Costruzione di un cluster Raspberry PI - Parte I: Acquisizione e assemblaggio dell'hardware

Al giorno d'oggi Linux funziona su quasi tutto. Puoi ottenere un PC economico e trasformarlo in una stazione multimediale o in un server web o in qualsiasi altra cosa tu voglia senza costi aggiuntivi. Anche l'hardware è economico. Con l'avvento del Raspberry Pi e di piccole schede per computer simili, è possibile ottenere un PC completamente funzionante al prezzo che di solito si paga per una confezione da sei di birra. In questa serie di LinuxConfig non costruiremo solo un computer Linux; costruiremo un intero cluster Linux con quattro nodi e impareremo come gestirlo in modo che tutti i nodi rispondano contemporaneamente agli stessi comandi.

Requisiti hardware:

4 computer Raspberry Pi 3 B+
4 schede MicroSD
5 cavi Ethernet
4 cavi USB
1 x A interruttore a 5 porte
1 router portatile (opzionale)
1 x un hub di alimentazione USB decente
4 x (opzionali) dispositivi di raffreddamento Raspberry Pi
4 dissipatori di calore Raspberry Pi (opzionali)
1 x un rack per cluster
1 x Alcuni distanziatori in ottone (opzionali)
1 x nastro adesivo
Viti da 2 mm e 3 mm

Costruisci un cluster con Raspberry Pi economici ed esegui Linux su di esso

Motivazione: perché no?

Per coprire la parte della motivazione, possiamo rispondere al "perché" con un semplice "perché possiamo" o "perché è divertente". Per adottare un approccio più pratico, un cluster Raspberry Pi in esecuzione su Linux non è solo economico da realizzare rispetto a ciò che può fare, ma può anche essere utilizzato per semplificare la vita quando si ha a che fare con attività ad alta intensità di risorse come la compilazione, l'analisi continua dei dati da Internet o semplicemente imparare a gestire un cluster utilizzando hardware reale invece di ricorrere a macchine virtuali.

Il Lampone

Un Raspberry Pi è un computer a scheda singola che ha preso d'assalto il mondo dell'hardware alcuni anni fa. Una delle ultime iterazioni è il Raspberry Pi 3 B+, quello che useremo in questo tutorial. Con un prezzo di circa $38 su Amazon, il Raspberry Pi 3 B + vanta una CPU ARMv8 quad-core a 64 bit da 1,4 GHz con 1 GB di memoria SDRAM DDR2. Necessita di una scheda MicroSDHC o MicroSDXC di almeno 8 GB per l'archiviazione e può anche utilizzare un'unità disco rigido esterna tramite schede di estensione acquistabili separatamente che collegano SCSI alle parti della scheda principale, nel caso in cui si necessiti di un'archiviazione più affidabile e più grande.

Il Raspberry Pi 3 B+ ha una porta Ethernet con velocità Lan 10/100Mbps, un modulo Bluetooth 4.2 integrato e un modulo wireless 802.11b/g/n. La stessa scheda aveva 4 porte USB 2.0, una porta HDMI completa, un jack audio da 3,5 mm che funge anche da video composito. Come fonte di alimentazione è possibile utilizzare la porta MicroUSB per inserire un adattatore CC da 5 V/2,5 A, utilizzare un cavo USB collegato al computer o il GPIO integrato. Dispone inoltre di una porta CSI per il collegamento di una webcam e di una porta DSI per il montaggio di un display touchscreen. Questa scheda utilizza solo 5 V per funzionare, pesa 2,08 once e misura 3,54 pollici di lunghezza. Puoi collegarlo da qualche parte in casa proprio come faresti con il tuo smartphone quando ha bisogno di essere ricaricato e dimenticartene per mesi.

Ed è ottimo per creare un cluster Linux scalabile con fondi limitati.

Di cosa avrai bisogno per creare un cluster Linux economico

Nella prima parte di questa guida esamineremo ciò che devi ottenere per creare il tuo cluster Raspberry Pi Linux personale. Dato che il numero di nodi che è possibile utilizzare è scalabile sia verso l'alto che verso il basso, costruiremo un cluster di quattro nodi da quattro schede Raspberry Pi 3 B+. In seguito si possono aggiungere due, cinque, undici nodi in più, se necessario. Più schede Raspberry Pi 3 B+ incorpori nel cluster, più potenza avrai a portata di mano.

Per prima cosa prendi quattro schede Raspberry Pi 3 B+. Sarebbe consigliabile prenderli tutti in una volta o almeno dallo stesso venditore in un breve lasso di tempo per assicurarsi che abbiano lo stesso numero di serie di costruzione, il che significa che provengono dalla stessa linea di produzione. Ciò garantirebbe un'esperienza simile con ogni scheda poiché ognuna si comporterà esattamente allo stesso modo. Un Raspberry Pi dello stesso modello acquistato da un altro periodo di produzione potrebbe diventare un po' più caldo o funzionare un po' più lentamente rispetto ad altre schede della stessa marca.

Hai bisogno di qualcosa su cui installare il software, qualcosa che funga da repository di dati per il tuo software. Le schede MicroSD sono economiche e avrai bisogno di almeno quattro schede MicroSDHC da 16 GB, una per ogni scheda. Una volta installato Linux, ti ritroverai con circa 11 GB di spazio utente gratuito, sufficienti per sperimentare e depositare file più piccoli. Se hai bisogno di uno spazio di archiviazione più grande, puoi ottenere schede MicroSDHC o MicroSDXC più grandi; Assicurati solo che siano tutti uguali: stessa taglia, stessa marca.

Avrai bisogno di quattro schede MicroSD, di almeno 16 GB di dimensione

Per comodità, dato che ogni Raspberry Pi 3 B+ ha una porta Ethernet, è possibile acquistare cinque cavi Ethernet Cat6, lunghi almeno un piede (30 cm). Uno per ogni nodo del cluster e uno per connettere l'intero cluster alla LAN o alla WAN. È meglio utilizzare cavi di colore diverso. In questo modo saprai visivamente quale cavo appartiene a quale nodo dopo averli collegati.

Per l'alimentazione è necessario utilizzare cavi MicroUSB di qualità, intrecciati in nylon e codificati a colori, se possibile. A volte potrebbe essere necessario spegnere manualmente un nodo e quindi sarà necessario sapere quale cavo di alimentazione appartiene a quale livello del cluster. I diversi colori rendono l'identificazione molto più semplice rispetto a seguire la linea con le dita.

Se possibile, cercate di procurarvi cavi Ethernet con codice colore, lunghi almeno 30 centimetri

È inoltre necessario un elemento per far comunicare tra loro i nodi del cluster. Per questo è possibile utilizzare uno switch economico a 5 porte come questo. Ha quasi le stesse dimensioni delle schede Raspberry Pi 3 B+ e, con alcune modifiche, si adatta perfettamente al primo livello del cluster a quattro nodi. Se hai un router a casa, puoi usarlo per collegare il tuo nuovo switch con il resto del mondo. In caso contrario, è possibile acquistare un piccolo router portatile con funzioni AP e 3G che, per coincidenza, ha esattamente la stessa altezza e lo stesso colore dello switch a 5 porte.

Questo switch si inserisce quasi perfettamente nel rack e dispone di 5 porte Ethernet

Se si assegnano al cluster attività ad alta intensità di risorse, le CPU ARM di Raspberry Pi si surriscaldano dopo circa un'ora, anche a temperatura ambiente. Compilando con GCC per 90 minuti, ogni CPU raggiungerà i 70-71 gradi Celsius (158-160 Farhenheit), quindi sarà necessario ridurre il calore in qualche modo. È possibile acquistare un rack a grappolo con dispositivi di raffreddamento da 5 V installati oppure è possibile ottenere dispositivi di raffreddamento propri, di circa 4 o 5 cm di diametro e installarli da soli con l'aiuto di viti. Un dispositivo di raffreddamento impedirà alla temperatura della CPU di superare i 50 gradi Celsius (122 Fahrenheit). Se si acquistano anche dei dissipatori di calore economici progettati per il Raspberry Pi 3 B+, è possibile far scendere la temperatura di altri 4 o 5 gradi Celsius (circa 40 gradi Fahrenheit).

Il raffreddamento è importante non solo per proteggere le CPU, ma anche per assicurarsi che i nodi del cluster elaborino le attività a una velocità decente. Se hai acquistato i tuoi refrigeratori e il tuo rack per cluster non ne ha, avrai anche bisogno di un mucchio di viti da 3 mm, lunghe 4 cm. Per costruire il rack e posizionare le schede Raspberry Pi all'interno in modo che non si muovano avrai bisogno anche di viti da 2 mm, lunghe circa 1 cm, quattro pezzi per ciascuna delle quattro schede, 16 in totale.

Raffreddare il cluster Linux Raspberry Pi è molto importante

Per alimentare il cluster è necessario utilizzare un Power USB HUB. Procurati anche del nastro adesivo, poiché probabilmente ne avrai bisogno.

ATTENZIONE
Assicurati di avere un buon HUB USB di alimentazione in grado di fornire i 2,5 ampere necessari per ogni nodo del cluster. Deve avere una presa di corrente in modo da poterlo collegare direttamente a una presa di corrente. Quelli che vedi pubblicizzati come in grado di fornire alimentazione direttamente da una porta USB non funzioneranno, poiché i Pi si rifiuteranno di avviarsi o segnaleranno la sottotensione.

Ultimo ma non meno importante, acquista un rack per cluster decente per i Raspberry Pi. Come detto sopra, puoi prenderne uno che ha già installato dei dispositivi di raffreddamento o uno senza dispositivi di raffreddamento e puoi decidere in seguito come e dove installarli. Attenzione, se dovessi scegliere quest'ultimo, probabilmente avrai bisogno di distanziatori in ottone più lunghi, esattamente 4 centimetri di altezza, poiché questo è lo spazio ideale di cui un dispositivo di raffreddamento a grappolo ha bisogno sia per essere in grado di raffreddare una CPU che per avere abbastanza spazio sopra di esso da cui prendere aria. Il rack è modulare e si possono aggiungere livelli extra, ma per ora ne serviranno solo cinque: "piano terra" per lo switch e il resto per ciascuno dei Raspberry Pi.

Se decidi di montare i tuoi refrigeratori, assicurati di lasciare loro spazio sufficiente per prendere l'aria fresca

L'interruttore può essere montato bene sul ripiano inferiore del rack

Assemblea

La parte di montaggio è piuttosto autoesplicativa. È necessario prendere ogni piastra rack e montare una scheda Raspberry Pi 3 B+ su di essa con l'aiuto delle viti da 2 mm. Costruisci ogni livello, assembla il rack con l'aiuto di distanziatori in ottone, installa i dispositivi di raffreddamento proprio sopra le CPU se il tuo rack non ne ha praticando fori in ogni piastra del rack in acrilico e utilizzando le viti lunghe 4 cm e con un diametro di 3 mm in modo che i dispositivi di raffreddamento siano vicini ai processori.

Inserire i cavi di alimentazione, collegare ciascuno dei cavi Ethernet a una porta LAN dello switch e inserire le schede MicroSD nei rispettivi slot. Usa il nastro adesivo per mantenere i cavi di alimentazione Ethernet e USB ben raggruppati in modo che non ti ingombrino.

Una volta assemblato, il tuo futuro cluster Linux dovrebbe assomigliare a questo

Conclusione

Nella seconda parte di questa serie inizieremo l'installazione di Linux sul cluster e ci occuperemo della configurazione del sistema operativo e dell'installazione del software utile, quindi rimanete sintonizzati.

Costruzione della serie Raspberry Pi: