高性能集群【基于Linux集群的高性能低成本的校园网解决方案】

　　摘要：校园网络中心作为整个校园局域网的数据传输的中心枢纽，必然会因流量增加而产生的性能及成本问题。从而采用Linux集群技术设计的校园网络中心方案在此可以有效化解这种问题。该文主要介绍采用Linux集群技术构建高性能、低成本校园网的方法和相关技术。
　　关键词：Linux；集群；高性能；低成本
　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)02-0300-03
　　The Campus Web Solution which is Based on Low-cost, High-performance Linux Cluster
　　GU Fen-fei1,WANG Liang-xia1, ZHANG Li2
　　(1.Anhui Xinhua University，Hefei 230088,China；2.Hefei Furong Primary School, Hefei 230088,China)
　　Abstract: As the nerve centre of data transmission of the LAN on campus, the network centre often faces the problem of increasing cost caused by the growing network flow, which can be effectively solved by the campus network plan adopting Linux cluster technology. This paper introduces the method and related technology for establishing high performance and low cost LAN on campus with linux cluster technology.
　　Key words: Linux; clusters; performance; low-cost
　　随着网络应用和需求的不断增加，往往会出现大规模的科学计算和数据处理，如校园vod视频点播、多媒体课件、校园远程教学等。这些应用都需要提供可靠的数据访问，同时还要节省成本，许多高校都开始引入和使用高性能、低成本的集群系统。而基于Linux集群技术的校园网络中心方案可以满足这一需求。
　　 1集群技术简介
　　集群，是一系列具有独自系统的计算机构成一个松耦合的多处理器系统，它们之间通过网络实现资源共享和通信。应用程序可以通过网络共享内存进行消息传送，实现分布式计算机。集群的工作方式类似于人与人之间的协同工作。
　　简单的说，集群（cluster）就是一组计算机，它们作为一个整体向用户提供一组网络资源。这些单个的计算机系统就是集群的节点（node）。一个理想的集群是，用户是不会意识到集群系统底层的节点，在用户看来，集群就是一个系统，而不是多个计算机系统。并且集群系统的管理员可以随意增加和删改集群系统的节点。
　　 2 Linux集群技术在本方案中的应用
　　2.1设计思路
　　设计一个基于Linux的集群技术的校园网解决方案,打破传统的以单机为主的校园网络。以Linux集群技术为基础，构成一个高可用性、高可靠性、负载均衡的操作平台。该平台能够以很少的成本去解决网络负载，同时可以不断监视集群中各节点的负载状况，并且将来自外网的多种应用请求转发到到内网集群中的某一台真实服务器上执行，从而解决校园网服务器面临的大量并发访问造成的高负载问题。
　　2.2解决方案
　　基于Linux集群技术的校园网的体系结构主要有三部分组成，如图1所示。
　　1）负载均衡器
　　在整个校园网工作的过程中，内网主要是通过集群去接入Internet的。从校内局域网中的某个客户端看，集群主要提供了一个Ip地址的映像，整个校园网共用这个虚拟IP地址，客户端的所有应用请求都发往这个虚拟IP地址，通过地址转换连接Internet,从而可以有效地解决校园网IP地址的短缺问题[3]。
　　在本解决方案中，整个集群系统如果只有一台主负载均衡器，那么在多用户并发请求时，容易造成负载均衡器的超负荷运行，从而造成该节点失效，使其成为集群系统中最薄弱的环节。所以在解决方案中，提出备份负载均衡器，这样在主负载均衡器失效的时候，可以将请求移至备份负载均衡器并完成相应的工作。
　　
　　图1解决方案原理图
　　2）应用服务器集群
　　方案中服务节点池指的是真实服务的应用服务器群。客户端发出的服务请求通过均衡器处理以后转交到应用服务器群有相应的真实服务器作出响应并返回数据。在校园网中一般提供www、多媒体教学、Ftp、vod视频、远程教学等服务，使用单一服务器在访问高峰期会造成服务器超负载运行。从而通过多台应用服务器集群可以有效达到负载均衡，同时也是比较经济可行的。
　　应用服务器节点在工作过程中也有可能出现暂时无法连接的情况，特别是某一节点提供多种服务的时候，系统会根据故障将服务进行迁移至其他真实服务器节点执行。另外，对集群系统用户来说，最关键的问题就是要把客户的应用程序和管理系统有机地结合起来。
　　3）存储系统
　　存储系统主要为整个集群系统内部运行提供稳定、一致的文件存取服务。该系统可以为应用服务器集群提供单一的文件系统入口；并且自动完成不同节点访问文件系统所引发的文件锁定、负载均衡、容错、内容一致、读写事务等底层功能，对应用层提供一个透明文件访问服务体系。
　　2.3关键技术
　　该解决方案实际借助于网络接入协议层的负载均衡技术，将用户请求进行合理分布式处理，由应用服务器池中节点来共同承担，以实现性能最大化、负载均衡化的一项集群技术。从用户的角度看，所有请求是在一个并行的集群系统中运行的，主要通过消息传递方式实现各主机之间的通信。那么它与传统的单一计算机相比，集群系统的主要特点是：
　　高可靠性：整个集群系统是由多个节点通过高速网络进行互联，并形成一个完整的系统，从而使用户感觉高效可靠。
　　高并行处理能力：在集群系统同时接受多用户请求时，集群系统中多个真实服务器节点之间通过并行环境和并行程序设计实现应用的高效并行处理。
　　负载均衡：通过多个节点实现负载均衡，极大地发挥节点的运行效率。
　　管理便捷性：通过相应的集群硬件和集群管理软件能够对整个集群实现单一的管理。
　　 3校园集群案例分析
　　根据以上分析，Linux集群技术方案能够合理的解决校园网络高性能低成本的需求。计算机集群系统通常采用并行计算体系结构，它能够将一个大型的计算任务分解成各个子任务，然后分配到各节点并进行并行计算。一般来说，集群中的节点可以被划分为5种类型[4]:
　　登陆节点：指的是外部用户访问改集群系统的入口。用户可以登陆到该节点来编译和运行作业。
　　管理节点：指的是用于监控各节点是否出现故障，并对出现故障的节点的任务进行转移。。
　　存储节点：用于集群系统的数据存储和备份。
　　安装节点：提供在集群系统中各软件安装的节点。
　　服务器池节点：指的是整个集群系统的核心，也就是我们方案中的服务器池。主要功能就是执行计算。
　　该解决方案主要通过这些节点完成各节点的互相访问。每台计算机所扮演的节点类型一般是由集群的实际需求和计算机的配置来决定的。该方案中，登陆节点、管理节点、存储节点、安装节点就存放在同一台计算机上，这台计算机通常被称为主节点。其具体集群系统的结构如图2所示。
　　当用户的应用需求较大时，主节点负责进行作业的分配计算，主节点通常通过监视各个节点的运行状态实现作业的分配。当发现某些节点失效时，系统会自动启动其他应用服务器群里的真实服务器来执行当前的应用需求。同时在此方案中，若主节点出现故障，还专门配置了备份服务器来接受用户的需求。从而达到系统的高性能运行。
　　通过实验，单一服务器与集群系统在处理同样多的客户数时，所花费的时间我们可以见图3。
　　
　　图2校园网络解决方案图
　　
　　图3性能测试结果
　　通过以上分析，可以清楚的看到，在Linux集群系统下的校园网解决方案的确是高性能的，同时也是经济的。
　　 4结束语
　　本文主要讲述高校校园网的建设，利用Linux集群解决方案，并通过实例演示对该方案进行了阐述，同时通过性能测试，充分说明该方案性能是较高的。本方案同时给高校节省很大的成本，并给校园网用户带来极大的收益。是值得推广的解决方案。
　　参考文献：
　　[1]陈年.Linux服务器集群系统构建[J].福建电脑,2005(12)
　　[2]张林波,迟学斌.并行计算导论[M].北京:清华大学出版社,2006.
　　[3]姚耀文.基于Linux的服务器群集方案[J].计算机工程,2001(4).
　　[4]张莹莹.基于校园网的集群服务系统[J].计算机与信息技术,2006(3).

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