Clusters

Introdução

 

Quando o assunto é computação de alto desempenho, não é difícil pensarmos em servidores sofisticados e caros respondendo por este trabalho. No entanto, é possível obter resultados tão bons quanto ou superiores a partir de alguma solução de cluster (em tradução livre seria aglomerado ou agrupamento). Trata-se de uma tecnologia capaz de fazer computadores mais simples trabalharem em conjunto, como se formassem uma máquina só.

 

 

 

O que é cluster?

Cluster (ou clustering) consiste em um conjunto de computadores vagamente ou fortemente ligadas que trabalham em conjunto para que, em muitos aspectos, eles podem ser vistos como um único sistema. Cada computador que faz parte do cluster recebe o nome de nó (ou node). Teoricamente, não há limite máximo de nós, mas independentemente da quantidade de máquinas que o compõe, o cluster deve ser "transparente", ou seja, ser visto pelo usuário ou por outro sistema que necessita deste processamento como um único computador.
Os nós do cluster devem ser interconectados, preferencialmente, por uma tecnologia de rede conhecida, para fins de manutenção e controle de custos, como a Ethernet. É extremamente importante que o padrão adotado permita a inclusão ou a retirada de nós com o cluster em funcionamento, do contrário, o trabalho de remoção e substituição de um computador que apresenta problemas, por exemplo, faria a aplicação como um todo parar.
A computação em cluster se mostra muitas vezes como uma solução viável porque os nós podem até mesmo ser compostos por computadores simples, como PCs de desempenho mediano. Juntos, eles configuram um sistema de processamento com capacidade suficiente para dar conta de determinadas aplicações que, se fossem atendidas por supercomputadores ou servidores sofisticados, exigiriam investimentos muito maiores.
Não é necessário haver um conjunto de hardware exatamente igual em cada nó. Por outro lado, é importante que todas as máquinas utilizem o mesmo sistema operacional, de forma a garantir que o software que controla o cluster consiga gerenciar todos os computadores que o integram.

 

 

Tipos de clusters

Há uma enormidade de aplicações que só podem ser atendidas satisfatoriamente com computação de alto desempenho: sistemas meteorológicos, ferramentas de mapeamento genético, simuladores geotérmicos, programas de renderização de imagens tridimencionais, entre tantos outros. Com o advento da computação em nuvens, este cenário se torna ainda mais amplo: pode-se ter uma infraestrutura tecnológica respondendo a vários clientes simultaneamente de maneira remota, por exemplo.

- Cluster de alto desempenho: também conhecido como cluster de alta performance, ele funciona permitindo que ocorra uma grande carga de processamento com um volume alto de gigaflops em computadores comuns e utilizando sistema operacional gratuito, o que diminui seu custo;

- Cluster de alta disponibilidade: são clusters cujos sistemas conseguem permanecer ativos por um longo período de tempo e em plena condição de uso; sendo assim, podemos dizer que eles nunca param seu funcionamento; além disso, conseguem detectar erros se protegendo de possíveis falhas;

- Cluster para balanceamento de carga: esse tipo de cluster tem como função controlar a distribuição equilibrada do processamento. Requer um monitoramento constante na sua comunicação e em seus mecanismos de redundância, pois se ocorrer alguma falha, haverá uma interrupção no seu funcionamento.

 

 

Funcionamento básico dos clusters

Para que um cluster seja constituído, é necessário fazer uso de alguns elementos básicos. O primeiro deles você já conhece: os equipamentos a serem utilizados como nós.
Para isso, pode-se usar máquinas construídas especificamente para funcionar como nós. Neste caso, os computadores teriam apenas dispositivos de hardware imprescindíveis ao cluster.
Mas, também é possível utilizar computadores "convencionais", como desktops para fins domésticos ou para uso em escritório. Assim, uma universidade ou uma empresa, por exemplo, pode utilizar máquinas que foram substituídas por modelos mais recentes para criar um cluster e, eventualmente, economizar com a aquisição de servidores.
Os nós podem ainda ser não dedicados ou dedicados. No primeiro caso, cada computador que faz parte do cluster não trabalha exclusivamente nele. No segundo, o nó é utilizado somente para este fim, fazendo com que dispositivos como teclados e monitores sejam dispensáveis - se, por algum motivo, for necessário acessar uma máquina em particular, pode-se fazê-lo via terminal, a partir do nó principal, por exemplo.

 

 

Cluster Beowulf

O Beowulf não é, necessariamente, um middleware, como muitas pensam. Na verdade, este nome faz referência a um padrão de clustering disponibilizado pela NASA (National Aeronautics and Space) em 1994 e amplamente adotado desde então.
Originalmente, Beowulf é o nome de um poema extenso e bastante antigo, cujo manuscrito foi encontrado no século XI. A obra descreve os atos de um herói de mesmo nome que se destaca por sua força descomunal e que, portanto, enfrenta um perigoso monstro para salvar um reino. A história serviu de inspiração para que os pesquisadores Thomas Sterling e Donald Becker, da NASA, batizassem o projeto de cluster no qual trabalhavam de Beowulf.
Perceba que, com estas características, pode-se construir um cluster "poderoso" e, ao mesmo tempo, poupar gastos com equipamentos, licenças de software e manutenção. O cluster montado por Thomas Sterling e Donald Becker para a NASA, por exemplo, era composto por 16 PCs com processador Intel 486 DX4 e sistema operacional Linux conectados por uma rede Ethernet de 10 Mb/s. Como se vê, esta foi uma solução consideravelmente mais barata e, possivelmente, menos complexa que um supercomputador.

 

 

Vantagens e desvantagens dos clusters

Neste ponto do texto, você certamente já compreendeu as vantagens de um cluster. Eis as principais:
- pode-se obter resultados tão bons quanto ou até superiores que um servidor sofisticado a partir de máquinas mais simples e mais baratas (ótima relação custo-benefício);
- não é necessário depender de um único fornecedor ou prestador de serviço para reposição de componentes;
- a configuração de um cluster não costuma ser trivial, mas fazer um supercomputador funcionar poder ser muito mais trabalhoso e exigir pessoal especializado;
- é possível aumentar a capacidade de um cluster com a adição de nós ou remover máquinas para reparos sem interromper a aplicação;
- há opções de softwares para cluster disponíveis livremente, o que facilita o uso de uma solução do tipo em universidades, por exemplo;
- relativa facilidade de customização para o perfeito atendimento da aplicação;
- um cluster pode ser implementado tanto para uma aplicação sofisticada quanto para um sistema doméstico criado para fins de estudos, por exemplo.

 

Mas, apesar destes benefícios, os clusters não são a solução perfeita para todo e qualquer problema computacional. Há aplicações onde o uso de outra tecnologia se mostra mais adequado. Entre as razões para isso estão:
- a facilidade de expansão do cluster pode ser uma "faca de dois gumes": a quantidade de máquinas pode aumentar tanto que a manutenção se torna mais trabalhosa, o espaço físico pode ficar impróprio, etc;
- a tecnologia de comunicação utilizada pode não oferecer a velocidade de transferência de dados ou o tempo de resposta necessário, dependendo da aplicação;
- um cluster tem como base uma rede local, logo, não se pode acrescentar máquinas que estejam muito distantes geograficamente.
Por estes aspectos, fica evidente que as necessidades e os requisitos de uma aplicação devem ser bem avaliados para que se possa decidir entre a implementação de um cluster ou outra tecnologia. Se o clustering for a opção escolhida, deve-se seguir com a avaliação, desta vez para se decidir sobre as soluções e recursos disponíveis.

 

 

Finalizando

A origem da denominação "cluster" não é clara, mas sabe-se que as primeiras soluções de processamento paralelo remontam à década de 1960, havendo, a partir daí, alguns princípios que hoje formam a base da ideia de clustering.
O fato é que o passar do tempo não torna o conceito ultrapassado. Há um motivo especial para isso: os clusters se relacionam intimamente à otimização de recursos, uma necessidade constante em praticamente qualquer cenário computacional. E este aspecto pode se tornar ainda mais atraente quando a ideia de cluster é associada a conceitos mais recentes, como cloud computing e virtualização.

Fontes:
http://www.infowester.com/cluster.php
https://pt.wikipedia.org/wiki/Cluster
https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_cluster
https://pt.wikipedia.org/wiki/Aglomerado_Beowulf