1. 引言
在本教程中，我们将探讨计算机集群（Computer Clusters），包括其类型、使用场景和应用。早期，系统设计依赖于昂贵的单机运行，只有政府或大型企业才能负担得起。随着网络技术的发展，人们开始将多台计算机连接起来，目标是解决两个核心问题：提升处理速度 和 增强系统可靠性。如今，计算需求的增长速度几乎与硬件性能提升同步，我们对计算机系统的依赖也日益加深，因此集群技术变得尤为重要。
2. 什么是计算机集群？
简单来说，计算机集群是一组协同工作的计算机节点，作为一个整体系统运行。我们可以利用集群来提升计算能力，或者增强系统的容错性。
要实现集群功能，通常需要以下管理节点：
- 协调负载分配
- 检测节点故障并调度替换
节点之间需要保持较高的软硬件兼容性，并通过“心跳（heartbeat）”机制持续探测彼此是否在线。同时，它们依赖于连接它们的数据网络，为了提高可靠性，节点之间通常会配置冗余网络路径。这样，集群就能区分是节点故障还是网络中断。
3. 集群参考架构
根据上述讨论，我们可以绘制出一个典型的集群架构图：
其主要组成部分包括：
✅ 计算节点（Computing Nodes）：处理用户负载的服务器，从普通PC到高端服务器都有可能
✅ 管理节点（Managing Nodes）：监控集群软硬件状态，根据事件进行重新配置。管理软件也可以部署在计算节点上以节省资源
✅ 私有网络（Private Network）：用于节点间通信，处理“你还在吗？”这类探测消息，也负责集群配置和同步命令的传输
✅ 共享冗余存储（Shared Redundant Storage）：所有计算节点都能访问的共享数据存储，确保某个节点故障时，其他节点可以接管其任务
✅ 公共访问层（Public-access Layer）：虚拟化集群访问，使整个集群对外表现为单一系统。例如通过虚拟IP来分配服务入口和请求流量
4. 集群类型
根据不同的非功能性需求，集群可以分为多种类型。在实际应用中，这些类型常常可以共存。例如，一个负载均衡集群可能其管理节点采用高可用架构。
4.1. 故障转移 / 高可用集群（Fail-over / High Availability Cluster）
在故障转移配置中，服务通常运行在一个节点上，另一个节点处于待命状态，用于在主节点故障时接管服务。
主要用途：增强系统容错性
当主节点发生故障时，管理节点会将虚拟IP切换到备用节点，同时切断主节点对共享存储的访问，防止数据冲突。备用节点接管后，会执行一系列恢复操作，如检查数据完整性、重放日志等。此时正在进行的事务会失败，系统会有短暂的停机时间。
优点：不需要修改现有软件即可使用
Linux下著名的开源实现是 Linux HA，此外还有来自 Veritas、Oracle、IBM 等公司的商业实现。
4.2. 负载均衡集群（Load Balancing Cluster）
在负载均衡集群中，负载被分发到多个可用的计算节点上。常见的负载分发策略包括轮询（round-robin）等。这种模式最适合事务之间相互独立的场景。
优点：
- 成本较低
- 整体吞吐量高
- 可通过增加节点实现横向扩展
缺点：
- 节点故障时可能导致服务性能下降
- 需要特别注意并发数据一致性问题
更多关于并行处理的内容，可以参考我们关于并发与并行的教程。
4.3. 高性能计算集群（High-Performance Computing – HPC）
适用于计算密集型任务，例如天气预报、流体动力学、药物设计、渲染农场等。HPC 集群的主要特点包括：
- CPU密集型计算
- 大规模数据传输
- 节点间低延迟通信以模拟共享内存
- 数据流可在多个节点间顺序流转
这类系统通常由数百甚至数千个节点组成，每个节点搭载通用CPU，甚至可能配备GPU加速。全球最强大的非分布式系统排名可以在 Top500 网站查看。
设计重点：
- 原始计算能力
- 低网络延迟
- 高效的任务调度机制
5. 其他计算架构
上述集群模型通常适用于非地理分布的本地部署环境。对于高度分布式、云原生或无服务器架构，我们有更抽象的集群模型，它们不要求节点之间紧密耦合。
5.1. 网格计算（Grid Computing）
网格计算是一种松散连接的异构设备集合，共同完成某一目标。节点分布稀疏，通常不共享网络或磁盘连接。
它主要由两个部分组成：
- 服务端（Provider-side）：管理中心，负责协调网格资源，分发任务并评估结果
- 客户端（Client-side）：加入网格的计算资源，接收任务、处理并返回结果
一个著名的例子是志愿计算项目 Folding@home，用于蛋白质折叠研究和药物开发。
5.2. 云、Kubernetes 与无服务器架构（Cloud, Kubernetes, and Serverless）
云平台、Kubernetes 和无服务器架构如何与集群理念结合？
我们可以借助虚拟化技术实现类似集群的效果：
✅ 软件定义网络（SDN）：即使节点分布在多个数据中心，也表现为一个统一网络
✅ 虚拟负载均衡器：动态将请求路由到可用节点
✅ 软件定义存储（SDS）：数据可分布存储，按需复制，支持就近访问
✅ 自动扩缩容：根据负载自动创建或销毁虚拟节点，实现弹性伸缩
这类架构要求系统设计时支持负载均衡模式，才能充分发挥其优势。
6. 总结
在本教程中，我们介绍了计算机集群的概念、类型及其应用场景。当单台服务器无法满足性能或可用性需求时，集群技术便派上用场。现代集群系统可以扩展到非常大的规模，因此在设计系统时，考虑集群友好性是非常重要的。