Организацияфункционированиявычислительныхсистем

Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного использования вычислительных модулей. Последнее условие необходимо, поскольку в ВС обычно предусматривается более высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля. Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке отдельных заданий или пакетов заданий.

В зависимости от структурной организации ВС можно выявить некоторые особенности построения их операционных систем.

ОперационныесистемымногомашинныхВСявляются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, поскольку здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот факт, что для каждой машины ВС другие машины играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение. Все обмены данными между ЭВМ должны предусматриваться пользователями путем включения в программы специальных операторов распараллеливания вычислений. По этим обращениям ОС ВС включает особые программы управления обменом. При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных заданий. Такие ОС, организуя обмен, должны формировать и устанавливать связи, контролировать процессы обмена, строить очереди запросов, решать конфликтные ситуации.

В многомашинных ВС диспетчерские функции могут решаться на централизованной или децентрализованной основе. Связь машин обычно устанавливается в порядке подчиненности: «главная ЭВМ — вспомогательная ЭВМ». Например, в пакете Norton Commander имеется возможность установить подобную связь: Master — Slave.

ПрограммноеобеспечениемногопроцессорныхВСотличается большей сложностью. Это объясняется глубинной сложностью всестороннего анализа процессов, формируемых в ВС, а также сложностью принятия решения в каждой конкретной ситуации. Здесь все операции планирования и диспетчеризации связаны с динамическим распределением ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, данных системных таблиц, программ, периферийного оборудования и т.п.). Центральное место в этом отводится степени использования и методам управления общей оперативной памятью. Здесь очень часто могут формироваться множественные конфликты, требующие сложных процедур решения, что приводит к задержкам в вычислениях. Как таковые автономные ОС отдельных процессоров отсутствуют.

Для обеспечения эффективной работы многопроцессорных систем их операционные системы специализируют на следующие типовые методы взаимодействия процессоров:

• «ведущий — ведомый»;

• симметричная или однородная обработка во всех процессорах; • раздельная независимая работа процессоров по обработке заданий.

Выбор метода «ведущий — ведомый» в наибольшей степени соответствует ВС с централизованным управлением. Здесь имеется определенная аналогия с многомашинными системами, организованными по принципу «главная ЭВМ — вспомогательная ЭВМ». Диспетчерские функции выполняются только одним процессором системы. Закрепление этих функций может быть фиксированным и плавающим.

Для этого выделяется специализированный процессор или обычный процессор универсального типа, переключающийся и на выполнение вычислений.

Системы типа «ведущий — ведомый» отличаются довольно простым аппаратным и программным обеспечением. Они должны получить распространение в МРР-структурах, но следует иметь в виду, что длительное время планирования может быть причиной простоев ведомых вычислителей.

Симметричная или однородная обработка в матрице процессоров возможна при использовании однотипных процессорных элементов, каждый из которых имеет непосредственные связи по передаче данных с другими элементами. В отличие от ОКМД-структур ранних выпусков, в которых синхронизировалось выполнение отдельных команд, в МРР-структурах симметричная обработка должна обеспечивать синхронизацию выполнения целых процессов. К сожалению, ни один из существующих языков программирования не содержит эффективных средств управления параллельными вычислениями. Такая система имеет большие преимущества. Она обладает повышенной живучестью и сохраняет работоспособность при выходе из строя даже нескольких процессоров матрицы, так как здесь имеется более высокий уровень резервирования. В ней обеспечивается более полная загрузка процессоров с лучшим использованием их процессорного времени. Расход других общесистемных ресурсов также выше.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность реализовывать эти структуры в виде сверхбольших интегральных схем (СБИС), что позволяет получить дополнительные преимущества:

• короткие соединительные линии между процессорными элементами. Это приводит к расширению полосы пропускания и уменьшению задержек; • регулярность структуры, позволяющая увеличивать плотность упаковки

СБИС и упрощать ее разработку;

• высокая степень распараллеливания вычислений, что позволяет обеспечить высокую производительность.

Для управления процессом вычислений из однородной среды процессорных элементов выделяется один, играющий роль ведущего. Эти функции при необходимости могут передаваться от одного процессора к другому.

Раздельная или независимая работа вычислителей в многопроцессорных ВС осуществляется при параллельной обработке независимых заданий. Это позволяет получить максимальную производительность системы. Процедуры управления ею достаточно просты и уже опробованы на практике.

1.ПредпосылкипоявленияиразвитияВСт.

Вычислительнаясеть - это система взаимосвязанных и распределенных ЭВМ, ориентированных на коллективное использование общественных ресурсов. В качестве ресурсов сети используются аппаратные, программные и информационные объекты.

Цельсоздания - это обеспечение удобного и надежного доступа пользователей к ресурсам.

Сетипозволяютрешить2проблемы:

1. Неограниченный доступ пользователей к ЭВМ независимо от территориального расположения.

2. Возможность оперативного перемещения больших массивов информации для использования.

В сетях ЭВМ все машины могут работать автономно. Они могут автоматически связываться друг с другом под управлением ОС сети.

Для построения сети используется система передачи данных и каналообразующая аппаратура, относящаяся к 4-му уровню комплексирования:

- каналы связи

- мультиплексеры

- модемы

- адаптеры Преимущества:

1. Параллельная обработка данных

2. Возможность создания распределенных БД

3. Возможность обмена большими объемами информации

4. Коллективное использование ресурсов

5. Гораздо больший перечень услуг

6. Повышение эффективности применения ЭВМ и ВТ

7. Оперативное перераспределение мощности и резервов

8. Сокращение расходов на приобретение и эксплуатацию технических и программных средств

9. Облегчение работ по совершенствованию сети

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕСЕТИ

Телекоммуникационнаявычислительнаясеть— это сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи. Средства передачи и обработки информации в ТВС ориентированы на коллективное использование общесетевых ресурсов: аппаратных, программных, информационных - ТВС называют в литературе также информационными вычислительными сетями, компьютерными сетями. Мы в дальнейшем будем использовать термин ТВС.

Телекоммуникационная система (или коммуникационная подсеть) включает физическую среду передачи информации, аппаратные и программные средства, обеспечивающие взаимодействие абонентских станций. Важнейшими функциями при этом являются: синхронизация взаимодействия абонентских систем при обмене информацией, коммутация соединений, маршрутизация сообщений.

Обобщенная функциональная схема ТВС (рис.) включает в себя абонентские станции и телекоммуникационную систему. Узлами сети являются абонентские станции АС1,..., ACN. Абонентскаястанциявключает в себя ВМ (либо ВС), программный интерфейс и аппаратный интерфейс.

Программные средства, реализующие сетевые функции в абонентской станции, образуют программныйинтерфейс — часть системного ПО ВМ.

Специализированные аппаратные средства образуют дополнительный блок в ВМ, называемый «сетевой адаптер» или «сетевая карта». Этот блок реализует аппаратныйинтерфейс (см. рис.).

Рис. ОбобщеннаяфункциональнаясхемателекоммуникационнойВС: АО, АС2, ..., ACN — абонентскиестанции; ВМ — вычислительнаямашина

Признаки ЛВС:

• децентрализация терминального оборудования (Пр, дисплей, печатающие устройства и т.п.);

• данные передаются по общей физической среде (коаксиальный кабель, витая пара, многожильные провода, оптоволоконный кабель);

• возможность реконфигурации и развития сети путём подключения новых терминалов без существенных изменений;

• наличие контроллеров, являющихся автономными узлами сети, которые освобождают ЭВМ от управления сетью (сетевые платы).

Основные характеристики ЛВС:

• территориальная протяжённость сети (длина общего канала связи);

• максимальная скорость передачи данных;

• максимальное число узлов в сети;

• максимально возможное расстояние между узлами в сети;

• топология сети;

• вид физической среды передачи данных;

• максимальное число каналов передачи данных;

• тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);

• метод доступа абонента в сеть;

• структура ПО;

• возможность передачи речи и видеосигналов;

• условия надёжной работы сети;

• возможность связи ЛВС между собой и сетью более высокого уровня;

• возможность использования процедуры установки приоритета при одновременном подключении абонентов к общему кабелю связи.

Классификация сетей

В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:

• Глобальные сети (Wide Area Network — WAN) — сети, объединяющие тысячи узлов, удаленность которых может достигать нескольких тысяч километров. Глобальные сети объединяют абонентов, которые могут находиться в разных странах и на разных континентах. В связи с большой сложностью такие сети имеют иерархическую структуру.

• Региональные сети (Metropolitan Area Network — MAN) — сети, объединяющие абонентов района, города, области. Удаленность абонентов обычно составляет десятки — сотни километров.

• Локальные сети (Local Area Network — LAN) — сети, объединяющие до нескольких сотен узлов, удаление которых не превышает нескольких километров. Обычно локальные ВС создают в пределах одного здания.

• Системные сети (Storage or system Area Network — SAN) — это высокопроизводительные ВС, объединяющие до нескольких сотен узлов, с длиной связей до 100 м, располагаемые чаще всего в специальном машинном зале.

Различают интегрированные сети, неинтегрированные сети и подсети. Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями.

В зависимости от топологиисоединенийузлов различают сети шинной (магистральной), кольцевой, звездной, иерархической, произвольной структуры. Среди ЛВС наиболее распространены (рис. 1.1):

• шинная (bus) - локальная сеть, в которой связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же среде передачи данных (последнее свойство называют широковещательностью);

• кольцевая (ring) - узлы связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только две линии); данные, проходя по кольцу, поочередно становятся доступными всем узлам сети;

• звездная (star) - имеется центральный узел, от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов.

Взависимостиотспособауправленияразличаютсети:

• "клиент/сервер" - в них выделяется один или несколько узлов (их название - серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент/сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами по типам серверов (например, файлсерверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах;

• одноранговые - в них все узлы равноправны; поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером - объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

ВзависимостиоттипаЭВМразделяютна:

одинаковые или неодинаковые ЭВМ применяют в сети, различают сети однотипных ЭВМ, называемые однородными, и разнотипных ЭВМ - неоднородные (гетерогенные). В крупных автоматизированных системах, как правило, сети оказываются неоднородными.

Сети также различают в зависимости от используемых в них протоколов и по способам коммутации:

• с коммутацией каналов – установление непосредственного физического соединения между отправителем и получателем из нескольких последовательно соединённых каналов. Образуется на весь сеанс связи. Затем может разрушиться.

• с коммутацией сообщений. Передача в виде дискретных порций между источником и получателем. При передаче сообщений указывается адрес. Передача осуществляется через центры коммутации каналов (ЦКС), которые передают сообщение по свободным в данный момент времени каналам. В ЦКС осуществляется промежуточное хранение в памяти, контроль ошибок, преобразование форматов данных и т.п. Таким образом, СПД с КС устанавливает виртуальный канал, устраняет недостатки СПД с КК. Однако, сложно в диалоговом режиме.

• с коммутацией пакетов. Сообщение делится на пакеты фиксированной длины (например, 1 Кб), каждый сопровождается адресом отправителя, адресом получателя и номером пакета в сообщении. Пакеты передаются по сети как независимые сообщения. В пункте назначения осуществляется накопление пакетов и формирование исходного сообщения. Пакеты одного сообщения могут передаваться одновременно по различным маршрутам. Это повышает надёжность передачи сообщения, уменьшает вероятность ошибок и время занятости повторными передачами. Сочетает преимущества КК и КС.

По видамсвязиирежимамработысетей передачи сообщений.

Связь может быть односторонней (симплексной), с попеременной передачей информации в обоих направлениях (полудуплексной) или одновременной в обоих направлениях (дуплексной).

Первоначальными видами сообщений могут быть голос, изображения, текст, данные. Для передачи звука традиционно используется телефон, изображений - телевидение, текста - телеграф (телетайп), данных - вычислительные сети. Передача документов (текста) может быть кодовой или факсимильной. Для передачи в единой среде звука, изображений и данных применяют сети, называемые сетями интегрального обслуживания.

Рис. Требования к пропускной способности канала для различных видов сервиса.

Пометодудоступасетиразделяютна:

• Случайный (при децентрализованном управлении) – все станции равноправны. Каждая может обратиться в любое время. Возможны конфликты. Сокращение конфликтов – предварительное прослушивание шины. Если занята – станция возобновляет попытку занять шину. Применяется лишь в незагруженных сетях. Низкий КПД канала.

• Детерминированный – определённое время выхода в сеть. Могут быть приоритеты.

o Маркерный метод. Передачу производит только абонент, у которого есть в данный момент времени маркер. Остальные работают на приём. Передачу маркера от станции к станции задаёт управляющая станция сети. Получивший маркер абонент выдаёт в шину кадр информации. Если кадра нет, то сразу передаёт маркер другому абоненту согласно установленному правилу. Смену правила передачи маркера производит управляющая станция сети.

o Метод деления на временные интервалы. Применяется в кольцевых сетях. Осуществляется передача кадрами фиксированной длины. В кольцевом канале управляющая сигналами станция выделяет временные сегменты фиксированной длины. Сегменты циркулируют по кольцу. Каждая станция может поместить свой кадр данных в один из них, который помечен как свободный. Сегмент становится занятым. После доставки адресату сегмент освобождается.