Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii

уровню соответствует комплексирование процессоров, подключаемых к системной шине.

Уровень общей оперативной памяти (ООП) является наиболее предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров. Однако в этом случае ООП работает эффективно только при небольшом числе обслуживаемых абонентов. Этот уровень широко используется в многопроцессорных серверах вычислительных сетей.

Уровень комплексируемых каналов ввода-вывода предназначается для передачи больших объемов информации между блоками оперативной памяти, сопрягаемых компьютеров. Обмен данными между компьютерами осуществляется с помощью адаптера «канал-канал» (АКК) и команд «Чтение» и «Запись». Адаптер – это устройство, согласующее скорости работы сопрягаемых каналов. Обычно сопрягаются селекторные каналы (СК) компьютеров, но можно сопрягать мультиплексные каналы (МК), а также СК и МК. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. В ПК данному уровню взаимодействия соответствует подключение периферийной аппаратуры через контроллеры и адаптеры.

Уровень устройств управления внешними устройствами

предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя команд «Зарезервировать» и «Освободить». Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одного компьютера к селекторным каналам различных компьютеров. По команде «Зарезервировать» канал-инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на дисках НМД или на магнитных лентах НМЛ. На рисунке 11.3 схематически показано, что они управляются одним УВУ. На самом деле УВУ магнитных дисков и лент – совершенно различные устройства. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения работ и получения команды «Освободить». Лишь после этого УВУ может подключиться к конкурирующему каналу. Только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций. Этот уровень целесообразно использовать в вычислительных сетях при построении больших банков данных.

Уровень общих внешних устройств (ВнУ) предполагает для подключения отдельных устройств использовать автономный двухканальный переключатель.

Пять уровней комплексирования получили название логических. Каждое из устройств имеет логическое имя, используемое в прикладных программах. Этим достигается независимость программ пользователей от конкретной физической конфигурации системы. Связь логической структуры программы и конкретной физической структуры ВС обеспечивается ОС. Сочетание уровней и методов взаимодействия позволяет создавать самые различные многомашинные и многопроцессорные системы.

Второй логический уровень позволяет создавать многопроцессорные ВС. Обычно он дополняется и первым уровнем, что повышает оперативность

150

взаимодействия процессоров. ВС сверхвысокой производительности должны строиться как многопроцессорные.

Уровни 1, 3, 4, 5 обеспечивают построение разнообразных компьютерных комплексов. Особенно часто используется третий в комбинации с четвертым. Целесообразно их дополнять и первым уровнем.

Пятый уровень комплексирования используется в редких специальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется какое-то дорогое уникальное устройство. В противном случае этот уровень малоэффективен.

11.4. Типовые структуры вычислительных систем

Практика показала, что каждая структура вычислительной системы эффективно обрабатывает лишь задачи определенного класса [6, 9, 23]. При этом необходимо, чтобы структура вычислительной системы максимально соответствовала структуре решаемых задач. Только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность. Универсальной структуры ВС, одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа, не существует.

Классификация уровней программного параллелизма включает 6

позиций: независимые задания, отдельные части заданий, программы и подпрограммы, циклы и итерации, операторы и команды, фазы отдельных команд.

Рассмотрим возможные структуры ВС, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма.

ОКОД-структуры. Два нижних вида параллелизма реализуются в любых современных компьютерах, включая и ПК. Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одномашинном) варианте.

Перечислим большое число улучшений классической структуры компьютера: иерархическое построение памяти компьютера, появление сверхоперативной памяти и кэш-памяти, относительная и косвенная адресация памяти, разделение процессоров ввода-вывода и обработки задач, появление систем прерывания и приоритетов и т.д.

В этом ряду следует рассматривать и организацию конвейера последовательно выполняемых команд: формирование адреса команды, выбор команды, формирование адресов и выбор операндов, выполнение команды, запись результата. Линейные участки современных программ редко превышают 10-15 последовательно выполняемых команд. Поэтому конвейер часто перезапускается, что снижает производительность компьютера в целом.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность построения RISC-компьютеров (Reduced Instruction Set Computing) с

сокращенным набором команд.

Большие ЭВМ предыдущих поколений не имели большой сверхоперативной памяти, поэтому они имели достаточно сложную систему

CISC-команд (Complete Instruction Set Computing – вычисления с полной системой команд). В этих машинах большую долю команд составляли

151

команды типа «память-память», в которых операнды и результаты операций находились в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений соотносились примерно 5/1. В RISC-машинах с большой сверхоперативной памятью большой удельный вес составляют операции «регистр-регистр» и отношение времени обращения к памяти и времени вычислений составляет 2/1.

В RISC-компьютерах основу системы команд составляют «короткие» операции типа алгебраического сложения. Сложные операции выпо лняются как подпрограммы, состоящие из простых операций. Это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работы конвейера. Но здесь необходимо отметить, что за эффект приходится расплачиваться усложнением процедур обмена данными между регистрами сверхоперативной памяти и кэш-памяти с оперативной памятью.

Другой модификацией классической структуры компьютера является

VLIW (Very Large Instruction Word) – компьютер с «очень длинным командным словом». Компьютер этого типа выбирает из памяти суперкоманду, включающую несколько команд. VLIW-компьютеры могут выполнять суперскалярную обработку, т.е. одновременно выполнять две или более команды. В целом ряде структур суперЭВМ использовалась эта идея. Отметим, что и в ПК последних выпусков имеется возможность выполнения двух команд одновременно.

ОКМД-структуры. Для реализации программного параллелизма, включающего циклы и итерации, используются матричные или векторные структуры. В них эффективно решаются задачи матричного исчисления, задачи решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля, геодезические задачи, задачи аэродинамики. Подобные структуры могут использоваться как сопроцессоры в системах будущих поколений.

МКОД-структуры большой практической реализации не получили. Задачи, в которых несколько процессоров могли бы эффективно обрабатывать один поток данных, в науке и технике неизвестны. С некоторой натяжкой к этому классу можно отнести фрагменты многофункциональной обработки, например обработку на разных процессорах команд с фиксированной и плавающей точкой.

МКМД-структуры являются наиболее интересным классом структур вычислительных систем. В данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками (рисунок 11.4).

Важную роль здесь играют способы взаимодействия компьютеров или процессоров в системе. В сильносвязанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорными ВС. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные, симметричные структуры. Они обеспечивают

152

простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных ОС, размещаемых на одном из процессоров.

Рисунок 11.4 – Типовые структуры ВС в МКМД (MIMD)-клacce

Появление мощных микропроцессоров типа Pentium привело к экспериментам по созданию многопроцессорных систем на их основе. Так, для включения мощных серверов в локальные сети ПК была предложена несколько измененная структура использования ООП –

мулыпипроцессирование с разделением памяти (Shared Memory multiprocessing, SMP). На общей шине оперативной памяти можно комплексировать до четырех микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД-системы могут строиться как многокомпьютерные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Появление БИС и СБИС позволили расширить границы этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он также будет сохранять известную автономию в вычислениях. Именно такие системы займут доминирующее положение в мире компьютеров в ближайшие 10-15 лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (Mass-Parallel Processing, MPP).

Передача данных в МРР-системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма.

11.5. Организация функционирования вычислительных систем

Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют ОС, которые являются частью общего программного обеспечения [8, 19, 23]. В

153

состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного использования вычислительных модулей. Требование увеличения производительности 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 ОС.

ОС многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных компьютеров. В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многокомпьютерных комплексов служит тот факт, что для каждого компьютера ВС другие компьютеры играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение.

В многомашинных ВС диспетчерские функции могут решаться на централизованной или децентрализованной основе. Связь компьютеров обычно устанавливается в порядке подчиненности: «главный компьютер – вспомогательный компьютеров».

Программное обеспечение многопроцессорных ВС отличается 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. 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.

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 «главный компьютер – вспомогательный компьютеров» 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.

154

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 МРР-структурах симметричная обработка должна обеспечивать синхронизацию выполнения целых процессов. Такая система имеет большие преимущества. Она обладает повышенной живучестью и сохраняет работоспособность при выходе из строя даже нескольких процессоров матрицы, т.к. 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 СБИС, что позволяет получить дополнительные преимущества:

короткие соединительные линии между процессорными элементами;

регулярность структуры;

высокая степень распараллеливания вычислений.

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.

Литература

Список основной литературы

1.Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2008.

2.Истомин Е.П., Неклюдов С.В., Чертков А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник. – СПб.: Андреевский издательский дом, 2007.

3.Поветкин С.Н. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (краткий курс): учеб. пособие. – СПб.: Андреевский издательский дом,

2005.

4.Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред.

155

А.П. Пятибратова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика; ИНФРА-М, 2008.

Список дополнительной литературы

1.Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2005.

2.Информатика: учебник / под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2004.

3.Основы современных компьютерных технологий: учебник / под ред. проф. А.Д. Хомоненко. – СПб.: КОРОНА принт, 2005.

4.Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика,

2005.

5.Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2002.

Лекция № 12. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

12.1. Характеристика телекоммуникационных компьютерных сетей

Телекоммуникационная компьютерныя сеть (ТКС) – это сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи. Средства передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов – аппаратных, программных,

информационных [7, 9, 11, 17, 29, 31].

Абонентская система (АС) – это совокупность компьютеров, программного обеспечения, периферийного оборудования, средств связи с коммуникационной подсетью компьютерной сети, выполняющих прикладные процессы.

Коммуникационная подсеть, или телекоммуникационная система, представляет собой совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие АС.

Прикладной процесс – это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами.

С появлением ТКС удалось разрешить две очень важные проблемы: обеспечение неограниченного доступа к компьютерам пользователей независимо от их территориального расположения и возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния.

ТКС могут работать в различных режимах: обмена данными между АС, запроса и выдачи информации, сбора информации, пакетной обработки данных по запросам пользователей с удаленных терминалов, в диалоговых режимах.

ТКС имеет ряд преимуществ:

распределенная и параллельная обработки данных компьютерами;

создание распределенной базы данных (РБД);

обмен массивами информации между удаленными компьютерами;

коллективное использование дорогостоящих ресурсов;

предоставление большего перечня услуг;

повышение эффективности и надежности обслуживания запросов;

оперативное перераспределение ресурсов и их резервирование;

сокращение расходов на приобретение и эксплуатацию средств ТКС;

облегчение работ по совершенствованию всех средств ТКС.

Любая ТКС содержит аппаратное, программное и информационное обеспечение.

Аппаратное обеспечение составляют компьютеры различных типов, средства связи, оборудование АС, оборудование узлов связи, аппаратура

157

связи и согласования работы сетей различных уровней. Основные требования к компьютерам сетей – это универсальность и модульность. В сетях используются компьютеры: от суперЭВМ до ПК. Компьютеры могут размещаться на рабочем месте пользователя (это ПК) либо в вычислительном центре (ВЦ), к которому пользователи обращаются с запросами со своих АС.

Программное обеспечение (ПО) компьютерных сетей автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к телекоммуникационным, вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов и т.п.

Выделяются следующие группы ПО сетей:

общесетевое ПО, образуемое распределенной ОС (РОС) и комплектом программ технического обслуживания (КПТО);

специальное ПО, представленное функциональными пакетами прикладных программ и прикладными программами сети, библиотеками стандартных программ и прикладными программами из специфики предметной области пользователей;

базовое программное обеспечение компьютеров АС, включающее

ОС компьютеров, системы автоматизации программирования, контролирующие и диагностические тест-программы.

Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд решаемых в сети задач. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, автоматизированные базы данных – локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения.

РОС управляет работой сети во всех ее режимах, обеспечивает реализацию запросов пользователей, координирует функционирование звеньев сети. Она представляет собой систему программных средств, имеет общую архитектуру, коммуникационные протоколы и иерархическую структуру, соответствующую стандартной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.

Набор управляющих и обслуживающих программ РОС обеспечивает:

удовлетворение запросов пользователей по использованию общесетевых ресурсов;

организацию связи между отдельными прикладными программами комплекса пользовательских программ в различных АС сети;

синхронизацию работы пользовательских программ при их одновременном обращении к одному и тому же общесетевому ресурсу;

удаленный ввод заданий с любой АС сети и их выполнение в любой другой АС сети в пакетном или оперативном режиме;

обмен файлами между АС сети, доступ к файлам, хранимых в удаленных компьютерах, и их обработку;

передачу текстовых сообщений пользователям в порядке реализации различных функций;

158

защиту информации и ресурсов сети от несанкционированного доступа;

выдачу справок о состоянии и использовании ресурсов сети.

С помощью РОС осуществляется планирование использования общесетевых ресурсов. Различают статическое и динамическое планирование.

Статическое планирование осуществляется заранее, до начала решения, поступившей в систему к данному времени группы задач. Оно целесообразно, когда перечень задач стабилен и ограничен, для каждой задачи известны потребности в ресурсах сети и частота решения, а надобность в выполнении этих задач возникает неоднократно. Затраты на статическое планирование большие, но зато планы – оптимальные.

Динамическое планирование производится в процессе функционирования сети непосредственно перед началом решения групп задач. С поступлением в систему каждой новой задачи составленный план обычно корректируется с учетом складывающейся ситуации по свободным и занятым ресурсам сети, наличию очередей задач и т.п. Основным показателем эффективности планирования использования общесетевых ресурсов является время решения комплекса задач.

По степени территориальной рассредоточенности элементов сети различают глобальные, региональные и локальные компьютерные сети.

Глобальная компьютерная сеть (ГКС) объединяет абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающей различные страны и континенты. ГКС решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним.

Региональная компьютерная сеть (РКС) объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстоянии: в пределах отдельной страны, региона, большого города.

Локальная компьютерная сеть (ЛКС) связывает АС в пределах небольшой территории (несколько км). Это сети офисов, фирм, банков, предприятий, учебных заведений и т.д.

Корпоративная компьютерная сеть (ККС) – отдельный класс,

является технической базой корпорации и решает задачи планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации.

Объединение локальных, региональных, корпоративных и глобальных сетей позволяет создавать сложные многосетевые иерархии.

По способу управления ТКС делятся на сети с централизованным, децентрализованным и смешанным управлением.

По организации передачи информации сети делятся на сети с селекцией информации (выбором блоков данных) и маршрутизацией информации (выбором нескольких маршрутов). С помощью коммуникационных систем сети решается задача выбора оптимального маршрута (трафика).

159