如何架构高性价比的分布式计算机集群(1)

如何架构高性价比的分布式计算机集群(1)

正如你所看到的一样，你的机器在绝大多数时间是空闲的，如果你在Windows下用任务管理器或其他的Linux 平台的工具例如top，xload）观察CPU，你会看到CPU的使用率常见在1～2%。事实上，如果你有更多的计算机，这种浪费会加剧，在一个有 300台计算机的部门里，CPU的空闲率是惊人的。然而这些部门还是需要强大的服务器用来编译或模拟计算，这样的情况还会加剧，不止需要一台，因为随着用户的增加，即使是8个CPU的服务器，满负荷时也不能把任务交给另外的空闲服务器，因为用户很少会改变习惯去登陆另外一台服务器。如果能利用现有的计算资源，把空闲的CPU利用起来，或者能让服务器智能的迁移负荷，就是你看下去的理由。
集群的基本单位是单独的计算机，称为节点 (node)。其可增长的特性，称为延展性(Scale)，也就是向集群中加入计算机。集群没有严格的定义，可以说就是许多利用高速联接的，具有高速运算能力的，具有单一用户界面的计算机组合。这并不是集群的定义，而是表面现象的描述。集群中的节点需要硬件尽可能的一致，不一致的硬件集群称为异构集群，虽然这并不能改变集群的特性，但是异构导致集群会花费额外的时间来处理由于异构带来的延迟，另一方面这也是集群的优势，任何其他的多CPU系统都是严格要求 CPU是一致的，集群就有足够的自由度增减节点，不受类型的限制。
本文选择MOSIX作为集群的方案，并使用无盘节点。架构集群并没有想象中那样复杂，参考下面的步骤可以一步步的架构集群，整个的方案并不是很昂贵，而且便于扩展。使用RedHat是因为在中国这是最有权威的版本，不论是初学者还是专业工作者，都可以在RedHat Linux中定制自己的版本。使用终端服务器LTSP是因为结构简单，便于快速扩展。使用的硬件是可以改进的，比如使用双CPU的主板和至强处理器，这样单一机柜中处理器就密集到48块CPU，本例中可以使用24块CPU。除了CPU以外，还可以使用千兆网卡或光纤网卡，交换机可以使用光纤交换机，内存总数可以达到48GB。但是随着硬件的升级，整体价格就会过高，而性能的提升并不是按比例的，因此本例的配置是性价比较好的组合。MOSIX是利用给内核源代码加补丁的办法，增加内核的功能来达到内核级的集群支持，通过编译后的内核启动的系统间类似SMP多处理器的系统，从外面的角度看只有一台有很多处理器的庞大机器，但是内部是用很多机器架构成的。而MOSIX集群的特点是对用户透明，原有的应用程序不需要修改代码即可以在集群中分布计算。
有几种情况是不需要使用集群系统的，使用类似网格计算的脚本就可以完成计算，比如三维动画的渲染，这类计算可以使用不同的节点，不需要对称的硬件，不需要一致的操作系统需要应用具有支持不同操作系统的版本），只需要按照处理器来分割渲染的任务段，在每个节点上运行相应的任务段，然后合成所有节点的计算结果。因为计算数据是离散的结果的连续是视觉的连续），因此用类似网格计算的脚本也可以完成。这类计算不需要使用集群也可以完成。
下面本文将告诉你如何准备硬件和软机环境。首先是规划你的计算环境。
硬件环境：
49U标准机柜，安装1U的交换机，24台2U机架式机箱。
1U的24口100MB交换机不是集线器）
Intel P4 2GHz CPU，1GB DDR，Intel 845D主板，软驱，NVIDIA显卡能启动X Windows就可以），2U机架式机箱，3C905B 10/100MB自适应网卡，网关需要配置光驱，80GB硬盘和双网卡。
5类线，按照693A压3米网线24根。
显示器，键盘，鼠标仅在安装时使用。
软件环境和必要的安装包除特殊说明外，高版本不一定适用）：
Redhat 7.2 CD1 和CD2安装光盘 www.redhat.com
dhcp-3.0.1rc9-1.i386.rpm是支持启动内核调用的DHCP版本www.redhat.com
dhcpcd-1.3.22pl1-7.i386.rpm是DHCPD守护进程www.redhat.com
mknbi-1.2-6.noarch.rpm是制作客户端启动内核的必要软件包www.redhat.com
MOSIX-1.6.0.tar.gz是原始的MOSIX文件，最新的版本是1.7.0 www.mosix.com
MOSKRN-1.6.0.tar.gz是原始MOSIX内核文件，最新的版本是1.7.0 www.moxis.com
openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.i386.rpm是MOSIX分支版本的通用内核，最新的版本是2.4.19 www.openmosix.org
openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.i686.rpm是MOSIX分支版本的新处理器内核，最新的版本是2.4.19 www.openmosix.org
openmosix-kernel-smp-2.4.18-openmosix2.i686.rpm是MOSIX分支版本的多处理器内核，最新的版本是2.4.19 www.openmosix.org
openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.src.rpm是MOSIX分支版本的源代码www.openmosix.org
openmosix-tools-0.2.2-1.i386.rpm是MOSIX分支版本的客户端工具www.openmosix.org
ltsp_core-3.0-11.i386.rpm是LTSP的核心文件www.ltsp.org
ltsp_kernel-3.0-3.i386.rpm是LTSP的内核www.ltsp.org
ltsp_floppyd-3.0.0-2.i386.rpm是LTSP的软盘工具www.ltsp.org
ltsp_initrd_kit-3.0.1-i386.tgz是LTSP的启动制作工具www.ltsp.org
linux_kernel-2.4.18.tar.gz是需要编译的内核源码www.kernel.org
网络配置环境：
网关对外网卡配置10.193.15.169，子网掩码255.255.255.0给内部网使用，用于登录和提交进程。网关对内网卡配置192.168.0.254，子网掩码255.255.255.0，网关为10.193.15.169给集群用于DHCP服务器，NFS 服务器，LTSP服务器。
网关对内网卡配置DHCP，分配地址从192.168.0.100到192.168.0.253，子网掩码255.255.255.0，都是C类。
当以上条件都具备时，可以开始架构MOSIX集群。
1.安装所有硬件，并能确保可以从光盘启动网关服务器系统，节点可以使用软盘启动，检查BIOS的启动设置，并确认可以正确启动。将所有节点和交换机安装到机柜上，用网线连接交换机和各节点，网关需要额外的网线连接到局域网，因为可以称集群计算环境为计算场(Computing Farm)，因此对应局域网称集群系统的网络为计算网络。连接好电源后，使用两套显示器和键盘鼠标，分别连接一台节点机和网关服务器。
2.安装RedHat 7.2版本在具有两块网卡的网关服务器上，分区使用自动分区比较简单，本文不讨论Linux其他问题），选择定制安装，但不要安装所有的软件包，除缺省的选择外，需要额外选择软件开发和内核开发两组软件包，安装时没有选择的软件包，可以在系统正常启动后参考“如何编译内核”中的软件包来安装。安装到网络配置时，按照网络环境配置IP地址，需要配置DNS的需要修改对外网卡的设置，使用小写mosix为主机名。安装完后需要验证网关服务器可以正常启动，按照个人喜好来设定系统，推荐使用文本模式，图形模式资源消耗较大。另外需要连接到RedHat网站升级有缺陷的软件包，减少系统漏洞，注意别把内核也升级了，并不是因为本文的操作，而是内核升级后，系统很可能启动失败，本文将自己编译内核。升级完成后重启，再次确认系统没有任何错误。
3.安装MOSIX包(openmosix的安装是另外的分支)需要很多步骤，注意操作步骤的准确性：
A，将所有下载的软件包上载到服务器的/usr/src/tmp目录下，确认下载的软件包是完整的，确认md5的校验结果一致：
su -
cd /usr/src/
makdir tmp
md5 package_file_name
B，将RedHat 7.2 CD2放入到光驱。参考以下操作确认编译内核需要的软件包已经存在：
mount /dev/cdrom /mnt/cdrom
cd /mnt/redhat/RPM
rpm -Uvh kernel-headers*
rpm -Uvh kernel-source*
rpm -Uvh kernel-doc*
rpm -Uvh dev86*
rpm -Uvh make-*
rpm -Uvh glibc-devel*
rpm -Uvh cpp*
rpm -Uvh ncurses-devel*
rpm -Uvh binutils*
rpm -Uvh gcc-2*
rpm -Uvh tftp*
cd /usr/src
umount /mnt/cdrom
C，安装需要的软件包，展开所有的tar.gz软件包：
tar xvfz MOSIX-1.6.0.tar.gz
tar xvfz MOSKRN-1.6.0.tar.gz
tar xvfz linux-2.4.18.tar.gz
D，如果展开文件没有错误，将各个软件展开目录移到正确的位置：
mv MOSIX-1.6.0 /usr/src/
mv MOSKRN-1.6.0 /usr/src/
mv linux /usr/src/linux-2.4.18
E，为了避免以往MOSIX脚本的错误，需要确认以下步骤：
chmod goa+x /usr/src/MOSIX-1.6.0/inst/add_kernel_to_grub
mkdir /usr/local/man
F，下面才是真正有趣和让人着迷的步骤，首先要创建编译内核配置文件的目录，这是个好习惯，因为每次的编译配置不一定相同，后面排错也会提到相关的问题：
cd /usr/src
mkdir config.backup
cd /usr/src/linux-2.4.7-10/configs
cp kernel-2.4.7-i686.config /usr/src/config.backup/kernel-2.4.8.config
G，将配置文件复制到待编译内核的目录：
cd /usr/src/
cp config.backup/kernel-2.4.18.config linux-2.4.18/.config
H，根据你的情况修改Makefiles的EXTRAVERSION部分，原值为18，可改为mosix来标明编译后的内核版本，并可以区分模块的版本。
cd /usr/src/linux-2.4.18
vi Makefile
EXTRAVERSION = 18
I，开始安装MOSIX 1.6.0
cd /usr/src/MOSIX-1.6.0
./mosix.install

J，安装开始后会有一些问题，除新内核加入LILO或GRUB一问回答为G以外的问题都用回车使用缺省选择大写的字母为缺省值）。问题依次为内核源代码的路径，新内核的启动选项添加在那个启动程序中，内核所包含的库文件连接，MOSIX服务的启动级别，创建MFS装载目录，启动那种内核编译配置菜单，是否显示内核编译详细过程，是否显示用户级编译详细过程。随后系统开始给内核源代码加补丁，启动内核编译配置菜单。

图1
K，在内核编译配置菜单中，你可以看到新增加的MOSIX选项

图2
L，选择进入MOSIX选项并添加直接文件系统访问 (Direct File-System Access) 和MOSIX文件系统 (MOSIX File-System)。用ESC键推出当前选单。

图3
M，添加块设备 (Block devices) 的内存虚拟盘的支持 (RAM disk support) 和使用初始化进程初始化内存虚拟盘 (Initial RAM disk (initrd) support)两项。

图4
N，在网络选项 (Networking options) 中增加对IP内核级自动配置 (IP: kernel level autoconfiguration)，IP动态地址支持 (IP: DHCP support)，IP启动地址绑定支持 (IP: BOOTP support)。

图5
O，建议除去SCSI的支持，本例中没采用SCSI设备，并且可以避免内核编译失败。建议除去声卡支持。..

图6

图7
P，在网络文件系统 (Network File System) 中增加NFS支持根文件系统(Root file system on NFS)。

图8
Q，最后多按一次ESC键，提示保存配置文件，选择Yes。系统将开始编译内核，编译模块，安装内核，安装模块。该过程可能会产生一些警告，只要编译没退出，并正常完成回到提示符状态就完成了编译。

图9

图10
R，先不要忙于重启，需要修改/boot/grub/grub.conf文件中 MOSIX的内核路径一行，原路径为/boot/vmlinuz-2.4.18-mosix，修改为/vmlinuz-2.4.18-mosix。修改完后键入reboot可以重新启动。

图11
S，这时的启动菜单中出现Mosix 1.6.0 (2.4.18)，选择该项启动MOSIX系统

图12
T，系统启动中会出现若干错误，图中第一个是由于没有创建/mfs引起的，第二个是由于MOSIX更改了sshd服务的权限，而没启动另外的MOSIX的sshd引起的。第一次启动MOSIX系统，会要求配置mosix.map 文件，回车选择缺省的编辑器进入编辑。

图13
U，配置文件修改完成后，系统会提示节点的IP地址有变化时需要修改mosix.map文件中的节点号。因为网关服务器是192.168.0.254因此定义为节点1，其他的节点从192.168.0.1开始共有253个节点，节点号从2开始。

图14