Klusterit

Klusterit on rinnakkaisprosessoinnin muoto, joka yksinkertaisuudessaan koostuu joukosta työasemia tai tietokoneita, jotka ovat yhdistetty toisiinsa verkossa. Tosiinsa yhdistetyt laitteet eli solmut, toimivat kollektiivisesti yhtenä tietojenkäsittelyn välineenä. Klusteri on edullinen, yksinkertainen ja luotettava vaihtoehto erityisvalmisteisille supertietokoneille. Siitä esimerkkinä on se, että klusterin voi koota tavallisista kotitietokoneista aina tehokkaisiin moniprosessorilaitteisiin. Klustereita luokitellaan useisiin kategorioihin, jotka perustuvat usein klusteroinnin menetelmiin, solmujen omistusoikeuteen, laajuuteen ja rakenteeseen.

Klusterin etuna on sen korkea suorituskyky. Klusterin toiminta perustuu siihen, että tehtäviä voidaan jakaa solmujen kesken pienempiin osiin, jotta ne olisi nopeampi suorittaa. Tiedonkäsittelyn tulisi tapahtua mahdollisimman nopeasti ja sulavasti. Ruuhkautuneilta solmuilta voidaan siirtää tehtäviä joutilaina oleville solmuille. Prosessointi tehon lisäämistä helpottaa klusterin skaalattavuus, jolloin klusteria kasvatetaan kasvattamalla solmujen lukumäärää. Klusterin käytettävyyttä parantaa klusterin korkea viansietokyky. Virhetilanteessa se sallii toisen tietokoneen jatkaa prosessin eteenpäin suorittamisessa. Näitä toimintoja ohjaa hallintasolmu, joka toimii ikään kuin klusterin ”aivoina”. Se seuraa ja ohjaa klusterin toimintaa. Mahdollisessa virhetilanteessa hallintasolmu toimii sammuttamalla osan klusteria ja siirtämällä tehtäviä edelleen suoritettavaksi. Virhetilanne hallintasolmussa aiheuttaa ongelmia koko klusterin toiminalle.

Klusterin rakenne havainnekuvassa:

Solmu voi olla yksi- tai moniprosessorinen. Yksittäinen solmu sisältää muistin, I/O laitteiston ja käyttöjärjestelmän. Klusteri koostuu kahdesta tai useammasta toisiinsa yhdistetystä koneesta. Koneet voivat sijata kaikki samassa paikassa tai ne on liitetty toisiinsa lähiverkossa. Lähiverkossa käytettäviä viestintä tekniikoita voi olla esimerkiksi TCP/IP, Myrinet tai Ethernet. Solmut voivat toimia kollektiivisesti yhdessä tai yksittäisinä tietokoneina.

Klusteri hyödyntää laaja-alaista kommunikaatiota solmujen välillä. Toimiakseen se vaatii tiettyjä ominaisuuksia verkolta, riippuen sovelluksen vaatimuksista. Prosessoinnin teho korostuu kun sovelluksen vaatimukset kasvaa. Tehoon vaikuttaa prosessoinnin alhainen viiveaika ja riittävä kaistan leveys.

On olemassa toiminnaltaan erilaisia klustereita. Vikasietoinenklusteri toimiessaan normaalitilassa klusterinsolmu lähettää jatkuvasti signaalia omasta toimintatilastaan. Vian ilmetessä solmu lopettaa signaalin lähettämisen, jolloin sen tehtävä siirretään toiselle solmulle suoritettavaksi. Kuormituksen tasaamisklusteri pilkkoo ohjelman suorittamisen pienempiin osiin ja useat solmut suorittavat sitä yhtä aikaa. Myös hajautetun järjestelmän klusterissa useat solmut suorittavat samanaikaisesti ohjelmaa. Toisinkuin vikasietoinen- ja kuormituksen tasaamisklusteri jossa solmut suorittavat koko pyynnön, niin hajautetun järjestelmän klusteri pilkkoo pyynnön osatehtäviin ja jakaa osatehtäviä useille solmuille suoritettavaksi.

Klusterin komponentit listattuna:

Maailma käytetyimpiin hakukoneisiin kuuluva Google käyttää klusteri teknologiaa, jotta se pystyisi vastaamaan ympäri maailmaa tuleviin haku pyyntöihin mahdollisimman tehokkaasti ja täsmällisesti. Jotta saadaan hakua vastaava tulos, on hakukoneen käytävä läpi lukematon määrä dataa. Pystyäkseen vastaamaan valtavaan kysyntään klusterin ominaisuudet korostuvat. Googlen klusterilta vaaditaan paljon ja suhteutettuna sen hintaa supertietokoneisiin, niin klusterista saadaan suhteessa enemmän prosessointi tehoa irti. Ne myös käyttävät supertietokoneita vähemmän akkua.

Takaisin sivulle Rinnakkaisprosessointi

Lähteet

Mark Bakery and Rajkumar Buyyaz. Cluster Computing at a Glance. http://www.buyya.com/cluster/v1chap1.pdf

KUMAR KAUSHIK. CLUSTER COMPUTING A SEMINAR REPORT. https://www.scribd.com/document/36542521/Cluster-Computing

David Eränen. KOMMUNIKATION I MULTI-GPU KLUSTER MED MPI OCH CUDA. https://abacus.abo.fi/ro.nsf/141b8735bd22ff31c225700600473a01/3ee2c54d808c7ed3c22577180023004d/$FILE/Eranen-David-Kandidatavhandling-ver-0.8.pdf

Erno Voutilainen. Klusteroitu MySQL- ja sovelluspalvelinarkkitehtuuri. http://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/58715/Voutilainen_Erno.pdf;sequence=

Pietu Eronen. Windows Server 2008 osana toimintavarmaa ja vikasietoista tietojärjestelmää. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/6633/Eronen_Pietu.pdf?sequence=1