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集群組管理原理與系統(tǒng)的實現(xiàn)
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摘要:集群系統(tǒng)的出現(xiàn)允許用戶把普通商用硬件系統(tǒng)組成集群，并根據(jù)需要隨時在集群中增加新的硬件，提高了系統(tǒng)的伸縮性和可用性，從而能夠在價格相對低廉的中低端平臺上享用過去只有高端系統(tǒng)才具備的高可伸縮性和高可用性，既提高了系統(tǒng)的性能，同時也降低了成本。因此，集群成為了高性能計算領(lǐng)域矚目的焦點(diǎn)。
引言
隨著Internet商業(yè)服務(wù)的飛速發(fā)展，服務(wù)系統(tǒng)的可用性程度對服務(wù)提供者的商業(yè)利益具有重大的影響。同時，由于通過計算機(jī)服務(wù)系統(tǒng)提供的服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)范圍都在不斷擴(kuò)大，計算機(jī)服務(wù)系統(tǒng)的規(guī)模也需不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的小規(guī)模的高可用系統(tǒng)己經(jīng)難以滿足這樣大規(guī)模計算機(jī)系統(tǒng)對高可用性支持的需求。因此研究可擴(kuò)展的高可用集群系統(tǒng)十分重要。
1、心跳技術(shù)
失效監(jiān)測是所有高可用性的基礎(chǔ)，如何才能做到盡快、盡可能準(zhǔn)確地對節(jié)點(diǎn)的失效進(jìn)行監(jiān)測，這需要有一個好的模型。
心跳模型被廣泛應(yīng)用于2～8個節(jié)點(diǎn)的小規(guī)模集群中。相對于上百個節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模集群來說，小規(guī)模的集群使用心跳模型監(jiān)測，對系統(tǒng)造成的負(fù)荷較小，并且小規(guī)模集群的網(wǎng)絡(luò)帶寬大、速度較快、延遲較小，這樣心跳模型可以作出較為精確的判斷。當(dāng)心跳模型應(yīng)用于兩個服務(wù)器的集群時，兩個服務(wù)器采用活動/備份，或者活動/活動集群模型工作，它們之間使用心跳模型進(jìn)程相互監(jiān)測，這個框架應(yīng)用得相當(dāng)普遍。但是當(dāng)集群的節(jié)點(diǎn)數(shù)大于2的時候，心跳模型同樣也能較好的保證準(zhǔn)確、迅速地對失效節(jié)點(diǎn)作出判斷。
2、集群組管理原理
(1)節(jié)點(diǎn)加入：每一個節(jié)點(diǎn)在啟動的時候，會讀取自身的配置文件，配置文件中包括節(jié)點(diǎn)ID號，自身IP地址，多播IP地址和端口號，初始化消息和自身節(jié)點(diǎn)。接著會周期性地發(fā)送
加入請求消息，直到收到其他節(jié)點(diǎn)的加入確認(rèn)消息。
(2)節(jié)點(diǎn)的離開/故障：首先需要監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，是通過對方發(fā)送的心跳消息來監(jiān)測的，即如果在三個周期內(nèi)沒有收到某節(jié)點(diǎn)的心跳消息，則認(rèn)為它離開了或出現(xiàn)故障了。這里有兩種情況：一是備份節(jié)點(diǎn)的離開/故障，直接將該節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)列表中刪除即可。二是主節(jié)點(diǎn)的離開/故障，那么需要重新從剩余的節(jié)點(diǎn)中選擇一個新的主節(jié)點(diǎn)，選擇策略很簡單，即從剩余節(jié)點(diǎn)中選擇一個ID號最小的為新主節(jié)點(diǎn)，并刪除離開或出現(xiàn)故障的主節(jié)點(diǎn)。
(3)正常運(yùn)行：由于節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行，它會周期性的發(fā)送心跳消息，標(biāo)識自己的存在，那么其他節(jié)點(diǎn)會周期性的收到該節(jié)點(diǎn)的心跳消息，從而維護(hù)著一個集群節(jié)點(diǎn)列表。
3、集群組管理系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.1 節(jié)點(diǎn)加入前的準(zhǔn)備工作
每一個節(jié)點(diǎn)都有一個配置文件configure.file，存放在./config目錄下。前面定義了節(jié)點(diǎn)類型，消息類型，在節(jié)點(diǎn)啟動的時候，首先讀取配置文件(主要由函數(shù)read_profile( )實現(xiàn))，將配置信息：節(jié)點(diǎn)ID號，自身IP地址，多播IP地址和端口號等初始化自身節(jié)點(diǎn)和待發(fā)送的消息，并將自身節(jié)點(diǎn)首先加入到節(jié)點(diǎn)列表中。
3.2線程同步的實現(xiàn)
一個進(jìn)程中的所有線程共享相同的全局內(nèi)存，這使得線程很容易共享信息，但是這種簡易性也帶來了同步(synchronization)問題。一個進(jìn)程中的所有線程不僅共享全局變量，而且共享：進(jìn)程指令、大多數(shù)數(shù)據(jù)、打開的文件(如描述字)、信號處理程序和信號設(shè)置、當(dāng)前工作目錄、用戶ID和組ID�，F(xiàn)實中，涉及到多個線程同時運(yùn)行，比如gm_listener線程，它負(fù)責(zé)監(jiān)控接收到的多播消息，并作相應(yīng)的處理，比如收到加入消息判斷是否在節(jié)點(diǎn)列表中，不在則將之加入，并發(fā)送加入確認(rèn)消息，收到加入確認(rèn)消息，判斷是否在節(jié)點(diǎn)列表中，不在則將之加入，收到心跳信息，則將對應(yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)志變量加一。heartbeater線程，通過對狀態(tài)的查詢每隔一個心跳周期發(fā)送加入請求消息或心跳消息，add_flag線程對標(biāo)識每個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的標(biāo)志變量flag作周期性的減一操作，而test線程周期性的對每個列表中的節(jié)點(diǎn)檢測標(biāo)志變量是否小于0，也即是列表中的節(jié)點(diǎn)是否失效或離開。
4、結(jié)果測試與分析
為了跟蹤消息來源，每次都將收到的消息、類型、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的IP地址、角色、狀態(tài)都在控制臺顯示出來，以便分析程序中的問題。而且也在每次test線程執(zhí)行一次檢測后輸出整個節(jié)點(diǎn)列表，這樣有助于了解哪些節(jié)點(diǎn)加入進(jìn)來了，哪些節(jié)點(diǎn)離開或失效了。
實驗的過程主要通過結(jié)束集群管理進(jìn)程來模擬節(jié)點(diǎn)的失效或離開，通過啟動某節(jié)點(diǎn)的集群管理進(jìn)程來模擬節(jié)點(diǎn)的加入，正常運(yùn)行的進(jìn)程來模擬節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。為此設(shè)計了以下幾個測試用例：
(1)第一個啟動的節(jié)點(diǎn)的確立。在集群組中還沒有成員的情況下，第一個啟動的節(jié)點(diǎn)自動成為主節(jié)點(diǎn)，后來啟動的節(jié)點(diǎn)為備份節(jié)點(diǎn)。實驗過程為：啟動其中任何一個節(jié)點(diǎn)集群管理程序，接著啟動其他節(jié)點(diǎn)集群管理程序。實驗結(jié)果與預(yù)期一致。
第一個啟動4號節(jié)點(diǎn)，實驗截圖如圖1：
圖 1 第一個啟動的節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為主節(jié)點(diǎn)
(2)節(jié)點(diǎn)的加入。其實這個過程已經(jīng)在上述測試用例中達(dá)到了目的。新加入的節(jié)點(diǎn)按預(yù)期的要求加入到集群組中，并維護(hù)著統(tǒng)一的成員列表。
6、總結(jié)
在商業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域，集群管理還涉及到許多其他的內(nèi)容，因此針對一些具體的應(yīng)用，還有很多的不足。我覺得可以從以下方面來考慮：
(1) 建立一個對集群節(jié)點(diǎn)信息的詳細(xì)監(jiān)控。比如針對機(jī)柜系統(tǒng)環(huán)境、每節(jié)點(diǎn)硬件配置情況、每節(jié)點(diǎn)電壓、各部件溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等硬件狀態(tài)、系統(tǒng)CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)使用情況等，可指定節(jié)點(diǎn)，也可以圖形方式對各節(jié)點(diǎn)的單項數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。以便針對具體故障進(jìn)行處理。
(2) 事件服務(wù)。系統(tǒng)管理員應(yīng)該能夠通過事件服務(wù)設(shè)置系統(tǒng)對事件的自動響應(yīng)。
(3)基于網(wǎng)絡(luò)的管理：重起，關(guān)機(jī)；基于串口的管理：開電源、關(guān)電源、硬件重監(jiān)測、控制臺重定向。
(4)實現(xiàn)任務(wù)分發(fā)，負(fù)載均衡，高可用性。
(5)開發(fā)友好的管理界面，提高管理的安全性和方便性。
參考文獻(xiàn)：
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[2 萬春．基于linux數(shù)據(jù)庫集群系統(tǒng)的研究．華中科技大學(xué)．2004
[3] 李英壯，李先毅等．基于linux的集群管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報．2003，12：168~170
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