樹莓派集群簡介

樹莓派集群是由多臺聯網的樹莓派計算機組成的網絡，它們作為一個統一、協調的單元協同工作。通過連接多臺樹莓派，用戶可以創建一個低成本的并行計算環境，能夠處理從基礎模擬和網頁托管到分布式數據處理和云原生計算學習等多種任務。

什么是樹莓派集群？

在樹莓派集群中，每臺樹莓派都充當集群中的一個節點，貢獻處理能力和內存以分擔工作負載。這種設置利用了并行計算，即任務被分解并在多個節點上執行，從而提高了某些應用程序的整體速度和效率。這些集群的規模可以從幾臺樹莓派到幾十臺甚至上百臺不等，具體取決于項目的規模和可用資源。

使用樹莓派集群的優勢

可擴展性和定制化：樹莓派集群易于擴展。您可以從幾臺樹莓派開始，根據需要逐步擴展，這對于測試和積累云計算、集群管理和容器編排方面的知識來說是完美的。

分布式計算的實踐學習：樹莓派集群提供了一種實踐的方法來學習分布式計算、網絡和并行處理。它的低風險使其成為學生、愛好者和希望了解負載均衡、集群管理和 Kubernetes 等復雜概念的開發者來說是理想的入門選擇。

云技術實驗：借助 Docker 和 Kubernetes 等工具，用戶可以在樹莓派集群上設置輕量級的云原生環境。這可以幫助開發者在部署到更大規模的生產級平臺之前，在小規模上對應用程序進行原型設計、部署容器并模擬云架構。

樹莓派集群的應用場景

家庭自動化和物聯網項目

樹莓派集群可以托管 Home Assistant 或 openHAB 等應用程序，以管理整個家庭的物聯網設備、傳感器和自動化例程。使用集群，您可以獲得冗余性，確保即使一個樹莓派節點出現故障，系統仍能正常運行。

學習和教育

樹莓派集群非常適合在經濟實惠的實驗室環境中教授并行處理、分布式系統和網絡配置。學生和業余愛好者可以嘗試 Kubernetes、Docker Swarm 和其他云原生技術。

學校、創客空間和研討會使用樹莓派集群來教學生編程、測試服務器設置以及構建小規模的分布式應用程序。

學校創客和工作室使用Raspberry Pi集群來教學生編碼、測試服務器設置和構建小規模分布式應用程序。

邊緣計算和數據處理

樹莓派集群適用于邊緣計算設置，其中數據在更靠近源頭（如傳感器或智能設備）的地方進行處理，而不是在中央服務器上。這減少了延遲并提高了響應速度，這在物聯網、工業自動化和智慧城市應用中至關重要。

媒體和游戲服務器

在樹莓派集群上托管 Plex、Jellyfin 或 Kodi 等媒體服務器，可以讓您在整個家庭中向多個設備流式傳輸內容。集群設置增強了可靠性和負載分配，特別是在多個用戶同時訪問媒體服務器時。

樹莓派集群可以托管輕量級游戲服務器，是局域網派對或多玩家設置的有趣選擇。例如，樹莓派集群可以處理經典游戲（如《我的世界》）的服務器，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點上良好運行。

機器學習和人工智能原型設計

雖然樹莓派的處理能力有限，但集群可以通過在節點間分配工作負載來處理簡單的機器學習任務，如圖像分類或數據預處理。這種設置有助于在擴展到更大平臺之前，對機器學習應用程序進行原型設計。

可以在樹莓派集群上訓練和測試小型人工智能模型。雖然不適合深度學習，但它是基于邊緣的人工智能任務或使用 TensorFlow Lite 等框架的可行環境。

網頁托管和數據庫管理

樹莓派集群可以托管小型網站、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載并處理中等流量。

樹莓派集群可以管理分布式數據庫，如 MySQL 或 MongoDB，這種設置適用于輕量級應用程序，這些應用程序不需要商業服務器的性能，但可以從集群提供的冗余和負載平衡中受益。

樹莓派集群的硬件

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

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

4 端口（或更多端口）千兆 PoE 啟用交換機

USB 3 千兆以太網適配器

4 x 以太網電纜（Cat6 或 Cat7）

散熱片和風扇

可堆疊外殼或大型集群的機架安裝

主節點的 SD 卡（僅在設置時臨時需要）

重要提示：使用 Raspberry Pi OS Lite 以獲得輕量級環境。

搭建樹莓派集群

第一步：主節點的初始設置

1.下載并燒錄樹莓派操作系統：下載樹莓派操作系統 Lite 并燒錄到 SD 卡上。將 SD 卡插入其中一臺樹莓派中，該樹莓派將作為主節點用于初始設置。

2.啟動主節點：通過以太網將其連接到網絡并通電。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：配置網絡啟動

1.在每臺樹莓派上啟用網絡啟動：

對于每臺樹莓派，更新 EEPROM 以支持網絡啟動。運行：

sudo rpi-eeprom-update -d -a

將啟動順序設置為網絡啟動優先。重啟以使更改生效。

2.在主節點上配置 NFS 服務器（用于共享根文件系統）

為NFS創建一個導出目錄:

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)

應用 NFS 導出更改：

sudo exportfs -a

復制根文件系統：將主節點的根文件系統復制到 NFS 目錄：

sudo rsync -xa//nfs/rpi-cluster

3.設置 dnsmasq 以實現 DHCP/TFTP 啟動：

配置 dnsmasq 作為 DHCP 和 TFTP 服務器：

sudo nano /etc/dnsmasq.conf

添加以下配置（假設網絡范圍為 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）是并行計算中的強大工具。MPI 允許我們在不同的集群/節點/處理器中運行程序。

1.在主節點上安裝 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點的 NFS 共享中啟動，因此只需在共享文件系統上安裝一次 OpenMPI。

3.設置主機名和 SSH：

編輯主節點上的 /etc/hosts，將 IP 地址映射到每臺樹莓派節點。

使用以下命令在節點間配置無密碼 SSH 訪問：

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

第四步：啟動每個節點并驗證集群

1.啟動每個節點：將所有樹莓派連接到 PoE 交換機。

2.啟動順序：每臺樹莓派應通過網絡啟動并掛載共享的 NFS 文件系統。

3.驗證 MPI 配置：

檢查每個節點是否可通過 SSH 訪問。

創建包含集群中所有節點的主機文件：

masternode1node2

使用以下命令測試 MPI 設置：

mpiexec -f hosts -nhostname

此命令應返回每臺樹莓派節點的主機名，確認集群正常運行。

高級技巧

MPI 作業中的高效資源分配：

微調 MPI 設置：像 OpenMPI 這樣的 MPI 庫允許對進程映射和資源分配進行細粒度控制，例如調整每個核心的線程數。

基于節點能力的任務分配：如果某些樹莓派擁有更多內存或處理能力，則將資源密集型任務分配給這些節點。您可以在 MPI 作業文件中指定這些配置。

集群范圍冷卻：

帶散熱風扇的機架安裝集群機箱：對于超過 10 個節點的集群，帶專用風扇或通風口的機架安裝機箱將有效散熱，特別是當樹莓派緊密堆疊時。

使用腳本監控溫度：使用腳本監控每個節點的溫度。您可以創建一個檢查 CPU 溫度并相應控制風扇速度的腳本。

# 示例溫度監控腳本

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

總結

搭建樹莓派集群提供了獨特的性價比、可擴展性和實踐學習機會。無論您是在探索云原生技術、深入研究分布式計算，還是僅僅在實驗創意物聯網和數據處理項目，樹莓派集群都是一個強大的入門平臺。雖然在設置和性能優化方面存在挑戰，但獲得的經驗對開發者、學生和愛好者來說都是無價的。通過利用樹莓派集群的靈活性和多功能性，您可以將您的創新想法變為現實，從小規模原型到有影響力的邊緣計算解決方案。

原文地址：

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