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.

Как известно, кластеры позволяют решать проблемы, связанные с производительностью, балансировкой нагрузки и отказоустойчивостью. Для построения кластеров используются различные решения и технологии, как на программном, так и на аппаратном уровне. В этой статье будут рассмотрены программные решения, предлагаемые компаниями Microsoft и Oracle.

Виды кластеров

Кластер - это группа независимых компьютеров (так называемых узлов или нодов), к которой можно получить доступ как к единой системе. Кластеры могут быть предназначены для решения одной или нескольких задач. Традиционно выделяют три типа кластеров:

• Кластеры высокой готовности или отказоустойчивые кластеры (high-availability clusters или failover clusters) используют избыточные узлы для обеспечения работы в случае отказа одного из узлов.
• Кластеры балансировки нагрузки (load-balancing clusters) служат для распределения запросов от клиентов по нескольким серверам, образующим кластер.
• Вычислительные кластеры (compute clusters), как следует из названия, используются в вычислительных целях, когда задачу можно разделить на несколько подзадач, каждая из которых может выполняться на отдельном узле. Отдельно выделяют высокопроизводительные кластеры (HPC - high performance computing clusters), которые составляют около 82% систем в рейтинге суперкомпьютеров Top500.

Системы распределенных вычислений (gird) иногда относят к отдельному типу кластеров, который может состоять из территориально разнесенных серверов с отличающимися операционными системами и аппаратной конфигурацией. В случае грид-вычислений взаимодействия между узлами происходят значительно реже, чем в вычислительных кластерах. В грид-системах могут быть объединены HPC-кластеры, обычные рабочие станции и другие устройства.

Такую систему можно рассматривать как обобщение понятия «кластер». ластеры могут быть сконфигурированы в режиме работы active/active, в этом случае все узлы обрабатывают запросы пользователей и ни один из них не простаивает в режиме ожидания, как это происходит в варианте active/passive.

Oracle RAC и Network Load Balancing являются примерами active/ active кластера. Failover Cluster в Windows Server служит примером active/passive кластера. Для организации active/active кластера требуются более изощренные механизмы, которые позволяют нескольким узлам обращаться к одному ресурсу и синхронизовать изменения между всеми узлами. Для организации кластера требуется, чтобы узлы были объединены в сеть, для чего наиболее часто используется либо традиционный Ethernet, либо InfiniBand.

Программные решения могут быть довольно чувствительны к задержкам - так, например, для Oracle RAC задержки не должны превышать 15 мс. В качестве технологий хранения могут выступать Fibre Channel, iSCSI или NFS файловые сервера. Однако оставим аппаратные технологии за рамками статьи и перейдем к рассмотрению решений на уровне операционной системы (на примере Windows Server 2008 R2) и технологиям, которые позволяют организовать кластер для конкретной базы данных (OracleDatabase 11g), но на любой поддерживаемой ОС.

Windows Clustering

У Microsoft существуют решения для реализации каждого из трех типов кластеров. В состав Windows Server 2008 R2 входят две технологии: Network Load Balancing (NLB) Cluster и Failover Cluster. Существует отдельная редакция Windows Server 2008 HPC Edition для организации высокопроизводительных вычислительных сред. Эта редакция лицензируется только для запуска HPC-приложений, то есть на таком сервере нельзя запускать базы данных, web- или почтовые сервера.

NLB-кластер используется для фильтрации и распределения TCP/IPтрафика между узлами. Такой тип кластера предназначен для работы с сетевыми приложениями - например, IIS, VPN или межсетевым экраном.

Могут возникать сложности с приложениями, которые полага ются на сессионные данные, при перенаправлении клиента на другой узел, на котором этих данных нет. В NLB-кластер можно включать до тридцати двух узлов на x64-редакциях, и до шестнадцати - на x86.

Failoverclustering - это кластеризации с переходом по отказу, хотя довольно часто термин переводят как «отказоустойчивые кластеры».

Узлы кластера объединены программно и физически с помощью LAN- или WAN-сети, для multi-site кластера в Windows Server 2008 убрано требование к общей задержке 500 мс, и добавлена возможность гибко настраивать heartbeat. В случае сбоя или планового отключения сервера кластеризованные ресурсы переносятся на другой узел. В Enterprise edition в кластер можно объединять до шестнадцати узлов, при этом пятнадцать из них будут простаивать до тех пор, пока не произойдет сбой. Приложения без поддержки кластеров (cluster-unaware) не взаимодействуют со службами кластера и могут быть переключены на другой узел только в случае аппаратного сбоя.

Приложения с поддержкой кластеров (cluster-aware), разработанные с использованием ClusterAPI, могут быть защищены от программных и аппаратных сбоев.

Развертывание failover-кластера

Процедуру установки кластера можно разделить на четыре этапа. На первом этапе необходимо сконфигурировать аппаратную часть, которая должна соответствовать The Microsoft Support Policy for Windows Server 2008 Failover Clusters. Все узлы кластера должны состоять из одинаковых или сходных компонентов. Все узлы кластера должны иметь доступ к хранилищу, созданному с использованием FibreChannel, iSCSI или Serial Attached SCSI. От хранилищ, работающих с Windows Server 2008, требуется поддержка persistent reservations.

На втором этапе на каждый узел требуется добавить компонент Failover Clustering - например, через Server Manager. Эту задачу можно выполнять с использованием учетной записи, обладающей административными правами на каждом узле. Серверы должны принадлежать к одному домену. Желательно, чтобы все узлы кластера были с одинаковой ролью, причем лучше использовать роль member server, так как роль domain controller чревата возможными проблемами с DNS и Exchange.

Третий не обязательный, но желательный этап заключается в проверке конфигурации. Проверка запускается через оснастку Failover Cluster Management. Если для проверки конфигурации указан только один узел, то часть проверок будет пропущена.

На четвертом этапе создается кластер. Для этого из Failover Cluster Management запускается мастер Create Cluster, в котором указываются серверы, включаемые в кластер, имя кластера и дополнительные настройки IP-адреса. Если серверы подключены к сетям, которые не будут использоваться для общения в рамках кластера (например, подключение только для обмена данными с хранилищем), то в свойствах этой сети в Failover Cluster Management необходимо установить параметр «Do not allow the cluster to use this network».

После этого можно приступить к настройке приложения, которое требуется сконфигурировать для обеспечения его высокой доступности.

Для этого необходимо запустить High Availability Wizard, который можно найти в Services and Applications оснастки Failover Cluster Management.

Cluster Shared Volumes

В случае failover-кластера доступ к LUN, хранящему данные, может осуществлять только активный узел, который владеет этим ресурсом. При переключении на другой узел происходит размонтирование LUN и монтирование его для другого узла. В большинстве случаев эта задержка не является критичной, но при виртуализации может требоваться вообще нулевая задержка на переключение виртуальных машин с одного узла на другой.

Еще одна проблема, возникающая из-за того, что LUN является минимальной единицей обхода отказа, заключается в том, что при сбое одного приложения, находящегося на LUN, приходится переключать все приложения, которые хранятся на этом LUN, на другой сервер. Во всех приложениях (включая Hyper-V до второго релиза Server 2008) это удавалось обходить за счет многочисленных LUN, на каждом из которых хранились данные только одного приложения. В Server 2008 R2 появилось решение для этих проблем, но предназначенное для работы только с Hyper-V и CSV (Cluster Shared Volumes).

CSV позволяет размещать на общем хранилище виртуальные машины, запускаемые на разных узлах кластера - тем самым разбивается зависимость между ресурсами приложения (в данном случае виртуальными машинами) и дисковыми ресурсами. В качестве файловой системы CSV использует обычную NTFS. Для включения CSV необходимо в Failover Cluster Manage выполнить команду Enable Cluster Shared Volumes. Отключить поддержку CSV можно только через консоль:

Get-Cluster | %{$_.EnableSharedVolumes = "Disabled"}

Для использования этой команды должен быть загружен Failover Clusters, модуль PowerShell. Использование CSV совместно с live migration позволяет перемещать виртуальные машины между физическими серверами в считанные миллисекунды, без обрыва сетевых соединений и совершенно прозрачно для пользователей. Стоит отметить, что копировать любые данные (например, готовые виртуальные машины) на общие диски, использующие CSV, следует через узел-координатор.

Несмотря на то, что общий диск доступен со всех узлов кластера, перед записью данных на диск узлы запрашивают разрешение у узлакоординатора. При этом, если запись требует изменений на уровне файловой системы (например, смена атрибутов файла или увеличение его размера), то записью занимается сам узел-координатор.

Oracle RAC

Oracle Real Application Clusters (RAC) - это дополнительная опция Oracle Database, которая впервые появилась в Oracle Database 9i под названием OPS (Oracle Parallel Server). Опция предоставляет возможность нескольким экземплярам совместно обращаться к одной базе данных. Базой данных в Oracle Database называет ся совокупность файлов данных, журнальных файлов, файлов параметров и некоторых других типов файлов. Для того, чтобы пользовательские процессы могли получить доступ к этим данным, должен быть запущен экземпляр. Экземпляр (instance) в свою очередь состоит из структур памяти (SGA) и фоновых процессов. В отсутствии RAC получить доступ к базе данных может строго один экземпляр.

Опция RAC не поставляется с Enterprise Edition и приобретается отдельно. Стоит отметить, что при этом RAC идет в составе Standard Edition, но данная редакция обладает большим количеством ограничений по сравнению с Enterprise Edition, что ставит под сомнение целесообразность ее использования.

Oracle Grid Infrastructure

Для работы Oracle RAC требуется Oracle Clusterware (или стороннее ПО) для объединения серверов в кластер. Для более гибкого управления ресурсами узлы такого кластера могут быть организованы в пулы (с версии 11g R2 поддерживается два варианта управления - на основании политик для пулов или, в случае их отсутствия, администратором).

Во втором релизе 11g Oracle Clusterware был объединен с ASM под общим названием Oracle Grid Infrastructure, хотя оба компонента и продолжают устанавливаться по различным путям.

Automatic Storage Management (ASM) - менеджер томов и файловая система, которые могут работать как в кластере, так и с singleinstance базой данных. ASM разбивает файлы на ASM Allocation Unit.

Размер Allocation Unit определяется параметром AU_SIZE, который задается на уровне дисковой группы и составляет 1, 2, 4, 8, 16, 32 или 64 MB. Далее Allocation Units распределяются по ASM-дискам для балансировки нагрузки или зеркалирования. Избыточность может быть реализована, как средствами ASM, так и аппаратно.

ASM-диски могут быть объединены в Failure Group (то есть группу дисков, которые могут выйти из строя одновременно - например, диски, подсоединенные к одному контролеру), при этом зеркалирование осуществляется на диски, принадлежащие разным Failure Group. При добавлении или удалении дисков ASM автоматически осуществляет разбалансировку, скорость которой задается администратором.

На ASM могут помещаться только файлы, относящиеся к базе данных Oracle, такие как управляющие и журнальные файлы, файлы данных или резервные копии RMAN. Экземпляр базы данных не может взаимодействовать напрямую с файлами, которые размещены на ASM. Для обеспечения доступа к данным дисковая группа должна быть предварительно смонтирована локальным ASM-экземпляром.

Развертывание Oracle RAC

Рассмотрим этапы установки различных компонентов, необходимых для функционирования Oracle RAC в режиме active/active кластера с двумя узлами. В качестве дистрибутива будем рассматривать последнюю на момент написания статьи версию Oracle Database 11g Release 2. В качестве операционной системы возьмем Oracle Enterprise Linux 5. Oracle Enterprise Linux - операционная система, базирующаяся на RedHat Enterprise Linux. Ее основные отличия - цена лицензии, техническая поддержка от Oracle и дополнительные пакеты, которые могут использоваться приложениями Oracle.

Подготовка ОС к установке Oracle стандартна и заключается в создании пользователей и групп, задании переменных окружения и параметров ядра. Параметры для конкретной версии ОС и БД можно найти в Installation Guide, который поставляется вместе с дистрибутивом.

На узлах должен быть настроен доступ к внешним общим дискам, на которых будут храниться файлы базы данных и файлы Oracle Clusterware. К последним относятся votingdisk (файл, определяющий участников кластера) и Oracle Cluster Registry (содержит конфигурационную информацию - например, какие экземпляры и сервисы запущены на конкретном узле). Рекомендуется создавать нечетное количество votingdisk. Для создания и настройки ASMдисков желательно использовать ASMLib, которую надо установить на всех узлах:

# rpm -Uvh oracleasm-support-2.1.3-1.el4.x86_64.rpm

rpm -Uvh oracleasmlib-2.0.4-1.el4.x86_64.rpm

rpm -Uvh oracleasm-2.6.9-55.0.12.ELsmp-2.0.3-1.x86_64.rpm

Кроме интерфейса для взаимодействия с хранилищем на узлах желательно настроить три сети - Interconnect, External и Backup.
Необходимо настроить IP-адресацию (вручную или с использованием Oracl e GNS) и DNS для разрешения всех имен (или только GNS).

Вначале осуществляется установка Grid Infrastructure. Для этого загружаем и распаковываем дистрибутив, затем запускаем установщик. В процессе установки необходимо указать имя кластера; указать узлы, которые будут входить в кластер; указать назначение сетевых интерфейсов; настроить хранилище.

В конце нужно выполнить с правами root скрипты orainstRoot.sh и root.sh. Первым на всех узлах выполняется скрипт orainstRoot.sh, причем запуск на следующем узле осуществляется только после завершения работы скрипта на предыдущем. После выполнения orainstRoot.sh последовательно на каждом узле выполняется root.sh. Проверить успешность установки можно с помощью команды:

/u01/grid/bin/crsctl check cluster –all

Выполнив проверку, можно приступать к установке базы данных. Для этого запускаем Oracle Universal installer, который используется и для обычной установки базы.

Кроме active/active-кластера в версии 11g R2 существуют две возможности для создания active/passive-кластера. Одна из них - Oracle RACOneNode. Другой вариант не требует лицензии для RAC и реализуется средствами Oracle Clusterware. В этом случае вначале создается общее хранилище; затем устанавливается Grid Infrastructure, с использованием ASM_CRS и SCAN; а после этого на узлы устанавливается база данных в варианте Standalone. Далее создаются ресурсы и скрипты, которые позволяют запускать экземпляр на другом узле в случае недоступности первого.

Заключение

Oracle RAC совместно с Oracle Grid Infrastructure позволяют реализовать разнообразные сценарии построения кластеров. Гибкость настройки и широта возможностей компенсируются ценой такого решения.

Решения же Microsoft ограничены не только возможностями самой кластеризации, но и продуктами, которые могут работать в такой среде. Хотя стоит отметить, что набор таких продуктов все равно шире, чем одна база данных.

Ссылки по теме

• High Availability решения от Microsoft: microsoft.com/windowsserver2008/en/us/high-availability.aspx ;
• Подборка ссылок на документацию и ресурсы по Failover Clustering и NLB: blogs.msdn.com/b/clustering/archive/2009/08/21/9878286.aspx (блог - Clusteringand HighAvailability содержит много полезной информации);
• Документация и дистрибутивы Oracle RAC: oracle.com/technetwork/database/clustering/overview/index.html ;
• Документация и дистрибутивы Oracle Clusterware и Oracle Grid Infrastructure: oracle.com/technetwork/database/clusterware/overview/index.html ;
• Настройка Oracle Clusterware для защиты Single Instance Oracle Database 11g:

Модернизация предприятий в современных условиях реализуется с помощью государства и определяет приоритеты и направления модернизации как всей системы предприятий, так и производительных комплексов, отраслей, отдельных предприятий. В настоящее время существует потребность в определении и реализации приоритетов развития промышленного комплекса, на которых будут сосредоточены усилия государства и бизнеса, впоследствии определяющие конкурентоспособность и эффективность экономики на современном этапе развития. Одним из важнейших направлений структурной модернизации промышленности является ее развитие на основе кластеризации .

Главная отличительная черта кластера - инновационная ориентированность. Инновация - изюминка кластера . Опираясь на прорывы в научно-технологической сфере и интеллектуализацию основных факторов производства развитые страны, взявшие на вооружение политику кластеризации своих экономик, смогли обеспечить прирост ВВП в диапазоне от 75 до 90%. Другая особенность кластера - пространственная расположенность . В условиях ужесточения конкуренции между странами и регионами за инвестиции и размещение наиболее перспективных видов деятельности на своей территории стало очевидно, что уникальные конкурентные преимущества формируются не на национальном уровне, а на уровне конкретных бизнесов, функционирующих на территории регионов, где высока концентрация взаимосвязанных отраслей.

По мнению экономистов, такие региональные инновационно-промышленные кластеры имеют ряд преимуществ перед традиционными индустриально-отраслевыми формами организации бизнеса.

• Во-первых, важное значение имеет сложившаяся в регионе устойчивая система распространения новых технологий, знаний, продукции, так называемая технологическая 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, наличие в системе инновационно-промышленных кластеров гибких предпринимательских структур - малых предприятий, конкурирующих в процессе производства креативных идей, позволяет нащупывать 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, прочим ресурсам а также активно происходит обмен идеями и передача знаний от специалистов к предпринимателям.

Эффективность кластерного подхода определяется также тем, что преодолевается узкоотраслевое видение экономики региона. В отличие от отраслевого подхода, по сути деформирующего конкуренцию за счет лоббирования интересов отдельной отрасли или компании и, как следствие, «перетекания» выгод в одну из отраслей, кластеризация позволяет сформировать комплексный взгляд на государственную политику развития региона с учетом потенциала региональных экономических субъектов.

В конечном итоге развитие экономики регионов по пути кластеризации позволяет увеличить приток капиталов и технологий, прямых инвестиций, которые привносят в регион кроме финансовых средств и новые технологии, и интеллектуальные ресурсы, и управленческие навыки, и всемирно известные торговые марки.

В последнее время кластерная политика стала широко обсуждаться в рамках Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), Всемирной торговой организации (ВТО). Особое внимание уделяет ей Евросоюз, рассматривающий кластерную политику в качестве ключевого инструмента повышения инновационного потенциала и конкурентоспособности входящих в него стран. В частности, взят курс на формирование общеевропейской модели, которая будет стимулировать и дополнять национальные и региональные инициативы, включая развитие кооперации между кластерами.

Идеи о преимуществах сетевой организации бизнеса в промышленности возникли достаточно давно. Одной из самых ранних работ в этой области была книга Альфреда Маршала «Принципы экономики», вышедшая в конце XIX века, где приводились исследования промышленных районов Великобритании. Хотя в его книге и не фигурируют современные специальные термины, однако ясно, что в ней фактически рассматривается кластер с достаточно обширным межфирменным разделением труда. Более ста лет назад Маршал обратил внимание на синергетический эффект, достигаемый при объединении и повышении специализации малых предприятий.

Феномен кластеров впервые был подробно изучен известным ученым Майклом Портером при исследовании условий развития и деятельности 100 наиболее конкурентоспособных группировок крупных, средних и множества малых предприятий, расположенных в различных странах мира. Такие группировки предприятий одной отрасли формируются потому, что одна или несколько крупных фирм, достигая конкурентоспособности на мировом рынке, распространяет свое влияние и деловые связи на ближайшее окружение, постепенно создавая устойчивую сеть из лучших поставщиков и потребителей. В свою очередь, успехи такого окружения оказывают положительное влияние на дальнейший рост конкурентоспособности всех участников этой группировки компании. Такие образования и есть кластеры. Причем такая совокупность, сочетая свойства отдельных ее элементов в процессе их взаимодействия, приобретает новые качества, которые особенно ярко и разносторонне проявляются в кластерах, образованных субъектами экономической деятельности.

Таким образом, кластер - это сообщество экономически тесно связанных и близко расположенных фирм смежного профиля, взаимно способствующих общему развитию и росту конкурентоспособности друг друга. Преимущественно это неформальные объединения крупных лидирующих фирм с множеством средних и малых предприятий, создателей технологий, связующих рыночных институтов и потребителей, взаимодействующих друг с другом в рамках единой цепочки создания стоимости, сосредоточенных на ограниченной территории и осуществляющих совместную деятельность в процессе производства и поставки определенного типа продуктов и услуг. Роль крупного бизнеса в процессе образования кластеров заключается в привлечении малых и средних предприятий для налаживания производства на основе тесной кооперации и субконтрактационных связей при активном деловом и информационном взаимодействии. Это способствует развитию всех участников кластера и обеспечивает им конкурентные преимущества по сравнению с другими обособленными предприятиями, не имеющими столь крепких взаимосвязей.

В целом различаются три основных вида кластеров :

• кластеры с регионально ограниченной формой экономической деятельности внутри родственных секторов, обычно привязанные к тем или иным научным учреждениям (НИИ, университетам и т.д.);
• кластеры с вертикальными производственными связями в узких сферах деятельности, образованные вокруг головных фирм или сети основных предприятий, охватывающих процессы производства, поставки и сбыта;
• отраслевые кластеры в различных видах производства с высоким уровнем агрегации (например, «химический кластер») или на еще более высоком уровне агрегации (например, «аэрокосмический кластер»).

Среди основных характерных особенностей кластеров , комбинации которых в той или иной мере свойственны любому из них, можно выделить следующие:

• географическая (когда построение кластеров четко связано с определенной территорией, начиная от местных кластеров (плодоконсервный) до подлинно глобальных, например, аэрокосмический кластер);
• горизонтальная (когда несколько отраслей/секторов могут входить на равных правах в более крупный кластер);
• вертикальная (характеризует кластеры с иерархической связью смежных этапов производственного или инновационного процесса);
• латеральная (отражает объединение в кластер разных секторов одной отрасли, которые обеспечивают экономию за счет эффекта масштаба, что приводит к новым возможностям);
• технологическая (отражает совокупность производств, связанных одной и той же технологией);
• фокусная (представляет кластер фирм, сосредоточенных вокруг одного центра - лидирующего крупного предприятия, НИИ или университета);
• качественная (определяет кластер фирм, совершенствующихся во всех сферах взаимодействия, способствуя повышению конкурентоспособности каждого члена и тем, усиливая экономическое положение всего сообщества).

Новые отношения внутри кластера стимулируют инновационную деятельность, способствуют развитию прогрессивных технологий и совершенствованию всех этапов совместной экономической деятельности. Происходит свободный обмен информацией и быстрое распространение новшества по каналам поставщиков или потребителей, имеющих контакты с многочисленными конкурентами. Взаимосвязи внутри кластера ведут к разработке новых путей в обретении конкурентных преимуществ и порождают совершенно новые возможности. Множество предприятий в составе кластера в процессе развития взаимодействия и сближения интересов постепенно преодолевают разобщенность, инертность и замкнутость на внутренних проблемах, что благотворно влияет на рост их технического уровня и конкурентоспособности.

Наличие кластеров позволяет национальным отраслям развивать и поддерживать свое конкурентное преимущество, не уступая их даже технически более развитым странам. Все фирмы из кластера взаимосвязанных отраслей осуществляют инвестиции в специализированные исследования, в развитие родственных технологий, в информацию, в развитие инфраструктуры и в человеческие ресурсы, что проявляется в синергетическом эффекте и позволяет малому предпринимательству выстоять в обостренной конкурентной борьбе на глобализированных рынках. В рамках государства кластеры выполняют роль точек роста внутреннего рынка и обеспечивают продвижение производимых ими товаров и услуг на международные рынки. Это способствует повышению международной конкурентоспособности страны в целом благодаря ряду преимуществ, присущих кластерной форме взаимодействия крупных, средних и малых предприятий по всем направлениям деловых связей. Являясь точками экономического роста, кластеры становятся объектом крупных капиталовложений, на которых сосредоточено пристальное внимание правительства и местных администраций.

Кластеры имеют повышенный экономический и инновационный потенциал . Это объясняется передачей по технологическим цепочкам товаров с высокой потребительской ценностью, а также иных конкурентных преимуществ по отношению к предприятиям-смежникам, что заставляет поднять качество поставляемых им полуфабрикатов и этим повысить конкурентоспособность. Обостренная конкуренция фирм кластера на внутреннем рынке и за рубежом выливается в совместную экспансию. Фирмы кластера благодаря тесному взаимодействию становятся носителями одной и той же коммерческой идеи, обеспечивающей преимущественное положение на внутренних и внешних рынках. Это, например, повышение использования знаний или создание новых сетей сотрудничества внутри кластеров с целью повышения конкурентоспособности и освоения новых рыночных ниш.

Особое значение кластерный подход имеет для малых предприятий. Некоторые исследователи видят единственный способ сохранения малых фирм в условиях глобализации и возрастающей международной конкуренции в объединении их в кластеры.

Основой программ ЮНИДО по развитию кластеров предприятий является понимание того, что эти предприятия могут играть решающую роль в экономическом развитии развивающихся странах. Однако, их роль часто не может быть реализована из-за ограничений, связанных с размером предприятий. Зачастую, малые предприятия не могут удовлетворить потребности рынка, который нуждается в большем количестве продукции, следовании стандартам и в регулярных поставках. Развитие кластеров малых предприятий может осуществляться спонтанно или организованно. Большинство контрактов заключается региональными фирмами с одними и теми же поставщиками и потребителями. Это стихийно формирует некий круг взаимосвязанных предприятий-партнеров, работающих в местных цепочках. Успешное создание кластеров возможно даже в том случае, если предприниматели никогда ранее не имели деловых контактов между собой.

Выделяют две основные модели , в рамках которых осуществляется кластерная политика - либеральную и дирижистскую . Либеральная кластерная стратегия характерна для тех стран, которые по традиции проводят либеральную экономическую политику и многое отдают на откуп рынку. Это США, Великобритания, Австралия и Канада. Дирижистскую кластерную политику, соответственно, проводят власти тех стран, которые активно вовлечены в экономическую жизнь страны. Среди них, например, Франция, Корея, Сингапур, Япония, Швеция, Финляндия, Словения.

Быстро развивающийся рынок все более подвержен влиянию международных тенденций к созданию и развитию кластерных систем , как одного из механизмов повышения конкурентоспособности предприятий. Анализ методологических подходов к разработке национальных систем кластеризации ряда зарубежных стран позволяет сделать общий вывод о том, что все они отражают попытки стран в течение последних десятилетий найти в международном масштабе единый подход к эффективному развитию экономики. Из анализа методологических подходов к разработке национальных кластерных систем ряда стран следует, что решение проблемы кластерного подхода к развитию экономики необходимо осуществлять с учетом ее специфики.

В целом процесс создания кластеров представляется следующим образом:

• аудит региональной экономики : изучение кластерного подхода с целью лучшего понимания экономического развития и селекции кластеров;
• аудит политики : анализ потенциала кластерного подхода в различных регионах и его гармонизация с существующими общими экономическими подходами;
• дизайн кластерной политики : анализ дизайна кластерной политики, каковы обязательства частного и госсектора в реализации кластерного подхода и каковы механизмы адаптации политики на протяжении времени;
• внедрение/реализация кластерной политики : обзор и исследование различных типов мероприятий, применяемых в различных кластерах и пути реализации этих мер;
• мониторинг и оценка : мониторинг и оценка кластерной политики, особых препятствий, связанных с ними и основных решений, направленных на их преодоление.

Говоря о влиянии кластеров на национальную экономику, можно отметить, что, например, в экономике США более 32% занятости, не включая бюджетный сектор, обеспечивают кластеры. В экономике Швеции, в кластерах занято 39% работоспособного населения, не включая бюджетников. Производительность труда в таких секторах выше среднестрановой на 44%. Более того, как утверждают в Гарвардской школе бизнеса, кластерный сектор является главной движущей силой развития секторов, которые обслуживают локальный рынок. Но главным является следующее: чем больше развиты кластеры в отдельной стране, тем выше в этой стране уровень жизни населения и конкурентоспособность предприятий.

Основа кластеризации промышленности территории - модернизационный процесс, базирующийся на инновациях. Структурно он охватывает технические, технологические, организационно-управленческие и институциональные нововведения.

Мировой опыт показывает, что создание кластеров - затратный процесс , в котором примерно половину финансирования принимает на себя государство (за счет федерального и регионального бюджетов). Но это не исключает развитие новых механизмов финансирования. Например, возможно привлечение банками средств населения с длительными сроками заимствования, а также развитие механизмов аутсорсинга, субконтрактинга.

Для организации промышленных кластеров необходимо наличие на территории крупных современных исследовательских университетов, способных составить конкуренцию зарубежным образовательным учреждениям на рынке образовательных услуг и инновационных разработок.

Преимущества кластерной промышленной политики многообразны. В результате ее реализации администрации территорий лучше видят сильные и слабые стороны промышленного развития, усиливается их партнерский диалог с бизнесом, диверсифицируется региональная экономика. Все это ведет к росту числа налогоплательщиков и налогооблагаемой базы, снижению зависимости бюджетов от отдельных бизнес-групп. Кластерный подход сулит выгоду и бизнесу: он более полно использует кадровый потенциал и инфраструктуру территории, имеет доступ к исследованиям и рекомендациям научных центров, благодаря которым снижаются издержки, обеспечивается выход на новые рынки.

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

Один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер (Gregory F. Pfister) 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)

2. 2.1 Отказоустойчивые кластеры

Для обеспечения надежности и отказоустойчивости вычислительных систем применяется множество различных аппаратурных и программных решений. Например, в системе может дублироваться все подверженные отказам элементы - источники питания, процессоры, оперативная и внешняя память.

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 (рисунок 1).

Рисунок 1 Отказоустойчивый кластер

1. 2.2 Кластеры с балансировкой нагрузки

Принцип действия кластеров с балансировкой нагрузки 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

Серверная ферма - это ассоциация серверов , соединенных сетью передачи данных и работающих как единое целое. Один из видов серверной фермы определяет метакомпьютерная обработка . Во всех случаях рассматриваемая ферма обеспечивает распределенную обработку данных . Она осуществляется в распределенной среде обработки данных .

Кластеры с балансировкой нагрузки внешне очень похожи на HA-кластеры, однако если LBC-кластеры автоматически являются и HA-кластерами, обеспечивая высокий уровень доступа, то обратное утверждение неверно и HA-кластеры не могут выступать в роли LBC.

Идея кластеров с балансировкой нагрузки очень проста. Если у нас имеется HA-кластер, узлы которого дублируют друг друга (разделяя общую внешнюю память), то почему бы не распределить поступающие запросы равномерно между всеми узлами кластера? Пользователь, заходящий на Web (например), автоматически перенаправляется на наименее загруженный узел, что позволяет всем узлам работать параллельно и легко масштабировать мощность кластера. Выход одного узла из строя не приведет к падению всей системы. Производительность кластера уменьшится, но функционировать система не перестанет.

Специально для этой цели DNS-сервера поддерживают технологию "Round robin DNS", связывающую с одним доменным именем список IP-адресов, соответствующих "своим" узлам кластера, которые перебираются в кольцевом порядке. Степень загрузки узлов при этом не учитывается, поскольку внешний DNS-сервер ничего не может знать о ней, однако внутренний маршрутизатор (которому, кстати говоря, достаточно всего одного IP) может собирать данные со счетчиков производительности, выбирая наименее загруженный узел кластера (рисунок 2).

Аналогичная технология используется для брандмауэров, установленных на магистральных каналах, антивирусов, спам-фильтров и многих других задач.

Единственной операционной системой, поддерживающей кластеризацию с балансировкой нагрузки, была и остается OpenBSD с установкой специального программного обеспечения (http://www.openbsd.org/cgi-bin/cvsweb/src/usr.sbin/relayd/), все остальные требуют аппаратной поддержки со стороны маршрутизаторов, что впрочем не является проблемой, поскольку все крупные производители (3Com, Cisco) ее поддерживают.

Рисунок 2 Кластер с балансировкой нагрузки

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.