一種自組織集群伺服器系統及其自組織方法
2023-09-15 11:34:00 1
一種自組織集群伺服器系統及其自組織方法
【專利摘要】本發明提供的是一種自組織集群伺服器系統及其自組織方法。本發明的自組織集群伺服器系統主要由子集群伺服器系統的組建方式、子集群內節點和子集群間的連接方式、子集群劃分原則等方面。本發明的集群伺服器系統的自組織方法包括節點的加入、節點的退出、子集群的劃分和子集群的合併等流程。本發明的自組織集群伺服器系統及其自組織方法，通過自組織方式將伺服器組組建成為集群系統，並將其劃分為若干有序的子集群，上級子集群相當於下級子集群的主伺服器，下級子集群被定義為上級子集群中的伺服器，這樣不僅能夠獲得擁有強大計算能力的主伺服器，還能夠在邏輯上減少伺服器的數量，將複雜的負載分配和管理工作分而治之。
【專利說明】一種自組織集群伺服器系統及其自組織方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種集群伺服器，本發明也涉及一種集群伺服器的自組織方法。【背景技術】
[0002]隨著IT技術的發展，計算機逐漸成為人們日常生活、工作、學習、娛樂等方面的重要組成部分。然而，高強度的科學計算需求逐漸挑戰超級計算機的計算能力，Internet乃至企業網、園區網上的業務量發展都極大的超出了以往最樂觀的估計，用戶不斷地追求更暢快的用戶體驗，然而升級單一的伺服器，所獲得的回報並不正比於付出的代價，隨機器性能的提升性價比大幅下降。因此，對伺服器的硬體系統及軟體平臺提出了更高的要求，如可擴展性、全天候可用性、可管理性和較高的性價比。
[0003]為應對現實中一些計算密度需求極高的應用(如天氣預報、核試驗模擬等)，需要伺服器擁有極其強大的運算能力，然而依據現有的技術水平，即使是單一的超級計算機也難以完成。為應對這類挑戰，需要將幾十甚至幾百臺伺服器的運算能力整合起來，形成伺服器集群。使用伺服器集群技術除了能夠獲得強大的運算能力，還能夠提高事物處理能力。隨著網絡的普及，為應對以萬億計數的用戶日常請求和大數據處理等需求，越來越多的人開始選擇把相對廉價的伺服器通過乙太網連結起來組成伺服器集群，以此達到用較低代價獲得較高性能的需求。
[0004]一般有兩種常用的組建伺服器集群方法:一種是為主伺服器配置一臺備份伺服器，當主伺服器出現故障時，備份伺服器接替主伺服器的功能；一種是多臺伺服器共同承擔主伺服器的工作，各個伺服器相互提供容錯服務，當其中一臺伺服器出現故障時，系統將該伺服器隔離，並通過負載轉移機制完成新的負載分配。這兩種方法都有自身的不足，前一種方法過分依賴主服務的性能，會使整個集群系統產生性能瓶頸；後一種方法隨著節點數目的不斷增加，集群的任務管理開銷會顯著增加，因此採用這種方法的集群規模受到一定的限制。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種能提高集群伺服器系統擴展性、適應性，易於管理和維護的自組織集群伺服器系統。本發明的目的還在於提供一種自組織集群伺服器系統的自組織方法。
[0006]本發明的自組織集群伺服器系統由多個包含一定數量節點的子集群構成，新伺服器根據自身位置、性能、用途自主選擇子集群加入；子集群包含伺服器達到一定數量時，將部分伺服器移除該子集群組建新的子集群，新的子集群與原子集群通過一臺共享伺服器相連接；子集群的等級按照子集群形成的順序確定，最初形成的子集群為第I級子集群，由第I級子集群分裂形成的新的子集群稱為第2級子集群，以此類推；當由於伺服器節點退出集群系統使得某一子集群中節點數量過少時，該子集群優先選擇合併與其相連的下一級子集群，如沒有下級子集群則合併到上一級子集群中；[0007]所述子集群的各伺服器節點相互連接，並為其他伺服器節點提供冗餘備份服務；當有伺服器節點發生異常時，先轉移其上運行的服務到相鄰伺服器上，再將其從子集群中安全移除；當連接上下兩級子集群的伺服器發生異常時，將其作為上一級子集群中節點進行處理，並在上一級子集群中選擇新的連接節點代替發生異常的伺服器。
[0008]本發明的自組織集群伺服器系統的自組織方法包括如下步驟:
[0009](I)當有新節點請求加入集群伺服器系統時，根據新節點的性能、用途特點，為新節點選擇合適的子集群作為加入目標，目標子集群計算新的任務分配策略後，接納新節點，並為其分配任務和資源；
[0010](2)當集群伺服器系統中有節點請求退出時，集群系統首先檢查該節點所處的位置和狀態，對普通節點和子集群間的連接節點，採用不同的任務重分配策略，在完成任務、資源轉移，並達到新的負載均衡後，再將申請退出節點從集群系統中安全刪除；
[0011](3)當子集群中有新的節點加入時，為防止子集群中任務分配所需計算的開銷過大，需檢查子集群中伺服器節點數目是否大於閥值N (N為根據集群伺服器系統的實際利用率確定的數值，當子集群系統伺服器節點數目大於N時，用於系統任務分配的計算量急劇增加)，如果子集群節點過多，則按照規定策略對其進行劃分，保持子集群規模在合理的範圍內；
[0012](4)當子集群中有節點退出時，檢查子集群中伺服器節點數目是否小於閥值Ntl (N0為預先設定值，當子集群集群系統中伺服器節點數目小於Ntl時，與相鄰子集群計算能力差距過大，不利於整個集群系統實現負載均衡)，將規模較小的子集群與相鄰子集群合併，以降低集群系統的管理開銷。
[0013]本發明的自組織集群伺服器系統主要由子集群伺服器系統的組建方式、子集群內節點和子集群間的連接方式、子集群劃分原則等方面。子集群劃分原則為:在集群伺服器系統的自組織組建過程中，為降低集群系統任務分配、負載均衡的等任務的計算開銷，通常將計算能力較強的節點分配到級別較高的子集群中，以平均各節點的計算能力。各級子集群組織結構相互間透明，對於相互連接的兩個相鄰子集群，下一級子集群作為連接節點的一部分為上一級子集群提供服務。
[0014]本發明的集群伺服器系統的自組織方法包括節點的加入、節點的退出、子集群的劃分和子集群的合併等流程。通過該方法組建的集群伺服器系統能夠合理的分配計算資源，動態的調系統負載，並且有效的控制非計算任務的開銷。
[0015]採用本發明的自組織集群伺服器系統及其自組織方法，通過自組織方式將伺服器組組建成為集群系統，並將其劃分為若干有序的子集群，上級子集群相當於下級子集群的主伺服器，下級子集群被定義為上級子集群中的伺服器，這樣不僅能夠獲得擁有強大計算能力的主伺服器，還能夠在邏輯上減少伺服器的數量，將複雜的負載分配和管理工作分而治之。因此，本發明提供的方法能夠有效的克服當前常用的集群伺服器組建方法的缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例應用於自組織集群伺服器系統的結構圖；
[0017]圖2為本發明實施例的集群節點加入流程圖；
[0018]圖3為本發明實施例的集群節點退出流程圖；[0019]圖4為本發明實施例的子集群劃分流程圖；
[0020]圖5為本發明實施例的子集群合併流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合本發明中的附圖對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下，所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0022]圖1為本發明實施例應用於自組織集群伺服器系統的結構圖。在本實施例中，集群伺服器系統共擁有10，20，21和30四個子集群。子集群10為第I級子集群，共包含6個節點，其中有4個單一伺服器節點和2個第2級子集群節點(20和21);子集群20為第2級子集群，共包含5個節點，其中有4個單一伺服器節點和I個第3級子集群節點(30);子集群21為第2級子集群節點，共包含5個單一伺服器節點；子集群30為第3級子集群，共包含四個子集群節點。圖中實線表示子集群中各節點邏輯上按照環形方式連結，虛線表示同一子集群中的節點相互連通，對外呈現為統一整體。
[0023]節點101同時屬於第I級子集群10和第2級子集群20，作為10和20兩個子集群的連結節點。在子集群10中，節點101相當於普通節點存在，但該節點並不代表101個體，而是代表子集群20，該節點擁有子集群20的全部資源與計算能力。在子集群20中，節點NlOl除作為普通節點外，還負責從上級子集群10接收任務和指令的工作。需特別指出的是，為均衡個子集群中各服務的負載，消除由主伺服器性能不足造成的瓶頸，101接收任務後並不一定繼續執行任務的分配，而是根據子集群目前的負載情況，將任務交由合適的節點進行分配相關的計算。
[0024]下面結合圖2-5對集群伺服器系統的自組織流程做簡要說明。
[0025]圖2為本發明實施例的集群節點加入流程圖。
[0026]節點申請加入集群伺服器系統首先要在所處網絡中發送節點加入請求，等待集群伺服器系統中相應子集群的回應。如果節點的加入請求沒有得到答覆，證明所處網絡環境中沒有集群伺服器系統運行，請求加入的節點可新創建集群伺服器系統；當節點收到I個子集群的回應則直接加入該子集群；若得到多個子集群的回應，節點則需要對各個子集群的信息進行分析，根據自己的情況，選擇合適的子集群加入。節點加入子集群後，所在子集群要對自己的狀態進行分析，如果該子集群的規模過大(子集群中節點數目大於閥值N)，該子集群需要進行重新劃分，將一部分節點劃分為新的子集群，以降低集群管理所需的計算開銷所佔的比例過大。新劃分出的子集群整體作為原子集群的一個節點，為原子集群的下一級子集群。
[0027]圖3為本發明實施例的集群節點退出流程圖。
[0028]節點申請退出集群伺服器系統首先要判斷集群伺服器系統的狀態和自身所處位置。若該節點是集群伺服器系統中唯一的節點，則該節點在完成資源和任務的保存工作後可直接退出集群伺服器系統。如集群伺服器中還有其他的伺服器節點，且該節點不是子集群間的連接節點，在該節點將所擁有的資源和任務成功轉移後，可直接退出集群伺服器系統。若該節點是相鄰兩子集群的連接節點，則將自身擁有的資源和任務轉移至較高級別的子集群中後退出。同時，其中較高級別的子集群從所屬節點中選出新的連接節點加入較低級別的子集群中。當有節點退出時，相應子集群對自身狀態進行分析，如果該子集群的規模過小(子集群中節點數目小於閥值Ntl),該子集群需要同相鄰的子集群進行合併操作。
[0029]圖4為本發明實施例的子集群劃分流程圖。
[0030]子集群進行從新劃分時，首先，需要對子集群中各個伺服器節點的性能、功能、資源和任務進行分析，以獲得開銷較低的劃分方案；然後，按照分析所得的劃分方案進行任務的分配，資源、數據的傳輸；最後，完成子集群的劃分，獲得一個相同級別的子集群和一個較低級別的子集群。為保持子集群中各個節點計算能力的相對平衡，在進行子集群劃分時，當劃分開銷相當時，通常會將技術能力較高的節點保留在級別較高的子集群中。
[0031]圖5為本發明實施例的子集群合併流程圖。
[0032]當子集群需要執行合併操作時，需要先對集群伺服器系統的信息進行分析。如該子集群存在上級子集群，則直接合併到上級子集群中；如該子集群不存在上級子集群，則對與該子集群相連接的下級子集群進行分析，選取合適的下級子集群與自身合併。如果該子集群不存在上級子集群也不存在下級子集群，則證明該集群服務系統中節點數過少，合併操作停止。
[0033]綜上所述，本發明通過自組織方式組建集群伺服器系統，能夠達到動態分配計算資源、均衡服務負載的目的。通過將集群伺服器系統中的節點劃分到不同的子集群中，可以有效降低任務、負載分配開銷所佔比例，大幅提高集群系統的有效利用率。
[0034]當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種自組織集群伺服器系統，其特徵是:自組織集群伺服器系統由多個包含一定數量節點的子集群構成，新伺服器根據自身位置、性能、用途自主選擇子集群加入；子集群包含伺服器達到一定數量時，將部分伺服器移除該子集群組建新的子集群，新的子集群與原子集群通過一臺共享伺服器相連接；子集群的等級按照子集群形成的順序確定，最初形成的子集群為第I級子集群，由第I級子集群分裂形成的新的子集群稱為第2級子集群，以此類推；當由於伺服器節點退出集群系統使得某一子集群中節點數量過少時，該子集群優先選擇合併與其相連的下一級子集群，如沒有下級子集群則合併到上一級子集群中； 所述子集群的各伺服器節點相互連接，並為其他伺服器節點提供冗餘備份服務；當有伺服器節點發生異常時，先轉移其上運行的服務到相鄰伺服器上，再將其從子集群中安全移除；當連接上下兩級子集群的伺服器發生異常時，將其作為上一級子集群中節點進行處理，並在上一級子集群中選擇新的連接節點代替發生異常的伺服器。
2.一種自組織集群伺服器系統的自組織方法，其特徵是包括如下步驟: (O當有新節點請求加入集群伺服器系統時，根據新節點的性能、用途特點，為新節點選擇合適的子集群作為加入目標，目標子集群計算新的任務分配策略後，接納新節點，並為其分配任務和資源； (2)當集群伺服器系統中有節點請求退出時，集群系統首先檢查該節點所處的位置和狀態，對普通節點和子集群間的連接節點，採用不同的任務重分配策略，在完成任務、資源轉移，並達到新的負載均衡後，再將申請退出節點從集群系統中安全刪除； (3)當子集群中有新的節點加入時，查子集群中伺服器節點數目是否大於閥值N，如果子集群節點過多，則按照規定策略對其進行劃分，保持子集群規模在合理的範圍內； (4)當子集群中有節點退出時，檢查子集群中伺服器節點數目是否小於閥值Ntl，將規模較小的子集群與相鄰子集群合併。
【文檔編號】H04L29/08GK103441918SQ201310385023
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】王慧強, 張淯舒, 王丹娜, 呂宏武, 馮光升, 郭方方 申請人:哈爾濱工程大學