拟等领域，科学集群获得了广泛的应用。因为科学集群涉及为解决特定的问题而设计的应用程序，需要有一定的学科背景知识，所以这里不作具体介绍。
2、负载均衡群集的远程网络教育应用
    对于教育应用来说，负载均衡集群是应用面最广，最有发展潜力的集群应用形式。
    随着网络教育的发展，网络教育系统的用户将成几何方式增长。由此而导致教育类网站的访问量大幅增长。由于教育网络资源很多是多媒体素材，包括音频、视

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