樹莓派集群簡(jiǎn)介

樹莓派集群是由多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的樹莓派計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)，它們作為一個(gè)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的單元協(xié)同工作。通過連接多臺(tái)樹莓派，用戶可以創(chuàng)建一個(gè)低成本的并行計(jì)算環(huán)境，能夠處理從基礎(chǔ)模擬和網(wǎng)頁(yè)托管到分布式數(shù)據(jù)處理和云原生計(jì)算學(xué)習(xí)等多種任務(wù)。

什么是樹莓派集群？

在樹莓派集群中，每臺(tái)樹莓派都充當(dāng)集群中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，貢獻(xiàn)處理能力和內(nèi)存以分擔(dān)工作負(fù)載。這種設(shè)置利用了并行計(jì)算，即任務(wù)被分解并在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行，從而提高了某些應(yīng)用程序的整體速度和效率。這些集群的規(guī)模可以從幾臺(tái)樹莓派到幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)不等，具體取決于項(xiàng)目的規(guī)模和可用資源。

使用樹莓派集群的優(yōu)勢(shì)

可擴(kuò)展性和定制化：樹莓派集群易于擴(kuò)展。您可以從幾臺(tái)樹莓派開始，根據(jù)需要逐步擴(kuò)展，這對(duì)于測(cè)試和積累云計(jì)算、集群管理和容器編排方面的知識(shí)來(lái)說(shuō)是完美的。

分布式計(jì)算的實(shí)踐學(xué)習(xí)：樹莓派集群提供了一種實(shí)踐的方法來(lái)學(xué)習(xí)分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和并行處理。它的低風(fēng)險(xiǎn)使其成為學(xué)生、愛好者和希望了解負(fù)載均衡、集群管理和 Kubernetes 等復(fù)雜概念的開發(fā)者來(lái)說(shuō)是理想的入門選擇。

云技術(shù)實(shí)驗(yàn)：借助 Docker 和 Kubernetes 等工具，用戶可以在樹莓派集群上設(shè)置輕量級(jí)的云原生環(huán)境。這可以幫助開發(fā)者在部署到更大規(guī)模的生產(chǎn)級(jí)平臺(tái)之前，在小規(guī)模上對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、部署容器并模擬云架構(gòu)。

樹莓派集群的應(yīng)用場(chǎng)景

家庭自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目

樹莓派集群可以托管 Home Assistant 或 openHAB 等應(yīng)用程序，以管理整個(gè)家庭的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器和自動(dòng)化例程。使用集群，您可以獲得冗余性，確保即使一個(gè)樹莓派節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

學(xué)習(xí)和教育

樹莓派集群非常適合在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中教授并行處理、分布式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)配置。學(xué)生和業(yè)余愛好者可以嘗試 Kubernetes、Docker Swarm 和其他云原生技術(shù)。

學(xué)校、創(chuàng)客空間和研討會(huì)使用樹莓派集群來(lái)教學(xué)生編程、測(cè)試服務(wù)器設(shè)置以及構(gòu)建小規(guī)模的分布式應(yīng)用程序。

學(xué)校創(chuàng)客和工作室使用Raspberry Pi集群來(lái)教學(xué)生編碼、測(cè)試服務(wù)器設(shè)置和構(gòu)建小規(guī)模分布式應(yīng)用程序。

邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)處理

樹莓派集群適用于邊緣計(jì)算設(shè)置，其中數(shù)據(jù)在更靠近源頭（如傳感器或智能設(shè)備）的地方進(jìn)行處理，而不是在中央服務(wù)器上。這減少了延遲并提高了響應(yīng)速度，這在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化和智慧城市應(yīng)用中至關(guān)重要。

媒體和游戲服務(wù)器

在樹莓派集群上托管 Plex、Jellyfin 或 Kodi 等媒體服務(wù)器，可以讓您在整個(gè)家庭中向多個(gè)設(shè)備流式傳輸內(nèi)容。集群設(shè)置增強(qiáng)了可靠性和負(fù)載分配，特別是在多個(gè)用戶同時(shí)訪問媒體服務(wù)器時(shí)。

樹莓派集群可以托管輕量級(jí)游戲服務(wù)器，是局域網(wǎng)派對(duì)或多玩家設(shè)置的有趣選擇。例如，樹莓派集群可以處理經(jīng)典游戲（如《我的世界》）的服務(wù)器，這些游戲需要適度的處理能力，并且可以在分布式樹莓派節(jié)點(diǎn)上良好運(yùn)行。

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能原型設(shè)計(jì)

雖然樹莓派的處理能力有限，但集群可以通過在節(jié)點(diǎn)間分配工作負(fù)載來(lái)處理簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，如圖像分類或數(shù)據(jù)預(yù)處理。這種設(shè)置有助于在擴(kuò)展到更大平臺(tái)之前，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。

可以在樹莓派集群上訓(xùn)練和測(cè)試小型人工智能模型。雖然不適合深度學(xué)習(xí)，但它是基于邊緣的人工智能任務(wù)或使用 TensorFlow Lite 等框架的可行環(huán)境。

網(wǎng)頁(yè)托管和數(shù)據(jù)庫(kù)管理

樹莓派集群可以托管小型網(wǎng)站、博客或論壇。使用 LAMP（Linux、Apache、MySQL、PHP）或 LEMP（Linux、Nginx、MySQL、PHP）堆棧，樹莓派集群可以分配工作負(fù)載并處理中等流量。

樹莓派集群可以管理分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，如 MySQL 或 MongoDB，這種設(shè)置適用于輕量級(jí)應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序不需要商業(yè)服務(wù)器的性能，但可以從集群提供的冗余和負(fù)載平衡中受益。

樹莓派集群的硬件

4 x 樹莓派 5：8GB 版本提供更多內(nèi)存，用于處理容器化應(yīng)用程序或模擬。

4 x 樹莓派 5 PoE+ HAT：使用此 HAT 為樹莓派的以太網(wǎng)端口添加 PoE+ 功能，并通過以太網(wǎng)供電。

4 端口（或更多端口）千兆 PoE 啟用交換機(jī)

USB 3 千兆以太網(wǎng)適配器

4 x 以太網(wǎng)電纜（Cat6 或 Cat7）

散熱片和風(fēng)扇

可堆疊外殼或大型集群的機(jī)架安裝

主節(jié)點(diǎn)的 SD 卡（僅在設(shè)置時(shí)臨時(shí)需要）

重要提示：使用 Raspberry Pi OS Lite 以獲得輕量級(jí)環(huán)境。

搭建樹莓派集群

第一步：主節(jié)點(diǎn)的初始設(shè)置

1.下載并燒錄樹莓派操作系統(tǒng)：下載樹莓派操作系統(tǒng) Lite 并燒錄到 SD 卡上。將 SD 卡插入其中一臺(tái)樹莓派中，該樹莓派將作為主節(jié)點(diǎn)用于初始設(shè)置。

2.啟動(dòng)主節(jié)點(diǎn)：通過以太網(wǎng)將其連接到網(wǎng)絡(luò)并通電。如果配備 PoE HAT，則通過 PoE 供電。

3.配置 SSH

https://www.sunfounder.com/blogs/news/mastering-remote-control-unlocking-the-power-of-ssh-with-raspberry-pi

4.更新軟件包

https://www.sunfounder.com/blogs/news/raspberry-pi-update-essential-steps-for-a-secure-and-optimized-system

5.安裝所需工具:

sudoapt install -y nfs-kernel-server dnsmasq rpi-eeprom

第二步：配置網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)

1.在每臺(tái)樹莓派上啟用網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)：

對(duì)于每臺(tái)樹莓派，更新 EEPROM 以支持網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)。運(yùn)行：

sudo rpi-eeprom-update -d -a

將啟動(dòng)順序設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)優(yōu)先。重啟以使更改生效。

2.在主節(jié)點(diǎn)上配置 NFS 服務(wù)器（用于共享根文件系統(tǒng)）

為NFS創(chuàng)建一個(gè)導(dǎo)出目錄:

sudomkdir-p /nfs/rpi-clustersudochown-R pi:pi /nfs/rpi-clustersudo nano /etc/exports

添加這一行：

/nfs/rpi-cluster *(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)

應(yīng)用 NFS 導(dǎo)出更改：

sudo exportfs -a

復(fù)制根文件系統(tǒng)：將主節(jié)點(diǎn)的根文件系統(tǒng)復(fù)制到 NFS 目錄：

sudo rsync -xa//nfs/rpi-cluster

3.設(shè)置 dnsmasq 以實(shí)現(xiàn) DHCP/TFTP 啟動(dòng)：

配置 dnsmasq 作為 DHCP 和 TFTP 服務(wù)器：

sudo nano /etc/dnsmasq.conf

添加以下配置（假設(shè)網(wǎng)絡(luò)范圍為 192.168.1.0/24）：

interface=eth0dhcp-range=192.168.1.100,192.168.1.200,12hdhcp-boot=nfsrootenable-tftptftp-root=/nfs/rpi-clusterdhcp-option=66,"192.168.1.x"# IP address of the master node

重啟 dnsmasq:

sudosystemctl restart dnsmasq

第三步：配置 MPI（消息傳遞接口）

MPI（消息傳遞接口）是并行計(jì)算中的強(qiáng)大工具。MPI 允許我們?cè)诓煌募?節(jié)點(diǎn)/處理器中運(yùn)行程序。

1.在主節(jié)點(diǎn)上安裝 OpenMPI：

sudoapt install -y mpich

2.在所有其他樹莓派上安裝 OpenMPI：

由于所有樹莓派都從主節(jié)點(diǎn)的 NFS 共享中啟動(dòng)，因此只需在共享文件系統(tǒng)上安裝一次 OpenMPI。

3.設(shè)置主機(jī)名和 SSH：

編輯主節(jié)點(diǎn)上的 /etc/hosts，將 IP 地址映射到每臺(tái)樹莓派節(jié)點(diǎn)。

使用以下命令在節(jié)點(diǎn)間配置無(wú)密碼 SSH 訪問：

ssh-keygen -t rsassh-copy-id pi@nodeX# Repeat for each node

第四步：?jiǎn)?dòng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)并驗(yàn)證集群

1.啟動(dòng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)：將所有樹莓派連接到 PoE 交換機(jī)。

2.啟動(dòng)順序：每臺(tái)樹莓派應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)并掛載共享的 NFS 文件系統(tǒng)。

3.驗(yàn)證 MPI 配置：

檢查每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否可通過 SSH 訪問。

創(chuàng)建包含集群中所有節(jié)點(diǎn)的主機(jī)文件：

masternode1node2

使用以下命令測(cè)試 MPI 設(shè)置：

mpiexec -f hosts -nhostname

此命令應(yīng)返回每臺(tái)樹莓派節(jié)點(diǎn)的主機(jī)名，確認(rèn)集群正常運(yùn)行。

高級(jí)技巧

MPI 作業(yè)中的高效資源分配：

微調(diào) MPI 設(shè)置：像 OpenMPI 這樣的 MPI 庫(kù)允許對(duì)進(jìn)程映射和資源分配進(jìn)行細(xì)粒度控制，例如調(diào)整每個(gè)核心的線程數(shù)。

基于節(jié)點(diǎn)能力的任務(wù)分配：如果某些樹莓派擁有更多內(nèi)存或處理能力，則將資源密集型任務(wù)分配給這些節(jié)點(diǎn)。您可以在 MPI 作業(yè)文件中指定這些配置。

集群范圍冷卻：

帶散熱風(fēng)扇的機(jī)架安裝集群機(jī)箱：對(duì)于超過 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)的集群，帶專用風(fēng)扇或通風(fēng)口的機(jī)架安裝機(jī)箱將有效散熱，特別是當(dāng)樹莓派緊密堆疊時(shí)。

使用腳本監(jiān)控溫度：使用腳本監(jiān)控每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度。您可以創(chuàng)建一個(gè)檢查 CPU 溫度并相應(yīng)控制風(fēng)扇速度的腳本。

# 示例溫度監(jiān)控腳本

fornodein{node1,node2,node3};do ssh$node"vcgencmd measure_temp"done

總結(jié)

搭建樹莓派集群提供了獨(dú)特的性價(jià)比、可擴(kuò)展性和實(shí)踐學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。無(wú)論您是在探索云原生技術(shù)、深入研究分布式計(jì)算，還是僅僅在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目，樹莓派集群都是一個(gè)強(qiáng)大的入門平臺(tái)。雖然在設(shè)置和性能優(yōu)化方面存在挑戰(zhàn)，但獲得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)開發(fā)者、學(xué)生和愛好者來(lái)說(shuō)都是無(wú)價(jià)的。通過利用樹莓派集群的靈活性和多功能性，您可以將您的創(chuàng)新想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從小規(guī)模原型到有影響力的邊緣計(jì)算解決方案。

原文地址：

https://www.sunfounder.com/blogs/news/building-a-raspberry-pi-cluster-step-by-step-guide-and-practical-applications?srsltid=AfmBOori5SNyMXCcdBvq7UuLjswv21237rh7MYoB6j6W9m9JxUy7WU2X