架构高性价比的分布式计算机集群.docx

1、架构高性价比的分布式计算机集群架构高性价比的分布式计算机集群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12%。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

2、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

3、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

4、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

5、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，80

6、GB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 dhcp-3.0.1rc9-1.i386.rpm是支持启动内核调用的DHCP版本 dhcpcd-1.3.22pl1-7.i386.rpm是DHCPD守护进程 mknbi-1.2-6.noarch.rpm是制作客户端启动内核的必要软件包 MOSIX-1.6.0.tar.gz是原始的MOSIX文件，最新的版本是1.7.0 MOSKRN-1.6.0.tar.gz是原始MOSIX内核文件，最新的版本是1

7、.7.0 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-

8、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

9、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

10、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

11、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(openm

12、osix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 tmpmd5 package_file_nameB，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/cdromcd /mnt/redhat/RPMrpm -Uvh kernel-headers*rpm -Uvh kernel-source*rpm -Uvh kernel-doc*rpm

13、 -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/srcumount /mnt/cdromC，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.gzD，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：

14、mv MOSIX-1.6.0 /usr/src/mv MOSKRN-1.6.0 /usr/src/ mv linux /usr/src/linux-2.4.18E，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/manF，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.backupcd /usr/src/

15、linux-2.4.7-10/configscp kernel-2.4.7-i686.config /usr/src/config.backup/kernel-2.4.8.configG，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/.configH，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-2.4.18vi MakefileEXTRAVERSION

16、 = 18I，开始安装MOSIX 1.6.0cd /usr/src/MOSIX-1.6.0./mosix.installJ， 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1K，在内核编译配置菜单中，你可以看到新增加的MOSIX选项图2L，选择进入M

17、OSIX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3M，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4N，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

18、support)，IP启动地址绑定支持 (IP: BOOTP support)。图5O，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7P，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8Q，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10R，先不要忙于重启，需要修改/boot/grub/grub.con

19、f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11S，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12T，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13U，配置文件修改完成后，系统会提示节点的IP地址有变

20、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14V，进入系统后，启动MOSIX，显示初始化MOSIX，MOSIX配置完成4.因为MOSIX有另外的分支openmosix，因为版权问题不同（后面将会介绍）， openmosix更开放一些，而且openmosix的安装相对简单，推荐没有经验的初学者使用，下面是openmosix的安装和基于 openmosix的客户端配置。注意：MOSIX和openmosix虽然都是MOSIX原理下的软件，但是互相是不能通讯的，因此

21、一个集群系统里要统 一使用一种平台。openmosix是使用rpm为安装包的，事实上只是把编译好的内核直接挂接到系统里，并没有经过你自己的编译，对于初学者而言要方便 许多。以下操作是在刚安装完RedHat Linux 7.2的系统上完成的，除openmosix的软件包外，不需要其他任何的软件包，缺省目录在/usr/src/下。可根据情况安装SMP版本， openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.i386.rpm版本适合于所有X86体系的处理器，openmosix- kernel-2.4.18-openmosix2.i686.rpm版本适合本例，openmosix-k

22、ernel-2.4.18- openmosix2.src.rpm是包含kernel-2.4.18和openmosix内核补丁的源代码。当安装完成后启动时就可以看到 openmosix的启动项。cd /usr/src/rpm -Uvh openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.i686.rpmrpm -Uvh openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.src.rpmrpm -Uvh openmosix-tools-0.2.2-1.i386.rpm 5.下面是利LTSP配置客户端系统，首先需要安装必要的软件包。并将文件安装放到到适当的路径下。

23、rpm -Uvh dhcp-3.0.1rc9-1.i386.rpmrpm -Uvh dhcpcd-1.3.22pl1-7.i386.rpmrpm -Uvh mknbi-1.2-6.noarch.rpmrpm -Uvh ltsp_core-3.0-11.i386.rpm rpm -Uvh ltsp_kernel-3.0-3.i386.rpm rpm -Uvh ltsp_floppyd-3.0.0-2.i386.rpm rpm -Uvh ltsp_initrd_kit-3.0.1-i386.tgz mv ltsp_initrd_kit /usr/src/ 6. 因为使用的是openmosix，你需

24、要单独展开的linux-2.4.18.tar.gz文件和openmosix的补丁文件，需要将 openmosix的补丁加入，你在安装openmosix-kernel-2.4.18-openmosix2.src.rpm时，源文件会存在于 /usr/src/redhat/SOURCES/目录下，同时还有内核补丁文件。cd /usr/src/redhat/SOURCES/tar xvfz linux-2.4.18.tar.gzmv /usr/src/redhat/SOURCES/linux /usr/src/linux-2.4.18-om27.将内核补丁文件展开并加入内核源文件，并作编译前准备，将旧

25、的内核编译中间结果清理干净：cp /usr/src/redhat/SOURCE/openMosix-2.4.18-2.gz /usr/src/linux-2.4.18-om2/gunzip /usr/src/linux-2.4.18-om2/openMosix-2.4.18-2.gzcd /usr/src/linux-2.4.18-om2patch -Np1 openMosix-2.4.18-2make mrproper8.修改Makefile文件的EXTRAVERSION部分，加入-om2标记：vi MakefileEXTRAVERSION = -om29.将LTSP的内核编译配置文件备份并

26、放到内核编译目录下：cp /opt/ltsp/kernel-configs/config.2.4.9-ltsp-5/usr/src/config.backup/cp /opt/ltsp/kernel-configs/config.2.4.9-ltsp-5 /usr/src/linux-2.4.18-om2/.config10. 启动内核编译配置菜单，注意选择openmosix选项中的进程迁移(process migration support)，直接文件系统访问( Direct File-System Access)，openmosix文件系统(OpenMosix File-System)，注

27、意不要选择内核调试(Kernel Debugger)。其他的配置根据具体需要，没有SCSI硬盘可以去掉SCSI选项，不需要声卡，也可以去掉。make menuconfig11. 编译内核一般分为编译库(make dep)，编译启动映象(make bzImage)，编译模块(make modules) 和安装模块(make modules_install)。系统可以连续完成几步操作：make dep & make bzImage & make modules & make modules_install12. 如果系统没有提示错误并中止，将会显示新的内核映象的大小，模块编译完成并安装等信息。编译

28、完成的内核将作为客户端的内核系统，因此需要将模块复制到LTSP的目录下：cp -R /lib/modules/2.4.18-om2 /opt/ltsp/i386/lib/modules/13.完成后将创建符合无盘启动的系统，使用LTSP的初始化工具就可以完成，进入/usr/src/ltsp_initrd_kit目录，修改buildk文件的最后部分，用#注释掉原有prepare_kernel部分，并添加适合本例的命令。cd /usr/src/ltsp_initrd_kit/vi buildk# prepare_kernel /usr/src/linux-2.4.9-ltsp 2.4.9-ltsp

29、-5# prepare_kernel /usr/src/linux-2.4.9-ltsp-lpp 2.4.9-ltsp-lpp-5 lppprepare_kernel /usr/src/linux-2.4.18-om2 2.4.18-om214. 修改完后运行buildk将会在/tftpboot/lts/下创建新的内核启动文件。./build15. 建议创建内核启动文件连接，这样不必频繁修改配置文件的内容，下次只要改变文件名就可以更换内核了。cd /tftpboot/ltsp/ln -s vmlinuz-2.4.18-om2 vmlinuz-openmosix16. 修改/etc/dhcpd.

30、conf文件，使动态地址分配支持新的启动内核。修改内核启动文件的名称和路径，如果该文件不存在，可以参考后面的配置文件。cd /etc/vi dhcpd.conffilename /lts/vmlinuz-openmosix;17. 随后你可以添加自动分配主机名，这样每台客户机启动时自动生成主机名，注意主机名要和你的hosts文件对应。本例中自动生成的主机名将是node001到node253，数字部分是根据IP地址补齐三位数得到的。vi dhcpd.conffilename /lts/vmlinuz-openmosix;option host-name = concat(node , binar

31、y-to-ascii( 10, 8, ,substring(reverse( 1, leased-address), 0, 1);18. 检查重要的服务进程是否启动，并使新配置文件生效。chkconfig tftp onchkconfig dhcpd onservice dhcpd restartservice xinetd restart19. 创建mosix.map文件，并保持服务器和客户端的一致。cd /etc/vi mosix.map1 192.168.0.254 12 192.168.0.1 253cp /etc/mosix.map /opt/ltsp/i386/etc/20. 复制openmosix的工具到客户端的目录中。cp /sbin/setpe /opt/ltsp/i386/sbin/cp /bin/mosrun /opt/ltsp/i386/bin/cp /bin/mosmon /opt/ltsp/i386/bin/cp /bin/mosctl /opt/ltsp/i386/bin/cp /bin/migrate /opt/ltsp/i386/bin/2