Лекция 1 Вычислительные сети – частный случай распределенных систем

Компьютерные сети относятся к распределенным (или децентрализованным) вычислительным сис­темам. Поскольку основным признаком распределенной вычислительной системы является наличие нескольких центров обработки данных, то наряду с компьютерными сетями к распреде­ленным системам относят также мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычисли­тельные комплексы.

Мультипроцессорные компьютеры

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою программу. В мультипроцес­соре сущест­вует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычис­лительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдель­ными процессорами орга­низуется наиболее простым способом – через общую оперативную память.

Сам по себе процессорный блок не является законченным компьютером и поэтому не может вы­полнять программы без остальных блоков мультипроцессорного компьютера – памяти и перифе­рийных устройств. Все периферийные устройства являются общими для всех процессоров мультипроцес­сорной системы. Территориальную распределенность мультипроцессор не поддерживает – все его блоки размещаются в одной или нескольких близко расположен­ных конструкциях, как и у обычного компьютера.

Основное достоинство мультипроцессора – его высокая производительность, которая достига­ется за счет параллельной работы нескольких процессоров. Т. к. при наличии общей памяти взаимодей­ствие процессоров происходит очень быстро, мультипроцессоры могут эффективно выполнять даже приложения с высокой степенью связи по данным.

Еще одним важным свойством мультипроцессорных систем является отказоустойчивость, то есть способность к продолжению работы при отказах некоторых элементов, например, процессоров или блоков памяти. При этом производительность, естественно, снижается, но не до нуля, как в обыч­ных системах, где отсутствует избыточность.

Многомашинные системы

Многомашинные системы – это вычислительный комплекс, включающий в себя несколько компь­ютеров, каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы, а также программные и аппаратные средства связи, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Работа любой многомашинной системы определяется двумя главными компонентами: высокоско­ростным механизмом связи процессоров и системным программным обеспечением, которое пре­доставляет пользователям и приложениям прозрачный доступ к ресурсам всех компьютеров, вхо­дящих в комплекс. В состав средств связи входят программные модули, которые занимаются рас­пределением вычислительной нагрузки, синхронизацией вычислений и реконфигурацией системы. Если происходит отказ одного из компьютеров комплекса, его задачи могут быть автоматически переназначены и выполнены на другом компьютере. Если в состав многомашинной системы входят несколько контроллеров внешних устройств, то в случае отказа одного из них другие контроллеры автоматически подхватывают его работу. Так достигается высокая отказустойчивость комплекса в целом.

Помимо повышения отказоустойчивости, многомашинные системы позволяют достичь высокой производительности за счет организации параллельных вычислений. По сравнению с мультипро­цессорными системами возможности параллельной обработки в многомашинных системах ограни­чены: эффективность распараллеливания резко снижается, если параллельно выполняемые задачи тесно связаны между собой по данным. Это объясняется тем, что связь между компьютерами мно­гомашинной системы не такая тесная, как между процессорами в мультипроцессорной системе, ведь основной обмен данными осуществляется через общие многовходовые периферийные устрой­ства. В отличие от мультипроцессоров, где используются сильные программные и ап­паратные связи, в многомашинных системах аппаратные и программные связи между обрабаты­вающими устройствами слабее. Территориальная распределенность в многома­шинных комплексах не обеспечивается, т. к. расстояния между компьютерами определяются дли­ной связи между процессорным блоком и дисковой подсистемой.

Вычислительные сети

В вычислительных сетях программные и аппаратные связи еще слабее, а авто­номность обрабатывающих блоков проявляется в наибольшей степени – основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имеющие ни общих блоков памяти, ни общих перифе­рийных устройств. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных уст­ройств – сетевых адаптеров, соединенных каналами связи. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи.

Методы классификации компьютеров

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствии внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.

Компьютеры классифицируются по ряду признаков, в частности, по принципу дейст­вия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и др.

Классификация ЭВМ по принципу действия

Электронная вычислительная машина, компьютер – комплекс технических средств, предназначен­ный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информа­ционных задач.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 1.1): аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

Рис. 1.1 Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления ин­формации, с которой они работают (рис. 1.2).

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного дейст­вия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т. е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напря­жения).

Рис. 1.2 Две формы представления информации в машинах:

а – аналоговая; б – цифровая импульсная.

Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по же­ланию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность составляет 2-5 %). На АВМ эффективнее всего решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие слож­ной логики.

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Самое широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной ин­формации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто элек­тронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), про­блемно-ориентированные и специализированные (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Классификация ЭВМ по назначению

Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных технических, экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большими объемами обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных цен­трах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

высокая производительность;

разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичные, десятичные, символьные) при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специаль­ных;

большая емкость оперативной памяти;

развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разно­образных внешних устройств.

Про­блемно-ориентированные ЭВМ служат для решения довольно узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производи­тельности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.