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1、集群技术集群技术 ClusteringClustering by by QuQu Zhong-yingZhong-ying 一一 集群技术概述集群技术概述 ClusteringClustering2Confidential产生产生背景背景近年来服务器的性能有了大幅度的提升，服务器近年来服务器的性能有了大幅度的提升，服务器作为处理关键性事物的业务主机已随处可见。对作为处理关键性事物的业务主机已随处可见。对于要求有高可用性和高安全性的系统，如金融、于要求有高可用性和高安全性的系统，如金融、邮电、交通、电力、证券等行业，邮电、交通、电力、证券等行业，用户对系统安用户对系统安全性能提出了更高的要求。这
2、时就需要一套能让全性能提出了更高的要求。这时就需要一套能让系统永不停机的解决方案，系统永不停机的解决方案，集群集群技技术应运而生。应运而生。集群技集群技术是是实现系系统高可用性高可用性、可靠性、可靠性、稳定性、定性、安全性安全性并并需要快速需要快速处理能力、大容量存理能力、大容量存储及系及系统的可管理性的重要手段。的可管理性的重要手段。 ：为了安全性：为了安全性3Confidential什么是服务器集群什么是服务器集群定义：定义：一组相互独立的服务器在网络中表现为单一组相互独立的服务器在网络中表现为单一的系统，并以单一系统的模式加以管理。此单一的系统，并以单一系统的模式加以管理。此单一系统为客
3、户工作站提供高可靠性的服务。一系统为客户工作站提供高可靠性的服务。 将将多台同构或异构的计算机连接起来协同完成特多台同构或异构的计算机连接起来协同完成特定的任务就构成了集群系统定的任务就构成了集群系统 。4Confidential表现形式与功能表现形式与功能大多数模式下，集群中所有的计算机拥有一个共大多数模式下，集群中所有的计算机拥有一个共同的名称，集群内任一系统上运行的服务可被所同的名称，集群内任一系统上运行的服务可被所有的网络客户所使用。有的网络客户所使用。 对外表现为：一台虚拟主机对外表现为：一台虚拟主机功能：协调管理各分离的组件的错误和失败，并功能：协调管理各分离的组件的错误和失败，并
4、可透明地向可透明地向Cluster中加入组件。中加入组件。实现更高的可用实现更高的可用性、可管理性和更优异的可伸缩性。性、可管理性和更优异的可伸缩性。5Confidential实现实现 实现方式：实现方式： 一个一个ClusterCluster包含两台以上拥有共享数据存储包含两台以上拥有共享数据存储空间的服务器。任何一台服务器运行一个应用时，空间的服务器。任何一台服务器运行一个应用时，应用数据被存储在共享的数据空间内。每台服务应用数据被存储在共享的数据空间内。每台服务器的操作系统和应用程序文件存储在其各自的本器的操作系统和应用程序文件存储在其各自的本地储存空间上。地储存空间上。 Cluster
5、Cluster内各节点服务器通过一内部局域网相内各节点服务器通过一内部局域网相互通讯。当一台节点服务器发生故障时，这台服互通讯。当一台节点服务器发生故障时，这台服务器上所运行的应用程序将在另一节点服务器上务器上所运行的应用程序将在另一节点服务器上被自动接管。当一个应用服务发生故障时，应用被自动接管。当一个应用服务发生故障时，应用服务将被重新启动或被另一台服务器接管。服务将被重新启动或被另一台服务器接管。 6Confidential分类分类集群系统集群系统分类方法很多分类方法很多按功能侧重按功能侧重分：分： 高可用性集群高可用性集群 高性能集群高性能集群 按设备来分：按设备来分： 镜像服务器双机
6、镜像服务器双机 双机与磁盘阵列柜双机与磁盘阵列柜7Confidential高可用性与高性能集群高可用性与高性能集群 高可用性集群主要是提供不间断的服务。高可用性集群主要是提供不间断的服务。适用适用于于必须一天二十四小时不停运转必须一天二十四小时不停运转的的应用程序，如应用程序，如所有的所有的webweb服务器、服务器、ATMATM、医学与军事监测仪以及、医学与军事监测仪以及股票处理机等。对这些应用程序而言，暂时的停股票处理机等。对这些应用程序而言，暂时的停机都会导致数据的丢失和灾难性的后果。机都会导致数据的丢失和灾难性的后果。 高性能集群通过将多台机器连接起来同时处理高性能集群通过将多台机器连
7、接起来同时处理复杂的计算问题。模拟星球附近的磁场、预测龙复杂的计算问题。模拟星球附近的磁场、预测龙卷风的出现等情况都需要对大量的数据进行处理。卷风的出现等情况都需要对大量的数据进行处理。传统方法是用超级计算机来完成计算工作，但价传统方法是用超级计算机来完成计算工作，但价格昂贵，且可用性和可扩展性不够强格昂贵，且可用性和可扩展性不够强。8Confidential镜像服务器双机镜像服务器双机镜像服务器双机镜像服务器双机 集群中镜像服务器双机系统是硬件配置最简集群中镜像服务器双机系统是硬件配置最简单和价格最低廉的解决方案，通常镜像服务的硬单和价格最低廉的解决方案，通常镜像服务的硬件配置需要两台服务器
8、，在每台服务器有独立操件配置需要两台服务器，在每台服务器有独立操作系统硬盘和数据存贮硬盘，每台服务器有与客作系统硬盘和数据存贮硬盘，每台服务器有与客户端相连的网卡，另有一对镜像卡或完成镜像功户端相连的网卡，另有一对镜像卡或完成镜像功能的网卡。能的网卡。 9Confidential优缺点优缺点优点：配置简单，使用方便，价格低廉。但由于优点：配置简单，使用方便，价格低廉。但由于镜像服务器需要采用网络方式镜像数据，通过镜镜像服务器需要采用网络方式镜像数据，通过镜像软件实现数据的同步，因此需要占用网络服务像软件实现数据的同步，因此需要占用网络服务器的器的CPU及内存资源，镜像服务器的性能比单一及内存资
9、源，镜像服务器的性能比单一服务器的性能要低一些。服务器的性能要低一些。 例如：内存镜像两服务器内存完全一致，主机出例如：内存镜像两服务器内存完全一致，主机出故障时，备份机可以在几乎没有感觉的情况下接故障时，备份机可以在几乎没有感觉的情况下接管所有应用程序管所有应用程序，但当系统应用程序带有缺陷从但当系统应用程序带有缺陷从而导致系统宕机时，两台服务器会同步宕机。而导致系统宕机时，两台服务器会同步宕机。 镜像服务器适合那些预算较少、对集群系统要求镜像服务器适合那些预算较少、对集群系统要求不高的用户。不高的用户。 10Confidential双机与磁盘阵列柜双机与磁盘阵列柜 比镜像服务器双机系统多了
10、一个磁盘阵列柜，比镜像服务器双机系统多了一个磁盘阵列柜，磁盘阵列柜通过磁盘阵列柜通过SCSI电缆与服务器上普通电缆与服务器上普通SCSI卡卡相连，系统管理员需直接在磁盘柜上配置磁盘阵相连，系统管理员需直接在磁盘柜上配置磁盘阵列。列。 存在问题，但通常被改善后较多采用。存在问题，但通常被改善后较多采用。11Confidential优缺点优缺点不采用内存镜像技术，因此需有一定的切换时间不采用内存镜像技术，因此需有一定的切换时间（通常为（通常为6060180180秒），它可以有郊的避免由于应秒），它可以有郊的避免由于应用程序自身的缺陷导致系统全部宕机，同时由于用程序自身的缺陷导致系统全部宕机，同时由
11、于所有的数据全部存贮在中置的磁盘阵列柜中，当所有的数据全部存贮在中置的磁盘阵列柜中，当工作机出现故障时，备份机接替工作机，从磁盘工作机出现故障时，备份机接替工作机，从磁盘阵列中读取数据，所以不会产生数据不同步的问阵列中读取数据，所以不会产生数据不同步的问题，不需要网络镜像同步，性能高。题，不需要网络镜像同步，性能高。磁盘阵列柜会导致单点错，当磁盘阵列柜出现逻磁盘阵列柜会导致单点错，当磁盘阵列柜出现逻辑或物理故障时，所有存贮的数据会全部丢失辑或物理故障时，所有存贮的数据会全部丢失 ，需选用好品质的产品，目前多用。需选用好品质的产品，目前多用。12Confidential 二二 双机集群双机集群1
12、3Confidential双机集群双机集群后台应用为客户端提供一个逻辑的虚拟主机或后台应用为客户端提供一个逻辑的虚拟主机或IP，客户端用户只需要用到这一地址。当后台服务客户端用户只需要用到这一地址。当后台服务有一台服务器出现故障点，另一台服务器就自动有一台服务器出现故障点，另一台服务器就自动将本机地址或将本机地址或IP替换为逻辑的主机或替换为逻辑的主机或IP，从而保从而保证客户端用户的前台操作不出现问题。证客户端用户的前台操作不出现问题。两台机器通过两台机器通过“心跳心跳”来通讯来通讯 即主从系统之间相互按照一定的时间间隔发送通即主从系统之间相互按照一定的时间间隔发送通讯信号，表明各自系统当前
13、的运行状态。讯信号，表明各自系统当前的运行状态。 14Confidential三种工作模式三种工作模式 双机热备双机热备=主机主机+备机备机 （active/standby 方式方式 ） 双机互备双机互备=主机（备机）主机（备机）+备机（主机）备机（主机） 双机双工双机双工=主机主机+主机主机 15Confidential双机热备双机热备 一台主机为工作机一台主机为工作机，另一台主机为备份机在另一台主机为备份机在系统正常情况下，工作机为信息系统提供支持，系统正常情况下，工作机为信息系统提供支持，备份机监视工作机的运行情况（工作机也同时监备份机监视工作机的运行情况（工作机也同时监视备份机是否正常
14、，有时备份机因某种原因出现视备份机是否正常，有时备份机因某种原因出现异常，工作机可尽早通知系统管理工作人员解决，异常，工作机可尽早通知系统管理工作人员解决，确保下一次切换的可靠性）。当工作机出现异常，确保下一次切换的可靠性）。当工作机出现异常，不能支持信息系统运营时，备份机主动接管工作不能支持信息系统运营时，备份机主动接管工作机的工作，继续支持信息的运营，从而保证信息机的工作，继续支持信息的运营，从而保证信息系统能够不间断地运行系统能够不间断地运行。16Confidential基本配置要求基本配置要求服务器服务器与系统与系统客户端客户端 Private Net（专有网路）专有网路）磁盘柜专用磁
15、盘柜专用SCSI电线电线 两根两根 公用网路公用网路 共享数据磁盘柜共享数据磁盘柜一套业务应用一套业务应用17Confidential双机热备模式图双机热备模式图18Confidential优缺点优缺点优点优点 结构简单，成本低廉，目前使用较多结构简单，成本低廉，目前使用较多缺点缺点 由于另外一台服务器长期处于后备的状态，从计由于另外一台服务器长期处于后备的状态，从计算资源方面考量，就存在一定的浪费。算资源方面考量，就存在一定的浪费。 19Confidential双机互备双机互备 两台服务器均为工作机运行两套业务应用两台服务器均为工作机运行两套业务应用,在在正常情况下正常情况下,两台工作机均为
16、信息系统提供支持两台工作机均为信息系统提供支持,并并互相监视对方的运行情况。当一台主机出现异常互相监视对方的运行情况。当一台主机出现异常时，不能支持信息系统正常运营，另一主机则主时，不能支持信息系统正常运营，另一主机则主动接管异常机的工作，继续支持信息的运营，从动接管异常机的工作，继续支持信息的运营，从而保证信息系统能够不间断地运行，而达到不停而保证信息系统能够不间断地运行，而达到不停机的功能机的功能，但正常运行主机的负载会有所增加。但正常运行主机的负载会有所增加。此时必须尽快将异常机修复以缩短正常机负载持此时必须尽快将异常机修复以缩短正常机负载持续时间，当异常机经过维修恢复正常后，恢复以续时
17、间，当异常机经过维修恢复正常后，恢复以前正常时的工作状态前正常时的工作状态 。20Confidential基本配置基本配置服务器服务器与系统与系统客户端客户端 Private Net（专有网路）专有网路）磁盘柜专用磁盘柜专用SCSI电线电线 两根两根 公用网路公用网路 共享数据磁盘柜共享数据磁盘柜两套业务应用（两套业务应用（不同的应用软件，或者同一应用不同的应用软件，或者同一应用 软件的不同数软件的不同数 据）据）21Confidential双机互备双机互备Private net特点：对服务器的性能要求比较高。配置相对要好。特点：对服务器的性能要求比较高。配置相对要好。22Confidenti
18、al双机双工双机双工所谓双机双工工作就是两台主机同时为一套业务所谓双机双工工作就是两台主机同时为一套业务应用提供服务应用提供服务，每套主机互为备份。在系统正常每套主机互为备份。在系统正常情况下，两台主机同时工作，相互监控。当其中情况下，两台主机同时工作，相互监控。当其中一套主机出现异常，不能支持信息系统运营时，一套主机出现异常，不能支持信息系统运营时，另一套主动接管所有的工作，继续支持信息的运另一套主动接管所有的工作，继续支持信息的运营，从而保证信息系统能够不间断地运行营，从而保证信息系统能够不间断地运行。 两台服务器均为活动，同时运行相同的应用，保两台服务器均为活动，同时运行相同的应用，保证
19、整体的性能。证整体的性能。23Confidential基本配置基本配置服务器与服务器与系统系统客户端客户端 Private Net（专有网路）专有网路）公用网路公用网路 共享数据磁盘柜共享数据磁盘柜一套业务应用一套业务应用数据通讯专有设备数据通讯专有设备24Confidential工作模式图工作模式图最好用最好用SanSan方式方式 结合前二者特点结合前二者特点25Confidential集群系统的组成集群系统的组成集群系统的组成：硬件与软件集群系统的组成：硬件与软件HardwareHardware 服务器服务器共享数据磁盘柜共享数据磁盘柜私有网络与公共网络私有网络与公共网络 其他专用设备其他
20、专用设备26ConfidentialSW集群系统的功能主要是靠软件来实现的：集群系统的功能主要是靠软件来实现的： 基于基于NTNT平台的集群软件平台的集群软件 ：M Microsofticrosoft的的MSCSMSCS，豪威的豪威的DATAWAREDATAWARE，VINCAVINCA的的STANDBYSTANDBYSERVERSERVER，NSINSI公司的公司的DOUBLEDOUBLETAKETAKE。 MS MS WolfPackWolfPack集成在集成在NT ServerNT Server上，支持双机上，支持双机 基于基于NovellNovell平台的集群软件有平台的集群软件有No
21、vell HA Novell HA ServerServer、Novell SFT III Novell SFT III 基于基于UNIXUNIX平台的集群软件有平台的集群软件有SentinelSentinel集群软件集群软件 基于基于LinuxLinux平台的集群软件有平台的集群软件有TurboClusterTurboCluster 27Confidential集群软件的选择标准集群软件的选择标准是否能很好的识别是否能很好的识别软件故障件故障是否能很好的识别是否能很好的识别硬件故障硬件故障是否能很好的识别是否能很好的识别网网络故障故障是否能很好的识别人为是否能很好的识别人为操作故障操作故障是
22、否能很好的识别是否能很好的识别环境故障境故障28Confidential 三三 HP的集群技术的集群技术29ConfidentialHP双机双控容错系统双机双控容错系统 系统组成：系统组成：两台服务器两台服务器，每台拥有各自的系统每台拥有各自的系统盘，用来安装系统软件、数据库软件、应用软件盘，用来安装系统软件、数据库软件、应用软件和双机软件。同时还拥有共享的数据盘和双机软件。同时还拥有共享的数据盘（HP HP SmartArraySmartArray 集群存储柜集群存储柜），用来存储应用数据，用来存储应用数据，用用两根两根SCSISCSI电缆电缆与服务器连与服务器连。系统盘做。系统盘做RAID
23、 1RAID 1镜镜像冗余，数据盘做像冗余，数据盘做RAID 5RAID 5或或RAID RAID 5050冗余。冗余。两两台服台服务器务器各各自拥有两块自拥有两块RAIDRAID控制卡，系统为双控制卡控制卡，系统为双控制卡结构，避免了单点故障，提高了系统的容错能力。结构，避免了单点故障，提高了系统的容错能力。 30Confidential硬件结构图硬件结构图31Confidential方案拓扑图方案拓扑图32Confidential工作模式工作模式 两台服务器都安装应用服务和数据库服务软两台服务器都安装应用服务和数据库服务软件，数据库的数据存放在共享盘中。正常情况下，件，数据库的数据存放在共
24、享盘中。正常情况下，一台服务器一台服务器仅仅运行应用服务运行应用服务并并处理客户端的应用处理客户端的应用请求；另一台服务器只运行数据库服务，对共享请求；另一台服务器只运行数据库服务，对共享盘拥有控制权并存取共享盘中的数据。盘拥有控制权并存取共享盘中的数据。 当一台服当一台服务器发生故障，例如数据库服务器出现务器发生故障，例如数据库服务器出现问题问题，应，应用服务器将启动数据库服务，接管数据库服务用服务器将启动数据库服务，接管数据库服务IPIP地址和共享盘的控制权。此时，这台服务器同时地址和共享盘的控制权。此时，这台服务器同时提供应用服务和数据库服务提供应用服务和数据库服务，整个系统的运行不整个
25、系统的运行不会中断。会中断。修复后再切换回来。双机互备修复后再切换回来。双机互备33Confidential特点及适用环境特点及适用环境优点优点：结构简单、安装方便、价格低廉。结构简单、安装方便、价格低廉。缺点缺点：与：与光纤存储方案相比扩展能力、支持的传光纤存储方案相比扩展能力、支持的传输距离和传输可靠性较为逊色，目前输距离和传输可靠性较为逊色，目前仅仅支持双机支持双机集群。集群。本集群方案仅适用于本集群方案仅适用于Windows Windows NT,WindowsNT,Windows 2000,Novell 2000,Novell netwarenetware 5.1,6.0 5.1,6
26、.0以及以及RedhatRedhat 7.2,Suse SLES77.2,Suse SLES7集群环境。集群环境。34ConfidentialHP光纤通道双机双控光纤通道双机双控光纤技术具有高带宽、抗电磁干扰、传输距离远、光纤技术具有高带宽、抗电磁干扰、传输距离远、质量高、扩展能力强等特性，目前在光纤仲裁环质量高、扩展能力强等特性，目前在光纤仲裁环路上可接入路上可接入126126个设备个设备（SCSISCSI每条通道最多可连接每条通道最多可连接1515个设备个设备）。光纤通道是一种连接标准，可以作。光纤通道是一种连接标准，可以作为为SCSISCSI的一种替代解决方案的一种替代解决方案。配置：配
27、置：HPHP服务器（支持光纤卡服务器（支持光纤卡 ）及光纤适配卡及光纤适配卡 ，光纤磁盘阵列柜光纤磁盘阵列柜，光纤电缆光纤电缆（从（从光纤卡到光纤光纤卡到光纤存贮设备存贮设备）代替相应的）代替相应的SCSISCSI设备。设备。特点：传输距离远特点：传输距离远( (1010公里公里) ) 扩展性及扩展性及容错能力容错能力强。强。但价格高。但价格高。35Confidential 四四 与其他技术的比较与其他技术的比较36Confidential与与Raid技术和数据备份技术之比较技术和数据备份技术之比较三者同等重要三者同等重要Raid技术只能解决硬盘的问题技术只能解决硬盘的问题数据备份只能解决系统
28、出现问题后的恢复数据备份只能解决系统出现问题后的恢复当服务器本身出现问题时，不论硬件还是软件问当服务器本身出现问题时，不论硬件还是软件问题，都会造成服务中断，前两者无法解决，此时题，都会造成服务中断，前两者无法解决，此时需用集群来保证安全性。需用集群来保证安全性。37Confidential与其他容错技术比较与其他容错技术比较容错技术有三类：服务器集群技术、双机热备份容错技术有三类：服务器集群技术、双机热备份技术和单机容错技术。技术和单机容错技术。单机容错技术是通过在一台服务器内部的多个关单机容错技术是通过在一台服务器内部的多个关键部件冗余来实现高级容错。容错服务器则可作键部件冗余来实现高级容
29、错。容错服务器则可作为单独一类服务器而存在，它的容错能力要远比为单独一类服务器而存在，它的容错能力要远比服务器群集和双机热备份中容错能力要高。服务器群集和双机热备份中容错能力要高。 可靠性提高到了可靠性提高到了99.999 而集群通常只有而集群通常只有“34个个9”。38Confidential发展趋势发展趋势 可用性、高可靠性、系统冗余等方面可用性、高可靠性、系统冗余等方面将将逐步逐步提高。未来的集群可以依靠提高。未来的集群可以依靠集群文件系统集群文件系统实现对实现对系统中的所有文件、设备和网络资源的全局访问，系统中的所有文件、设备和网络资源的全局访问，并且生成一个并且生成一个完整完整的系统映像。的系统映像。以实现任意访问。以实现任意访问。 39ConfidentialThank you! 40Confidential
