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服務器集群技術及其在視頻網絡中的應用
服務器集群技術及其在視頻網絡中的應用
2004年度河南省廣播電視優秀科技論文一等獎〖摘要〗
本文詳細闡述了服務器集群的概念、優點、實現模式、組件及組件之間的相互作用關系，集群故障轉移發生的條件和實現過程、故障恢復的過程。分析了電視臺視頻網絡通常選擇的集群模式，并結合河南電視臺都市頻道節目制作網的實例，說明了服務器集群的創建過程。
〖關鍵字〗
服務器 集群技術 視頻網絡
一、前言
視頻網絡的搭建和應用給電視臺帶來的是技術上的變革、節目制作理念的轉變、工作效率的提高。同時，由于網絡自身的原因，也給整個節目制作過程帶了一些不穩定因素，比如網絡癱瘓、帶寬堵塞、素材丟失等。可用性成為評定視頻網絡好壞的重要標準，而服務器的可用性在很大程度上又決定了視頻網絡的可用性，因為服務器是整個網絡的心臟，它擔當著素材、數據庫和硬件設備的管理工作。
當然，隨著許多先進技術的應用，充分保證了服務器的可用性，其中，比較經濟、有效的一種技術就是服務器集群技術。
二、服務器集群技術
1 、服務器集群概述
服務器集群是由一組獨立的服務器，并像單個系統一樣運作，通過將運行著 Windows 2000 Advanced Server 的服務器編組，組成集群服務器，從而對資源和應用程序提供了高可用性、可擴展性和可管理性。
采用服務器集群的目的是，在出現故障或斷電的情況下，保證客戶對應用程序和資源的訪問。如果集群里的某服務器由于故障或維護的緣故，不可用，資源和應用程序將轉移到其它可用的集群節點上。
而提起集群，人們容易將雙機熱備份與集群混為一談，其實它們有本質上的區別：即能否實現并行處理和服務器失效后的任務平滑接管。雙機或多機熱備份的原理是一臺主機做服務器，其他主機做備份機，服務器失效時，備份機接管。
2 、使用服務器集群的優點
高可用性。集群技術可以用來避免單臺服務器的資源或應用程序出現故障。使用集群技術，資源的所有權，如磁盤驅動器和 IP 地址將自動地從有故障的服務器上轉移到可用的服務器上。當集群中的系統或應用程序出現故障時，集群軟件將在可用的服務器上重啟失效的應用程序，或將失效服務器的工作分配到剩余的服務器上，結果是，用戶只是覺得服務器暫時停頓了一下。
可擴展性。可以很方便地通過添加更多的服務器，來提高集群的計算能力和網絡的可用性。
可管理性。可以使用集群管理器來管理集群，并管理應用程序。可以通過拖放集群對象，在集群里的不同服務器之間移動應用程序，也可以通過同樣的方式移動數據。可以通過這種方式來手工平衡服務器的負荷，卸載服務器，從而方便地進行維護。可以從網絡的任意地方的客戶端和資源處，監視集群的狀態。
3 、服務器集群模式
根據使用服務器集群的目的不同，服務器集群有三種主要的集群模式：一種是使用靜態負載平衡的高可用性集群模式；另一種是具有最大可用性的“熱備份”集群模式；第三種是混合型集群模式。
模式 A ：使用靜態負載平衡的高可用性集群模式
在這種模式下，兩臺服務器都處在聯機狀態，每臺服務器都以虛擬服務器的形式向整個網絡提供自己的資源組，而客戶端可以檢測并訪問到這種虛擬服務器。每臺服務器容量的選擇應該使每臺服務器中的資源在最優性能下運行。但是在發生故障轉移時，每臺服務器又可以暫時承擔其他服務器上資源的運行。根據指定的資源和服務器容量配置，所有的客戶服務在故障轉移時仍保持有效，但性能要受到影響響。
假定某公司內部網絡依賴一臺運行了兩個大型數據庫應用程序的服務器。這兩個數據庫對全天反復連接進來的大量客戶來說都是非常關鍵的。但在高峰連接時間，出現服務器不能滿足需求和保持性能的問題。
要緩解這個問題，必須將另一臺服務器連接到過載的服務器上，形成集群以平衡負載，如圖 1 所示。系統中有兩臺服務器，每臺運行一個數據庫應用程序。如果一臺服務器出現故障，系統將回到性能降低的初始狀態，但這是暫時的。在故障服務器恢復正常后，它運行的應用程序就會執行故障恢復，同時操作恢復正常。
模式 B ：具有最大可用性的“熱備份”集群模式
在這種模式下，兩臺服務器只有一臺是處于聯機狀態，它會支持所有的客戶請求和操作。而另一臺服務器卻空閑著，它只是一個專用的“熱備份”。。如果聯機服務器出現故障，“熱備份”服務器就以接近或等于聯機服務器的性能接管全部操作并繼續為客戶提供服務。
集群
圖 2 Web 集群服務器模式
這種模式最適用于單位中的重要應用程序和資源。例如，某公司主要通過網絡渠道來銷售其產品，就可以采用這種模式為所有專門支持 Web 訪問的服務器提供“熱備份”，如圖 2 所示，例如運行 IIS 的服務器。在這一領域加倍投入硬件所需的費用，可以通過為客戶提供高效穩定的訪問得到回報。如果一臺 Web 服務器出現故障，第二臺服務器就會被完全配置以接管該服務器的全部操作。
模式 C ：混合型集群模式
混合型集群模式是上面兩種模式的結合，它只針對關鍵應用進行故障轉移，這樣可以對這些應用實現可用性的同時讓非關鍵的應用在正常運作時也可以在服務器上運行。當出現故障時，出現故障的服務器上的不太關鍵的應用就不可用了，但是那些關鍵應用會轉移到另一臺可用的服務器上，從而達到性能和容錯兩方面的平衡。
4 、電視臺視頻網絡集群模式的選擇
從以上集群模式的分類可以看出三種集群模式各有自己的特點和用途，理想的集群模式應該是模式 A ，即集群中的兩臺服務器都同時處于聯機狀態，也就是在兩臺服務器上同時運行應用程序，當一臺服務器出現故障時，運行在出現故障的服務器上的應用程序就會轉移到另外的沒有出現故障的服務器上，這樣一來，由于兩臺服務器的工作現在由一臺服務器來承擔，自然會影響服務器的性能。對于電視臺來說，應用程序都不是運算量很大的程序，單臺服務器的處理能力足以滿足需要，負載平衡也就起不到有效的作用，而電視臺考慮最多的是網絡的可用性，所以通常采用的是模式 B ，即在正常操作時，另一臺服務器處于備用狀態，只有當聯機的服務器出現故障時該備用服務器才會接管工作，并且不會有任何性能上的影響。但這并不是一個很經濟的方案，因為你不得不買兩臺服務器來做一臺服務器的工作，雖然當出現故障時不會對性能產生任何影響，但是在正常運行時的性能價格比并不太好。
5 、服務器集群組件及實現過程
集群是由許多組件組成，這些組件相互協作來管理集群對象，下面就對集群組件如何在單一集群服務器內相互作用關系進行闡述。
集群組件之間的相互作用關系如圖 3 所示，從圖 3 可以看出集群主要有以下組件構成：（ 1 ）集群服務；（ 2 ）資源監視器；（ 3 ）資源；（ 4 ）集群管理器；（ 5 ）集群數據庫；（ 6 ）集群網絡驅動程序。
集群服務是集群的核心組件，它管理所有集群指定的活動。在集群中的每臺服務器上都運行著集群服務的一個實例。集群服務主要管理集群對象和配置、與集群中集群服務的其他實例協調、促進其他軟件組件之間的通訊和執行故障轉移操作。
資源監視器是擔當集群服務和資源之間媒介的集群組件。當集群服務請求資源時，資源監視器將它的請求傳輸給相應的資源。每臺集群服務器都運行著一個或多個資源監視器。默認情況下，集群服務只啟動一個資源監視器與此服務器中的資源交互作用。
集群資源是具有如下特征的所有物理或邏輯組件：（ 1 ）能夠聯機和脫機；（ 2 ）能夠在服務器集群上進行管理；（ 3 ）每次只能屬于一臺服務器。 Windows 2000 Advanced Server 定義了幾種資源類型，主要有物理磁盤資源類型、網際協議資源類型、文件共享資源類型等。一些資源可以組成一個資源組，一個資源組存在于一個上，但同時只能在一個服務器上，組是集群可以進行故障轉移的最小單元。
管理員使用集群管理器管理應用程序的配置、控制和監視集群。集群管理器是一個圖形界面（如圖 4 ）來管理集群對象、建立組、進行故障轉移、處理維護工作和監視集群行為。
集群數據庫常駐在每臺集群服務器上的 Windows 2000 注冊表中。它包含集群的所有物理和邏輯元素的信息，包括集群對象、對象屬性和配置數據。
集群中的每個服務器都運行集群網絡驅動程序的一個實例。集群網絡驅動程序負責：監視節點之間所有網絡路徑的狀態、路由消息、檢測通訊問題。每臺服務器的集群網絡驅動程序都要和其他服務器上的集群網絡驅動程序定期交換消息，稱為“信跳”。如果沒有成功地響應這種“信跳”消息，則此服務器上負責故障檢測的集群網絡驅動程序會通知啟動故障轉移的集群服務。
從以上對集群組件的分析可以看出，服務器集群的實現過程是：首先，資源監視器根據管理員通過集群管理器設定的時間間隔對資源進行 LookAlive 和 IsAlive 兩種級別的檢查，一旦發現某一個資源不可用，就會試圖重新啟動該資源。根據閥值的設定，如果在某一時間段內，資源不可用的情況達到了設定的閥值時，就會發生故障轉移。經過故障轉移的過程，對應的資源組在另外一臺服務器上重新啟動了，繼續為客戶機提供服務，對客戶來說，工作沒有影響，這就完成了一次故障轉移。當出現故障的服務器恢復正常以后，如果事先對該資源組設定了首選服務器，就會把該資源組移回該首選服務器。
6 、故障轉移和故障回復
（ 1 ）故障轉移
如果服務器集群上的個別應用程序執行失敗（但是服務器沒有問題），集群服務會嘗試重新啟動同一服務器上的應用程序。如果失敗了，集群服務會移動此應用程序的資源并且在服務器集群的其他服務器上重新啟動它們。這個過程稱為故障轉移。負責監視資源的資源監視器一旦發現資源出現故障，它就會通知集群服務，集群服務會根據事先定義好的策略觸發對應的事件。雖然發現的是個別資源的故障，但是，集群還是會把整個資源組進行故障轉移。
故障轉移會在三種不同的情況下發生：人工（一般是因為管理員的請求），自動，或者在特定的時間（由集群管理軟件設定）。自動故障轉移又包含了三個階段： 1 、故障發現； 2 、資源重新定位； 3 、重新啟動應用程序。當達到資源組的故障轉移閥值時，自動的故障轉移才會發生，閥值是可以設定的，一般又管理員來完成。
故障轉移包括如下步驟：
① 集群服務使組中的所有資源按組的從屬關系級別所決定的順序脫機；首先是依存資源，緊隨其后的是它們所依存的資源。例如，如果某個應用程序依賴于一個物理磁盤資源，則集群服務首先使此應用程序脫機，允許應用程序在磁盤脫機前將更改寫入磁盤。集群服務通過資源監視器調用管理此資源，從而使該資源脫機。如果這個資源沒有在指定的時間期限內關閉，則集群服務將強行中斷此資源。
② 當所有資源脫機后，集群服務會嘗試將組轉換到列在首選服務器的組列表下面的服務器中。
③ 如果集群服務成功地將組轉移到其他服務器，則它會嘗試將所有的組資源聯機。當所有的組資源在新服務器上聯機后，故障轉移便告結束。
（ 2 ）故障恢復
當服務器由于某種原因轉變為非活動狀態時，集群服務將故障轉移到由此服務器控制的任何組。當該服務器重新轉變為活動狀態時，集群服務能夠對最初由此服務器控制的組進行故障恢復。
集群服務使用同故障轉移中一樣的過程對某個組進行故障恢復，首先集群服務使組中的所有資源脫機，然后移動這個組，最后使組中的所有資源聯機。
三、服務器集群技術在視頻網絡中的應用
1 、項目概述
河南電視臺都市頻道節目制作網是一個具有信號收錄、演播室上載、節目資料共享、視音頻制作的全數字環境的智能化、自動化的數據化制作網絡系統，它能支持河南電視臺都市頻道節目制作業務的運轉，并承擔大部分節目的生產任務。
在節目制作網搭建之前，河南電視臺都市頻道曾建立了一套基于 M_JEPG 格式的新聞網，新聞網服務器系統只有一臺服務器構成，素材管理、管理網絡程序、數據庫應用程序都在一臺服務器上完成。成本雖然很低，但安全性不能得到保障。服務器出現一點小小的故障就會影響到系統的使用。為了避免這種劣勢，新搭建的節目制作網在可靠性上有了很大的改進，充分考慮到了節目素材、文稿、管理數據的安全問題。可靠性主要體現在服務器的建設方面，節目制作網采用了大量的服務器，關鍵服務器還配置了雙機容錯的機制，系統中一共配置了 5 臺服務器， 2 臺作為管理 / 數據庫服務器，通過集群方式達到自動冗余的功能， 1 臺 MDC （ Meta Data Controller ）服務器， 1 臺網絡管理服務器， 1 臺日志管理服務器。服務器系統結構圖如圖所示。
2 、服務器集群的拓撲結構
集群技術在服務器中應用是河南電視臺都市頻道節目制作網的一個重要的技術特色。其服務器集群拓撲結構如圖 6 所示。
從圖中可以看出，此集群是由兩臺名稱為 DataServer-01 和 DataServer-02 的服務器組成的集群系統，集群名稱叫 DSPDCLUSTER ，集群系統管理著網絡的域控制器和登錄帳號、節目制作網的高壓縮比素材、 SQL 數據庫應用程序。其中 DataServer-01 是主服務器，一直處于聯機狀態，而 DataServer-02 是備份服務器，平時處于空閑狀態，只有在 DataServer-01 出現故障，集群發生故障轉移時， DataServer-02 才把資源控制權接管過來。
3 、服務器集群的創建
（ 1 ）軟硬件的配置要求
軟件要求：
? 安裝集群的一個首要條件是配置集群的每臺服務器必須是安裝了微軟的 Windows 2000 Advanced Server 或 Windows 2000 DataCenter Server 。
? 有某種名稱解析手段，如域名系統（ DNS ）， Windows 互連網命名系統（ WINS ）， HOSTS 等。
硬件要求：
? 集群服務器的硬件，必須滿足 Windows 2000 Advanced Server 或 Windows 2000 DataCenter Server 的硬件要求。
? 共享的磁盤有獨立的 PCI 存儲適配器（ SCSI 或光纖）。
? 集群里的每臺服務器有兩塊 PCI 網絡適配器。
? 有外部存儲單元，它跟所有的服務器相連，它被作為集群磁盤使用。
（ 2 ）集群網絡的建立
每臺集群服務器至少需要兩個網絡適配器，一個連接公共網絡，一個連接私有網絡。如圖 6 ， DataServer-01 安裝有編號為 NIC11 、 NIC12 兩個網絡適配器， NIC11 用于私有網絡連接， NIC12 用于公共網絡連接， DataServer-02 安裝有編號為 NIC21 、 NIC22 ， NIC21 用于私有網絡連接， NIC22 用于公共網絡連接。并且每個網卡必須設置不同的靜態 IP 地址，公共網與私有網必須不在同一網段內。網卡信息設置如表 1 。私有網通常是采用點對點進行通信，有人也形象地把私有網的連線成為“信跳線”，其功能在前面已經提到。每臺集群服務器的公共網絡適配器連接集群到公共網上，并在此駐留客戶。
（ 3 ）共享磁盤的創建
DataServer-01 和 DataServer-02 共享一個 SCSI 磁盤陣列，又根據集群和網絡的不同需要把 SCSI 磁盤陣列分成 F 盤、 G 盤和 I 盤。
F 盤是集群的定額磁盤，是用來存儲集群配置集群數據庫的檢測點和日志文件等集群信息，這些信息是用來維護集群的完整性以及使兩臺服務器保持同步， F 盤在某一時刻只能被一臺服務器所擁有，并用來決定由哪臺服務器來擁有集群的所有資源。需要注意的是定額磁盤必須位于共享的磁盤子系統中，一般都是使用外接的作過 RAID 的磁盤陣列。因為定額磁盤的故障，將導致整個集群失效，容量至少有 50MB ，建議配置容量是 500MB 。 G 盤是用來存儲 SQL Server 數據庫應用程序和數據的。 I 盤是用來存儲節目的高壓縮低質量的素材。
（ 4 ）集群軟件的安裝
?安裝主服務器集群軟件，首先安裝 DataServr-01 的集群軟件，在安裝過程中，所有其它服務器都要關閉，必須提供所有的初始配置信息，以創建集群，集群名稱為 DSPDCLUSTER 。
?安裝備服務器集群軟件， DataServer-01 的集群軟件安裝完畢后，就可以安裝 DataServer-02 的集群軟件。
?安裝 SQL Server 2000 Cluster, 設定虛擬 SQL Server 名稱為 SQL2000 。
（ 5 ）組的創建
集群軟件安裝成功后，就要通過集群管理器來創建集群組，在 DSPDCLUSTER 集群中，除了集群自己默認的一個組 Cluster Group 外，又根據需要創建了兩個組，即 Disk Group1 、 Disk Group2 。組的配置如表 2 所示。
四、結論
服務器集群不能算得上是最好的高可用性技術，但可以說它是一種提供高可用性、改善性能和增強電視臺視頻網絡應用軟件可管理性的有效途徑。電視臺可以根據自己的需求來選擇容錯級別，用好它，也會收到意想不到的效益。
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