Обще про кластер

Общая информация

Кластер — это группа взаимосвязанных компьютеров (узлов), которые работают как единая система и решают общие задачи. Узлы могут быть физически расположены рядом друг с другом или находиться на расстоянии, но обязательно соединены сетевыми каналами для обмена данными и командами.

Небольшой кластер компьютеров (вычислительный кластер) может потребоваться для решения задач, которые требуют значительных вычислительных ресурсов. Вместо того чтобы полагаться на один компьютер, кластер использует коллективную мощь всех узлов (компьютеров). Это повышает производительность, повышает надёжность системы и позволяет масштабировать мощность при необходимости.

Основная идея кластера — объединение вычислительных ресурсов (процессоров, памяти и т. п.) нескольких узлов. Это позволяет:

• Ускорить вычисления — задачи выполняются на нескольких узлах одновременно.
• Обеспечить надёжность и отказоустойчивость — если один узел выходит из строя, остальные продолжают работу без перебоев.
• Масштабируемость — можно добавлять новые узлы, чтобы увеличить мощность системы, или убирать ненужные, не останавливая процессы.

Виды кластеров

• Кластеры для обеспечения высокой доступности (HA, англ. High Availability) — обеспечивают бесперебойную работу приложений, если один из узлов выходит из строя, другой автоматически берёт на себя его функции.
• Кластеры с функцией балансировки нагрузки — распределяют задачи между узлами так, чтобы избежать перегрузки отдельных ресурсов, увеличить производительность системы.
• Многопоточные кластеры — используют параллельные вычисления для обработки больших объёмов данных.

Структура кластера

Некоторые компоненты кластера:

• Узлы — компьютеры, составляющие основу кластера. Могут быть одинаковыми по конфигурации или различаться в зависимости от выполняемых функций.
• Сеть передачи данных — обычно это локальная сеть (LAN) — высокоскоростная и с минимальными задержками.
• Управляющее ПО — отвечает за координацию всех узлов в кластере, распределяет задачи между узлами, контролирует их состояние и обеспечивает синхронизацию действий.
• Система хранения данных — возможны два варианта: общее хранилище, доступное всем узлам, либо распределение данных между ними.

Принцип работы кластера

Основная идея кластерной архитектуры — распределение задач между узлами. Каждый узел обрабатывает только свою часть общей задачи, а ПО следит за состоянием узлов и перераспределяет нагрузку при необходимости. Например, в научных вычислениях одна задача может быть разбита на несколько подзадач, которые обрабатываются параллельно разными узлами.

Задачи, решаемые с помощью кластера

• Обработка больших объёмов данных. Задачи можно поделить на части и решать их параллельно на разных узлах. Например, в научных вычислениях одна задача может быть разбита на несколько подзадач, которые обрабатываются параллельно разными узлами.
• Обеспечение бесперебойной работы сервисов. Если один из узлов выходит из строя, другой автоматически берёт на себя его функции. Это значимо для критически важных приложений, где даже кратковременное отключение способно привести к серьёзным последствиям.
• Балансировка нагрузки. Запросы от пользователей распределяются между всеми узлами равномерно, чтобы избежать перегрузки отдельных ресурсов. Это актуально для веб-сервисов, приложений, API — везде, где важна производительность под высокой нагрузкой.
• Резервирование и восстановление данных. В случае сбоя одного из узлов система автоматически переключается на резервный узел — это минимизирует риски потери данных и задержки в их обработке.

Создание кластера

• Серверы — они должны быть совместимы и достаточно мощны, часто используют идентичные конфигурации для упрощения администрирования.
• Сетевое оборудование — должно обеспечивать высокую пропускную способность и минимальную задержку — кластер постоянно обменивается данными между узлами.
• Программное обеспечение — для эффективного функционирования кластера необходимы специализированные программные инструменты и протоколы.

Управление кластером

Некоторые особенности управления небольшим кластером:

• Единый образ системы — пользователи видят серверы в кластере как единое целое, хотя в действительности они функционируют на различных узлах.
• Выделенный управляющий узел — на нём не производятся вычисления, а работает основная часть системы управления: подсистема очередей, система сбора и обработки информации.
• Механизм контрольных точек — сохранение состояния выполняемого процесса через регулярные промежутки времени, чтобы в случае аварийного выхода узла из строя не начинать вычисления сначала.

Применение кластеров

Кластеры могут использоваться в разных сферах, например:

• Научные исследования — для моделирования сложных математических моделей, анализа больших данных.
• Облачные сервисы — для создания высокодоступных и масштабируемых сервисов.
• Финансовые учреждения — для обработки больших объёмов данных, проведения аналитики и прогнозирования рыночных тенденций.