視頻信號數字化處理后所帶來的信號損傷的種類及特點 2001
論服務器群集技術及應用
1、前言
廣播設備、有線電視前端、衛星傳輸服務，以及許多公司和業界通信實體，正在越來越多地依賴于視頻媒體文件服務器，以不斷拓寬服務種類。
然而，我們在享受這些先進技術帶給我們實惠的同時，又不得不面對這樣一個事實：電子設備出現故障是不可避免的，視頻服務器也不例外�，F在，很多電視臺已經使用非線性節目制作系統制或硬盤播出系統。無論使用哪種系統，服務器在整個網絡系統的重要性是不言而喻，服務器作為整個網絡的心臟，要為網絡上所有的用戶提供數據共享和應用服務，如果不能保障服務器的正常運行，網絡系統的可用性就無從談起。所以，要確保視頻網絡中的關鍵業務應用運行平穩，具有可靠的適時性和連續性，通過服務器的群集技術來提高系統的可用性和可擴展性是目前備受推崇的方案。
2、服務器群集技術概述
群集系統是一種由一組互連的整機構成的并行或分布系統，可作為統一的計算資源使用。服務器群集技術使用多臺服務器組成服務器集合，可以提供相當高性能的不停機服務。在這個結構中，每臺服務器都分擔著一部分計算任務，由于集合了多臺服務器的性能，整體的計算實力被增加了。與此同時，每臺服務器還承擔一些容錯任務，當其中一臺服務器出現故障時，系統會在軟件的支持下將這臺服務器從系統中隔離出去，通過各服務器之間的負載轉嫁機制完成新的負載分擔，同時向系統管理人員發出警報。再者，在某個應用軟件的峰值處理期間內，對該應用的需求會變得過高，那么使用簡單的操作命令就可以把同一節點的應用包轉移到其他節點從而減輕該節點的工作負荷，來滿足已增加的需求。群集系統就是通過功能整合和故障過渡實現了系統的高可用性和可靠性。
服務器群集技術提供了高度的可用性、伸縮性與易管理性：
·高度的可用性：群集被設計具有避免單點故障發生的能力。應用程序能夠跨計算機進行分配，以實現并行運算與故障恢復，并提供更高的可用性。
·可伸縮性：加入更多的處理器或計算機提高群集的計算能力。當現有服務器能力有限時，可以通過增加CPU、內存、甚至一臺或幾臺服務器來擴展系統的能力。在服務器群集技術出現之前，用戶通過增加CPU、內存來進行擴展，但是CPU、內存的擴展只能在一臺服務器上進行，因此擴展是有極限的。而服務器群集技術可以通過在現有系統上增加服務器來進行擴展，增加的服務器將與原有的服務器緊密地集成在一起，為客戶端提供高性能的應用服務。
·易管理性：群集以單一系統映射的形式來面向最終用戶、應用程序及網絡，同時，也為管理員提供單一的控制點，而這種單一控制點則可能是遠程的。
服務器群集技術的實現可以有幾種不同的方式，考慮到用戶的需求，大體可以分為以高可用性為主要目的的高可用性方案，和以提高性能為主要目的、同時亦可以提供高可用性的方案。這種劃分同時也反映出群集技術在PC Server上發展的兩個階段，既高可用性的兩節點群集和提高性能的多節點群集。在今后 PC Server群集發展的計劃中將要實現更多節點的具有更高擴展能力的群集方案，這樣在提供高可用性和高性能的同時，還可以通過節點數目的擴展，更加有效的保護客戶的投資。
3、服務器高可用性群集拓撲結構
有兩種典型的拓撲結構可以實現高可用性：被動備份服務器和第二活動服務器。我們將詳細討論第二活動服務器的三種實現形式："全部復制"、"0共享"和"全部共享"。
下表總結了本文討論的幾種面向可用性的群集方法的優點和局限性。
3.1被動備份服務器
通常把一個服務器安排為"主"服務器，另一個服務器為"第二"服務器；由主服務器為用戶提供文件、打印及應用服務，"第二"服務器只有在主服務器發生故障時才能投入運行，代替主服務器提供服務。在被動備份服務器方式下（如圖3所示）,除非主服務器發生故障，否則第二服務器只是"觀察"并不作任何運作。
一種被稱為"心跳"的簡單機制被配置在主服務器上，它的作用是周期性地發送主服務器"生命尚在"的消息給備份服務器，一旦消息停止，備份服務器就認為主服務器發生故障，并把自己投入運行以代替主服務器。
"心跳"是一種很容易開發的協議，它可以通過網絡鏈接實現；也可以僅僅在服務器間加一條傳遞"生命"消息的纜線；或者通過局域網消息傳送實現。
3.2活動第二服務器
一個功能基本一致但成本低得多的方式是使第二服務器可以處理其它的應用程序，但當主服務器發生故障時，第二服務器也能夠接管主服務器的工作。這種我們稱只為"活動第二服務器"方法。這種方法的主要優點是在保持使用第二服務器的同時，獲得服務器冗余，而不是僅僅把第二服務器作為備份使用。這種方法可以減少群集系統的運行費用。
實際使用中，"活動第二服務器"方法有三種實現方式。
"全部復制" "全部復制"就是指徹底的服務器冗余。每個服務器都有自己的磁盤。數據不斷地被拷貝到第二服務器的磁盤上，以保證故障發生時，第二服務器可以使用已被拷貝的當前數據，并基于此當前數據作連續運轉。
盡管這種方法的確可以帶來高可用性，但它增加了服務器及網絡的負荷，可能會嚴重影響系統性能。另一個缺點是當一個服務器發生故障時，可能會有主、從服務器的不一致現象：某個磁盤上的事務處理可能并沒有完全在另一個磁盤上得到繼續。因為即便以最快的網絡相連，兩個服務器間信息傳送仍會有一定的延遲。
冗余的服務器也帶來許多好處。因為數據是被完全復制的，所以客戶的應用程序可以在任一服務器上運行，從而可以更好地平衡負載。另外，節點在空間上可以是分散的；節點間可通過廣域網互連，物理上可以距離很遠。這種拓撲結構常被用在災難恢復設計中，提供對主要自然災害如地震、洪水等的保護。
"0共享" 活動第二服務器方法的另一個實現是"0共享"。是指兩個服務器物理上連接到同一個磁盤組上，盡管其中每個服務器"擁有"自己的磁盤。這在正常運作下，只有磁盤的主人才能存取其中的數據；但當某個服務器發生故障時，一個替代服務器將把自己設定為原來屬于發生了故障的服務器的磁盤的主人，并對之進行操作。（如圖3-3所示）
這種方式不必不停地在服務器間拷貝數據，從而大大降低了網絡負荷。在這種方式下，磁盤是唯一可能產生導致長時間停機的故障的地方。于是，在這種體系結構的安裝中，系統或是典型地依賴冗余鏡像磁盤，或者在磁盤子系統中用RAID技術，以保證在服務器或磁盤出錯時，應用程序和數據的可用性。
"全部共享" 最后，我們還可以"共享一切"，也就是說讓多個服務器在同一時間共享同一磁盤。（參見圖3-4）。在這種方式中，所有與磁盤相連的服務器在正常運作時可在相同時刻共享磁盤存取通道。這種方式要求開發一個復雜的鎖定管理軟件，保證在一個時刻只有一個服務器在讀寫數據?quot;共享一切"方法也典型地依賴磁盤鏡像和RAID磁盤。
4、服務器群集技術的實現方案
服務器系統用戶根據本身業務的情況及組建群集系統的支付能力的不同，對服務器高可用性有一系列要求，如下表所示，不同的可用性等級帶來不同的效果。
許多公司根據用戶的不同需求，制定了許多種服務器高可用性群集方案。下面，我們就分別以IBM公司和HP公司的產品來舉例說明。
4.1 IBM公司的服務器高可用性群集方案
以下以IBM產品為例，分別以通過磁盤鏡像和共享存儲設備為例；來闡述服務器高可用性群集系統的原理與實現方法。在探究每一種方案的細節之前，讓我們首先看看它們的工作原理。
如圖4-1所示，兩個服務器的節點相互連接，構成了一個提供服務的整體。當客戶端提出訪問請求的時候，這個請求可以被群集響應。當群集中的一個節點失效，另外一個可以通過"失效切換"的過程接替失效節點上運行的應用程序。同時，由于應用程序和客戶端所需要的數據是存儲在共享的存儲設備中的，在"失效切換"的過程中共享存儲的訪問控制權也由失效節點切換至運行節點上，客戶端和應用程序可以通過共享存儲設備繼續訪問必要的數據。這樣，通過群集，可以實現在一個服務器節點失效的情況下，仍然可以提供數據訪問和網絡服務的正常運行，保證了客戶的關鍵業務的運行。
4.1.1采用數據鏡像方式的高可用性群集解決方案
采用數據鏡像方式的群集方案是在兩臺服務器之間通過磁盤或者分區的鏡像，保證應用程序的代碼和數據可以在兩臺服務器之間相互備份，從而保證系統的高可用性。
◆ 磁盤鏡像實現方案
·系統要求：
2臺 IBM Netfinity 服務器
一組用于內部連接的網卡
一組用于客戶端服務的網卡
每臺服務器分別擁有一個"本地硬盤"
每臺服務器分別擁有一個或多個"高可用性"硬盤
每臺服務器分別擁有一個或多個"輸出的"本地硬盤
Vinca Co-Standby 高可用性軟件
·工作方式及特點：
圖4-2是磁盤鏡像的工作原理示意圖。圖中左邊的服務器（Node A）和右邊的服務（Node B）分別運行不同的服務。兩臺服務器通過內部的高速網絡連接在一起。圖中（內部高速互連）是內部專用網段，用于傳輸兩臺服務器之間的鏡像數據。兩臺服務器中各自擁有一個本地盤，本地盤是用于安裝服務器的操作系統。在兩臺服務器中除本地盤外，還有一個"高可用盤"，"高可用盤"是用于存儲用戶的數據或者是高可用應用程序的代碼。兩臺服務器中另外各有一個"輸出盤"，"輸出盤"是用于鏡像另一臺服務器中的"高可用盤"的一組硬盤。
在兩臺服務器之間，通過內部的高速網絡連接?quot;高可用盤"和"輸出盤"形成了一組鏡像的"鏡像盤"。這樣在一臺服務器中所有的用戶數據都可以通過這一組"鏡像盤"鏡像到另一臺服務器的"輸出盤"中，網絡客戶端對于一臺服務器的任何數據的改動都可以實時的復制到另一臺服務器的"輸出盤"中。 圖中（Client Network）是網絡客戶端用于訪問服務器的網段。
在正常工作的狀態下，客戶端網絡通過一臺服務器訪問數據，服務器通過客戶端網絡向外提供服務。 當服務器失效的時候，另一臺服務器就會接管這臺服務器的任務。由于所有的用戶數據通過前面所提到的內部高速網絡，鏡像在另一臺服務器中的"輸出盤"，這時網絡客戶端可以通過備份服務器繼續訪問這些數據。網絡服務在經過了短暫的停頓之后，又可以恢復了。
◆ 分區鏡像實現方案
采用分區鏡像在采用鏡像方式的高可用性方案中也很廣泛。分區鏡像和磁盤鏡像方式的一個區別是，分區鏡像可以采用更少的硬盤數目，減少成本。
·系統要求：
雙節點IBM Netfinity 服務器
節點各自的系統分區
節點各自的高可用分區 （互為鏡像）
內部高速連接
客戶端網絡
串行連接（心跳線）
·工作方式及特點：
圖4-3，是分區鏡像的原理示意圖。圖中左邊的服務器（Node A）和右邊的服務器（Node B）分別運行不同的服務。兩臺服務器通過內部的高速網絡連接在一起。圖中（內部高速互連）是內部專用網段，用于傳輸兩臺服務器之間的鏡像數據。兩臺服務器中各自擁有一個系統分區，系統分區是用于安裝服務器的操作系統。在兩臺服務器中除系統分區外，還有一個"高可用分區"，"高可用分區"是用于存儲用戶的數據或者是高可用應用程序的代碼。兩臺服務器中的"高可用盤"相互鏡像。
在兩臺服務器之間，通過內部的高速網絡連接，傳輸鏡像的數據。這樣在一臺服務器中所有的用戶數據都可以通過這一組"鏡像分區"，網絡客戶端對于一臺服務器的任何數據的改動都可以實時的復制到另一臺服務器的"輸出分區"中。
總之，通過磁盤鏡像的方法雖然可以大大降低硬件費用，但只限于兩臺服務器間的相互備份，并且占用CPU,I/O口資源,對系統的性能影響較大,不適于承擔較重任務的系統。
4.2采用共享存儲設備的高可用性群集解決方案
·系統要求：
兩臺Netfinity 服務器
MS Windows NT企業版
共享的磁盤存儲設備EXP15
ServeRAID 陣列控制卡
內部連接網絡
客戶端服務網絡
其他附件
·工作方式及特點：
這種群集方式的實現，是通過兩臺服務器共享一個外部的磁盤存儲設備，所有要求高可用的數據和應用程序代碼存儲在共享的設備中，兩臺服務器分別對磁盤存儲設備具有訪問權。當一個服務器發生失效的時候，另外一個服務器仍然可以對共享存儲設備中的數據進行訪問，客戶端網絡的訪問，可以由這臺服務器繼續維持。
IBM ServerRAID 3H 群集方案，支持 MSCS （Microsoft Cluster Server）。目前MSCS 可以支持兩個節點。節點A 和節點B 分別是兩臺相同配置的IBM PC Server 或 Netfinity 服務器，通過MSCS 邏輯上生成一個虛擬的服務器，通過這個虛擬的邏輯服務器向外提供網絡服務。
圖中的兩臺服務器分別具有一個本地盤用于安裝 Windows NT 操作系統。服務器中分別安裝由兩塊網卡，其中一組網卡用于網絡服務的提供（圖中客戶端網絡網段），另一組網卡通過一條心跳網線構成了一個內部互連的高速網絡，這個高速網絡是用于兩臺服務器之間的信息傳遞。在服務器中分別安裝一個或多個ServerRAID 3H 控制卡，通過 ServerRAID 3H 可以實現服務器的內部和外部的陣列，同時通過該控制卡連接共享的存儲設備（圖中所示的共享SCSI 總線）。所有要求維護高可用性的數據和應用程序代碼都存儲在共享的存儲設備中，這也是該方案的關鍵部分。服務器中的 ServerRAID 3H 的第三個通道相互連接在一起構成SCSI 內部互連，這個連接是用于兩臺服務器之間陣列信息的同步 。
IBM 基于ServerRAID 3H 的群集方案，可以支持節點級和資源級的保護。
·節點級保護：
在任何時候，如果一個服務器失效，在這個服務器上運行的所有應用程序和網絡服務都會在另外一臺服務器上重新啟動，共享存儲設備的控制權從失效的服務器上轉移到運行的服務器。運行的服務器可以繼續支持群集的虛擬服務器，通過群集的虛擬服務器，用戶的網絡訪問可以繼續進行。從而實現節點的保護。 ·資源級保護：
如果一個服務器所運行的某個進程發生失效，該失效的進程會通過群集監視器被檢測到，之后通過群集服務在另一臺服務器上重新啟動，通過虛擬的 服務器繼續向外提供服務。對于原服務器上所運行的其他進程和服務不會受到失效進程的影響。
另外，IBM公司還提供共享SSA存儲設備方案和共享共享光纖通道（Fibre Channel）存儲設備方案。通過SCSI 接口共享外部存儲設備，這種方案雖然增加了外設費用，但是由于采用該方案,可以實現雙機的監控管理,而對系統性能影響很小，極大的提高了系統的可用性及可擴展性。
5、HP NetServer"超級保障"高可用性解決方案
在前面提到的IBM公司的磁盤鏡像和共享外部存儲設備兩種服務器群集高可用性解決方案中，我們可以看出這兩種解決方案使服務器的可用性等級達到高可用性等級，即正常運行時間為99.9%，宕機時間為8.5小時/年。有些人要說這種解決方案還是不能滿足要求，的確，在電視臺普遍采用硬盤播出的今天，人們希望的看到的是服務器永不宕機。現在，人們又在追求所謂"五個9"的正常運行時間（99.999%的在線正常運行時間），這是一個非常高水平的可靠性和保護。這類性能稍高于每年315秒的停機時間，或者用銷售/交易的行話來說，"一年丟失的30秒的廣告不超過10個。" 為此，惠普公司率先在推出?quot;超級保障"解決方案，使得99.999％的高可用性指日可待。
惠普公司在雙機雙控容錯解決方案的基礎上，提出的"超級保障"解決方案可用性極高，每年只有5分鐘的計劃外停機時間，正常運行時間達99.999%，比雙機系統提高100倍。同時，這種"超級保障"高可用性方案并沒有對相關軟件、硬件提出更高的要求，它只需要標準的hp netserver、標準的Microsoft Windows Nt Server以及不需修改的"off－the－shell"應用程序，如Microsoft Exchange等，因此用戶不必去購買專有的網絡操作系統、中間件及應用。
系統由四臺服務器組成，每兩臺構成一個單元，如圖5-1所示。圖中左邊為單元1，右邊為單元2，兩邊完全對稱。每個單元中的兩臺服務器通過高速的PCI接口和光纖相連，Marathon接口卡（MIC）能夠驅動兩臺服務器之間發送和接收數據，組成了一個完整的系統單元。其中一臺服務器稱為計算單元（Compute Element，CE）,它運行用戶所有的應用程序；另一臺稱為輸入/輸出處理器（I/O Processor，IOP），它進行所有的輸入/輸出處理。所有的輸入/輸出請求都是由計算單元（CE）轉到輸入/輸出處理器進行處理，而CE不進行任何輸入/輸出處理。IOP上運行E4000軟件，完成故障處理、磁盤鏡像、系統管理和再同步工作。
兩個單元之間通過光纖和MIC卡相互連接。兩臺CE運行Marathon專利同步技術和執行應用程序。磁盤鏡像是通過兩邊的IOP重復寫磁盤實現RAID1，因此不需要專門的RAID控制器。當一臺CE發生故障時，另一臺CE馬上在配置中移去故障的CE，并保持系統繼續運行。故障的CE然后被物理上移走，修復，再連接，最后開機。這臺CE使用高速連接的線路，通過同步另一臺CE的狀態而重新加入系統中。此外，當一臺IOP發生故障時，另一臺IOP能保持系統繼續運行。故障的IOP然后被物理上移走，修復，再連接，最后開機。在E4000軟件開始運行后，修復的IOP自動被加入系統。
◆ 硬件組成：
◆ 軟件特點：
Marathon管理器是本系統的管理軟件。它是一個能夠使你監視和管理系統的標準Windows NT應用程序，具有標準的圖形化界面的Marathon管理器主要能夠實現以下功能：
·顯示系統及其各個部件的狀態，包括計算單元、輸入/輸出處理器、互連、鍵盤、鼠標、以太網連接等；
·發布管理系統及其各個部件的命令，包括啟用或禁用系統部件；
·獲取系統的統計信息，包括以太網計數器；
·確定鏡像磁盤組的狀態；
·可以啟動Marathon配置工具和Windows NT管理工具；
·使用網絡連接或微軟遠程訪問服務器（RAS）可以通過一個遠程工作站管理系統。
6、構建群集系統的原則
6.1群集與管理
所有關于群集的討論必須包含對系統及管理網絡的考慮。資源需求大，運行關鍵任務的企業級環境對群集很感興趣，比如電視行業。因為它們不能承擔意外停機造成的損失。服務器群集十分復雜，而復雜的技術又往往會引入許多人為的錯誤，因此系統應有網絡資源管理、系統監測管理，并具有可以簡化管理過程的工具。
把群集僅僅視為單一系統或把它僅僅視為分立的服務器，持這兩種觀點的系統和網絡管理軟件是不能勝任工作的。對服務器群集的有效管理需要集成上述兩種觀點，當我們觀察群集上運行的一個應用程序時，需要單一系統觀點；另一方面，當我們試圖區分、定位一個出錯部件時，又需要分立服務器觀點。如果管理系統不能提供必須的監測及管理能力，那么服務器群集是不能在重要的應用環境中投入使用的。
6.2群集與成本
我們知道，并不是所有的服務器安裝都需要或能支付得起群集提供的系統級冗余。因此我們需要對比一下是系統發生故障所造成的損失大，還是購買及管理一個群集系統的費用高，使配置從群集中獲益。
圖6-1: 服務器群集可用性等級
服務器系統用戶對可用性有一系列要求：從最基本的每個服務器系統都具有一定級別的品質和可靠性，到最高級別------具有容錯能力，即在任何情況下，服務器都能連續操作。（如圖6-1所示）當一個服務器系統達到了最基本的品質與可靠性后，服務器制造商將會提供多種方法實現故障的自動恢復：其中包括數據備份，ECC內存，內存更新，不間斷電源和服務器自動重啟。如果想獲得更高層次的可用性，就需要有一定的部件冗余，包括（UPS）磁盤（RAID），配置（ASR）, 雙控制器，熱插拔冗余電源�？捎眯缘倪@三個等級只涉及到單插拔服務器的可靠性。只有這些方法被有效使用的前提下，用戶才能嘗試系統或應用程序級的冗余策略。
值得注意的是，顧客對可用性的級別要求得越高，系統成本就會越高。（如圖6-2所示）。
盡管容錯系統性能非常好，但同時也非常昂貴的。顧客必須清楚為達到高可用性，自己必須付出的代價。
當系統發生故障時，企業會遭受直接和間接的雙重損失。舉例來說，直接損失包括因訂購信息丟失而失掉的收益；間接損失也許得包括當系統最終恢復時為處理訂購而必須付出的加班費。這兩個例子正好也是另外一種區分標準下的兩類損失：與內部人員相關的損失（服務器停機時無事可作）；一類是與外界客戶相關的損失（失去業務）。必須考慮兩種類型的損失。
圖6-2：系統可用性層次
高可用性群集涉及計劃內與計劃外停機。例如，當系統管理員要進行備份或其它系統服務時，他可以把這一活動定在某個時間進行，對最終用戶的損害要小得多。有時，系統處于運行狀態，比如說計算機24X7，而系統管理員卻要執行上述任務。在這種情況下，大多數群集系統允許管理員把關鍵任務轉移到另外一個節點上，進行系統備份；而此時用戶仍然可以使用應用程序。計劃外停機被定義為無法預知的停機，比如系統掛起或硬件故障。群集軟件將檢查故障并把應用程序移到替換服務器上，對用戶的影響減少到最小。一個非群集系統由于計劃外、計劃內停機所造成的損失，在進行群集方案評估時，也必須被引入考慮。
6.3服務與支持
在企業級環境中，為達到高可用性，僅僅正確選擇軟件、硬件是不夠的。我們已經觸及到了必須的一些物理與結構上的變化；其實能得到適當的咨詢與支持同樣十分重要。當系統已經建好并投入運行后，得到合理的服務十分關鍵；而在計劃階段就向專家進行咨詢，則是獲得長期成功的重要保證。
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