Литвинов / Системи розподіленої обробки інформації.release

1. Призначення та особливості розподілених систем

Розподіленою обчислювальною системою (РОС) називають множину незалежних ресурсів, що можуть взаємодіяти між собою з метою спільного рішення обчислювальних завдань. У більш вузькому сенсі, РОС - це множина автономних машин-обчислювачів (вузлів), об'єднаних мережею з установле-

ним спеціалізованим програмним забезпеченням, які складають цільне, по-

годжене середовище для вирішення обчислювальних задач. У ряді випадків розподілені системи дозволяють забезпечити більш ефективне виконання за-

дач у порівнянні з багатопроцесорними системами, основними перевагами при цьому являються гнучкість організації системи та масштабованість ресу-

рсів. Слід відзначити, що ключовим компонентом (хребтом) такої системи є відповідний шар програмного забезпечення (ПЗ), що надає можливість ско-

ординованої роботи визначеної кількості гетерогенних ресурсів - фізичних обчислювачів та програмних додатків, які функціонують під керуванням операційних систем (ОС) (рис.1). Цей шар базується на стандартах щодо на представлення та обміну (representation and exchange) інформацією. Особли-

востями ресурсів є можливість незалежного використання, скоординована робота (collaboration) з метою вирішення обчислювальної задачі, доступність до кінцевого користувача. Об’єднання ресурсів повинно здійснюватись у ви-

гляді єдиної, несуперечливої (coherent) системи. Важливою складовою вище-

означеного шару ПЗ РОС являється набір методів, підходів, засобів розподі-

лення та управління вирішенням обчислювальних завдань (tasks), множина яких складає обчислювальну задачу (computing problem). Безумовно ПЗ РОС можливо розглядати на різних рівнях, виділити додаткові шари, класи ком-

понентів залежно від їх специфіки. Але основу такого ПЗ складає ряд серві-

сів, які формують інтерфейс взаємодії компонентів різних програмних додат-

ків та вирішують проблеми, пов’язані з відмінностями апаратних та програм-

них платформ.

10

Рис. 1. Модель розподіленої системи.

Ключовими характеристиками розподілених систем являються: прозо-

рість, відкритість, паралельність виконання завдань, масштабованість, стій-

кість до помилок [1]. Розглянемо ці характеристики.

Прозорість (Transparency). Дана характеристика припускає прихову-

вання деталей реалізації, структури й функціонування системи. Щодо струк-

турної складової системи - приховуються особливості представлення даних,

наявність ряду різнорідних програмних і апаратних ресурсів, особливості їх конкурентного використання. Стосовно процесів − приховуються наявність паралельної обробки (concurrency), міграції (migration) або переміщення

(reallocation) ресурсів. Міграція на відмінність від переміщення означає «жи-

ве» переміщення ресурсу або обчислювального процесу на інший вузол РОС без зупинки процесу користування (наприклад, live migration в системі

Mіcrosoft Hyper-V користувальницьких віртуальних машин з одного вузла кластера на інший для збалансування потужності).

Важливою функцією розподіленої системи є приховування деталей та навіть факту розподілення обчислень між багатьма апаратними та програм-

11

ними ресурсами, деталей координації їх роботи. Основні види прозорості,

які забезпечуються розподіленими системами наведені у таблиці 1.

Відкритість (Openness). Відкритість системи для розвитку(evolution)

та використання означає її незалежність від специфіки ресурсів, доступність для використання програмними додатками користувача. Відкритість досяга-

ється шляхом введення специфікації програмної взаємодії. При цьому слід відзначити такі характеристики, як портируємість (portability) і інтероперабе-

льність (interoperability) компонентів системи. Портируємість - характерис-

тика, що оцінює здатність переносу системи з однієї платформи (програмної або апаратної) на другу. Так програмний модуль називається портируємим у випадку, якщо його адаптація до нових умов (платформи) менша ніж ціна пе-

реробки даного продукту. Інтероперабельність - оцінює можливість взаємо-

дії системи з іншими системами, незважаючи на можливі розходження, які пов'язані з їхньою реалізацією (мова програмування, середовище виконання).

Обидві характеристики пов’язані зі спроможністю повторного використання продукту (reuse) у новому середовищі, або безпосередньо, або за новими

12

умовами, відмінними від тих, за якими він був створений.

Паралельність обчислень (Concurrency). Паралельність виконання досягається шляхом паралельного розсилання запитів на виконання завдань на ряд зв'язаних обчислювачів.

Масштабованість (Scalability). Якщо при наявності певної кількості машин обчислювальна потужність системи недостатня, то можна її розши-

рити шляхом додавання нових апаратних та програмних ресурсів.

Обробка помилок (Fault-tolerance). Робочі машини можуть приймати на себе роль резервних обчислювачів у випадку виходу з ладу інших машин

(через збій апаратного або програмного забезпечення). У такому випадку го-

ворять, що збої і помилки можуть бути виявлені й оброблені іншими маши-

нами. Головною ідеєю являється приховування від користувача та обробка виключних ситуацій: прогнозування виключних ситуацій, відновлення робо-

ти процесів та їх станів, розподілення навантаження на інші вузли.

До переваг використання розподілених систем слід віднести:

оптимізацію використання ресурсів, яка досягається використанням неза-

діяних потужностей (процесори), ємностей накопичувачів (оперативної або дискової пам'яті), графічних можливостей (графічні процесори), периферій-

них пристроїв (принтери, плотери);

підвищення швидкості доступу до даних за рахунок використання розподі-

лених баз даних і широкомовних запитів/відповідей;

підвищення інформаційної ємності системи за рахунок збільшення кілько-

сті вузлів мережі;

підвищення швидкості обробки даних, що обумовлює збільшення загаль-

них обчислювальних можливостей системи щодо окремих її вузлів;

підвищення стійкості системи, яка досягається шляхом організації децент-

ралізованої обробки.

Розподілені системи мають довгу історію розвитку (1966 рік), але пік розвитку може бути визначений широким поширенням мережі Інтернет, яке,

в свою чергу, обумовлено появою потужних персональних та серверних

13

комп'ютерів, швидких локальних і глобальних мереж, відповідного

програмного забезпечення.

2. Інформаційні моделі управління бізнес-процесами підприємств

2.1. Принципи побудови оптимізаційних моделей

Одним з інструментів для оцінки тенденцій розвитку інформаційних технологій, у тому числі і технологій розподілених обчислень, являється на-

бір моделей оптимізації інфраструктури, запропонований фірмою Microsoft

для визначення рівня розвитку інфраструктури підприємства, та шляхів її по-

кращення. Інформаційні технології за відомим слоганом Microsoft служать бізнесу, основною рисою якого являється мінливість (agility). Згідно з модел-

лю управління бізнес процесами (business process management model), яка за-

стосовується в більшості ведучих американських компаній, фази виконання та моніторингу бізнесу є тісно пов’язаними з інформаційними технологіями.

А згідно з дослідженнями Гартнер [Gartner, 2010] (“2010 CIO Survey: A Time of Great IT Transition”) організація IT повинна давати додатковий ефект, не вимагаючи при цьому додаткових витрат. Для реалізації зростаючих вимог бізнесу слід застосовувати нові методичні підходи, які дозволяють досягнути максимальних цілей бізнесу з мінімальними витратами на побудову та підт-

римку ІТ інфраструктури.

З метою визначення можливих напрямків розвитку ІТ інфраструктури підприємства Microsoft пропонує дві ключові моделі: інфраструктура проду-

ктивності бізнесу (Business Productivity Infrastructure - BPIO) та основна мо-

дель інфраструктури (Core Infrastructure - Core IO). Ці моделі ілюструють стратегічну цінність та переваги, які отримує бізнес в результаті здійснення переходу від базового рівня оптимізації з хаосом технологій та необґрунто-

ваністю витрат до динамічної інфраструктури, де цінність інфраструктури для бізнесу має ясне визначення і обґрунтування. Деякі автори оглядів та пропагандисти Microsoft використовують термін шляхова карта ІТ (IT

14

roadmap), яка дозволяє начальникам інформаційних відділів підприємств об-

рати правильний шлях до успіху.

Кожна з моделей має ключові можливості (key capabilities) та рівні на-

вантаження (levels workloads), які дозволяють відобразити бізнес-фактори та пріоритети на технологічні рішення, що можуть формуються на базі функці-

ональних можливостей платформи.

2.2. Модель базової оптимізації інфраструктури (CIO)

Розглянемо модель базової оптимізації інфраструктури (Core Infrastr - cture Optimization). Вона спрямована на побудову та оптимізацію базової ін-

фраструктури підприємства, включаючи управління мережевими ресурсами,

організацію безпечної мережі. В основу оптимізації покладено продукт

Windows Server, який підтримує велику кількість мережевих служб. Для управління інфраструктурою застосовуються такі продукти, як Microsoft System Management Server, Microsoft Operations Manager. При цьому визна-

чають наступні характеристики.

Управління та віртуалізація центрів обробки даних (Datacenter

Management and Virtualization) сфокусовані на кращих практиках управління та обслуговування серверів, пристроїв зберігання даних, мережевих компо-

нентів, та інших апаратних і програмних ресурсів центру обробки даних. Во-

ни спрямовані на забезпечення консолідації всіх інструментів управління та якісної звітності, оцінку гетерогенних компонентів системи, а також високої доступності сервісу. Для цього застосовуються технології кластеризації та балансування навантаження.

Розгортання та управління пристроями (Device Deployment and

Management) сфокусоване на управління апаратно-програмним забезпечен-

ням та політикою користувальницького доступу. Поширення пристроїв ІТ диктує вимоги до введення стратегії блокування, шифрування та забезпечен-

ня безпеки пристрою, узгодження конфігурацій.

15

Служби ідентифікації та безпеки (Identity and Security Services) опи-

сують кращі практики організації управління та захисту, ідентифікації корис-

тувачів і авторизації бізнес-ресурсів і додатків. Це також допомагає керувати доступом для корпоративних мобільних користувачів, клієнтів і партнерів за межами брандмауера. Ця можливість охоплює методи і стратегії для захисту різної інформації, яка знаходиться всередині організації на серверах, клієнт-

ських системах чи мережевих ресурсах.

Процеси та узгодження IT (IT Process and Compliance) надають ос-

нову для організації планування, розробки, розгортання та підтримки ІТ-

послуг і рішень, допомагаючи забезпечити високу надійність і доступність.

Це також допомагає організаціям узгоджувати елементи управління ІТ з біз-

несом та визначити політику і надійність для IT звітності.

Розглянемо особливості організації рівнів навантаження (levels workloads) з метою оптимізації інфраструктури ІТ.

Можна виділити наступні недоліки базової інфраструктури: ручне управління, локалізовані процеси, слабкий центральний контроль, відсут-

ність або невиконання політик безпеки, резервного копіювання, розгортання сервісу та інших загальних IT стандартів. Існує загальний недолік знань про деталі інфраструктури, тому неможливо визначати тактику поліпшення сер-

вісу. Через брак інструментів та ресурсів немає моніторингу стану додатків.

Відсутній механізм розповсюдження накопичених знань через середовище

IT. Користувачі базових інфраструктур визнають, що їх середовище надзви-

чайно складно контролювати, мають важку реалізацію клієнтської сторони,

високі витрати на управління сервером, слабкий захист системи, дуже малий вплив на можливість покрашення бізнес процесу за допомогою IT. Взагалі будь-яке внесення змін в програмне забезпечення пов'язано з величезними витратами людських та фінансових ресурсів.

Перехід від базової до стандартизованої інфраструктури дозволяє зна-

чно скоротити витрати за рахунок:

розробки стандартів, політики та управління згідно визначеної стратегії;

16

зниження ризиків безпеки шляхом розробки «оборони в глибину» - бага-

торівневого підходу до безпеки: сервер – робоча станція – додаток;

автоматизації багатьох ручних і трудомістких завдань;

впровадження кращих практик управління сервісами (напр., ITIL - http://www.itil-officialsite.com/ і т.д.);

спроби зробити IT стратегічним активом (asset).

Розглянемо наступні характеристики і визначення ІТ інфраструктури.

Стандартизована інфраструктура запроваджує управління шляхом використання стандартів і політик керування робочими станціями та серве-

рами, способів включення машин в мережу, розгортання служби Active

Directory для керування ресурсами, застосування політики безпеки та конт-

роль доступу. Користувачі стандартизованої інфраструктури працюють в рамках базових стандартів, але деякі політики, як і раніше, досить реактивні,

тобто спрямовані на вирішення (реакцію) проблеми, а не на запобігання її виникнення. Внесення змін в програмне забезпечення, розгортання сервісу та обслуговування робочих станцій пов'язане із досить великими витратами людських та фінансових ресурсів. Тому на цьому рівні доцільне проведення інвентаризації апаратної та програмної складових, управління ліцензіями. За-

ходи зовнішньої безпеки, які розроблені за принципом «оборони в глибину» покращилася, але внутрішня безпека піддається ризикам.

При переході від стандартизованого до раціоналізованого стану, корис-

тувачі отримають значний контроль над інфраструктурою, визначені проак-

тивні політики та процеси, починають їх підготовку до спектру можливих ризиків. Важливу роль грає при цьому впровадження концепції управління службами. Технологія також починає грати набагато більшу роль, стає важ-

ливою складовою, цінним активом бізнесу.

Раціоналізована інфраструктура (Rationalized). Їі метою є: значне зниження затрат, що пов'язані з управлінням робочих станцій і серверів;

спрямованість процесів і політик на підтримку і розширення бізнесу. Безпека

дуже активна і швидко реагує на загрози. Використання технології ZIT (Zero

17

Touch Deployment - http://technet.microsoft.com/en-us/library/dd919178 (v=ws.10).aspx) мінімізує витрати, час розгортання і технічні складнощі. Про-

грамне забезпечення станцій класифіковане та зведене до певної кількості варіантів, управління відбувається за мінімальну кількість рухів. Вони мають прозору інвентаризацію апаратного та програмного забезпечення і тому здій-

снюється придбання тільки чітко визначених ліцензій та комп'ютерів. Безпе-

ка є надзвичайно активною (pro-active) з суворою політикою та контролем від настільного комп'ютера до сервера.

Користувачі виграють на рівні бізнесу, рухаючись від цього раціоналі-

зованого стану до динамічного стану. Переваги від впровадження нових або альтернативних технологій, що беруть на себе управління бізнес - ризиками,

набагато переважають додаткові витрати. Служба управління здійснюється за допомогою декількох сервісів з організацією заходів щодо більш широкого впровадження IT. Користувачі, які розглядають значення динамічного стану,

зазвичай шукають моделі ІТ інфраструктури для забезпечення переваг їх бі-

знесу у конкурентній боротьбі.

Динамічна інфраструктура. Користувачі з динамічною інфраструкту-

рою в повній мірі усвідомлюють те стратегічне значення, яке може забезпе-

чити ІТ інфраструктура, допомагаючи вести свій бізнес ефективно і залиша-

тися попереду конкурентів. Витрати повністю контролюються, інтеграція між користувачами та даними, настільними комп'ютерами і серверами, спів-

праця між користувачами та відділами є широко поширеною, користувачі мобільних пристроїв мають сервіси та можливості на рівні звичайних опера-

торів. Процеси повністю автоматизовані, часто вбудовані в саму технологію,

що дозволяє IT швидко приладжуватися до змін бізнесу. Додаткові інвести-

ції в технології дають конкретні, швидкі, відчутні переваги для бізнесу. Ви-

користання власного резервування програмного забезпечення і формування карантинних систем (quarantine-like systems) для забезпечення виправлення помилок та дотримання встановлених політик безпеки дозволяє динамічно організовувати процеси, які підвищують надійність, знижують витрати і під-

18

вищують рівень обслуговування. Користувачі виграють від збільшення част-

ки їх інфраструктури, що є динамічним, і забезпечує підвищений рівень сер-

вісу, конкурентні переваги і більшу кількість бізнес-задач. Управління служ-

бами реалізоване для всіх критично важливих сервісів згідно угоди про рі-

вень обслуговування (service level agreements) і встановлених операційних ві-

дгуків.

2.3. Модель оптимізації продуктивності бізнесу (BPIO)

Вона визначає принципи роботи компанії, які дозволяють підвищувати її продуктивність за рахунок більш тісної взаємодії між співробітниками, ефек-

тивного управління та аналізу розподілених даних. Технологічною платфор-

мою цієї моделі є продукти Microsoft Office, Microsoft Exchange Server, Microsoft SharePoint, Microsoft Dynamics CRM, Office Project Server, Office Performance Point. Ключовими можливостями є: співпраця, обмін повідом-

леннями, уніфікація зв’язку, управління контентом. Розглянемо складові ці-

єї моделі.

Співпраця (Collaboration) описує шляхи використання робочого прос-

тору (workspaces), засобів пошуку та порталів для забезпечення продуктив-

ного середовища спільної роботи, яке відповідає конкретним вимогам бізнесу с застосуванням IT. При цьому пропонуються соціально-обчислювальні мо-

жливості, надаються стратегії для індексування та пошуку даних, інтеграції порталів з line-of-business додатками (LOB) і федеративних відносин з парт-

нерами та клієнтами. Ця складова фокусується також на наданні користува-

чам якісного інформаційного (information-rich) середовища, розгорнутого на базі локальних та хмарних сервісів, засобів ефективного планування та управління з метою кращого узгодження з стратегіями та цілями бізнесу.

Обмін повідомленнями (Messaging) – основний компонент внутрішніх і зов-

нішніх корпоративних комунікацій. Процедура сконцентрована на забезпе-

ченні доступу до електронної пошти, розкладу, голосового спілкування, кон-

тактів різноманітним клієнтам та пристроям. Для цього розглядаються полі-

19