Светът е неизбежно обвързан с технологиите, което изисква от тях да са все по-бързи и надеждни. Това от своя страна зависи от изчислителната сила на устройствата, които са част от тези технологии. За да се отговори на тази нужда се използват клъстери.
В информационните технологии клъстер е група от свързани помежду си компютри или сървъри, които работят като една обща система. Тази система се използва за обработка на данни и обслужване на множество заявки наведнъж.
В днешната статия разглеждаме подробно какво представлява компютърният клъстер, каква е неговата архитектура, какви видове клъстери има и какви са ползите от използването им.
Ще отговорим и на въпроса какво е суперкомпютър и дали понятието е същото като клъстер.
Какво е клъстер?
Съвсем просто обяснено, клъстер е съвкупност от компютри, които работят по една и съща задача паралелно. Самата дума клъстер идва от английски (cluster) и означава група от еднородни елементи.
Често използвана аналогия за лесното разбиране на концепцията за компютърен клъстер е реденето на пъзел. Ако пъзелът е от много части и го редиш сам, ще ти отнеме доста време да видиш завършената картина. Ако извикаш няколко приятели за помощ обаче, пъзелът ще бъде нареден значително по-бързо.
Идеята на клъстера е абсолютно същата - когато има нужда да бъдат извършени големи калкулации, да се проследи маса от количество данни или да се рендерира тежко изображение, изчислителната сила на няколко компютъра свършва работата по-бързо и по-ефективно.
Разбира се, “няколко компютъра” може да значи 2 устройства и 2000 устройства. Броят на участващите компютри в един клъстер зависи от нуждите за изпълнение на съответната задача.
Пример за клъстер
Малко е трудно човек да си представи използването на компютърни клъстери на практика. Да, ясно е, че чрез клъстъри се компилират и пресмятат големи масиви от данни, но какво е приложението на тази възможност в живота?
Организации като НАСА и Google са примери за това как се употребява клъстер.
При планирането на нова космическа мисия трябва да се премине през безброй тестове и пресмятания - за траекторията на ракетата, обема на горивото, издръжливост, скорост и какво ли още не. Тези резултати трябва да са максимално сигурни, за да се гарантира безопасността на космонавтите.
На помощ се отзовават компютърните клъстери. Чрез тях се разиграват всевъзможни симулации на всяка мисия, за да се намерят правилните стойности за нейния успех.
По-достъпен пример за ползата от клъстерни технологии е търсачката Google. Всички тези уеб сайтове, които се намират на едно търсене разстояние, трябва да се пазят някъде, нали така?
Това “някъде” са центровете за данни на Google. Те представляват големи клъстери от сървъри, които правят възможно бързото достигане на нужните резултати до теб.
Архитектура на компютърния клъстер (как изглежда на схема)
Всеки клъстер се състои от няколко нива, за които ще разкажем в следващите редове. Подготвили сме и семпла визуализация, която да те улесни:
Основните играчи в един клъстер са nodes - компютрите, от които е съставен клъстера, и които ще решават големия проблем. Могат да са нормални компютърни устройства или големи сървъри от висок клас.
Няколко от тях обикновено са managing nodes - компютърни устройства със специален софтуер, които следят хардуера и софтуера на останалите компютри в клъстера. Те преконфигурират ноудовете спрямо нуждите за решаване на конкретен проблем.
Всички тези устройства трябва да комуникират помежду си, за да работят ефективно. Това се случва чрез частна мрежа (private network), към която всички те са свързани.
За да работят по един и същ проблем, освен да имат връзка помежду си компютрите трябва да имат и достъп до една и съща информация. Затова ноудовете споделят общо хранилище, където да си набавят нужните данни за извършване на поставената задача.
Използването на общо хранилище гарантира, че когато един от участващите в клъстер компютри се развали, друг може да поеме неговата работа.
Видове клъстер
Видовете клъстери се различават не толкова по технически параметри, колкото по нефункционални характеристики. В практиката, различните клъстери могат да са част от една клъстер система.
Failover / High Availability Cluster
При High Availability клъстер основната цел е възможно най-бързо възстановяване на системите след срещнат проблем. Всеки node от системата е готов да поеме работата на друг при нужда.
За да се приложи такъв тип клъстер се използват поне два nodes - един главен и един резервен. Те са с еднакви настройки и функции, като резервния не е активен, докато главният работи.
При случай на проблем с главното устройство, резервният компютър от клъстера поема нужната работа и заявки.
High-Performance Computing
По-рано споменахме клъстери на Google и NASA. Е, те са HPC (High-Performance Computing). Справят се с огромно количество данни и комуникацията между устройствата е светкавично бърза.
Важно за този тип системи е всяко от устройствата да функционира с еднаква скорост и да има еднакви възможности. Всяко разминаване от това правило води до загуба на ефективност в клъстера.
HPC има приложения в неочаквано много сфери. Симулациите, които могат да се правят чрез този клъстер, се използват в полето на медицината, транспорта, екологията, икономиката, технологиите и медиите.
Load Balancing Cluster
Както подсказва името, целта на този вид клъстер е да балансира натоварването. Участващите компютри в клъстера са независими един от друг и това какво трябва да свършат се контролира от load balancer.
Load Balancer е ноуд, който е част от клъстера и отговаря за разпределянето на задачи измежду устройствата. Тези решения се взимат автоматично на база предварително установен алгоритъм.
При този клъстер, когато има проблем с едно от устройствата, работата му се разпределя измежду останалите участници в системата. Така се избягват сривове в системата.
Предимства на компютърния клъстер
Клъстерите са удобно решение при нужда от по-висока изчислителна сила и осигуряване на издръжливост на системите и услугите. Ето кои са силните страни на този тип технологии:
- Мащабируемост - едно от най-полезните качества на клъстера е неговата възможност да става по-голям и това води до по-добри резултати. Добавяйки още едно устройство към клъстер системата при нужда, тя става по-устойчива и ефективна;
- Лесно управление - клъстерите имат централизирано управление, което е по-лесно от това да работиш на няколко компютъра едновременно;
- Ефективност на ресурсите - разделяйки работата между устройствата се използва техният пълен потенциал и се оптимизира времето за постигане на желания резултат;
- Устойчивост и сигурност - тъй като компютрите споделят дейностите и са взаимозаменяеми, при наличие на повреда работещите устройства поемат задачите на проблемното звено. Това гарантира устойчивост на цялостната клъстер система.
Какво е суперкомпютър и същото ли е като клъстер?
Суперкомпютър е компютърно устройство с отчетливо по-високи показатели на производителност и ефективност от тези на стандартните компютри.
Старите домашните компютри, пригодени за общо ползване, са имали сравнително слаби възможности. Машини, които да се справят с обработка на голям масив от данни, са били рядкост и именно това ги е отличавало от стандартните устройства.
Сега технологиите, разработвани за едновремешни суперкомпютри, присъстват във всяко ежедневно устройство и не са толкова специални. Именно затова в наши дни почти всички суперкомпютри са клъстерни системи от множество такива компютри.
Най-бързият суперкомпютър към днешна дата е Frontier - клъстер от над 9,400 компютъра. Намира се в щата Тенеси, САЩ, и е притежание на Националната лаборатория Оук Ридж и Министерството на енергетиката на САЩ.
За начало, чрез този клъстер се цели решаването на 24 проблема от области като енергетика, икономика, здравеопазване и наука.
Как изглежда клъстер в реалността? Виж във видеото за Frontier: https://www.youtube.com/watch?v=etVzy1z_Ptg
Технологиите в IT сектора се развиват непрестанно и нуждата от специалисти трудно ще бъде разрешена. Също така компютърните технологии са неизменно свързани с уменията за програмиране.
Ако искаш да си гарантираш успешо бъдеще и имаш интереси в сферата на софтуерното инженерство, запиши се на курс по програмиране с Advance Academy!
