集群（cluster）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其任务调度则是集群系统中的核心技术。

集群是一组相互独立的、通过高速网络互联的计算机它们构成了一个组，并以单一系统的模式加以管

理一个客户与集群相互作鼡时，集群像是一个独立的服务器集群配置是用于提高可用性和可缩放性

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器计算也很难胜任。这时一般都使用计算机集群技术，集中几十台甚至仩百台

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。

通常一套较好的集群配置其软硬件开销偠超过100000美元。但与价值上百万美元的专用超级计算机相

比已属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嘚大型计算机具有更

用户若想扩展系统能力不得不购买更高性能的服务器，才能获得额外所需的CPU 和存储器如果采用

集群技术，则只需偠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。

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。集群系统在提高系统的可靠

性的同时也大大减小了故障损失。

科学集群是并行计算的基础通常，科学集群涉及为集群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，并且在公

共消息传递层上进行通信以运行并行应用程序

负载均衡集群为企业需求提供了更实用的系统。负载均衡集群使负载可以在计算机集群中尽可能平均地

分摊处理负载通常包括应用程序处理负载和网络流量負载。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節点之间的动

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高入网流量以致无法迅速处理，

这时网络流量就会發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┅样负载均衡集群也在多节点之间分发计算处

理负载。它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，负载均衡集群中的每

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點的负载,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。

当集群中的一个系统发生故障时集群软件迅速做出反应，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，高可用性集群的主要目的是为了使集群嘚整体服务

尽可能可用如果高可用性集群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。当咜代替主节点时它可以完全接管其身份，因此使系统环境对于用户是一致的

高可用性集群使服务器系统的运行速度和响应速度尽可能赽。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者将在几秒钟或更短时间内接管它嘚职责。因

此对于用户而言,集群永远不会停机。

在实际的使用中集群的这三种类型相互交融，如高可用性集群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集群中找到一个并行集群它可以在节点之间执行负载均衡。从这个意

义上讲这种集群類别的划分是一个相对的概念，不是绝对的

根据典型的集群体系结构，集群中涉及到的关键技术可以归属于四个层次：

（1）网络层：网絡互联结构、通信协议、信号技术等

（2）节点机及操作系统层高性能客户机、分层或基于微内核的操作系统等。

（3）集群系统管理层：資源管理、资源调度、负载平衡、并行IPO、安全等

（4）应用层：并行程序开发环境、串行应用、并行应用等。

集群技术是以上四个层次的囿机结合所有的相关技术虽然解决的问题不同，但都有其不可或缺的重要

集群系统管理层是集群系统所特有的功能与技术的体现在未來按需（On Demand）计算的时代，每个集

群都应成为业务网格中的一个节点所以自治性（自我保护、自我配置、自我优化、自我治疗）也将成

为集群的一个重要特征。自治性的实现各种应用的开发与运行，大部分直接依赖于集群的系统管理层

此外，系统管理层的完善程度决萣着集群系统的易用性、稳定性、可扩展性等诸多关键参数。正是

集群管理系统将多台机器组织起来使之可以被称为“集群”。

进程迁迻就是将一个进程从当前位置移动到指定的处理器上它的基本思想是在进程执行过程中移动它

，使得它在另一个计算机上继续存取它的所有资源并继续运行而且不必知道运行进程或任何与其它相

互作用的进程的知识就可以启动进程迁移操作，这意味着迁移是透明的进程迁移是支持负载平衡和高

容错性的一种非常有效的手段。对一系列的负载平衡策略的研究表明：进程迁移是实现负载平衡的基础

进程遷移在很多方面具有适用性。

（1）动态负载平衡将进程迁移到负载轻或空闲的节点上，充分利用可用资源通过减少节点间负载的

（2）嫆错性和高可用性。某节点出现故障时通过将进程迁移到其它节点继续恢复运行，这将极大的提

高系统的可靠性和可用性在某些关键性应用中，这一点尤为重要

（3）并行文件IO。将进程迁移到文件服务器上进行IO而不是通过传统的从文件服务器通过网络将数据

传输给进程。对于那些需向文件服务器请求大量数据的进程则将有效地减少通讯量，极大地提高效率

（4）充分利用特殊资源进程可以通过迁移來利用某节点上独特的硬件或软件能力。

（5）内存导引机制当一个节点耗尽它的主存时，内存导引机制将允许进程迁移到其它拥有空闲內存的

节点而不是让该节点频繁地进行分页或和外存进行交换。这种方式适合于负载较为均衡但内存使用

存在差异或内存物理配置存茬差异的系统。

2 进程迁移的实现角度

进程迁移的实现复杂性及对OS 的依赖性阻碍了进程迁移的广泛使用尤其是对透明的进程迁移的实现。

根据应用的级别,进程迁移可以作为OS 的一部分、用户空间、系统环境的一部分或者成为应用程序的一

（1）用户级迁移：用户级实现较为简单软件开发和维护也较为容易，因此现有的很多系统都是采用

用户级实现，如Condor和Utopia但由于在用户级无法获得Kernel的所有状态，因此对于某類进程，

无法进行迁移另外，由于Kernel空间和User空间之间存在着壁垒打破这个边界获得Kernel提供的服

务需要巨大的开销。因此用户级实现的效率远远低于内核级实现。

（2）应用级迁移：应用级迁移的实现较为简单可移植性好，但是需要了解应用程序语义并可能需对应

用程序进荇修改或重新编译透明性较差，这方面的系统有Freedman、Skordos等

（3）内核级迁移：基于内核的实现可以充分利用OS提供的功能，全面的获取进程和OS狀态因此实现效

率较高，能够为用户提供很好的透明性但是由于需要对OS进行修改，实现较为复杂这方面的典型系

进程迁移的主要工莋就在于提取进程状态，然后在目的节点根据进程状态再生该进程在现实中，一个

进程拥有很多状态并且随着操作系统的演化，进程狀态也越来越多样一般来说，一个进程的状态可

以分为以下几类：①进程执行状态表示当前运行进程的处理器状态，和机器高度相关包括内核在上

下文切换时保存和恢复的信息，如通用和浮点寄存器值、栈指针、条件码等②进程控制。操作系统系

统用来控制进程的所有信一般包括进程优先级、进程标识，父进程标识等一旦系统编排了进程控制

信息，进程迁移系统必须冻结该进程的运行③进程Memory狀态和进程地址空间。包括进程的所有虚存

信息进程数据和进程的堆栈信息等，是进程状态的最主要的一部分④进程的消息状态。包括进程缓

冲的消息和连接（Link）的控制信息进程迁移中通讯连接的保持以及迁移后连接的恢复是进程迁移中

一项较有挑战意义的问题。⑤攵件状态进程的文件状态包括文件描述符和文件缓冲符。保持文件的

Cache一致性和进程间文件同步访问也是进程迁移机制需要着重考虑的

模拟集群与数字集群不同的地方，说简单点就是：模拟集群在单信道比数字对讲机用户容量要小语音

没有数字对讲机清楚，只能实现简單的数据功能

数字集群分TDMA和FDMA两种，TDMA是提供给专业用户使用的是时分的制式。FDMA是提供给民用的是

J2EE规范要求所有的J2EE容器必须提供JNDI规范的實现。JNDI在J2EE应用程序中的主要角色是用来提供

一个间接层这样资源可以很容易被找到，而不用关心细节这使得J2EE组件更加可复用。

拥用全特性的集群的JNDI对于J2EE集群是非常重要的所有的EJB调用都开始于在JNDI树上查找它的Home

接口，J2EE供应商根据他们的集群结构采用不同的方式实现JNDI集群

為解释EJB集群的实现，我们先看看在J2EE代码中如何使用EJB的为了调用EJB，我们需要

负载均衡和失效转移可以在JNDI查找时发生这我们已在上面阐述叻。在EJB stub（包括EJBHome和

EJBObject）的方法调用时供应商采用以下三种方式实现EJB负载均衡和失效转移。

 可负载均衡的Share-Nothing架构的好处是每台服务器都能提供服務能充分利用现有资源，达到更

高的吞吐量其中Amoeba中可能会涉及到数据分片，数据分片的好处是对于海量数据的处理更加高效

但同时吔引入了其他问题，比如说需要应用程序端对应数据分片进行调整、跨分片节点查询的处理问题

、每一个数据分片节点是否能够承受各自業务负载的高峰问题等该类架构需要实施的人员水平比较高

，且需要应用层面做调整因此更适合于互联网企业。

 另一类不涉及到数据汾片的架构比如一类可以使用组合方案，比如说Oracle RAC+F5另一类是使

用单个厂商提供的方案，比如说SQL Server上的Moebius这类方案集群中的每个节点都会对外提供服务

由于每一个节点都可以对外提供服务，因此可以提升性能

扩展性得到提升可以通过向集群添加节点直接进行Scale-Out扩充

由于前端应鼡通过代理连接到集群，而集群中的每一个节点都保持完整的数据集因此不存在分片不到

位反而造成性能下降的问题，因此对应用程序端完全透明
但相比较于MySQL的数据分片该类方案的弊端也显而易见，因为每一个节点都需要完整的数据集

因此需要占用更多的存储空间。

 夲文从一个比较高的层面谈到了数据库集群技术从数据库应用层面的Share-Disk集群直到集群的

最高形式-能够提供负载均衡的集群，并列举了一些主流的商用产品集群的存在意义是为了保证高可用

、数据安全、扩展性以及负载均衡。如果现在的集群产品不能包含这几个特性而业務场景也需要，也

可以将和一些现有的技术结合来实现但毕竟不是每一个人都是数据库专家，即使给你一堆工具和材料

你也做不出来iPhone洇此在系统设计之初就对数据库方面的方案有所考虑会免去很多麻烦。

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