1 概述
备注：本文主要结合自己的学习笔记，以及参考博客 集群（cluster）原理（转）整理而成。
集群（cluster）就是一组计算机，他们作为整体向用户提供一组网络资源。这些单个的计算机系统就是集群的节点（node）。一个理想的集群是，用户从不会意识到集群系统底层的节点，在他/她们看来，集群是一个系统，而非多个计算机系统。并且集群系统的管理员可以随意的增加和删除集群系统的节点。
2 Linux Cluster类型
a）高可用性（High Availability）集群
HA集群致力于提供高度可靠的服务，避免SPOF单点失败（single Point Of failure）的问题。就是利用集群系统的容错性对外提供7*24小时不间断的服务，如高可用的文件服务器、数据库服务等关键应用。
b）负载均衡(Load Balancing）集群：
使任务可以在集群中尽可能平均的分摊不同计算机处理，充分利用集群的处理能力，提高对任务的处理效率。在实际应用中这几种集群类型可能混合使用，以提供更高稳定的服务，如在一个使用网络流量负载均衡的集群中，就会包含高可用的网络文件系统、高可用的网络服务。
其中负载均衡服务器的高可用性是指为了屏蔽负载均衡服务器失效，需要建立一个备份机。主服务器和备份机上都运行High Availability监控程序，通过传送诸如“I am alive”这样的信息来监控对方的运行状况。当备份机不能在一定的时间内收到这样的信息时，它就接管主服务器IP并继续提供服务；当备份管理器又从主管理器收到“I am alive”这样的信息时，他就释放IP地址，这样的主管理器就开开始再次进行集群管理的工作了。为在主服务器失效的情况下系统能正常工作，我们在主、备份机之间实现负载集群系统配置信息的同步和备份，保持两者系统的基本一致。
.LB Cluster分类
四层：lvs,nginx(stream)，haproxy(modetcp)
七层：基于http，如nginx(http),haproxy(mode http), httpd（apache）...
c）性能计算（High Perfervidmance Computing）集群
HPC集群，也称为计算集群。在这种集群运行的是专门开发的并行应用程序，它可以把一个问题的数据分不到多台计算机上，利用这些计算机的共同资源来完成任务，从而可以解决单机不能胜任的工作（如果问题规模太大，单机计算速度太慢）。
这类集群致力于提供了单个计算机所不能提供的强大的计算能力。如天气预报、石油勘探与油藏模拟、分子模拟、生物计算等。
3 集群的优点
a)高扩展性
b)高可用性HA:集群中的一个节点失效，它的任务可传递给其他节点。可以防止单点失效
c)高性能：负载平衡集群允许系统同时接入更多的用户
d)高性能价比：可以采用廉价的复合工业标准的硬件来构造高性能的系统
4 集群分类
4.1 基于软硬件分类
.硬件：
F5 Big-IP
Citrix Netscaler
A10 A10
.软件：
lvs：LinuxVirtual Server，不能识别应用层数据
nginx：支持四层调度，也可以支持7层调度
haproxy：支持四层调度，也支持7层调度
应用层的调度器，需要对发过来的请求进行解开数据包，然后再封装。有一个问题是，socket一台机器上只能是65536个，并发请求太多，主机将不能正常提供请求。解决方案是把后台服务拆分开，对服务进行分类。把不同的服务拆开，独立提供服务
ats：apachetraffic server，yahoo捐助
perlbal：Perl 编写
pound
4.2 基于工作的协议层次划分：
.传输层（通用）：DPORT
LVS：
nginx：stream机制
haproxy：mode tcp机制
实际工作中，生产环境用 nginx 和 haproxy进行调度
.应用层（专用）：针对特定协议，自定义的请求模型分类
proxy server：
http：nginx,httpd, haproxy(mode http), ...
fastcgi：nginx,httpd, ...
mysql：mysql-proxy,...
5 集群相关概念介绍
5.1 HA概念介绍
计算机系统的可用性（availability）是通过系统的可靠性（reliability）和可维护性（maintainability）来度量的。工程上通常采用平均无故障时间（MTBF:MeanTime Between Failure）来度量系统的可靠性，用平均恢复时间（MTTR：MeanTime To Restoration（repair））来度量系统的可维护性。于是可用性定义为:A=MTTF/(MTBF+MTTR)*100%。 可用性百分比范围是(0,1)，如99%,99.5%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 99.9999%。其中99.999%表示一年内允许5分钟的故障时间
系统故障：
硬件故障：设计缺陷、wear out（损耗）、自然灾害……
软件故障：设计缺陷
5.1.1 HA的容错备援运作过程
自动侦测（Auto-Detect）阶段 由主机上的软件通过冗余侦测线，经由复杂的侦听程序。逻辑判断，互相侦测对方运行情况，所检查的项目有：主机硬件（CPU和周边）、主机网络、主机操作系统、数据引擎以及其他应用程序、主机与磁盘阵列连线。为确保侦测的正确性，而防止错我的判断，可设定安全侦测时间、包括侦测时间间隔、侦测次数以调整安全系数，并且由主机的冗余通信连线，将所汇集的讯息记录下来，以供维护参考。
自动切换（Auto-Switch）阶段 某一主机如果确认对方故障，则正常主机继续进行原来的任务，还将依据各种容错备援模式接管预先设定的备援作业程序，并进行后续的程序以及服务。
自动恢复（Auto-Recovery）阶段 在正常主机代替故障机工作后，故障机可离线进行修复工作。在故障主机修复后，通过冗余通讯线与原来主机连线，自动切换回修复完成的主机上。整个回复过程完成有EDI-HA自动完成，亦可依靠预先配置，选择回复动作为半自动或不回复。
5.1.2 HA三种工作方式
a) 主从方式（非对称方式）
工作原理：主机工作，备机处于监控状况；当主机宕机时，备机接管主机的一切工作，待主机恢复正常后，按使用者的设定以自动或手动方式将服务切换到主机上运行，数据的一致性通过共享存储系统解决。
b) 双机双工方式（互备互援）
工作原理：两台主机同时运行各自的服务工作且互相检测情况，当任一台主机宕机时，另一台主机立即接管它的一切工作，保证工作实时，应用服务系统的关键数据存放在共享存储系统中。
c) 集群工作方式（多服务器互备方式）
工作原理：多台主机一起工作，各自运行一个或几个服务，各为服务定义一个或多个备用主机，当某个主机故障时，运行在其上的服务就可以被其它主机接管。
5.1.4 HA集群实现方案
keepalived: vrrp协议，和lvs配合使用。keepalive实现高可用，lvs实现调度。
ais:应用接口规范
heartbeat
cman+rgmanager(RHCS)
coresync_pacemaker
5.2 会话保持：负载均衡（LB）
(1) session sticky：同一用户调度固定服务器
Source IP：LVS sh算法（对某一特定服务而言）
注意，基于源地址调度不太靠谱，因为可能IP经过NAT转换，该源IP后端可能有很多机器发起请求，如果将这些请求都集中调度到
同一台机器，可能会会后端该服务器造成较大的负担
Cookie：服务器分发给客户端的
cookie用来表示客户端的身份的。早期用重cookie，包含了所有的信息。
后来用轻cookie，主要有session的id.session是在服务器端的。
根据cookie的信息来决定分发给哪台机器上。cookie属于应用层的数据。因此要使用应用层的调度器，如Ngnix或haproxy
(2) session replication：每台服务器拥有全部session，如session multicastcluster
(3) session server：专门的session服务器,如Memcached，Redis
6 高可用的实现
有如下6种方法实现高可用
1）共享存储（shared storage）
NAS：网络附属存储（NetworkAttached Storage），文件共享服务器
SAN：存储区域网络，（Storage Area Network）,块级别的共享
2）网络分区 （Networkpartition）
有以下两个方式：
a) 法定人数（quorum）：
with quorum：> total/2
without quorum: <= total/2
b)隔离设备：fence，有两种手段
当监测到有设备异常是，可以通过以下两个方法隔离异常设备
断电重启：STONITH = ShootingThe Other Node In The Head，
隔离资源：断开存储的连接
3）双节点集群(TWO nodes Cluster)
4）Failover：故障切换，即某资源的主节点故障时，将资源转移至其它节点的操作
5）Failback：故障移回，即某资源的主节点故障后重新修改上线后，将之前已转移至其它节点的资源重新切回的过程
6）HACluster实现方案:
有以下两个方案：
vrrp协议的实现:轻量级解决方案，如keepalived
ais：重量级的解决方案，应用接口规范完备HA集群，逻辑比较复杂。有三个解决方案
RHCS：Red Hat Cluster Suite红帽集群套件，完整解决方案
heartbeat
corosync
