Что такое кластер и для чего он нужен? Высокопроизводительный кластер (группа компьютеров).

Кластер (в общем смысле) – объедение нескольких однородных элементов в единую самостоятельную единицу, имеющую уникальные свойства. Понятие «кластер» применяется в разных отраслях – математике, музыке, сфере информационных технологий, астрономии, лингвистке, экономике.

Кластер в экономике – определенная группа компаний (финансово-кредитных учреждений, университетов), которые дополняют друг друга и усиливают конкурентные особенности одной отдельно взятой организации и кластера в целом. Особенность кластера – наличие здоровой конкуренции среди его участников, определенные связи в отношении комплектующих, сырья, товаров, услуг и так далее.

Кластер можно выделить по нескольким характерным признакам :

Родству технологий, применяемых в организациях, входящих в один кластер;
- максимальной географической приближенности друг к другу;
- активному применению инновационных технологий и участию в их разработке;
- общих чертах в сырьевой базе.

Кластер, как образование, имеет следующие цели :

Обеспечить эффективное прогнозирование и анализ в интересующей отрасли. Кластер представляет собой мощный объект для изучения;
- сформировать полноценную стратегию и поддержку развития региона, повысить конкурентоспособность, ускорить процессы создания инновационной продукции, увеличить уровень прибыли и занятость населения, поднять производительность.

Кластер: развитие, структура и особенности

В экономике понятие «кластер» появилось весьма недавно. Первым исследователем в данной отрасли был Альфред Маршал, которому удалось разработать подходы кластерной политики еще в конце 19 века, но в дальнейшем идею никто не подхватил. Понадобилось много времени, чтобы сформировать типы экологических районов и объединить их в единые «подгруппы».

При этом сам термин «кластер» является и вовсе молодым. Он появился лишь в начале 90-х годов прошлого века, благодаря деятельности Майкла Портера. При этом условно все кластеры можно разбить на несколько типов участников:

- основные субъекты . К таковым можно отнести различные виды компаний, начиная от самых мелких до настоящих гигантов;

- органы власти – субъекты местного, регионального или национального уровня. В эту же категорию можно отнести институты развития;

- инновационно-исследовательское формирования. Здесь речь идет об объединении в кластер целой группы образовательных учреждений (в том числе и крупных вузов), центров коммерциализации, инжиниронговых структур, исследовательских компаний и так далее;

- структуры, предлагающие смежные типы услуг . В основе такого кластера – консалтинговые компании, финансовые структуры и так далее.

В историческом формате кластер имеет промышленный тип. Первые подобные образования появились ближе к середине двадцатого века в Италии. Со временем вектор развития кластера начал смещаться в сторону инновационной деятельности. В частности, все больше внимания уделяется развитию промышленно-инновационному кластеру.

Главная отличительная особенность кластера от обычного промышленного региона с группой схожих предприятий – это не только между собой, но и активное сотрудничество. Поиск решения происходит коллегиально, что ускоряет процесс создания новых технологий и способствует развитию науки в целом.

При этом сфера сотрудничества очень широка (речь идет о взаимодействии не только в научном плане). Внутри кластера могут коллегиально решаться вопросы инфраструктуры, проблемы подбора кадров, общие тенденции развития и так далее. В таких условиях на первые роли выходит структура взаимодействия, наличие стойких социальных связей между предприятиями, уровень доверия между ними.

С другой стороны внутри кластера может вестись борьба за лучшие кадры и сбыта. Но при наличии активного сотрудничества все эти стремления направляются в одно русло, что позволяет эффективно подготовить рынок рабочей силы, обеспечить производство качественным сырьем, наладить обмен знаниями и так далее.

Чаще всего кластер – это сеть, которая может работать при наличии или отсутствии центрального звена. Функционирование может осуществляться в различных форматах – в виде оформленной официально структуры или же без какой-то одной управляющей организации и членства.

Кластер – это одна из самых благоприятных зон для начинающих предприятий, которые только начали свой путь развития. При этом ядром такого объедения все равно остаются крупные компании (одна или целая группа). Такие ситуации все чаще складываются в сфере ядерных технологий или автомобильной промышленности.

Классификация и виды кластеров

За годы существования кластеров появилось множество подходов к их классификации. Сегодня существует множество признаков, по которым те или иные компании объединяются в общие группы. Так, к основным параметрам можно отнести наличие капитала, географическое расположение, трудовой потенциал, объемы предоставляемых услуг, наличие специальных заведений, отраслевая принадлежность и так далее.

Если же исходить из общих принципов экономики, то кластеры можно разделить классифицировать по следующим признакам:

1. По характеру появления кластеры бывают:

- стихийно (спонтанно) сформированные . В этом случае специальные планы по объединению тех или иных компаний не строятся – все происходит естественным образом, на основе взаимных целей, единых интересов и сотрудничества;

- осознано . К такой категории относятся кластеры, которые создаются с определенной целью, а их сближение является спланированным, искусственным.

2. По природе все объединения можно разделить на реальные и ложные кластеры. К последним, как правило, относятся индустриальные районы, доминирующие фирмы и так далее.

3. По технологическим параметрам – интеллектуальные (инновационные), кустарные и индустриальные (производящие обычные товары) кластеры.

4. По способу образования можно выделить:

- кластеры с вертикальными связями в производственной сфере. В этом случае небольшие предприятия объединяются вокруг одной или сети крупных компаний. При этом в задачу последней входит регулирование основных процессов сбыта, поставки и производства продукции;

- кластеры с региональной формой. В этом случае имеют место региональные ограничения внутри схожих структур в промышленном и научном секторе деятельности;

- отраслевые кластеры. К таковым относятся компании, которые работают в различных сферах промышленности. К примеру, можно выделить «ядерный кластер», «фармацептический кластер» и так далее;

- промышленные кластеры.

Каждый из кластеров имеет свои особенности:

1. Региональный кластер представляет собой объединение нескольких университетов, фирм или компаний, которые работают в одной отрасли и регионе. При этом формирование кластера происходит за счет кооперации участников и их конкуренции. Все компании «объединения» работают на основе партнерских отношений и для достижения общей цели. К основным характеристикам регионального кластера можно отнести открытость и совместности использование внешних ресурсов.

В свою очередь все региональные кластеры условно разделяются на несколько типов:

Сильные кластеры – характеризуются мощной конкуренцией и активным взаимодействием;
- устойчивые кластеры отличаются позитивной динамикой развития;
- потенциальные кластеры имеют неравномерную структуру и много слабых «звеньев»;
- латентные кластеры представляют собой объединение нескольких успешных компаний, которые еще далеки от формирования полноценного кластера.

2. Отраслевой кластер – это образование, в которое входят организации отраслевых и смежных компаний. Основой их взаимоотношений являются конкурентные и кооперационные связи. При этом конкурентные преимущества таких структур усиливаются, благодаря синергетическому эффекту – отраслевому взаимодействию.

Характерные черты такого кластера – объединение более мелких компаний вокруг одного крупного предприятия, . Часто такие модели характерны для тяжелой индустрии. Стоит отметить, что в отраслевых кластерах одним из главных направлений является внедрение инновационных технологий. При этом взаимосвязь между структурами может быть как вертикальной, так и горизонтальной. Одним из самых популярных отраслевых кластеров является компания Airbas.

Промышленный кластер основывается на базе конкуренции внутри какого-то одного сектора. В него входят различные лица, компании, источники ресурсов, объединяющиеся для изготовления товаров, продажи услуг и товаров. Чаще всего промышленный кластер не привязан к какой-то конкретной отрасли, может охватывать большой регион или даже страну. К примеру, в Финляндии есть целый лесопромышленный кластер, охватывающий группу отраслей – целлюлозно-бумажную, деревообрабатывающую и лесозаготовительную.

Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш

Условное деление на классы предложено Язеком Радаевским и Дугласом Эдлайном:

· Класс I . Класс машин строится целиком из стандартных деталей, которые продают многие поставщики компьютерных компонентов (низкие цены , простое обслуживание, аппаратные компоненты доступны из различных источников).

· Класс II . Система имеет эксклюзивные или не слишком широко распространенные детали. Таким образом можно достичь очень хорошей производительности, но при более высокой стоимости.

Как уже отмечалось, кластеры могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами кластеров являются:

· системы высокой надежности;

· системы для высокопроизводительных вычислений;

· многопоточные системы .

Отметим, что границы между этими типами кластеров до некоторой степени размыты, и кластер может иметь такие свойства или функции, которые выходят за рамки перечисленных типов. Более того, при конфигурировании большого кластера , используемого как система общего назначения , приходится выделять блоки, выполняющие все перечисленные функции.

Кластеры для высокопроизводительных вычислений предназначены для параллельных расчетов. Эти кластеры обычно собраны из большого числа компьютеров. Разработка таких кластеров является сложным процессом, требующим на каждом шаге согласования таких вопросов как инсталляция, эксплуатация и одновременное управление большим числом компьютеров, технические требования параллельного и высокопроизводительного доступа к одному и тому же системному файлу (или файлам) и межпроцессорная связь между узлами, и координация работы в параллельном режиме. Эти проблемы проще всего решаются при обеспечении единого образа операционной системы для всего кластера . Однако реализовать подобную схему удается далеко не всегда и обычно она применяется лишь для не слишком больших систем.

Многопоточные системы используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или сокращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов .

В 1994 году Томас Стерлинг (Sterling) и Дон Беккер (Becker) создали 16-узловой кластер из процессоров Intel DX4, соединенных сетью 10 Мбит/с Ethernet с дублированием каналов. Они назвали его "Beowulf" по названию старинной эпической поэмы. Кластер возник в центре NASA Goddard Space Flight Center для поддержки необходимыми вычислительными ресурсами проекта Earth and Space Sciences. Проектно-конструкторские работы быстро превратились в то, что известно сейчас как проект Beowulf. Проект стал основой общего подхода к построению параллельных кластерных компьютеров, он описывает многопроцессорную архитектуру, которая может с успехом использоваться для параллельных вычислений. Beowulf-кластер , как правило, является системой, состоящей из одного серверного узла (который обычно называется головным), а также одного или нескольких подчиненных (вычислительных) узлов, соединенных посредством стандартной компьютерной сети. Система строится с использованием стандартных аппаратных компонентов, таких как ПК, запускаемые под Linux, стандартные сетевые адаптеры (например, Ethernet) и коммутаторы. Нет особого программного пакета, называемого "Beowulf". Вместо этого имеется несколько кусков программного обеспечения, которые многие пользователи нашли пригодными для построения кластеров Beowulf. Beowulf использует такие программные продукты как операционная система Linux, системы передачи сообщений PVM, MPI, системы управления очередями заданий и другие стандартные продукты. Серверный узел контролирует весь кластер и обслуживает файлы, направляемые к клиентским узлам.

Кластер: виды и польза

Большинство предприятий на сегодняшний день модернизируются при участии государства. Государство определяет основные приоритеты развития предприятий во всех областях деятельности - от промышленности до туризма. Структурная модернизация развивается государством на основе кластеризации.

Что такое кластер?

Кластер хоть и является экономическим термином, но его точного определения не найти в экономических словарях. Кластером можно считать промышленную группу. В более широком понимании, кластер - это группа, состоящая из нескольких компаний, объединенных общей деятельностью или по территориальному признаку. Исходя из этого определения, можно сделать вывод о том, что не только качественные характеристики определяют конкурентоспособность предприятия, но и его экономическое окружение, то есть кластер развивается не за счет внешних воздействий, а за счет внутренних влияний.

Для чего нужен кластер?

Что такое кластер, теперь стало понятно, осталось выяснить, для чего он нужен. Кластеры направлены, в первую очередь, на развитие конкурентных преимуществ национальной отрасли за счет сил отечественных предприятий без привлечения иностранных компаний. Организации, объединенные в кластер, "притираются" друг к другу, работают слаженно в одном направлении деятельности, развивая, таким образом, внутренний рынок и выходя на мировой уровень.

Какими бывают кластеры?

Различают три основных вида кластеров:

Региональный;

Вертикальный;

Отраслевой.

Что такое вычислительный кластер?

Существует такое понятие, как суперкомпьютер. Его еще называют вычислительным кластером. Что такое кластер вычислительный? Предмет представляет собой вычислительную машину с несколькими процессорами, объединенными коммуникационной сетью. Другими словами, это несколько компьютеров (но с большей производительностью, чем обычные), объединенных одной "магистралью". Такая система позволяет решать одну задачу параллельно (одновременно) на всех компьютерах.

Кластер в туризме

Туризм оказывает большое влияние на экономику страны, в связи с этим его значение возрастает. Быстрый рост туристической деятельности, а также прирост благосостояния жителей отдельной страны и ее экономики в целом позволили сделать развитие туризма одним из приоритетных направлений. Так, правительства разных стран, в том числе и России, ввели понятие "туристический кластер". Оно включает в себя группу туристических компаний, локализованных в одном регионе для развития инфраструктуры и использующих для ведения бизнеса современные технологии. Основная задача туристического кластера - это предоставление туристических услуг с высокой конкурентоспособностью.

Состав туристического кластера

Управление туристическим кластером проводится управляющей компанией - это юридическое лицо (как правило, АО), осуществляющее свою деятельность на основе принципов государственно-частного партнерства, которому государство передает некоторые полномочия в управлении теми или иными экономическими зонами туристического кластера. Управляющая компания туристического кластера регулирует деятельность следующих компаний, связанных с туризмом:

Туроператоры;

Турагентства;

Организации, оказывающие туристические услуги (отели, гостиницы, дома отдыха и т. д.).

Второстепенные составляющие туристического кластера:

Предприятия общепита (рестораны, кафе-бары и т.д.);

Предприятия, оказывающие транспортные услуги (авиакомпании, ж/д и автоперевозки);

Места торговли товарами для туристов;

Места проведения досуга (парки, площадки для концертов, кинотеатры);

Объекты, оказывающие услуги по сервисному обслуживанию туристического транспорта.

Цель туристического кластера

Статья ответила на вопрос о том, что такое кластер и какие его виды существуют в наше время. Пришла очередь сказать пару слов о цели туристического кластера. Вся его работа по развитию туристической деятельности направлена на становление отдельной страны центром мирового туризма. Во всяком случае, такие цели ставит правительство перед туристическими кластерами.

Кластер представляет собой группу географически локализованных взаимосвязанных компаний, поставщиков оборудования, комплектующих, специализированных услуг, инфраструктуры, научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений и других организаций, взаимодополняющих друг друга и усиливающих конкурентные преимущества отдельных компаний и кластера в целом.

В классическом понимании «кластер – это сконцентрированные по географическому признаку группы взаимосвязанных компаний, специализированных поставщиков, поставщиков услуг, фирм в соответствующих отраслях, а также связанных с их деятельностью организаций (например, университетов, агентств по стандартизации, а также торговых объединений) в определенных областях, конкурирующих, но вместе с тем и ведущих совместную работу».

Таким образом, для того чтобы быть кластером, группа географически соседствующих взаимосвязанных компаний и связанных с ними организаций должна действовать в определенной сфере, характеризоваться общностью деятельности и взаимодополнять друг друга. Сегодня применение кластерного подхода рассматривается в качестве одного из наиболее эффективных путей развития территорий.

С позиции системного подхода кластер - это совокупность субъектов хозяйственной деятельности взаимосвязанных различных отраслей, объединенных в единую организационную структуру, элементы которой находятся во взаимосвязи и взаимозависимости, совместно функционируют с определенной целью. Формирование эффективных технологических цепочек из нескольких самостоятельных хозяйствующих субъектов является стратегическим мероприятием, требующим определенных долгосрочных вложений в их реализацию, и возможно только посредством их самоорганизации в результате взаимодействия предпосылок, сложившихся как внутри, так и во внешней среде этих потенциальных систем. Такое взаимодействие должно приводить к дополнительным выгодам для каждого из субъектов, создавать определенный стимул к формированию единой системы функционирования, обеспечению целостной системы.

Кластерное развитие экономики – это определенный инструмент бизнеса. Рыночно ориентированное общество формирует правила деятельности своих хозяйствующих субъектов через законы, взаимоотношения, банковский сектор, институты поддержки и т.д. Поэтому кластер, существующих в рамках данных правил, - это ни что иное, как особым образом организованное пространство, которое позволяет успешно развиваться крупным фирмам, малым предприятиям, поставщикам (оборудования, комплектующих, специализированных услуг), объектам инфраструктуры, научно-исследовательским центрам, вузам и другим организациям. При этом важно, что в кластере достигается прежде всего синергетический эффект, поскольку участие конкурирующих предприятий становится взаимовыгодным.

Кластеры можно идентифицировать как группу фирм-участников того или иного рынка, объединившихся на основе долгосрочных контрактов с целью эффективного использования ресурсов и специфических преимуществ для совместной реализации предпринимательских проектов. Используя преимущественно горизонтальные связи, специализацию и дополняя друг друга, они получают возможность для достижения более высоких результатов.

Характерные признаки кластеров можно свести к 12 показателям: возможности по исследованию и развитию; квалификация рабочей силы; развитие трудового потенциала; близость поставщиков; наличие капитала; доступ к специализированным услугам; отношения с поставщиками оборудования; ассоциирующиеся структуры; интенсивность формирования сетей; предпринимательская энергия; инновации и обучение; коллективное видение и руководство.

Кластеризация – это автоматическое разбиение элементов некоторого множества на группы в зависимости от их схожести. Синонимами термина "кластеризация" являются "автоматическая классификация", "обучение без учителя" и "таксономия".

Само понятие «кластер» определено неоднозначно: в каждом исследовании свои "кластеры". Переводится понятие кластер как «скопление», «гроздь». В искусственных нейронных сетях под понятием кластер понимается подмножество «близких друг к другу» объектов из множества векторов характеристик. Следовательно, кластер можно охарактеризовать как группу объектов, имеющих общие свойства.

Характеристиками кластера можно назвать два признака:

· внутренняя однородность;

· внешняя изолированность.

Кластеры могут быть непересекающимися, или эксклюзивными, и пересекающимися.

Процесс кластеризации зависит от выбранного метода и почти всегда является итеративным. Он может стать увлекательным процессом и включать множество экспериментов по выбору разнообразных параметров, например, меры расстояния, типа стандартизации переменных, количества кластеров и т.д. Однако эксперименты не должны быть самоцелью - ведь конечной целью кластеризации является получение содержательных сведений о структуре исследуемых данных. Полученные результаты требуют дальнейшей интерпретации, исследования и изучения свойств и характеристик объектов для возможности точного описания сформированных кластеров.

Кластеризация экономики обладает следующими основными преимуществами:

1. Объединение многообразных по форме собственности, организационно-правовому статусу, отраслевой и географической принадлежности организаций в целостную систему производства конечного продукта с высокой добавленной стоимостью. В систему включаются все стадии цепочки создания стоимости товара - от добычи сырья, разработки нововведений и подготовки соответствующих кадров до производства и реализации конечной продукции, обслуживания ее потребителей.

2. Все участники кластера сохраняют свою юридическую и хозяйственную самостоятельность, что не требует создания иерархических органов управления, снижает административные и организационные издержки. Руководство кластером осуществляет совет представителей производственных, исследовательских, торговых, финансовых, транспортных и других инфраструктурных организаций с участием потребителей, региональных властей и общественности.

3. Между участниками кластера устанавливаются не только рыночные, конкурентные, но и доверительные отношения сотрудничества в достижении единой цели на основе общих стратегических планов, договоров и альянсов, совместного использования брендов и других нематериальных активов, трансфертных цен, особых схем распределения синергетического эффекта. Это позволяет сократить трансакционные издержки. В кластере как предметно замкнутой мезоструктуре появляется возможность учесть совокупные издержки по производству и реализации конечной продукции, включая сопряженные, и народно-хозяйственный эффект, включая прибыль, прирост добавленной стоимости и бюджетного сальдо, социальный и экологический эффект.

4. Государственное управление кластером как мезоструктурой, в отличие от регулирования деятельности отдельных предприятий, развивает планомерность развития, межрегиональные связи, позволяет создать региональную инновационную и инфраструктурную систему, систему частно-государственного инвестиционно-инновационного партнерства.

Первоначально производство бытовой электроники было организовано на базе лицензионных соглашений, Корея повысила собственные расходы на НИОКР и перешла к стратегии партнерских отношений с иностранными фирмами, в т.ч. с малыми и средними инновационными предприятиями в США, научными центрами в России и т.д. Для России интерес представляет роль правительства в создании промышленной политики, национальной и региональных систем инноваций. До вступления Южной Кореи в ВТО (1995) широко использовались прямые субсидии, низкопроцентные займы и налоговые льготы, после вступления правительство перешло к менее явным формам поддержки индустриальных кластеров.

Таким образом, ученые и практики, рассматривая с разных точек зрения кластерные модели объединения организаций в эффективные экономические структуры, приходят к выводу, что они могут быть теми импульсами, которые при удачной концентрации производства, его специализации, использовании современных достижений коммуникации, координации, кооперации и сотрудничества помогут найти точки роста каждого конкретного региона, обеспечивая его победу в конкурентной борьбе. Как следствие в разных странах растет интерес к формированию и поддержке кластеров, происходит активизация правительственной политики в этой сфере.

Список литературы:

1. Асаул, А. Н. Строительный кластер – новая региональная производственная система /А. Н. Асаул // Экономика строительства. – 2004. – № 6. – С. 16–25.

2. Внукова, Н. Н. Концептуальные основы формирования трансграничных финансовых кластеров / Н. Н. Внукова // Экономическое возрождение России. – 2010. – № 1(23). – С. 100–108.

3. Ленчук Е.Б. Власкин Г.А. Кластерный подход в стратегии инновационного развития зарубежных стран// Проблемы прогнозирования – 2010, N 5. – С.38-51. - (Наука и технология)

4. Левин И. И все-таки она летает... G. Becattini. Il calabrone Italia. Bologna, "Mulino", 2008. М.: Свободная мысль, 2009.

Понятие «кластер» может варьироваться в зависимости от возлагаемых на него ролей. Цель данной статьи — ознакомить читателя с полным спектром кластерных решений, представленных на рынке, и помочь определиться в выборе варианта для тех или иных задач. Рассмотрим каждый вид кластеров на конкретных примерах решений от Microsoft.

Кластеры балансировки нагрузки
Итак, первая задача: есть серверное приложение (например, веб-сайт). Необходимо, чтобы оно выполнялось параллельно на нескольких серверах средней или малой мощности, причем вычислительная часть должна легко расширяться в зависимости от нагрузки.

Для решения используется метод балансировки нагрузки (Network Load Balancing, NLB). Он заключается в построении фермы объединенных сетевыми интерфейсами серверов (узлов), на которых выполняется общее серверное приложение. Под общ-ностью подразумеваются одинаковые параметры безопасности и конфигурации приложения на всех узлах. В то же время общие данные вынесены за пределы фермы и расположены на отдельных серверах или сетевых хранилищах.

Использование NLB позволяет не столько повысить скорость выполнения отдельного серверного приложения (время одного запроса бесконечно мало в сравнении с количеством запросов), сколько перераспределять нагрузку между несколькими узлами с идентичными приложениями. Для этого в общей сети фермы, которая объединяет узлы между собой и обеспечивает доступ пользователей к узлам, NLB регистрирует общий — публичный — IP-адрес будущего кластера. Именно этот IP-адрес будет доступен пользователям для обращения к серверным приложениям. Кроме того, все узлы фермы добавляются в кластер с собственными — приватными — IP-адресами.

Упрощенно механизм работы NLB-кластера выглядит следующим образом: при первом обращении пользователя на публичный IP-адрес, запрос перенаправляется на один из узлов кластера по приватному IP-адресу, где и обрабатывается конкретным серверным приложением. Связка «адрес пользователя — приватный адрес узла» (на практике параметров привязки намного больше) сохраняется службой NLB и при следующем обращении соединение происходит с тем узлом, на котором был обработан его предыдущий запрос. Запрос от другого пользователя перенаправляется на следующий узел кластера (или по какому-то другому принципу — нагрузке, приоритетов портов, — это зависит от конкретной реализации и настроек NLB).

Таким образом, благодаря NLB, создается эффективное серверное приложение, исполняемое на группе машин, фактически в линейной зависимости суммирующее общую производительность относительно количества узлов. При этом достигается высокая отказоустойчивость, поскольку под одной «точкой входа» к тому или иному сервису кластер может предоставить избыточное количество узлов одинаковой функциональности.

К недостаткам кластеров балансировки нагрузки следует отнести то, что серверное приложение должно быть приспособлено к работе в NLB, в частности, для сохранности данных и состояний пользователя на каждом узле.

В качестве примера представим веб-ферму на базе NLB-кластера с веб-приложением, куда пользователь вносит данные. Помимо переадресации запросов на конкретные узлы, других задач NLB не выполняет, поэтому по умолчанию все данные пользователя сохранятся на том узле кластера, к которому его подключила система при первом обращении. Если пользователь отключился от веб-приложения и вернулся через 15 минут — нет никакой гарантии, что он будет перенаправлен на тот же узел, следовательно, он может не увидеть введенные ранее данные. Кроме того, современные веб-приложения активно используют понятие «состояния сессии» для сохранения глобальных переменных (например, результат аутентификации пользователя при регистрации через веб-форму) или передачи параметров и массивов данных при переходе между веб-страницами. По умолчанию сессия сохраняется в рабочем процессе серверного веб-приложения, т.е. в случае сбоя узла, перезагрузки рабочего процесса или других нештатных ситуаций данные текущей сессии будут утеряны безвозвратно. При следующем обращении пользователя, чей текущий узел отключился, запрос будет переведен NLB на другой узел. Однако этот узел не будет «знать», какую аутентификацию прошел пользователь, в какой части сайта он находился. В результате вместо формы с заполненными данными на экране пользователя появится приглашение на ввод пароля или первая страница сайта. Поэтому для нормального функционирования кластера NLB, его узлы помимо публичной сети должны иметь и внутреннюю сеть, где будут присутствовать серверы общих ресурсов — базы данных, файловые хранилища, хранилища состояний сессий и т.п., — доступные одновременно всем серверным приложениям на всех узлах. И эти приложения должны «знать» о том, каким образом хранить общие данные на внешнем ресурсе.

Пример построения фермы веб-серверов

Требуемые программные продукты: Microsoft Windows Server 2008 любых редакций. Начиная с самой младшей редакции, Web Edition, и заканчивая Datacenter Edition, Windows Server 2008 поддерживает службу Windows Network Load Balancing (WNLB) и может выступать в роли узла кластера NLB. Для предыдущих версий Windows Server (2003, 2003 R2) смотри соответствующие спецификации. Максимальное поддерживаемое число узлов в кластере — 32.

Требуемое аппаратное обеспечение: рекомендуемые Microsoft конфигурации к выбранной редакции ОС (беспокоиться о требованиях службы WNLB к памяти не следует — понадобится от 1 до 32 МБ в зависимости от нагрузки; в среднем — 2 МБ) и требования программного обеспечения, которое будет выполняться как задача; сетевой коммутатор с поддержкой протокола IGMP (желательно) или, если поддержка мультикастинга сетевым оборудованием не обеспечивается, — два сетевых адаптера на каждом узле.

Алгоритм процесса развертывания следующий:

1. Установить на всех узлах будущего NLB-кластера службу Network Load Balancing, добавляется как Feature сервера Windows Server 2008.

2. Запустить оснастку управления Network Load Balancing Manager на любом из узлов и запустить мастер создания NLB-кластера командой New Cluster.

3. Мастер после указания имени первого узла позволяет определить сетевой интерфейс узла, где будет работать публичная сеть, приоритеты узла и, собственно, IP-адрес(а) и FQDN будущего кластера, режим работы кластера (юникаст, мультикаст, аппаратный IGMP) и, самое главное, правила распределения запросов между узлами кластера. Правило по умолчанию — это равномерное распределение всех запросов на все IP-адреса кластера независимо от порта, с «привязкой» конкретного отвечающего узла к IP-адресу клиента.

4. По завершении работы мастера, кластер конфигурируется и запускается в указанной конфигурации с одним узлом (определенным в мастере создания). Команда Add Host To Cluster запускает мастер добавления новых узлов в кластер. При этом не обязательно загружать консоль Network Load Balancing Manager на подключаемом узле. Мастер автоматически связывается с указанным сервером, проверяет наличие установленной службы NLB и только после этого конфигурирует службу и добавляет узел в указанный кластер.

К слову, даже без использования стороннего ПО служба NLB поддерживает различные «хитрые» конфигурации. Например, она способна одновременно поддерживать и кластер для определенных приложений, и работу серверов как отдельных узлов по любому адресу/порту с балансировкой только при сбое. Также в NLB один сервер может одновременно выступать узлом в различных кластерах.

Конечно, не следует рассматривать NLB-кластер как панацею от всех бед, связанных с производительностью и высокой нагрузкой. По сути, функция NLB заключается в выполнении одной простой задачи — распределения обращений между узлами, поэтому такой кластер ничего не «знает» об особенностях тех или иных приложений и не учитывает их в своей работе. В результате многие службы — и простые, как File Sharing, Active Directory Domain Controller, и сложные, например, Windows Terminal Services, Microsoft SQL Server (либо СУБД других производителей) — не будут работать в режиме NLB-кластера, поскольку для распределения нагрузки между их сервисами требуется больше, чем просто распределение запросов. Для каждой из служб существуют сервисы балансировки нагрузки. Например, сервис Distributed File System (DFS) обеспечивает распределение данных и запросов пользователей между файловыми серверами в сети, а для SQL Server — специальные настройки репликации данных между серверами и механизмы контроля целостности на уровне приложений.

Кроме того, поскольку подход NLB по сути — сетевой, то критерий функционирования узлов для него ограничивается работой стека TCP/IP на узлах кластера. А работает ли на определенном порту узла какой-либо сервис (тот же IIS), NLB не проверяет и будет успешно передавать все http-запросы на узел, где служба IIS остановлена. Другими словами, работа службы NLB — отдать пакет узлу, а кто и как, и будет ли вообще его обрабатывать — ее уже не волнует.

Кластеры высокой доступности

Есть некотор ая многомерная задача, которую распараллелить невозможно, но требуется реализовать ее надежное выполнение на некотором наборе серверных ресурсов. При этом необходимо обеспечить не только физическую доступность сервиса, но и работу служб, нагрузку и т.д. Такие задачи решают кластеры высокой доступности (High Availability Cluster).

Кластеры высокой доступности обеспечивают гарантированную работу целевого приложения на одном из своих серверных узлов, объединенных высокоскоростной сетью для обмена состояниями процессов и общей дисковой СХД. В случае выхода из строя узла с приложением, вмешательства оператора, снижения производительности приложения до некоторого порога и т.п., целевое приложение запускается на другом доступном узле кластера. Поскольку данные приложения хранятся на общем дисковом массиве, они остаются доступными и при старте на другом узле, а сетевое имя и адрес маршрутизируется кластером между узлами. В отличие от NLB-кластера, который, по сути, является точкой обращения к приложениям, программы в HA-кластере представлены как отдельные сетевые серверные ресурсы. Каждый из таких сервисов имеет собственные IP-адрес и имя, отличные от IP-адресов/имен кластера и узлов. Кластеры высокой доступности обеспечивают надежное выполнение серверных приложений, но не повышают их производительность. Часто — даже наоборот, скорость работы несколько снижается, поскольку возникают накладные расходы на менеджмент ресурсов узла.

Таким образом, HA-кластер можно назвать «приложениецентричной» службой. Для нее важно, чтобы приложение получало все необходимые ресурсы — процессорное время, память, дисковую подсистему, сетевые соединения. Благодаря столь обширному контролю, пользователи всегда имеют доступ к приложению, которое мигрирует в случае сбоя отдельного узла на следующий свободный по задаваемому администраторами алгоритму. То есть, пожертвовав некоторым количеством серверов, которые в определенный момент простаивают «на подхвате» (пассивный режим, в отличие от активного режима того узла, где работает конкретная задача), можно быть уверенным, что аппаратный или программный сбой отдельного сервера не прервет бизнес-процессы организации.

В простейшем варианте HA-кластеры состоят из активного и пассивного узла. На активном выполняется задача, пассивный используется в случаях сбоев основного узла либо же при обновлении аппаратного или программного обеспечения. Для экономии аппаратных ресурсов порой используют конфигурации активный/активный, где на каждом из узлов выполняется своя задача. В таком случае при переносе задачи с одного узла на другой второй узел будет выполнять две задачи одновременно, но с более низкой производительностью обеих (если не сконфигурированы какие-то специальные приоритеты). Поэтому, если планируется отказоустойчивое решение для работы нескольких критических бизнес-приложений (или их отдельных служб), используется HA-кластер с 4, 8 или более узлами, один или два из которых работают в пассивном режиме, а остальные — в активном.

Однако наиболее важным нюансом при построении больших кластеров является общая дисковая система хранения данных. Она объединяет все узлы кластера и позволяет запущенным на них задачам получать доступ к необходимым данным независимо от узла, на котором они сейчас загружены. При большом количестве узлов и работающих на них «тяжелых» приложений, требуется очень высокая пропускная способность общей шины данных, а также большое количество выделяемых логических дисковых устройств на этой шине, поскольку каждому приложению необходимо, по крайней мере, одно такое устройство в единоличное пользование.

Пример построения HA-кластера

Таким образом, в отличие от NLB-кластера, здесь потребуется специ-фическое оборудование — общая дисковая подсистема.

Требуемые программные продукты: Microsoft Windows Server 2008 в редакциях Enterprise или Datacenter — только они поддерживают работу кластера высокой доступности с применением Windows Server Failover Clustering. Количество узлов в кластере — 16, все узлы должны быть участниками одного домена Active Directory. Без Active Directory установить HA-кластер под управлением Windows Server Failover Clustering невозможно. Программное обеспечение, которое будет выполняться как задача, должно поддерживать работу в HA-кластере (или обеспечивать возможность переноса конфигурации, состояний между узлами).

Требуемое аппаратное обеспечение: рекомендуемые Microsoft конфигурации к выбранной редакции ОС, требования ПО (с учетом вероятности работы нескольких приложений на одном узле); два высокоскоростных (не менее 100 Мбит) сетевых интерфейса. Первый — для публикации в общей сети ресурсов кластера и приложений, другой — как внутренний интерфейс обмена данными между службами Windows Server Failover Clustering узлов для информирования о сбоях и режимах работы; общая дисковая подсистема, подключенная ко всем узлам, построенная на технологиях Fiber Channel, SCSI, iSCSI и в которой присутствует дисковое хранилище, оснащенное по крайней мере двумя свободными логическими дисковыми устройствами (одно — для общих данных служб кластеризации узлов Windows Server Failover Clustering, второе — непосредственно для данных кластеризуемого приложения). Если предполагается исполнение на узлах более одного приложения или приложение требует нескольких дисков, число логических устройств можно увеличить.

Алгоритм процесса развертывания:

1. Добавить серверы, которые будут работать как узлы HA-кластера, в домен Active Directory.

2. Подключить и настроить аппаратные компоненты, требуемые для работы кластера на каждом из узлов (особенно касается дисковой подсистемы).

3. Установить на всех узлах службу Windows Server Failover Clustering, которая добавляется как свойство сервера Windows Server 2008.

4. Запустить на одном из узлов оснастку Failover Cluster Management. Командой Validate a Configuration запустить мастер проверки конфигурации оборудования будущего кластера. Мастеру указываются имена всех узлов, которые будут задействованы в кластере, он автоматически находит всё требуемое оборудование и проверяет его в различных режимах работы. Процесс проверки занимает от 15 минут до нескольких часов. Рекомендуется внести все изменения, которые будут предложены мастером по окончании работы.

5. В оснастке Failover Cluster Management запустить командой Create a Cluster мастер создания кластера. После указания имен всех будущих узлов кластера и проверки наличия на них службы Windows Server Failover Clustering, мастер потребует только IP-адрес и имя будущего кластера. Процесс непосредственного создания кластера занимает буквально минуту.

6. После создания кластера в Failover Cluster Management будет отображена структура нового кластера. После проверки конфигурации, подготавливаем целевое приложение или сервис для работы в отказоустойчивом режиме. (Если требуется сервер БД, то на данном шаге его необходимо установить в кластерном режиме на каждый из узлов кластера, где он должен работать. Если работа сервера не будет нормироваться отдельными узлами, лучше устанавливать на все узлы. Процесс кластерной установки сервера БД только копирует исполнимые файлы приложения, а дальнейшая настройка и конфигурирование выполняется непосредственно в оснастке.)

7. В оснастке Failover Cluster Management в разделе Services and Applications запускаем мастер создания приложения High Availability Wizard. Выбираем из списка установленных служб требующуюся, определяем IP-адрес и имя будущего сервера баз данных, указываем, какие из доступных дисков общего хранилища предоставляем для данного приложения. Мастер создает приложение, которое запускается в режим онлайн.

Если на HA-кластере работает несколько задач, нужно быть готовыми к тому, что они не всегда совместимы между собой на одном узле или не позволяют двухузловому кластеру работать в режиме активный/активный. Поэтому в решениях отказоустойчивой кластеризации на Windows Server 2008 рекомендуется использовать средства встроенной виртуализации Windows Hyper-V. Виртуальная машина с точки зрения кластеризации является обычным сервисом, выполнение которого следует остановить на одном узле, сохранив его данные в общем хранилище, и запустить на другом узле. При этом виртуальная машина не просто сохраняет данные (собственно, ее основные данные и так находятся в общем хранилище кластера) — сервис виртуализации приостанавливает работу переносимой виртуальной машины и сохраняет состояние оперативной памяти в виде файла на диске. Далее этот файл восстанавливается на другом узле как память запущенной там ранее остановленной виртуальной машины. Таким образом можно добиться более безопасного и изолированного исполнения нескольких несовместимых служб на одном узле, а также более полного использования аппаратных ресурсов, поскольку несколько виртуальных машин позволяют эффективнее распределять процессорное время между виртуальными процессорами. О вычислительных кластерах на базе решений Microsoft см. приложение PCWeek Review №3 «Ресурсоёмкие вычисления».