Кластерные архитектуры

Программные и технические средства информатики.

Существующие в настоящее время компьютеры можно разделить на группы по признаку: «отношение производительность – стоимость». К первой группе можно отнести имеющие наиболее высокую производительность суперкомпьютеры, например производства фирмы Cray Research, высокую стоимость которых приходится игнорировать ради достижения поставленных целей при проектировании высокопроизводительных решений. Ко второй – мэйнфреймы (MainFrame), например фирмы IBM, к третьей миникомпьютеры и рабочие станции и к четвертой – персональные компьютеры.

Общие требования, предъявляемые к современным компьютерам

Среди требований, предъявляемых к современным компьютерам можно выделить: надежность и отказоустойчивость, масштабируемость, совместимость программного обеспечения.

Наряду с производительностью и стоимостью важной характеристикой компьютерных систем является надежность. Основной целью повышения надежности компьютеров является целостность хранимых в них данных. Надежность достигается за счет применения электронных компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, за счет обеспечения оптимальных тепловых режимов их работы, а также за счет улучшения качества сборки аппаратуры.

аппаратуры.

Отказоустойчивость - это возможность продолжения вычислений после сбоя. Отказоустойчивость достигается за счет дополнительного аппаратного и программного обеспечения. Например: дополнительные, параллельно работающие процессоры, дополнительные жесткие диски используемые в RAID-массивах.

Масштабируемость – это возможность расширения существующей системы (увеличение числа процессоров, ёмкости оперативной и внешней памяти …) для прогнозируемого увеличения производительности и пропускной способности системы при приемлемых затратах. Масштабируемость обеспечивается не только архитектурой аппаратных средств, но и средствами программного обеспечения (соответствующие средства операционной системы). Необходимо отметить, что простой переход, например, на более мощный процессор может привести к перегрузке других узлов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам.

Следующей важной характеристикой современных компьютеров является совместимость программного обеспечения. Под совместимостью понимается возможность использования программ разработанных для современных компьютеров в компьютерах следующего поколения. Идея программной совместимости впервые была применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моделей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы независимо от цены и производительности каждой из них.

Классификация компьютеров по областям применения

Персональные компьютеры и рабочие станции

Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции миникомпьютеров при переходе элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции на большие и сверхбольшие интегральные схемы. ПК, благодаря своей низкой стоимости, очень быстро завоевали хорошие позиции на компьютерном рынке и создали предпосылки для разработки новых программных средств, ориентированных на конечного пользователя. Это прежде всего - "дружественный пользовательский интерфейс", а также проблемно-ориентированные среды и инструментальные средства для автоматизации разработки прикладных программ.

Персональные компьютеры в настоящее время имеют достаточную производительность, а рабочие станции на базе UNIX имеют программное обеспечение, способное выполнять большинство функций, которые стали ассоциироваться с понятием "персональной рабочей станции".

Серверы

Сервер – это компьютер, предоставляющий имеющиеся у него ресурсы другим компьютерам сети.

Современные системы обработки информации, такие как системы управления базами данных, OLAP, издательские системы, сетевые приложения, системы разработки программного обеспечения и обработки изображений используют модель вычислений "клиент-сервер". При этом часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер. Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, сервер приложений, почтовый сервер. Здесь, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, приложения или электронная почта).

Существует другая классификация серверов, определяющаяся масштабом сети, в которой они используются: сервер рабочей группы, сервер отдела или сервер масштаба предприятия (корпоративный сервер). Очевидно в зависимости от числа пользователей и характера решаемых ими задач требования к составу оборудования и программного обеспечения сервера, к его надежности и производительности сильно варьируются.

По уровню производительности, функциональным возможностям отдельных компонентов, отказоустойчивости, а также в поддержке многопроцессорной обработки, системного администрирования и дисковых массивов большой емкости серверы вышли в настоящее время на один уровень с мэйнфреймами и мощными миникомпьютерами. Современные серверы характеризуются:

· наличием двух или более центральных процессоров;

· наличием высокоскоростной системной шины;

· большими объемами оперативной и дисковой памяти;

· поддержкой технологии дисковых массивов RAID;

· наличием сетевого адаптера с большой пропускной способностью.

Мэйнфреймы

Мэйнфрейм - это синоним понятия "большая универсальная ЭВМ". Мэйнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения. Они могут включать один или несколько процессоров. В нашем сознании мэйнфреймы все еще ассоциируются с большими по габаритам машинами, требующими специально оборудованных помещений с системами водяного охлаждения и кондиционирования. Однако это не совсем так. Прогресс в области элементно-конструкторской базы позволил существенно сократить габариты основных устройств.

Согласно одному из прогнозов Gartner Group, последний мэйнфрейм предполагалось выключить в 1993 году. Срок этот давно истек, но рынок мэйнфреймов остается стабильным и их продажи ежегодно растут.

Первые мэйнфреймы были выпущены корпорацией IBM в апреле 1964 года: именно тогда была разработана архитектурная концепция семейства System/360 (S/360). Это был самый дорогостоящий проект в истории вычислительной техники — на его выполнение было затрачено более 5 млрд. долл. Данный проект был направлен на разработку всесторонне продуманного комплекса решений в области аппаратуры, программного обеспечения, технологии производства, организации распространения и технического обслуживания семейства компьютеров, различных по производительности и цене. System/360 стало первым большим семейством компьютеров, позволявшим использовать взаимозаменяемое программное обеспечение и периферийное оборудование. Вместо того чтобы приобретать новую систему по мере роста потребностей и увеличения бюджета, владельцы мэйнфреймов данной серии теперь могли просто наращивать вычислительные возможности по частям, добавляя или заменяя лишь необходимые аппаратные средства. В рамках System/360 предлагался выбор из 5 процессоров, 44 периферийных устройств и 19 комбинаций питания, быстродействия и памяти. Пользователь мог эксплуатировать те же самые магнитные ленты и дисковые накопители с процессорами, различающимися по производительности в 100 раз. Сейчас взаимозаменяемость компонентов и возможность наращивания мощности за счет добавления ресурсов кажется обычным делом, но до появления S/360 ничего подобного не было — каждый компьютер был уникальным устройством и все они были несовместимы между собой. Именно поэтому серия System/360 считается одним из величайших технологических достижений ХХ века. Отметим, что выпуск этой серии оказал заметное влияние и на развитие отечественной вычислительной техники: IBM-совместимые мэйнфреймы успешно выпускались в нашей стране в 70-х и 80-х годах.

Мэйнфреймы IBM лидируют в двух престижных рейтингах аппаратной безопасности: EAL5 Certification и FIPS 140-2 Level 4 for Cryptography. 9 июня 2005 года - IBM объявила, что ее флагманский мэйнфрейм среднего класса IBM eServer z890 отныне наряду с тремя другими мэйнфреймами IBM вошел в число единственных в мире серверов, прошедших высший уровень сертификации аппаратной безопасности - Common Criteria Evaluation Assurance Level 5 (EAL5).

Кластерные архитектуры

Основными проблемами построения вычислительных систем для критически важных приложений, связанных с обработкой транзакций, управлением базами данных и обслуживанием телекоммуникаций, являются обеспечение высокой производительности и продолжительного функционирования систем.

Задача обеспечения продолжительного функционирования системы имеет следующие составляющие: надежность, готовность и удобство обслуживания. Эти составляющие предполагают, в первую очередь, борьбу с неисправностями системы, вызванными сбоями в ее работе. Эта борьба ведется по всем трем направлениям, которые взаимосвязаны и применяются совместно.

Кластер представляет собой два или более компьютеров (часто называемых узлами), объединяемые при помощи сетевых технологий на базе шинной архитектуры или коммутатора и предстающие перед пользователями в качестве единого информационно-вычислительного ресурса. В качестве узлов кластера могут быть выбраны серверы, рабочие станции и даже обычные персональные компьютеры. Узел характеризуется тем, что на нем работает единственная копия операционной системы. Возможности масштабируемостикластеров позволяют многократно увеличивать производительность приложений для большего числа пользователей технологий. Кластеризация может осуществляться на разных уровнях компьютерной системы, включая аппаратное обеспечение, операционные системы, программы-утилиты, системы управления и приложения. Чем больше уровней системы объединены кластерной технологией, тем выше надежность, масштабируемость и управляемость кластера.

Компьютеры, объединенные в кластер, могут при отказе одного процессора перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера. Это, возможно, наиболее важная задача многих поставщиков систем высокой готовности. Еще одним назначением кластеров является балансирование нагрузки между компьютерами, при интенсивном доступе пользователей к дисковым ресурсам кластера.

Первой концепцию кластерной системы анонсировала компания DEC, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации. В настоящее время кластеры строятся и на базе серверов с процессорами Intel.