CN1242338C - 集群系统 - Google Patents

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Abstract

一种集群系统，包括：多个节点系统，每个节点系统中包括为网络用户提供网络服务的应用系统和为集群系统提供系统服务的网络系统；互连交换网络，集群系统中的所有节点系统分布式的通过上述互连交换网络连接，其中，所述网络系统负责提供集群系统服务、集群系统的资源抽象和网络协议处理；所述应用系统构建在所述网络系统之上，使用网络系统提供的集群系统服务。本发明高效地支持传统集群服务，降低集群服务给主机系统所带来的负载；提高集群系统软件的可移植性；强有力地支持异构的集群系统；支持新型集群服务的增删、升级，以及动态查询和服务绑定功能，使得集群系统具有很强的延展性。

Description

集群系统
技术领域
本发明涉及信息技术，特别涉及一种集群系统。
背景技术
与大型机相比，集群服务器系统的优势，不仅在于低廉的价格和其高可用性，还具有很强的可扩展性，因而在网络应用中备受用户的亲睐。集群系统的研究也成为高性能计算机研究领域的难点和长期的热点。集群技术在很大程度上已经成为高性能计算机的核心技术。由于网络应用的特点，集群系统中各个节点系统相对对立地处理网络请求。与用于大规模计算的集群系统相比，面向网络应用的集群系统耦合程度低，实现相对简单。因此，各种简单的面向网络应用的集群系统，特别是WWW服务的集群系统，应运而生。这些集群系统简单和低廉的特点使它们得到了广泛的应用。
图1所示为传统集群系统的系统结构。在该图中，传统集群系统中的集群服务是实现于系统中的操作系统之上的。系统硬件是节点系统的硬件部分，如系统主板；操作系统就是传统的操作系统；集群服务位于操作系统之上，提供与集群相关的服务；集群应用则位于传统操作系统与集群服务之上，从而可以利用两者所提供的服务；网络应用位于传统操作系统。
虽然降低了集群服务的实现难度，这种系统结构给集群系统的实现、管理、部署等方面都带来了许多问题。在实际应用中，这些集群系统普遍存在着以下的问题：
●集群服务与网络应用共享同一个CPU。
■当忙于处理用户请求时，节点系统就难以有效地支持集群服务，使得所需的集群服务不能及时完成，而产生集群系统管理的误动作；
■节点系统主要服务于服务用户请求，而且经常较为繁忙。集群软件使得已经超载的节点系统更加繁忙。
●集群服务运行于并依赖于传统操作系统。
■集群软件的可移植性大大降低；
■很难支持异构的集群系统(支持不同的操作系统)。
●集群系统的管理及相关服务部署较为困难。
■当集群系统中的各个节点系统需要协作时，各节点系统采用紧密耦合方式。这使得集群系统的部署，特别是系统升级及配置变更需同步完成。
●相对简单的实现导致节点系统不了解整个集群系统中的资源状况。从而使共享集群系统资源非常困难。虽有一些集群系统支持系统资源共享，其实现往往过于复杂。
为了彻底解决以上的问题，我们需要重新设计一种新型的集群系统的系统结构。传统集群系统的诸多问题的根源在于其系统结构。如图2所示，正确的逻辑关系为网络应用依赖于传统操作系统；集群应用依赖于传统操作系统和集群服务；传统操作系统依赖于集群服务；集群服务依赖于系统硬件。虽然这种逻辑关系是非常正常和自然，现有服务器的系统结构并不能有效地支持基于这种逻辑关系的集群系统。因此，必须对现有服务器的系统结构进行大量改造和重新实现才能直接支持这种集群系统的系统结构。从实际可行性方面考虑，这不是实际可行的。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有网络系统的集群系统。
为实现上述目的，一种集群系统，包括：
多个节点系统，每个节点系统中包括为网络用户提供网络服务的应用系统和为集群系统提供系统服务的网络系统；
互连交换网络，集群系统中的所有节点系统分布式的通过上述互连交换网络连接，
其中，所述网络系统负责提供集群系统服务、集群系统的资源抽象和网络协议处理；
所述应用系统构建在所述网络系统之上，使用网络系统提供的集群系统服务。
本发明高效地支持传统集群服务，降低集群服务给主机系统所带来的负载；提高集群系统软件的可移植性；强有力地支持异构的集群系统；支持新型集群服务的增删、升级，以及动态查询和服务绑定功能，使得集群系统具有很强的延展性；提出了服务集中器的概念，将集群系统中节点系统相互隔离，从而使集群系统的部署及升级更为简单；灵活地支持集群系统中资源(存储资源、计算资源等)的表述方式，使每个节点机可以充分、简单地利用系统中的资源。
附图说明
图1是传统集群系统系统结构图；
图2是正确逻辑依赖关系图；
图3是本发明集群系统的系统结构图；
图4是网络系统上的资源和服务抽象文件树示意图；
图5是应用系统上的集群服务接口。
具体实施方式
为了在新型集群系统中更好地利用现存服务器的系统结构，我们将智能网卡系统引入新型集群系统的每个节点系统之中。如图3所示，一个节点系统包含了两个子系统：应用子系统(传统服务器系统)和网络子系统(智能网卡系统)。应用子系统与网络子系统通过系统总线(如PCI)相连接。应用子系统包括系统硬件(如系统主板)，传统操作系统(如Linux)，网络应用(如Apache)和集群应用。作为操作系统的一部分，我们为集群应用提供集群服务接口。除了集群服务接口之外，应用子系统的功能和系统结构与传统服务器系统都非常类似。网络子系统包括智能网络系统硬件(如包括I/O专用CPU，网络处理主板，网络接口等)，操作系统(面向网络和集群处理的专用操作系统)，网络处理模块、集群服务模块和集群资源抽象模块。对于面向网络服务的集群系统，所有用户请求都是通过网络传输的。因此，当用户请求到达一个节点系统时，该请求首先通过网络接口到达网络子系统；在通过网络系统的处理之后，该请求才到达应用系统。与之相应的系统响应也是从应用系统首先送到网络系统，而由网络系统通过网络接口送回到用户。简言之，当请求流入时，请求通过网络系统到达应用系统；当响应流出时，响应通过应用系统到达网络系统，最终返回用户。这种系统结构就在逻辑上造成了应用系统建筑于网络系统之上的事实。不难看出，图3所示的系统结构所造成的逻辑依赖关系与图2所要求的依赖关系完全一致。这正是我们所希望的新型集群系统的系统结构。
网络系统的一个功能承受大部分原由应用系统负责的网络协议处理负载。由于网络系统的操作系统是面向网络和集群处理专用的系统，这使得在网络系统上实现集群系统相关的处理成为可能，网络相关的处理更为高效，也使得应用系统可以更好地服务于用户请求。
网络系统为集群系统提供集群系统服务。我们提供所有与集群服务相关的功能，如集群成员服务和节点负载监控等。因此，实现于网络系统上的集群服务软件就可以为节点系统提供必要的集群服务。这种系统结构可以有效地提高集群服务的质量；根除集群服务对于应用系统的依赖，从而提高集群系统服务的可移植性并有力地支持异构集群系统。
网络系统的另外一个功能是提供集群系统的资源抽象。在集群资源抽象模块中，我们将集群系统中各种资源进行抽象，为集群应用提供简单的接口。由于网络系统上运行着一个独立的系统，我们可以将集群系统中的资源抽象表述，并提供给相应的应用系统。对于应用系统，网络系统是一个伪多功能卡；这个伪多功能卡为系统不仅提供了网络接口，而且还有其他的资源，如大量的存储资源，计算资源等。应用系统通过其系统中的标准接口(集群服务访问接口)访问这些资源。这种资源和服务抽象在网络系统上是通过一个伪文件系统实现。与系统V中的/proc文件系统相似，这个伪文件系统并非是物理存在的文件系统，而且对于每个文件的访问也是可以具有不同的语义的。所有网络系统提供的集群资源和服务的抽象在文件树中都通过某种文件方式表现出来。图4所示为网络系统上的一个可能的抽象文件树。从应用系统上，集群应用可以通过访问文件树中的某个特殊文件而实现对于集群系统资源或服务的访问。图5所示为应用系统上的一个可能的集群服务接口。在这个意义上，我们又将网络系统称之为服务集中器。因为对于应用系统，任何集群系统中的资源和服务都似乎是由网络系统提供的。
为了支持集群系统服务的延展性，网络系统必须支持集群服务的在线添加、删除和升级。为此，网络系统提供动态的集群服务查询及绑定服务。这种动态服务分为两个层次：节点系统之内和节点系统之间。在一个节点系统之内，应用系统中的集群应用必须能够动态地查询和绑定相应网络系统上的抽象服务。应用系统与网络系统间的通讯可以通过各种方式实现，例如I2O系统结构。I2O标准中服务的通讯协议非常复杂，不支持动态的服务查询和绑定。为了支持灵活的服务扩展，我们必须扩展相应的通讯协议以确保动态地查询和绑定服务。一种最为简单的查询方式应用系统通过遍历位于网络系统上的服务树而查找、绑定集群服务。在节点系统之间，网络系统应通过集群系统配置或发现机制定位集群系统中的资源和服务，然后通过抽象接口提供给应用系统。
服务抽象的另外一个重要作用是将应用系统与其它节点系统相隔离。通过这种服务抽象，我们将服务的使用者(一个节点)与服务的提供者(另一个节点)通过网络系统从紧密耦合关系变为松散耦合关系，从而使集群系统的实现、使用、管理和部署更为简单、自然。
与传统的智能网卡系统类似，集群系统中的网络系统使得应用系统可以更好地服务于用户请求；与传统的智能网卡系统不同，在集群系统中，网络系统不再从属于其相应的应用系统，特别是在集群系统中处于主要的控制地位。

Claims (5)

1.一种集群系统，包括：
多个节点系统，每个节点系统中包括为网络用户提供网络服务的应用系统和为集群系统提供系统服务的网络系统；
互连交换网络，集群系统中的所有节点系统分布式的通过上述互连交换网络连接，
其中，所述网络系统负责提供集群系统服务、集群系统的资源抽象和网络协议处理；
所述应用系统构建在所述网络系统之上，使用网络系统提供的集群系统服务。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的应用系统和网络系统通过总线互联方式互连。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的为集群系统提供系统服务的网络系统包括：
网络处理装置，处理大部分原由应用系统负责的网络协议；
集群服务装置，为集群系统提供集群服务；
集群资源抽象装置，提供集群系统的资源抽象；
网络系统操作系统，是面向网络和集群处理的专用操作系统；
网络系统硬件，包括I/O专用CPU、网络处理主板、网络接口。
4.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的网络系统是一个集群系统资源接口。
5.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的应用系统包括集群服务接口。
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