МИРЭА |
Высокопроизводительные информационно-вычислительные системы |
Конспект лекций |
|
Заведующий кафедрой ИТ, профессор,доктор физико-математических наук Э.Г.Никонов |
17.01.2011 |
[Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа.] |
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» |
Высокопроизводительные информационно-вычислительные системы |
Конспект лекций |
Заведующий кафедрой ИТ, профессор, доктор физико-математических наук Э.Г.Никонов |
|
17.01.2011 |
[Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа.] |
Лекция №1 Определение распределенной информационно-вычислительной системы
Компьютерные системы претерпевают революцию. С 1945 года, когда началась эпоха современных компьютеров, до приблизительно 1985 года компьютеры были большими и дорогими. Даже мини-компьютеры стоили сотни тысяч долларов. В результате большинство организаций имели в лучшем случае лишь несколько компьютеров, и, поскольку методы их соединения отсутствовали, эти компьютеры работали независимо друг от друга. Однако в середине восьмидесятых под воздействием двух технологических новинок ситуация начала меняться. Первой из этих новинок была разработка мощных микропроцессоров. Изначально они были 8-битными, затем стали доступны 16-, 32- и 64-битные процессоры. Многие из них обладали вычислительной мощностью мэйнфреймов (то есть больших компьютеров), но лишь частью их цены. Скорость роста, наблюдавшаяся в компьютерных технологиях в последние полвека, действительно потрясает. Ей нет прецедентов в других отраслях. От машин, стоивших 100 миллионов долларов и выполнявших одну команду в секунду, мы пришли к машинам, стоящим 1000 долларов и выполняющим 10 миллионов команд в секунду. Разница в соотношении цена/производительность достигла порядка 1012. Если бы автомобили за этот период совершенствовались такими же темпами, «роллс-ройс» сейчас стоил бы один доллар и проходил миллиард миль на одном галлоне бензина (к сожалению, к нему потребовалось бы 200-страничное руководство по открыванию дверей).
Второй из новинок было изобретение высокоскоростных компьютерных сетей. Локальные сети (Local-Area Networks, LAN) соединяют сотни компьютеров, находящихся в здании, таким образом, что машины в состоянии обмениваться небольшими порциями информации за несколько микросекунд. Большие массивы данных передаются с машины на машину со скоростью от 10 до 1000 Мбит/с. Глобальные сети (Wide-Area Networks, WAN) позволяют миллионам машин во всем мире обмениваться информацией со скоростями, варьирующимися от 64 кбит/с (килобит в секунду) до гигабит в секунду. В результате развития этих технологий сегодня не просто возможно, но и достаточно легко можно собрать компьютерную систему, состоящую из множества компьютеров, соединенных высокоскоростной сетью. Она обычно называется компьютерной сетью, или распределенной системой (distributed system), в отличие от предшествовавших ей централизованных (centralized systems), или однопроцессорных (single-processor systems), систем, состоявших из одного компьютера, его периферии и, возможно, нескольких удаленных терминалов.
1.1. Определение распределенной системы
В литературе можно найти различные определения распределенных систем, причем ни одно из них не является удовлетворительным и не согласуется с остальными. Для наших задач хватит достаточно вольной характеристики.
------------------------------------------------------------------------------------------------------- Распределенная система — это набор независимых компьютеров, представляющийся их пользователям единой объединенной системой.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
В этом определении оговариваются два момента. Первый относится к аппаратуре: все машины автономны. Второй касается программного обеспечения: пользователи думают, что имеют дело с единой системой. Важны оба момента. Позже в этой главе мы к ним вернемся, но сначала рассмотрим некоторые базовые вопросы, касающиеся как аппаратного, так и программного обеспечения.
Возможно, вместо того чтобы рассматривать определения, разумнее будет сосредоточиться на важных характеристиках распределенных систем.
Первая из таких характеристик состоит в том, что от пользователей скрыты различия между компьютерами и способы связи между ними. То же самое относится и к внешней организации распределенных систем.
Другой важной характеристикой распределенных систем является способ, при помощи которого пользователи и приложения единообразно работают в распределенных системах, независимо от того, где и когда происходит их взаимодействие.
Распределенные системы должны также относительно легко поддаваться расширению, или масштабированию. Эта характеристика является прямым следствием наличия независимых компьютеров, но в то же время не указывает, каким образом эти компьютеры на самом деле объединяются в единую систему. Распределенные системы обычно существуют постоянно, однако, некоторые их части могут временно выходить из строя. Пользователи и приложения не должны уведомляться о том, что эти части заменены или починены или что добавлены новые части для поддержки дополнительных пользователей или приложений.
Для того чтобы поддержать представление различных компьютеров и сетей в виде единой системы, организация распределенных систем часто включает в себя дополнительный уровень программного обеспечения, находящийся между верхним уровнем, на котором находятся пользователи и приложения, и нижним уровнем, состоящим из операционных систем, как показано на рис. 1.1. Соответственно, такая распределенная система обычно называется системой промежуточного уровня (middleware).
Рис. 1.1. Распределенная система организована в виде службы промежуточного уровня. Отметим, что промежуточный уровень распределен среди множества компьютеров
Взглянем теперь на некоторые примеры распределенных систем. В качестве первого примера рассмотрим сеть рабочих станций в университете или отделе компании. Вдобавок к персональной рабочей станции каждого из пользователей имеется пул процессоров машинного зала, не назначенных заранее ни одному из пользователей, но динамически выделяемых им при необходимости. Эта распределенная система может обладать единой файловой системой, в которой все файлы одинаково доступны со всех машин с использованием постоянного пути доступа. Кроме того, когда пользователь набирает команду, система может найти наилучшее место для выполнения запрашиваемого действия, возможно, на собственной рабочей станции пользователя, возможно, на простаивающей рабочей станции, принадлежащей кому-то другому, а может быть, и на одном из свободных процессоров машинного зала. Если система в целом выглядит и ведет себя как классическая однопроцессорная система с разделением времени (то есть многопользовательская), она считается распределенной системой. В качестве второго примера рассмотрим работу информационной системы, которая поддерживает автоматическую обработку заказов. Обычно подобные системы используются сотрудниками нескольких отделов, возможно в разных местах. Так, сотрудники отдела продаж могут быть разбросаны по обширному региону или даже по всей стране. Заказы передаются с переносных компьютеров, соединяемых с системой при помощи телефонной сети, а возможно, и при помощи сотовых телефонов. Приходящие заказы автоматически передаются в отдел планирования, превращаясь там во внутренние заказы на поставку, которые поступают в отдел доставки, и в заявки на оплату, поступающие в бухгалтерию. Система автоматически пересылает эти документы имеющимся на месте сотрудникам, отвечающим за их обработку. Пользователи остаются в полном неведении о том, как заказы на самом деле курсируют внутри системы, для них все это представляется так, будто вся работа происходит в централизованной базе данных.
В качестве последнего примера рассмотрим World Wide Web. Web предоставляет простую, целостную и единообразную модель распределенных документов. Чтобы увидеть документ, пользователю достаточно активизировать ссылку. После этого документ появляется на экране. В теории (но определенно не в текущей практике) нет необходимости знать, с какого сервера доставляется документ, достаточно лишь информации о том, где он расположен. Публикация документа очень проста: вы должны только задать ему уникальное имя в форме унифицированного указателя ресурса (Uniform Resource Locator, URL), которое ссылается на локальный файл с содержимым документа. Если бы Всемирная паутина представлялась своим пользователям гигантской централизованной системой документооборота, она также могла бы считаться распределенной системой. К сожалению, этот момент еще не наступил. Так, пользователи сознают, что документы находятся в различных местах и распределены по различным серверам.