Понятие «кластер» может варьироваться в зависимости от возлагаемых на него ролей. Цель данной статьи — ознакомить читателя с полным спектром кластерных решений, представленных на рынке, и помочь определиться в выборе варианта для тех или иных задач. Рассмотрим каждый вид кластеров на конкретных примерах решений от Microsoft.

Кластеры балансировки нагрузки
Итак, первая задача: есть серверное приложение (например, веб-сайт). Необходимо, чтобы оно выполнялось параллельно на нескольких серверах средней или малой мощности, причем вычислительная часть должна легко расширяться в зависимости от нагрузки.

Для решения используется метод балансировки нагрузки (Network Load Balancing, NLB). Он заключается в построении фермы объединенных сетевыми интерфейсами серверов (узлов), на которых выполняется общее серверное приложение. Под общ-ностью подразумеваются одинаковые параметры безопасности и конфигурации приложения на всех узлах. В то же время общие данные вынесены за пределы фермы и расположены на отдельных серверах или сетевых хранилищах.

Использование NLB позволяет не столько повысить скорость выполнения отдельного серверного приложения (время одного запроса бесконечно мало в сравнении с количеством запросов), сколько перераспределять нагрузку между несколькими узлами с идентичными приложениями. Для этого в общей сети фермы, которая объединяет узлы между собой и обеспечивает доступ пользователей к узлам, NLB регистрирует общий — публичный — IP-адрес будущего кластера. Именно этот IP-адрес будет доступен пользователям для обращения к серверным приложениям. Кроме того, все узлы фермы добавляются в кластер с собственными — приватными — IP-адресами.

Таким образом, благодаря NLB, создается эффективное серверное приложение, исполняемое на группе машин, фактически в линейной зависимости суммирующее общую производительность относительно количества узлов. При этом достигается высокая отказоустойчивость, поскольку под одной «точкой входа» к тому или иному сервису кластер может предоставить избыточное количество узлов одинаковой функциональности.

К недостаткам кластеров балансировки нагрузки следует отнести то, что серверное приложение должно быть приспособлено к работе в NLB, в частности, для сохранности данных и состояний пользователя на каждом узле.

Пример построения фермы веб-серверов

Требуемые программные продукты: Microsoft Windows Server 2008 любых редакций. Начиная с самой младшей редакции, Web Edition, и заканчивая Datacenter Edition, Windows Server 2008 поддерживает службу Windows Network Load Balancing (WNLB) и может выступать в роли узла кластера NLB. Для предыдущих версий Windows Server (2003, 2003 R2) смотри соответствующие спецификации. Максимальное поддерживаемое число узлов в кластере — 32.

Требуемое аппаратное обеспечение: рекомендуемые Microsoft конфигурации к выбранной редакции ОС (беспокоиться о требованиях службы WNLB к памяти не следует — понадобится от 1 до 32 МБ в зависимости от нагрузки; в среднем — 2 МБ) и требования программного обеспечения, которое будет выполняться как задача; сетевой коммутатор с поддержкой протокола IGMP (желательно) или, если поддержка мультикастинга сетевым оборудованием не обеспечивается, — два сетевых адаптера на каждом узле.

Алгоритм процесса развертывания следующий:

1. Установить на всех узлах будущего NLB-кластера службу Network Load Balancing, добавляется как Feature сервера Windows Server 2008.

2. Запустить оснастку управления Network Load Balancing Manager на любом из узлов и запустить мастер создания NLB-кластера командой New Cluster.

3. Мастер после указания имени первого узла позволяет определить сетевой интерфейс узла, где будет работать публичная сеть, приоритеты узла и, собственно, IP-адрес(а) и FQDN будущего кластера, режим работы кластера (юникаст, мультикаст, аппаратный IGMP) и, самое главное, правила распределения запросов между узлами кластера. Правило по умолчанию — это равномерное распределение всех запросов на все IP-адреса кластера независимо от порта, с «привязкой» конкретного отвечающего узла к IP-адресу клиента.

4. По завершении работы мастера, кластер конфигурируется и запускается в указанной конфигурации с одним узлом (определенным в мастере создания). Команда Add Host To Cluster запускает мастер добавления новых узлов в кластер. При этом не обязательно загружать консоль Network Load Balancing Manager на подключаемом узле. Мастер автоматически связывается с указанным сервером, проверяет наличие установленной службы NLB и только после этого конфигурирует службу и добавляет узел в указанный кластер.

К слову, даже без использования стороннего ПО служба NLB поддерживает различные «хитрые» конфигурации. Например, она способна одновременно поддерживать и кластер для определенных приложений, и работу серверов как отдельных узлов по любому адресу/порту с балансировкой только при сбое. Также в NLB один сервер может одновременно выступать узлом в различных кластерах.

Кроме того, поскольку подход NLB по сути — сетевой, то критерий функционирования узлов для него ограничивается работой стека TCP/IP на узлах кластера. А работает ли на определенном порту узла какой-либо сервис (тот же IIS), NLB не проверяет и будет успешно передавать все http-запросы на узел, где служба IIS остановлена. Другими словами, работа службы NLB — отдать пакет узлу, а кто и как, и будет ли вообще его обрабатывать — ее уже не волнует.

Кластеры высокой доступности

Кластеры высокой доступности обеспечивают гарантированную работу целевого приложения на одном из своих серверных узлов, объединенных высокоскоростной сетью для обмена состояниями процессов и общей дисковой СХД. В случае выхода из строя узла с приложением, вмешательства оператора, снижения производительности приложения до некоторого порога и т.п., целевое приложение запускается на другом доступном узле кластера. Поскольку данные приложения хранятся на общем дисковом массиве, они остаются доступными и при старте на другом узле, а сетевое имя и адрес маршрутизируется кластером между узлами. В отличие от NLB-кластера, который, по сути, является точкой обращения к приложениям, программы в HA-кластере представлены как отдельные сетевые серверные ресурсы. Каждый из таких сервисов имеет собственные IP-адрес и имя, отличные от IP-адресов/имен кластера и узлов. Кластеры высокой доступности обеспечивают надежное выполнение серверных приложений, но не повышают их производительность. Часто — даже наоборот, скорость работы несколько снижается, поскольку возникают накладные расходы на менеджмент ресурсов узла.

Таким образом, HA-кластер можно назвать «приложениецентричной» службой. Для нее важно, чтобы приложение получало все необходимые ресурсы — процессорное время, память, дисковую подсистему, сетевые соединения. Благодаря столь обширному контролю, пользователи всегда имеют доступ к приложению, которое мигрирует в случае сбоя отдельного узла на следующий свободный по задаваемому администраторами алгоритму. То есть, пожертвовав некоторым количеством серверов, которые в определенный момент простаивают «на подхвате» (пассивный режим, в отличие от активного режима того узла, где работает конкретная задача), можно быть уверенным, что аппаратный или программный сбой отдельного сервера не прервет бизнес-процессы организации.

В простейшем варианте HA-кластеры состоят из активного и пассивного узла. На активном выполняется задача, пассивный используется в случаях сбоев основного узла либо же при обновлении аппаратного или программного обеспечения. Для экономии аппаратных ресурсов порой используют конфигурации активный/активный, где на каждом из узлов выполняется своя задача. В таком случае при переносе задачи с одного узла на другой второй узел будет выполнять две задачи одновременно, но с более низкой производительностью обеих (если не сконфигурированы какие-то специальные приоритеты). Поэтому, если планируется отказоустойчивое решение для работы нескольких критических бизнес-приложений (или их отдельных служб), используется HA-кластер с 4, 8 или более узлами, один или два из которых работают в пассивном режиме, а остальные — в активном.

Однако наиболее важным нюансом при построении больших кластеров является общая дисковая система хранения данных. Она объединяет все узлы кластера и позволяет запущенным на них задачам получать доступ к необходимым данным независимо от узла, на котором они сейчас загружены. При большом количестве узлов и работающих на них «тяжелых» приложений, требуется очень высокая пропускная способность общей шины данных, а также большое количество выделяемых логических дисковых устройств на этой шине, поскольку каждому приложению необходимо, по крайней мере, одно такое устройство в единоличное пользование.

Пример построения HA-кластера

Требуемые программные продукты: Microsoft Windows Server 2008 в редакциях Enterprise или Datacenter — только они поддерживают работу кластера высокой доступности с применением Windows Server Failover Clustering. Количество узлов в кластере — 16, все узлы должны быть участниками одного домена Active Directory. Без Active Directory установить HA-кластер под управлением Windows Server Failover Clustering невозможно. Программное обеспечение, которое будет выполняться как задача, должно поддерживать работу в HA-кластере (или обеспечивать возможность переноса конфигурации, состояний между узлами).

Требуемое аппаратное обеспечение: рекомендуемые Microsoft конфигурации к выбранной редакции ОС, требования ПО (с учетом вероятности работы нескольких приложений на одном узле); два высокоскоростных (не менее 100 Мбит) сетевых интерфейса. Первый — для публикации в общей сети ресурсов кластера и приложений, другой — как внутренний интерфейс обмена данными между службами Windows Server Failover Clustering узлов для информирования о сбоях и режимах работы; общая дисковая подсистема, подключенная ко всем узлам, построенная на технологиях Fiber Channel, SCSI, iSCSI и в которой присутствует дисковое хранилище, оснащенное по крайней мере двумя свободными логическими дисковыми устройствами (одно — для общих данных служб кластеризации узлов Windows Server Failover Clustering, второе — непосредственно для данных кластеризуемого приложения). Если предполагается исполнение на узлах более одного приложения или приложение требует нескольких дисков, число логических устройств можно увеличить.

Алгоритм процесса развертывания:

1. Добавить серверы, которые будут работать как узлы HA-кластера, в домен Active Directory.

3. Установить на всех узлах службу Windows Server Failover Clustering, которая добавляется как свойство сервера Windows Server 2008.

4. Запустить на одном из узлов оснастку Failover Cluster Management. Командой Validate a Configuration запустить мастер проверки конфигурации оборудования будущего кластера. Мастеру указываются имена всех узлов, которые будут задействованы в кластере, он автоматически находит всё требуемое оборудование и проверяет его в различных режимах работы. Процесс проверки занимает от 15 минут до нескольких часов. Рекомендуется внести все изменения, которые будут предложены мастером по окончании работы.

5. В оснастке Failover Cluster Management запустить командой Create a Cluster мастер создания кластера. После указания имен всех будущих узлов кластера и проверки наличия на них службы Windows Server Failover Clustering, мастер потребует только IP-адрес и имя будущего кластера. Процесс непосредственного создания кластера занимает буквально минуту.

6. После создания кластера в Failover Cluster Management будет отображена структура нового кластера. После проверки конфигурации, подготавливаем целевое приложение или сервис для работы в отказоустойчивом режиме. (Если требуется сервер БД, то на данном шаге его необходимо установить в кластерном режиме на каждый из узлов кластера, где он должен работать. Если работа сервера не будет нормироваться отдельными узлами, лучше устанавливать на все узлы. Процесс кластерной установки сервера БД только копирует исполнимые файлы приложения, а дальнейшая настройка и конфигурирование выполняется непосредственно в оснастке.)

Если на HA-кластере работает несколько задач, нужно быть готовыми к тому, что они не всегда совместимы между собой на одном узле или не позволяют двухузловому кластеру работать в режиме активный/активный. Поэтому в решениях отказоустойчивой кластеризации на Windows Server 2008 рекомендуется использовать средства встроенной виртуализации Windows Hyper-V. Виртуальная машина с точки зрения кластеризации является обычным сервисом, выполнение которого следует остановить на одном узле, сохранив его данные в общем хранилище, и запустить на другом узле. При этом виртуальная машина не просто сохраняет данные (собственно, ее основные данные и так находятся в общем хранилище кластера) — сервис виртуализации приостанавливает работу переносимой виртуальной машины и сохраняет состояние оперативной памяти в виде файла на диске. Далее этот файл восстанавливается на другом узле как память запущенной там ранее остановленной виртуальной машины. Таким образом можно добиться более безопасного и изолированного исполнения нескольких несовместимых служб на одном узле, а также более полного использования аппаратных ресурсов, поскольку несколько виртуальных машин позволяют эффективнее распределять процессорное время между виртуальными процессорами. О вычислительных кластерах на базе решений Microsoft см. приложение PCWeek Review №3 «Ресурсоёмкие вычисления».

Становится общепризнанным фактом, что в условиях глобализации для любой страны важным условием устойчивости и экономической независимости является ее внутренняя организация, включая способность быстро и четко реагировать на изменения внутренней и внешней конъюнктуры как отдельных регионов, так и страны в целом, осуществлять быструю адаптацию за счет средств инновационной политики. Таким образом, требования к высокой организации локальных систем, как более мобильных в сравнении с глобальной системой, значительно возрастают. Этот процесс ставит остро вопрос разработки и реализации региональной инновационной политики, а также вопрос формирования инновационного микроклимата региона.

В мировой практике существуют различные способы активизации и совершенствования инновационной среды региона. К ним можно отнести формирование в регионе развитой инновационной инфраструктуры (технопарки, бизнес-инкубаторы, региональные инновационные фонды), создание сети трансфера технологий (пропаганда результатов инновационной деятельности и распространение инноваций с привлечением торгово-промышленных палат за пределами регионов), прямую и косвенную финансовую поддержку инновационных проектов, а также кластерный подход в реализации инновационной политики.

Стоит отметить, что под регионом в данном случае следует понимать административно-территориальную единицу (область), как более прозрачную структуру управления инновационном процессом.

Понятие и виды кластера

Кластеры - это сконцентрированные по географическому признаку группы взаимосвязанных компаний и специализированных поставщиков, которые в определенных областях могут конкурировать, но вместе с тем должны вести совместную работу. При кластерном подходе в фокусе будет не отрасль, а совокупность ее субъектов - не только промышленных компаний, но и научных, общественных, правительственных структур из совершенно разных отраслей, объединенных идеей создания общего продукта.

Кластер представляет собой совокупность географически локализованных и взаимосвязанных компаний определенной отрасли, а также обеспечивающих их деятельность и находящихся на данной территории поставщиков оборудования, комплектующих, специализированных услуг, предприятий и организаций инфраструктурных отраслей, научных и образовательных учреждений.

Согласно теории Майкла Портера, кластер - это группа географически соседствующих взаимосвязанных компаний (поставщики, производители, посредники) и связанных с ними организаций (образовательные заведения, органы государственного управления, инфраструктурные компании), действующих в определенной сфере и взаимодополняющих друг друга. Таким образом, под кластером понимается сеть независимых производственных и (или) сервисных фирм, включая их поставщиков, создателей технологий и ноу-хау (университеты, научно-исследовательские институты, инжиниринговые компании), связующих рыночных институтов (брокеры, консультанты) и потребителей, взаимодействующих друг с другом в рамках единой цепочки создания стоимости.

По мнению М. Портера, конкурентоспособность страны следует рассматривать через призму международной конкурентоспособности не отдельных ее фирм, а кластеров - объединений фирм различных отраслей, причем принципиальное значение имеет способность этих кластеров эффективно использовать внутренние ресурсы. Проанализировав конкурентные возможности более 100 отраслей в десяти странах, М. Портер пришел к выводу, что наиболее конкурентоспособные транснациональные компании обычно не разбросаны бессистемно по разным странам, а имеют тенденцию концентрироваться в одной стране, а иногда даже в одном регионе страны. Объяснение этого явления состоит в следующем, одна или несколько фирм, достигая конкурентоспособности на мировом рынке, распространяет свое положительное влияние на ближайшее окружение: поставщиков, потребителей и конкурентов. А успехи окружения, в свою очередь, оказывают влияние на дальнейший рост конкурентоспособности данной компании. В результате такого взаимовыгодного сотрудничества формируется «кластер» - сообщество фирм, тесно связанных отраслей, взаимно способствующих росту конкурентоспособности друг друга.

Важной отличительной чертой кластера является его инновационная ориентированность. Наиболее успешные кластеры формируются там, где осуществляется или ожидается «прорыв» в области техники и технологии производства с последующим выходом на новые «рыночные ниши».

Типология кластеров:

1. По характеру структурообразующей организации кластера:

а) Предприятие крупного масштаба;

б) Объединение вокруг торгово-промышленной палаты, или организации, определяющей экономическое развитие (ассоциации, региональные агентства)

2. По ядру кластера:

а) Базирующиеся на сложной технологической основе, часто новой для территории;

б) Основанные на традиционных для данной территории видах деятельности;

в) Связанные подрядными отношениями.

г) Боковые (межотраслевые) кластеры - охватывающие сразу несколько отраслей, например, мультимедийный кластер.

д) Мега-кластеры - образованные сетью кластеров, т.е. большим количеством фирм, относящихся к различным секторам экономики и характеризующихся высокой степенью агрегации (химический, автомобильный кластеры).

3. Выделяются две основные категории кластеров, сформированные по пространственной и функциональной осям:

а) Промышленный кластер - фокусируется на конкуренции внутри сектора. Он состоит из всевозможных действующих лиц, ресурсов и видов деятельности, которые объединяются вместе для развития, производства и продажи разнообразных типов товаров и услуг. Промышленный кластер, как правило, пространственно не привязан к какой-либо урбанизированной области. Он обладает тенденцией иметь более широкие границы, возможно охватывая весь регион или страну.

б) Региональный кластер – это пространственная агломерация подобной и связанной экономической деятельности, формирующая основу местной среды, способствующая переливам знания и стимулирующая различные формы обучения и адоптации. Такие кластеры, обычно, состоят из малых и средних предприятий, и центральный элемент их успеха сосредоточен в силах социального капитала и географической близости. Другая их особенность состоит в том, что фирмы менее взаимосвязаны, чем в промышленных кластерах.

Во-первых, региональные инновационно-промышленные кластеры имеют в своей основе сложившуюся устойчивую систему распространения новых технологий, знаний, продукции, так называемую технологическую сеть, которая опирается на совместную научную базу.

Во-вторых, предприятия кластера имеют дополнительные конкурентные преимущества за счет возможности осуществлять внутреннюю специализацию и стандартизацию, минимизировать затраты на внедрение инноваций.

В-третьих, важной особенностью инновационно-промышленных кластеров является наличие в их структуре гибких предпринимательских структур - малых предприятий, которые позволяют формировать инновационные точки роста экономики региона.

В-четвертых, региональные промышленные кластеры чрезвычайно важны для развития малого предпринимательства: они обеспечивают малым фирмам высокую степень специализации при обслуживании конкретной предпринимательской ниши, так как при этом облегчен доступ к капиталу промышленного предприятия, а также активно происходит обмен идеями и передача знаний от специалистов к предпринимателям.

В качестве примера применения кластерного подхода рассмотрим опыт развития кластеров в Финляндии и Норвегии.

Показателями международной конкурентоспособности продукции данной отрасли на мировом рынке служили: превышение доли продукции данной отрасли на мировом рынке над суммарной долей страны в общей мировой торговле, превышение отраслевого экспорта над импортом. Все проанализированные кластеры были разбиты на три группы: категория «сильных кластеров», категория «устойчивых кластеров», категория «потенциальных кластеров». В первую категорию попали лесной и кластер информационных и телекоммуникационных технологий. Для кластеров этой категории характерна хорошая сбалансированность развития как основных, так и вспомогательных производств, высокая внутренняя конкуренция, инновационный потенциал мирового уровня, интенсивное внутрикластерное взаимодействие в рамках совместных проектов и работы межотраслевых организаций. Подтверждением высокой конкурентоспособности кластерных объединений служит тот факт, что имея 0,5% мировых запасов лесных ресурсов, Финляндия обеспечивает более 10% мирового экспорта продукции деревопереработки, в том числе 25% мирового экспорта качественной бумаги. Доля Финляндии на рынках телекоммуникационной продукции также исключительно высока: около 30% рынка оборудования для мобильной связи и почти 40% рынка мобильных телефонов, что говорит об очень высоком уровне конкурентоспособности. Устойчивые кластеры, к которым отнесены энергетический, металлургический и машиностроительный, демонстрируют позитивную динамику становления всех кластерных элементов, однако они пока еще не достигли необходимого уровня развития для получения уверенных выгод от агломерации. Машиностроительный кластер представляет собой хороший пример взаимопроникновения кластеров. Основной его специализацией является производство оборудования для лесной промышленности, энергетики, металлургии и строительной отрасли - направления по определению включенных в состав соответствующих кластеров. Но интенсивное развитие специализированного машиностроения привело к формированию самостоятельного кластера со множеством поставщиков, сервисных и инжиниринговых компаний, исследовательских и инновационных центров. Так, Финляндия - лидер в производстве оборудования для целлюлозно-бумажной промышленности: удерживает 40% мирового рынка оборудования для производства целлюлозы и почти 30% рынка бумагодельного оборудования. Потенциальные кластеры - бизнес-услуги, здравоохранение - характеризуются неравномерным развитием структуры кластера и слабостью отдельных элементов модели «Даймонд» («Даймонд» - система детерминант конкурентного преимущества стран, разработанная М. Портером). Однако при этом существуют выраженные конкурентные преимущества, способствующие успешному дальнейшему развитию потенциальных кластеров. Латентные кластеры (пищевой и строительный) хотя и объединяют ряд довольно успешных компаний - Valio, Fazer, Skanska, Kone, но в целом далеки от полноценной кластерной структуры.

Введение

Кластер (в экономике) -- сконцентрированная на некоторой территории группа взаимосвязанных организаций (компаний, корпораций, государств): поставщиков продукции, комплектующих и специализированных услуг; инфраструктуры; научно-исследовательских институтов; вузов и других организаций, взаимодополняющих друг друга и усиливающих конкурентные преимущества отдельных компаний и кластера в целом.

Актуальность создания кластеров, обусловленная общими закономерностями развития экономики на современном этапе, заключается в развитии партнерства между государством, экономикой и наукой. Кластер выступает как схема, согласно которой все производство продукции, начиная от ее разработки, первичного изготовления и заканчивая продажей, идет по единой цепи.

Сегодня функционирование и развитие национальной и региональной экономики все в большей степени определяется закономерностями глобализационных процессов, обусловливающих как формирование новых мирохозяйственных связей, так и определение конкретного статуса каждого государства, региона и отдельного предприятия в структуре мировой экономики. В качестве одной из основных составляющих глобализации выступает экономическая интеграция.

Цель курсовой работы: раскрыть суть понятия «кластер», определить сущность кластеров и их виды, определить, как развитие кластеров отражается на экономике страны, показать цели, задачи и направление информационного кластера в Сколково, и так же определить степень развития кластеров информационных технологий в Российской Федерации.

Понятие, сущность и виды кластеров

Кластер представляет собой группу географически локализованных взаимосвязанных компаний, поставщиков оборудования, комплектующих, специализированных услуг, инфраструктуры, научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений и других организаций, взаимодополняющих друг друга и усиливающих конкурентные преимущества отдельных компаний и кластера в целом.

В классическом понимании «кластер - это сконцентрированные по географическому признаку группы взаимосвязанных компаний, специализированных поставщиков, поставщиков услуг, фирм в соответствующих отраслях, а также связанных с их деятельностью организаций (например, университетов, агентств по стандартизации, а также торговых объединений) в определенных областях, конкурирующих, но вместе с тем и ведущих совместную работу».

Таким образом, для того чтобы быть кластером, группа географически соседствующих взаимосвязанных компаний и связанных с ними организаций должна действовать в определенной сфере, характеризоваться общностью деятельности и взаимодополнять друг друга. Сегодня применение кластерного подхода рассматривается в качестве одного из наиболее эффективных путей развития территорий.

Степень развития и значимость источников конкурентных преимуществ определяют стадии развития конкуренции и модели экономического роста государств, регионов и предприятий. Промышленные предприятия создают основу для потребления и увеличения национального богатства, следовательно, в рыночной экономике большое значение играет именно их конкурентоспособность. В целом различаются 3 широких определения кластеров, каждое из которых подчеркивает основную черту их функционирования:

регионально ограниченные формы экономической активности внутри родственных секторов, обычно привязанные к тем или иным научным учреждениям (НИИ, университетам и т.д.);

вертикальные производственные цепочки, узко определенные секторы, в которых смежные этапы производственного процесса образуют ядро кластера (например, цепочка «поставщик-производитель-сбытовик-клиент»). В эту же категорию попадают сети, формирующиеся вокруг головных фирм;

отрасли промышленности, определенные на высоком уровне агрегации (например, «химический кластер») или совокупности секторов на еще более высоком уровне агрегации (например, «агропромышленный кластер»).

С позиции системного подхода кластер - это совокупность субъектов хозяйственной деятельности взаимосвязанных различных отраслей, объединенных в единую организационную структуру, элементы которой находятся во взаимосвязи и взаимозависимости, совместно функционируют с определенной целью. Формирование эффективных технологических цепочек из нескольких самостоятельных хозяйствующих субъектов является стратегическим мероприятием, требующим определенных долгосрочных вложений в их реализацию, и возможно только посредством их самоорганизации в результате взаимодействия предпосылок, сложившихся как внутри, так и во внешней среде этих потенциальных систем. Такое взаимодействие должно приводить к дополнительным выгодам для каждого из субъектов, создавать определенный стимул к формированию единой системы функционирования, обеспечению целостной системы.

Необходимо отметить, что кластерное развитие экономики - это определенный инструмент бизнеса. Рыночно ориентированное общество формирует правила деятельности своих хозяйствующих субъектов через законы, взаимоотношения, банковский сектор, институты поддержки и т.д. Поэтому кластер, существующих в рамках данных правил, - это ни что иное, как особым образом организованное пространство, которое позволяет успешно развиваться крупным фирмам, малым предприятиям, поставщикам (оборудования, комплектующих, специализированных услуг), объектам инфраструктуры, научно-исследовательским центрам, вузам и другим организациям. При этом важно, что в кластере достигается прежде всего синергетический эффект, поскольку участие конкурирующих предприятий становится взаимовыгодным.

Кластеры можно идентифицировать как группу фирм-участников того или иного рынка, объединившихся на основе долгосрочных контрактов с целью эффективного использования ресурсов и специфических преимуществ для совместной реализации предпринимательских проектов. Используя преимущественно горизонтальные связи, специализацию и дополняя друг друга, они получают возможность для достижения более высоких результатов.

Отличительная черта кластера - целевая предпринимательская деятельность. В рамках кластера объединяются не только производственный, но и инновационный бизнес, комплексное управление качеством продукции, сервисное обслуживание. Объединение усилий предпринимателей, органов управления, субъектов инвестиционной и инновационной деятельности на определенной территории дает значительные преимущества в конкурентной борьбе, способствует рационализации производственно-рыночных процессов, перераспределению рисков и проведению гибкой политики, необходимой в условиях быстро меняющейся конъюнктуры.

Внедрение кластерных технологий объединения предприятий способствует росту деловой активности, улучшению инвестиционного климата в регионе страны, развитию социальных, экономических, информационных и интеграционных систем, что, в свою очередь, дает импульс для более интенсивного развития предпринимательства, привлечения инвестиций и экономического подъема территорий.

Характерные признаки кластеров можно свести к 12 показателям: возможности по исследованию и развитию; квалификация рабочей силы; развитие трудового потенциала; близость поставщиков; наличие капитала; доступ к специализированным услугам; отношения с поставщиками оборудования; ассоциирующиеся структуры; интенсивность формирования сетей; предпринимательская энергия; инновации и обучение; коллективное видение и руководство.

Наиболее развитые кластеры имеют пять принципиальных характеристик, первые три из которых могут рассматриваться в качестве стартовых предпосылок для формирования кластеров.

1. Наличие конкурентоспособных предприятий. В качестве индикаторов конкурентоспособности могут рассматриваться: относительно высокий уровень производительности компаний и секторов, входящих в кластер; высокий уровень экспорта продукции и услуг; высокие экономические показатели деятельности компаний (такие как прибыльность, акционерная стоимость).

2. Наличие в регионе конкурентных преимуществ для развития кластера. Например, выгодное географическое положение; доступ к сырью; наличие специализированных людских ресурсов, поставщиков комплектующих и связанных услуг, специализированных учебных заведений и образовательных программ, специализированных организаций, проводящих НИОКР, не-обходимой инфраструктуры и другие факторы. В качестве индикаторов конкурентных преимуществ территории могут рассматриваться: сравнительно высокий уровень привлеченных иностранных инвестиций на уровне предприятий или секторов, входящих в кластер.

3. Географическая концентрация и близость. Ключевые участники кластеров находятся в географической близости друг к другу и имеют возможности для активного взаимодействия. Географический масштаб может варьироваться от типа и особенностей кластера и охватывать один или несколько регионов государства. В качестве индикаторов географической концентрации могут рассматриваться различные показатели, характеризующие высокий уровень специализации данного региона.

4. Широкий набор участников и наличие «критической массы». Кластер может состоять из компаний, производящих конечную продукцию и услуги, как правило, экспортируемые за пределы региона, системы поставщиков комплектующих, оборудования, специализированных услуг, а также профессиональных образовательных учреждений, НИИ и других поддерживающих организаций. В качестве индикаторов могут рассматриваться показатели, характеризующие высокий уровень занятости на предприятиях и в секторах, входящих в кластер, количество компаний и организаций относящихся к секторам, входящим в кластер.

5. Наличие связей и взаимодействия между участниками кластеров - один из ключевых факторов успеха. Эти связи могут иметь различную природу, включая формализованные взаимоотношения между головной компанией и поставщиками, между самими поставщиками, партнерство с поставщиками оборудования и специализированного сервиса; связи между компаниями, ВУЗами и НИИ в рамках сотрудничества при реализации совместных НИОКР и образовательных программ.

Для экономики всего государства кластеры исполняют роль точек роста внутреннего рынка. Вслед за первым зачастую образуются новые кластеры, и международная конкурентоспособность страны в целом увеличивается, что обеспечивается в том числе сильными позициями отдельных кластеров, тогда как вне них даже самая развитая экономика может давать только посредственные результаты.

Цель дипломного проекта - Разработка лабораторного комплекса «Кластерные технологии» в рамках дисциплины «Высокопроизводительные вычислительные системы» для обучения студентов кафедры АСУ.

Кроме того в ходе дипломного проектирования будет разработано программное обеспечение, которое будет представлять собой интерфейс, позволяющий запускать параллельные программы, балансируя нагрузку между узлами кластера. Поставляемый интерфейс MPICH2 этого не позволяет.

Анализ кластерных технологий в контексте лабораторного практикума

Типы кластеров

Кластер -- группа компьютеров, объединённых высокоскоростными каналами связи и представляющая с точки зрения пользователя единый аппаратный ресурс.

Один из первых архитекторов кластерной технологии Gregory F. Pfister [Грегори Пфистер] дал кластеру следующее определение: «Кластер -- это разновидность параллельной или распределённой системы, которая:

· состоит из нескольких связанных между собой компьютеров;

· используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс».

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

· отказоустойчивые кластеры (High-availability clusters, HA, кластеры высокой доступности)

· кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters)

· вычислительные кластеры (Computing clusters)

· grid-системы.

Кластеры высокой доступности

Обозначаются аббревиатурой HA (англ. High Availability -- высокая доступность). Создаются для обеспечения высокой доступности сервиса, предоставляемого кластером. Избыточное число узлов, входящих в кластер, гарантирует предоставление сервиса в случае отказа одного или нескольких серверов. Типичное число узлов -- два, это минимальное количество, приводящее к повышению доступности. Создано множество программных решений для построения такого рода кластеров.

Отказоустойчивые кластеры и системы вообще строятся по трем основным принципам:

· с холодным резервом или активный/пассивный. Активный узел выполняет запросы, а пассивный ждет его отказа и включается в работу, когда таковой произойдет. Пример -- резервные сетевые соединения, в частности, Алгоритм связующего дерева. Например, связка DRBD и HeartBeat.

· с горячим резервом или активный/активный. Все узлы выполняют запросы, в случае отказа одного нагрузка перераспределяется между оставшимися. То есть кластер распределения нагрузки с поддержкой перераспределения запросов при отказе. Примеры -- практически все кластерные технологии, например, Microsoft Cluster Server. OpenSource проект OpenMosix.

· с модульной избыточностью. Применяется только в случае, когда простой системы совершенно недопустим. Все узлы одновременно выполняют один и тот же запрос (либо части его, но так, что результат достижим и при отказе любого узла), из результатов берется любой. Необходимо гарантировать, что результаты разных узлов всегда будут одинаковы (либо различия гарантированно не повлияют на дальнейшую работу). Примеры -- RAID и Triple modular redundancy.

Конкретная технология может сочетать данные принципы в любой комбинации. Например, Linux-HA поддерживает режим обоюдной поглощающей конфигурации (англ. takeover), в котором критические запросы выполняются всеми узлами вместе, прочие же равномерно распределяются между ними.

Кластеры распределения нагрузки

Принцип их действия строится на распределении запросов через один или несколько входных узлов, которые перенаправляют их на обработку в остальные, вычислительные узлы. Первоначальная цель такого кластера -- производительность, однако, в них часто используются также и методы, повышающие надёжность. Подобные конструкции называются серверными фермами. Программное обеспечение (ПО) может быть как коммерческим (OpenVMS, MOSIX, Platform LSF HPC, Solaris Cluster Moab Cluster Suite, Maui Cluster Scheduler), так и бесплатным (OpenMosix, Sun Grid Engine, Linux Virtual Server).

Вычислительные кластеры

Кластеры используются в вычислительных целях, в частности в научных исследованиях. Для вычислительных кластеров существенными показателями являются высокая производительность процессора в операциях над числами с плавающей точкой (flops) и низкая латентность объединяющей сети, и менее существенными -- скорость операций ввода-вывода, которая в большей степени важна для баз данных и web-сервисов. Вычислительные кластеры позволяют уменьшить время расчетов, по сравнению с одиночным компьютером, разбивая задание на параллельно выполняющиеся ветки, которые обмениваются данными по связывающей сети. Одна из типичных конфигураций -- набор компьютеров, собранных из общедоступных компонентов, с установленной на них операционной системой Linux, и связанных сетью Ethernet, Myrinet, InfiniBand или другими относительно недорогими сетями. Такую систему принято называть кластером Beowulf. Специально выделяют высокопроизводительные кластеры (Обозначаются англ. аббревиатурой HPC Cluster -- High-performance computing cluster). Список самых мощных высокопроизводительных компьютеров (также может обозначаться англ. аббревиатурой HPC) можно найти в мировом рейтинге TOP500. В России ведется рейтинг самых мощных компьютеров СНГ.

Системы распределенных вычислений (grid)

Такие системы не принято считать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами. Главное отличие -- низкая доступность каждого узла, то есть невозможность гарантировать его работу в заданный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе работы), поэтому задача должна быть разбита на ряд независимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый компьютер, а служит упрощённым средством распределения вычислений. Нестабильность конфигурации, в таком случае, компенсируется большимм числом узлов.

Условное деление на классы предложено Язеком Радаевским и Дугласом Эдлайном:

· Класс I . Класс машин строится целиком из стандартных деталей, которые продают многие поставщики компьютерных компонентов (низкие цены , простое обслуживание, аппаратные компоненты доступны из различных источников).

· Класс II . Система имеет эксклюзивные или не слишком широко распространенные детали. Таким образом можно достичь очень хорошей производительности, но при более высокой стоимости.

Как уже отмечалось, кластеры могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами кластеров являются:

· системы высокой надежности;

· системы для высокопроизводительных вычислений;

· многопоточные системы .

Отметим, что границы между этими типами кластеров до некоторой степени размыты, и кластер может иметь такие свойства или функции, которые выходят за рамки перечисленных типов. Более того, при конфигурировании большого кластера , используемого как система общего назначения , приходится выделять блоки, выполняющие все перечисленные функции.

Кластеры для высокопроизводительных вычислений предназначены для параллельных расчетов. Эти кластеры обычно собраны из большого числа компьютеров. Разработка таких кластеров является сложным процессом, требующим на каждом шаге согласования таких вопросов как инсталляция, эксплуатация и одновременное управление большим числом компьютеров, технические требования параллельного и высокопроизводительного доступа к одному и тому же системному файлу (или файлам) и межпроцессорная связь между узлами, и координация работы в параллельном режиме. Эти проблемы проще всего решаются при обеспечении единого образа операционной системы для всего кластера . Однако реализовать подобную схему удается далеко не всегда и обычно она применяется лишь для не слишком больших систем.

Многопоточные системы используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или сокращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов .

В 1994 году Томас Стерлинг (Sterling) и Дон Беккер (Becker) создали 16-узловой кластер из процессоров Intel DX4, соединенных сетью 10 Мбит/с Ethernet с дублированием каналов. Они назвали его "Beowulf" по названию старинной эпической поэмы. Кластер возник в центре NASA Goddard Space Flight Center для поддержки необходимыми вычислительными ресурсами проекта Earth and Space Sciences. Проектно-конструкторские работы быстро превратились в то, что известно сейчас как проект Beowulf. Проект стал основой общего подхода к построению параллельных кластерных компьютеров, он описывает многопроцессорную архитектуру, которая может с успехом использоваться для параллельных вычислений. Beowulf-кластер , как правило, является системой, состоящей из одного серверного узла (который обычно называется головным), а также одного или нескольких подчиненных (вычислительных) узлов, соединенных посредством стандартной компьютерной сети. Система строится с использованием стандартных аппаратных компонентов, таких как ПК, запускаемые под Linux, стандартные сетевые адаптеры (например, Ethernet) и коммутаторы. Нет особого программного пакета, называемого "Beowulf". Вместо этого имеется несколько кусков программного обеспечения, которые многие пользователи нашли пригодными для построения кластеров Beowulf. Beowulf использует такие программные продукты как операционная система Linux, системы передачи сообщений PVM, MPI, системы управления очередями заданий и другие стандартные продукты. Серверный узел контролирует весь кластер и обслуживает файлы, направляемые к клиентским узлам.