אשכול מחשבים

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

אשכול מחשבים הוא קבוצה של מחשבים המחוברים ביניהם ופועלים יחד בצורה מתואמת, כך שבמובנים רבים הם יכולים להחשב כמחשב אחד. המחשבים באשכול מחוברים ביניהם בדרך כלל באמצעות רשת תקשורת מקומית. אשכולות מחשבים משמשים בדרך כלל לצורך שיפור מהירות ו/או אמינות של מחשב בודד, באמצעות הענקת יחס עלות תועלת טוב יותר מאשר מחשב בודד במונחי ביצועים או אמינות.

[עריכה] סוגי אשכולות מחשבים

[עריכה] אשכולות זמינות גבוהה - High Availability Clusters

אשכולות זמינות גבוהה מיושמים בעיקר לצורך שיפור זמינות השירותים אשר הם מספקים. האשכולות פועלים באמצעות יתירות של נקודות הקצה (nodes), אשר משמשות לאספקת שירות כאשר רכיב מערכת אינו מתפקד. בדרך כלל אשכולות מסוג זה מכילים שתי נקודות קצה, אשר מהוות את המינימום ליצירת יתירות. יישום של אשכולות זמינות גבוהה נועד לניצול היתירות הקיימת במערכות אלה על מנת לבטל נקודות כשל בודדות במערכת. ישנם ישומים מסחריים רבים של אשכולות זמינות גבוהה המיועדים למספר רב של מערכות הפעלה.

[עריכה] אשכולות חלוקת עומס - Load Balancing Clusters

עקרון העבודה באשכולות חלוקת עומס הוא שהמשימות המיועדות לאשכול מופנות לשרתים המיועדים לקבל את המשימות ואלה מפנים אותן למערך שרתים הנמצא מאחורי הקלעים ומטרתו לבצע את המשימות. למרות שתפקידם העיקרי של אשכולות חלוקת עומס הוא שיפור ביצועים, לעיתים קרובות הם מכילים גם מרכיבים המיועדים לשפר את זמינות האשכול. אשכול מעין זה מכונה לעיתים חוות שרתים. קיימים מספר רב של פתרונות מסחריים המהווים אשכול חלוקת עומסים. ביניהם ניתן למנות את Platform LSF HPC, Moab Cluster Suite, Maui Cluster Schedueler ועוד. פרויקט ה- Linux Virtual Server מספק פתרון קוד חופשי לסביבת Linux.

[עריכה] אשכולות תפוקה גבוהה - High Performance Cluster - HPC

תפקידם של אשכולות תפוקה גבוהה הוא בעיקר לספק ביצועים חזקים למשתמשים. עיקרון הפעולה הוא חלוקת המשימות החישוביות למספר רב של נקודות קצה (nodes) המחוברות לאשכול. עיקר השימושים של HPC הינו לצרכים מדעיים. אחד הישומים הפופולריים ביותר לאשכול מסוג HPC הוא כאשר Linux משמשת כמערכת הפעלה, ותוכנה חופשית מתפעלת את האשכול לצורך החישובים המקביליים. תצורה זו נקראת בדרך כלל Beowulf Cluster. אשכולות כאלה מריצים בדרך כלל תוכנות שנכתבו במיוחד לסביבה מקבילית הקיימת ב- HPC. תוכנות רבות כאלה משתמשות בספריות תיכנות (libraries) כגון MPI אשר יעודן העיקרי הוא יישומים מדעיים לסביבה מקבילית. אשכולות HPC ממוטבים עבור סביבת עבודה עמוסה במשימות או תהליכים אשר מתבצעים במקביל בנקודות הקצה (nodes) של האשכול. משימות אלה מתקשרות ביניהן במהלך ביצוע החישוב. חלק מהמשימות מייצרות תוצאות ביניים אשר משמשים קלט למשימות אחרות ולכן ישפיעו על התוצאה של המשימות העתידיות.

[עריכה] טכנולוגית גריד - Grid Computing

טכנולוגית גריד קרובה מבחינה טכנית לאשכול מחשבים. ההבדל העיקרי הוא שטכנולוגית גריד מחברת אוסף של מחשבים שהקשר ביניהם רופף, ולכן הם פועלים כישות לוגית אחת המאפשרת ניצול משאבים. אנלוגיה מתאימה לטכנולוגית גריד היא רשת האינטרנט, המשמשת כמשאב לוגי אחד מנקודת מבטו של המשתמש. בנוסף לכך, טכנולוגית גריד תומכת בסביבות הטרוגניות של מחשבים שלאו דווקא נתמכות באשכול מחשבים. טכנולוגית גריד ממוטבת לעומסי עבודה אשר מכילים מספר רב של משימות עצמאיות אשר אינן נדרשות לשתף נתונים אחת עם השניה. הגריד משמשת לניהול ואיתור המשאבים הנדרשים לביצוע המשימות. כך למשל משאבים כגון אחסון וזכרון משותפים לכל נקודות הקצה, אך התוצאות של משימה אחת אינן משפיעות על משימות אחרות בתהליך או על נקודות קצה אחרות.

[עריכה] היסטוריה של אשכול מחשבים

כמו בהרבה תחומים אחרים, גם כאן הצורך היה אבי ההמצאה. הלקוחות הם אלה שהגו את רעיון אשכול המחשבים ברגע שלא יכלו לקבל תפוקות מהירות מספיק ממחשב בודד, או כשנדרשו לגיבוי. הצורך באשכולות הופיע בשנת ה-60' או אולי אפילו ה- 50' של המאה ה-20.

הבסיס ההנדסי לבנית אשכולות מחשבים ועבודה מקבילית הונח על ידי עובד IBM בשם Gene Amdahl. בשנת 1967 פרסם אמדל נייר עמדה בנושא מחשוב מקבילי, הנודע בשם Amdahl's Law. חוק אמדל מתאר בצורה מתמטית את ההאצה בביצועים אותה ניתן לצפות באמצעות הקבלה של תהליכים בהשוואה לביצועם באופן סידרתי. המאמר הגדיר את הבסיס ההנדסי למחשוב רב-מעבדי ולאשכול מחשבים. ההבדל העיקרי בין שני סוגי טכנולוגיות אלה הוא האם הקשר הבין-מעבדי (interprocessor) נעשה בתוך המחשב הוא בין מחשבים, על גבי הרשת. בשל כך, ההיסטוריה של אשכולות המחשבים הראשונים קשורה באופן הדוק להיסטוריה של רשתות התקשורת. אחד המניעים החזקים ליצירת ופיתוח רשתות תקשורת היה קישור משאבים, ובכך נוצר למעשה אשכול מחשבים דה-פקטו.

רשתות מיתוג מנות פותחו על ידי חברת RAND בשנת 1962. פרויקט ARPANET השתמש ברעיון של מיתוג מנות, כאשר בשנת 1969 יצר את הרשת הראשונה שבה חוברו ארבעה מרכזי מחשבים שונים (שבתוך כל אחד מהם היה 'אשכול מחשבים'). פרויקט ARPANET התרחב והפך להיות למה שאנו קוראים היום Internet. האינטרנט היא 'אם כל אשכולות המחשבים', מפני שהיא מאחדת את כל משאבי המחשוב לכדי משאב לוגי מרכזי. רשת ARPANET ביססה את הפרדיגמה אשר רווחת בכל אשכולות המחשוב הקיימים היום: השימוש ברשתות מיתוג מנות לביצוע תקשורת בין-מעבדים המתבצעת בין מעבדים הנמצאים במקומות שונים.

הפיתוח של אשכולות אשר נבנו על ידי משתמשים לצרכי מחקר בוצע במקביל להתפתחות רשתות התקשורת ומערכת ההפעלה יוניקס, מאז ראשית שנות ה-1970. בתקופה זו חברת Xerox PARC ופרויקט ה-TCP/IP סייעו למיסוד הפרוטוקולים העוסקים בתקשורת מבוססת רשת. אך רק בשנת 1983 לערך פותחו פרוטוקולים שאפשרו לשלוח בקלות עבודות לביצוע, וגם הוגדר שיתוף קבצים. בתקופה זו החלו להתפתח גם פתרונות מסחריים לתחום אשכול המחשבים.

המוצר המסחרי הראשון לנושא אשכול מחשבים היא ARCnet, אשר פותח על ידי חברת Datapoint בשנת 1977. ARCnet נכשלה מסחרית, ונושא האשכול לא נחל הצלחה עד שחברת DEC החל לשווק את VAXcluster בשנת 1983 למערכת VAX/VMS. ARCNET ו- VAXcluster תמכו במחשוב מקבילי, שיתוף קבצים וציוד היקפי. מטרת המוצרים האלה הייתה להעניק למשתמש עיבוד מקבילי תוך שמירה על אמינות המידע. המוצר VAXcluster נקרא כיום VMScluster והוא חלק ממערכת ההפעלה OpenVMS השייכת לחברת HP.

[עריכה] טכנולוגיות של אשכולות מחשבים

MPI היא ספריה זמינה אשר מאפשרת לכתוב תוכנות מקביליות בשפת C או בשפת Fortran. דוגמה לכך היא תוכנת מודלים אקלימיים הנקראת MM5 .

סביבת GNU/Linux מציעה כמה תוכנות אשכולות, כגון:

• Beowulf, distcc, MPICH - מיועדים לאשכולות המיועדים לתיכנות יעודי. distcc מאפשר הידור מקבילי בסביבת GCC.
• Linux Virtual Server, Linux-HA - מאפשר למפעיל לחלק שירותים בין מספר רב של נקודות קצה באשכול.
• MOSIX, openMosix, Kerrighed, OpenSSI - אשכולות הנמצאת בתוך הליבה של מערכת ההפעלה. מאפשרים הגירת תהליכים (process migration) בין נקודות קצה זהות. OpenSSI, openMosix, ו- Kerrighed הם ישומים מסוג SSI .
• DragonFly BSD, התפצלה מתוך FreeBSD 4.8 והיא מתוכננת לתמיכה באשכולות ברמת הליבה. יעד נוסף שלה הוא לתמוך ב-SSI.
• MSCS הוא ישום של חברת מיקרוסופט לתמיכה באשכולות של תפוקה גבוהה (High Availablity) על גבי מערכת ההפעלה Windows. מיקרוסופט התבססה על טכנולוגיה שפותחה בחברת DEC והיא תומכת בעד 8 נקודות קצה המחוברות להתקן אחסון מסוג SAN .