Cluster (ou clustering) é, em poucas palavras, o nome dado a um sistema que relaciona dois ou mais computadores para que estes trabalhem de maneira conjunta no intuito de processar uma tarefa. Estas máquinas dividem entre si as atividades de processamento e executam este trabalho de maneira simultânea.
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.
Em todos estes casos e em qualquer outro tipo de aplicação crítica - que não pode parar de funcionar ou não pode perder dados (os sistemas bancários, por exemplo) -, o cluster pode se mostrar como uma solução viável, desde que o tipo mais adequado seja escolhido.
Há vários tipos de cluster, mas os principais são: cluster de alto desempenho, cluster de ata disponibilidade e cluster de balanceamento de carga.
Cluster de Alto Desempenho (High Performance Computing Cluster)
Clusters de alto desempenho são direcionados a aplicações bastante exigentes no que diz respeito ao processamento. Sistemas utilizados em pesquisas científicas, por exemplo, podem se beneficiar deste tipo de cluster por necessitarem analisar uma grande variedade de dados rapidamente e realizar cálculos bastante complexos.
O foco deste tipo é o de permitir que o processamento direcionado à aplicação forneça resultados satisfatórios em tempo hábil, mesmo que haja centenas de milhares de gigaflops envolvidos com a tarefa (1 gigaflop corresponde a 1 bilhão de instruções de ponto flutuante executadas por segundo).
Cluster de Alta Disponibilidade (High Availability Computing Cluster)
Nos clusters de alta disponibilidade, o foco está em sempre manter a aplicação em pleno funcionamento: não é aceitável que o sistema pare de funcionar, mas se isso acontecer, a paralização deve ser a menor possível, como é o caso de soluções de missão crítica que exigem disponibilidade de, pelo menos, 99,999% do tempo a cada ano, por exemplo.
Para atender a esta exigência, os clusters de alta disponibilidade podem contar com diversos recursos: ferramentas de monitoramento que identificam nós defeituosos ou falhas na conexão, replicação (redundância) de sistemas e computadores para substituição imediata de máquinas com problemas, uso de geradores para garantir o funcionamento em caso de queda de energia, entre outros.
Em determinadas circunstâncias, é tolerável que o sistema apresente algum grau de perda de desempenho, especialmente quando esta situação é consequência de algum esforço para manter a aplicação em atividade.
Cluster para Balanceamento de Carga (Load Balancing)
Em clusters de balanceamento de carga, as tarefas de processamento são distribuídas o mais uniformemente possível entre os nós. O foco aqui é fazer com que cada computador receba e atenda a uma requisição e não, necessariamente, que divida uma tarefa com outras máquinas.
Imagine, por exemplo, que um grande site na internet receba por volta de mil visitas por segundo e que um cluster formado por 20 nós tenha sido desenvolvido para atender a esta demanda. Como se trata de uma solução de balanceamento de carga, estas requisições são distribuídas igualmente entre as 20 máquinas, de forma que cada uma receba e realize, em média, 50 atendimentos a cada segundo.
Não basta ao cluster de balanceamento de carga ter um mecanismo meramente capaz de distribuir as requisições - é necessário que este procedimento seja executado de forma a garantir um "equilíbrio" na aplicação. Para tanto, o mecanismo pode monitorar os nós constantemente para verificar, por exemplo, qual máquina está lidando com a menor quantidade de tarefas e direcionar uma nova requisição para esta.
O balanceamento de carga pode ser utilizado em vários tipos de aplicações, mas o seu uso é bastante comum na internet, já que soluções do tipo têm maior tolerância ao aumento instantâneo do número de requisições, justamente por causa do equilíbrio oriundo da distribuição de tarefas.
Combinação de tipos de clusters
É válido frisar que uma solução de cluster não precisa se "prender" a apenas um tipo. Conforme a necessidade, pode-se combinar características de tipos diferentes no intuito de atender plenamente à aplicação.
Por exemplo, uma loja na internet pode utilizar um cluster de alta disponibilidade para garantir que suas vendas possam ser realizadas 24 horas por dia e, ao mesmo tempo, aplicar balanceamento de carga para suportar um expressivo aumento eventual no número de pedidos causados por uma promoção.
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.
Outro elemento importante é o sistema operacional. Como já informado, os nós não precisam ser exatamente iguais no que diz respeito ao hardware, mas é essencial que todas os computadores utilizem o mesmo sistema operacional.
Esta homogeneidade é importante para diminuir a complexidade de configuração e manutenção do sistema, e garantir que os procedimentos rotineiros ao cluster, como monitorização, distribuição de tarefas e controle de recursos sejam executados de maneira uniforme. Para reforçar estes aspectos, pode-se até mesmo adotar sistemas operacionais preparados especialmente para clustering.
Do ponto de vista do software, o cluster conta ainda com o elemento que faz o papel de middleware: trata-se de um sistema que permite o controle do cluster em si e, portanto, está intimamente ligado ao sistema operacional. É o middleware que lida, por exemplo, com as bibliotecas que fazem toda a comunicação do cluster - uma delas é o padrão MPI (Message Passing Interface).
Além de trabalhar com o gerenciamento do cluster, o middleware oferece uma interface para que um administrador possa configurar o cluster, ferramentas para manutenção e otimização, recursos de monitoramento e assim por diante.
Por padrão, o middleware é instalado em uma máquina chamada de nó controlador (ou nó mestre). O nome deixa claro: trata-se do já mencionado nó principal, que efetivamente controla o cluster a partir da distribuição de tarefas, do monitoramento e de procedimentos relacionados.
A comunicação entre os nós - que é onde está a delimitação do que constitui o cluster em si - é feita a partir de uma tecnologia de rede local. Os padrões Ethernet (Gigabit Ethernet, Fast Ethernet, etc) são bastante utilizados justamente por serem mais comuns e, portanto, melhor suportados e menos custosos. Mas há outras opções viáveis, entre elas, o Myrinet e o InfiniBand, ambos com características bastante apropriadas para clustering.
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