Что такое вычислительные кластеры и как они работают?

В вычислительных системах существует много способов организации эффективной обработки данных. Одной из наиболее популярных и мощных технологий является вычислительный кластер.

Он представляет собой группу соединенных компьютеров или серверов, которые работают вместе как единая система для решения сложных задач. В кластере каждая машина или узел выполняет определенные функции, которые мы подробно рассмотрим далее. За счет этого увеличивается производительность, повышается устойчивость к сбоям, оптимизируется распределение ресурсов.

В данной статье мы подробно рассмотрим компоненты вычислительного кластера, а также изучим различные его разновидности. Мы постараемся объяснить, какие задачи можно решить с помощью кластеров и по каким причинам они стали неотъемлемой частью современной IT-инфраструктуры.

Вычислительный кластер состоит из нескольких компонентов, которые совместно обеспечивают его работоспособность. В том числе это узел доступа, вычислительные узлы, файловый сервер, LAN (локальные сети) и система хранения данных. Более подробно рассмотрим каждый из элементов.

Узел доступа в вычислительном кластере – это компьютер или сервер, через который пользователи подключаются к кластеру, чтобы отправлять задания на выполнение, управлять задачами и следить за их состоянием. Он работает как точка входа в кластер, но сам не выполняет сложные вычисления.

Основная задача узла доступа – принимать команды от пользователей и перенаправлять их на рабочие узлы, которые уже занимаются реальной обработкой данных. Узел доступа помогает централизованно управлять ресурсами кластера и распределять задачи между вычислительными узлами.

Основная рабочая сила кластера. Вычислительные узлы принимают задачи, назначенные им узлом доступа, затем выполняют их. Каждый такой элемент представляет собой автономный сервер с собственными центральными процессорами, оперативной памятью и дисковыми накопителями.

Количество вычислительных узлов в кластере может варьироваться от нескольких единиц до тысяч в зависимости от поставленных задач, которые необходимо решать. Чем больше вычислительных узлов в кластере, тем выше его итоговая эффективность и производительность, но выше стоимость.

Физическая или виртуальная сеть, соединяющая все узлы кластера. Высокоскоростное и надежное сетевое подключение критично для работы вычислительного кластера, так как между узлами необходимо передавать большие объемы данных с минимально возможной задержкой.

Типы локальных сетей, используемых в кластерах, могут включать высокоскоростные решения, такие как InfiniBand или Gigabit Ethernet, в зависимости от требований к производительности.

Система хранения данных (СХД) является одним из ключевых компонентов вычислительного кластера. Она отвечает за хранение, управление и обеспечение доступа к данным, которые используются как самим кластером, так и конечными пользователями.

В кластере система хранения данных выполняет роль центрального хранилища, к которому обращаются все узлы кластера для получения, обработки и сохранения информации. Здесь используются твердотельные накопители, RAID-массивы и прочие технологии, нужные для надежного хранения огромных объемов данных.

В зависимости от выполняемых задач, характеристик, уровня надежности и назначения кластеры в наши дни принято делить на три категории. Более подробно рассмотрим каждую разновидность. 

Кластеры высокой доступности, известные также как отказоустойчивые кластеры, используются для обеспечения непрерывного доступа к критическим приложениям и сервисам. Их основная задача – минимизировать время простоя приложений и обеспечить доступность даже при возникновении сбоев в аппаратуре либо в ПО. HA-кластеры используются в тех случаях, когда простои системы могут привести к существенным финансовым или репутационным потерям. Вот яркие примеры:

• Серверы баз данных. HA-кластеры часто применяются для баз данных, чтобы обеспечить непрерывную работу даже в случае выхода из строя основного сервера. Это особенно актуально для финансовых организаций, онлайн-магазинов и крупных предприятий, где любая потеря данных или задержка в доступе к данным приводит к опасным последствиям.
• Терминальные серверы. В первую очередь это корпоративные системы, где большое количество сотрудников или клиентов работает с удаленными приложениями и данными.
• Почтовые серверы. Почтовые системы должны работать непрерывно, особенно для крупных компаний и организаций. Использование HA-кластеров позволяет гарантировать доступность почтовых серверов даже при технических проблемах с оборудованием.

HA-кластер становится таковым при достижении определенного уровня доступности приложений, который выражается через показатель время доступности. В индустрии критических систем этот показатель должен быть не менее пяти девяток, что означает 99.999% доступности приложений в течение года. Это соответствует примерно всего лишь пяти минутам недоступности системы за год.

Высокая надежность и отказоустойчивость HA-кластеров объясняется следующими принципами:

• Избыточность компонентов. Каждый элемент кластера, будь то сервер, сеть или хранилище данных, дублируется. Это позволяет системе оставаться в рабочем состоянии даже при выходе из строя одного или нескольких элементов.
• Обнаружение отказов и моментальное переключение. При возникновении сбоя на одном из узлов кластера специальное ПО обнаруживает этот сбой и переключается на резервный узел. Это происходит практически мгновенно, поэтому пользователи ничего не замечают.
• Репликация данных и приложений. В случае сбоя основного узла резервный узел уже содержит актуальные данные и готов моментально заменить вышедший из строя узел без предварительной настройки. В том числе поэтому пользователи не замечают сбой. 

Кроме того, используются системы мониторинга. Они постоянно отслеживают состояние узлов и компонентов кластера, выявляют возможные проблемы на ранних стадиях и минимизируют риски.

Основной задачей кластеров с балансировкой нагрузки является эффективное распределение рабочей нагрузки между несколькими узлами или серверами. Они используются для поддержки высоконагруженных систем, таких как веб-сайты, базы данных, и другие критически важные приложения, к которым предъявляются требования высокой доступности и производительности.

Современные веб-сервисы могут одновременно обслуживать сотни тысяч или даже миллионы запросов от пользователей. Для того чтобы поддерживать стабильную работу таких сервисов, необходимо распределять нагрузку между множеством серверов. Кластеры с балансировкой нагрузки предотвращают перегрузку отдельных узлов и повышают общую эффективность системы.

Балансировщик нагрузки распределяет входящие запросы пользователей между всеми серверами в кластере, предотвращая перегрузку отдельных серверов. Это позволяет поддерживать высокую скорость отклика на запросы. В случае выхода из строя одного или даже сразу нескольких серверов балансировщик перенаправляет запросы на оставшиеся в системе узлы, и этим гарантирует непрерывность работы и минимизацию простоев. Пользователи не заметят возникшего сбоя. 

Высокопроизводительные кластеры представляют собой объединение множества компьютеров или серверов, работающих совместно для решения сложных задач, которые требуют значительных вычислительных ресурсов. HPC-кластеры используются в науке, инженерии и бизнесе для выполнения вычислений, реализовать которые не под силу простым персональным компьютерам.

Например, современные десктопные процессоры выполняют около 4-5 миллиардов вычислений в секунду. Невероятная производительность по меркам одного человека, но мизерная, если сравнить с вычислительной мощностью HPC-кластеров. Последние выполняют триллионы операций за 1 секунду. Ярким примером этой системы является суперкомпьютер из тысяч вычислительных узлов.

HPC-кластеры позволяют моделировать сложные процессы, анализировать большие данные и выполнять интенсивные вычисления, которые важны для таких областей, как климатология, биоинформатика, физика, инженерное проектирование и обучение искусственного интеллекта.

Для формирования высокопроизводительного кластера несколько мощных компьютеров следует объединить с помощью скоростной проводной сети с широкой пропускной способностью. При этом важно обеспечить синхронность выполнения вычислений, чтобы добиться их высокой скорости. В такой системе производительность ограничивается возможностями самого медленного элемента.

Отдельно стоит поговорить про технологии Infiniband и RoCE. Они используются для высокоскоростного обмена данными в вычислительных кластерах, для минимизации задержек и повышения пропускной способности при передаче данных между узлами кластера. 

Специализированная сетевая архитектура для сверхбыстрого обмена данными. Она может достигать пропускной способности до 800 Гбит/с. Infiniband использует технологию RDMA (Remote Direct Memory Access), которая позволяет одному узлу напрямую обращаться к памяти другого узла, минуя центральный процессор и ОС. Это значительно сокращает задержки при передаче данных.

Технология, которая переносит функционал RDMA на стандартную Ethernet-сеть. Это позволяет осуществлять те же быстрые передачи данных с низкой задержкой, но без необходимости установки специализированного оборудования, как в случае с Infiniband. RoCE работает поверх Ethernet, а Ethernet сети уже широко распространены в дата-центрах, что делает его более удобным с точки зрения интеграции с существующей инфраструктурой.

На 2024 год вычислительные кластеры стали неотъемлемой частью развитой IT-инфраструктуры. Они позволяют любому желающему развертывать отказоустойчивые и высокопроизводительные системы как в собственной серверной стойке, так и на базе целого центра обработки данных (ЦОД). Кластеры легко масштабируются и имеют понятную топологию, что делает их идеальными для внедрения в различные сценарии, связанные с серверным оборудованием. Эти преимущества обеспечивают высокую гибкость и надежность, необходимые для современных IT-решений.

Если у вас остались вопросы по выбору оборудования для создания кластера, вы можете обратиться в онлайн-чат на нашем сайте или написать на электронную почту, указанную в шапке сайта. Специалисты ServerFlow всегда на связи и готовы помочь вам решить самые сложные задачи, связанные с серверами и сетевым оборудованием.