1.3. Організація системи мережевого друкування

Сервер друкування - це комп’ютер, який виконує завдання для окремої групи користувачів з друкування матеріалів. Як звичайно, він керує одним або кількома принтерами. Подібно до файл-сервера, сервер друкування може бути призначеним та непризначеним.

Якщо якійсь робочій станції дано завдання роздрукувати документ, то вона звертається до принтера мережі за його символічним іменем (до робочої станції можна приєднати і локальний принтер, однак він повинен мати інше ім’я). Програма переспрямування, в якій зберігається інформація про ресурси мережі, надсилає запит на сервер друкування. Якщо принтер вільний, сервер відразу спрямовує завдання в буфер друкування - частину оперативної пам’яті прінтера, використовувану для скерування завдань на друкування з заданою швидкістю (рис.6.3).

Якщо прінтер зайнятий, то завдання буде записане на диск сервера друкування і чекатиме своєї черги. Програмне забезпечення сервера друкування може керувати чергою, присвоювати завданням пріоритети, групувати за форматами документів та ін. Якщо буфер друкування частково звільняється, до нього надходять завдання з диска. Такий процес називають спулінгом (spooling), а відповідний програмно-апаратний механізм - спулом друкування.

1.4. Забезпечення єдиного мережевого часу

Для успішної роботи мережі в ній повинен бути заданий єдиний час. Найчастіше клієнтські станції під час приєднання до мережі узгоджують свій годинник з годинником сервера. Це виконується в системах, де потрібний узгоджений час (проте не обов’язково точний) а також у невеликих мережах.

Рис. 6.3. Робота сервера друкування.

У деяких застосуваннях треба простежувати час подій з точністю до мілісекунд. Власне для цього і призначений протокол NTP (Network Time Protocol, RFC-1305), який дає змогу також побудувати ієрархічну схему узгодження часу в довільній мережі.

Архітектура системи узгодження часу з використанням NTP має ієрархічну будову. На верхньому рівні ієрархії є джерело точного часу (як звичайно, UTC (Universal Coordinated Time) – час за Грінвічем). Таким джерелом може бути годинник-еталон, еталонні радіосигнали точного часу та ін. Здебільшого це джерело не є комп’ютером. Сервери часу залежно від ієрархічної віддаленості від джерела поділяють на рівні.

Сервери першого рівня безпосередньо узгоджують час з джерелом часу. Сервери другого рівня узгоджують свій годинник з серверами першого і т.д. Отже, чим більший номер рівня, тим менша точність ходу годинника.

Протокол NTP забезпечує такі режими синхронізації:

• клієнт-серверний – використовують у невеликих мережах з кількістю станцій не більше 200;

• груповий (multicast) – використовується в більших мережах;

• циркулярний – можна використовувати в межах локальної мережі.

Протокол NTP підтримують такі ОС: Windows, Novell Netware, Linux. Демон ntpd працює як окремий процес сервера часу, виконує автентифікацію, веде протокол подій, обмежує доступ по діапазону IP-адрес.

1.5. Апаратно – програмні рішення розподілених комп’ютерних систем

У цьому розділу буде зроблено огляд апаратних, програмних та системних вирішень, які застосовуються у розподілених комп’ютерних системах для підвищення продуктивності, надійності, захищеності та які підтримуються і реалізуються мережевою ОС.

Комп’ютер сервера посідає особливе місце серед інших комп’ютерів мережі. Він повинен мати більші ємності для зберігання даних, більші швидкодію та оперативну пам’ять. Критичним моментом у роботі, наприклад, файл-сервера, є його здатність швидко відшукувати дані та видавати їх без помітної затримки на робочу станцію. На продуктивність файл-сервера впливають багато факторів: швидкість роботи інтерфейсної плати, тип мережі, ємність доступної оперативної пам’яті, параметри твердого диска. Найважливішим параметром такого сервера є час доступу до даних. Він складається з часу шукання (радіального переміщення головок) та часу обертання (часу, потрібного для підходу потрібного сектора).

Збільшити продуктивність сервера та надійність зберігання даних можна за допомогою різних апаратних та програмних вирішень, які можна розділити на групи за окремими видами ресурсів та підсистемами комп’ютера.

Підсистема збереження та доступу до даних

Ємність сучасних жорстких дисків сягає десятків терабайт, а час доступу до кращих з них – декілька мілісекунд. Жорсткі диски (HDD – Hard Disk Drive) залишаються найбільш економічно вигідними пристроями для збереження даних. Твердотільні диски (SSD – Solid State Drive) мають більшу надійність та час служби, менший час доступу до даних порівняно з жорсткими дисками. Ємності SSD дисків постійно зростають (16 ТВ для промислових дисків). Час доступу до даних в найкращих SSD порядку 0,1 мс.

Розглянемо типові вирішення, які застосовують для підвищення ефективності використання підсистеми збереження даних.

Використання дискового співпроцесора.

Спеціальний дисковий співпроцесор керує зчитуванням та записуванням інформації на диск. Отже, розвантажується центральний процесор, збільшуються продуктивність та вартість системи.

Дублювання дисків (disc mirroring).

Поряд з одним встановлюють інший ідентичний твердий диск, який в оперативному режимі дублює роботу попереднього. Якщо один вийшов з ладу, робота сервера не припиняється.

Ліфтове шукання (elevator seeking).

Ліфтове переміщення головок дисковода - це процедура, що дає змогу поліпшити записування та зчитування даних з диска. Запити, які надходять, накопичуються протягом деякого часу. Після цього оптимізується їхня черговість, щоб мінімізувати переміщення головок. Така процедура зменшує тривалість виконання запиту на 40%. Крім того, зменшується зношування диска.

RAID-масиви та мережі систем зберігання даних.

У сучасних серверах для збільшення гнучкості та обсягів інформації часто використовують масиви твердих дисків. В RAID- масивах вводиться надлишковість у збереження даних. З рахунок цього з’являється можливість виявляти та виправляти помилки у даних.

Якщо дискових масивів багато, їх об’єднують окремими мережами зберігання даних SAN (Storage Area Networking). Це дає змогу ефективно виконувати операції менеджменту даних та підтримки функціювання масивів.

Зовнішні бібліотеки зберігання даних.

У великих корпоративних мережах поряд з зовнішніми дисковими пристроями використовують і повільніші (зате значно ємніші) бібліотеки магнітних стрічок або оптичних дисків. Ці пристрої потрібні для резервного копіювання, а також для тимчасового переміщення на них файлів, які не застосовують, та автоматичного повернення їх назад у разі виникнення потреби (міграція та деміграція).

Хмаркові (cloud) системи збереження даних

Збереження даних користувача на віддаленому сервері дає змогу забезпечити краще збереження даних, автоматичну синхронізацію між усіма платформами з якими працює користувач.

Ефективне використання оперативної пам’яті

Важливим вирішенням, спрямованим на підвищення швидкодії системи є кешування, тобто використання швидкодіючої пам”яті замість повільної.

Кеш-пам’ять (cash memory).

На сервері розміщують спеціальну швидкодійну пам’ять, у яку заносять структуру каталогів та FAT-таблиці (апаратний кеш). Крім того, частину вільної оперативної пам’яті комп’ютера виділяють для зчитування/записування. Кожного разу зчитують не тільки визначений кластер диска, й кілька сусідніх (файли найчастіше містяться в сусідніх кластерах). У цьому випадку велика ймовірність того, що наступне зчитування можна буде виконати з пам’яті, а не з диска. Отже, тривалість доступу зменшиться.

Кешування файлів.

У процесі роботи система може аналізувати, які файли використовують найчастіше, та зберігати їх у пам’яті, а не на диску. Це разом з операцією ліфтового шукання підвищує ефективність застосування сервера в сотні разів.

Гешування каталогів (directory hashing).

Якщо каталоги в сервері дуже великі, то потрібен тривалий час на відшукання конкретного файлу за його іменем (необхідно переглянути всі імена попередніх файлів каталогу). У процесі гешування кожен запис каталогу перетворюється у 2-байтові значення, які зберігаються в спеціальних геш-таблицях. Шукання потрібного імені файлу зводиться до порівнянь числових значень з цих таблиць.

Індексування FAT та геш-таблиць.

Для прискореного шукання використовують індексування таблиць. У цьому випадку створюють та зберігають спеціальні індексні файли.

Використання твердотільних дисків та масивів оперативної пам’яті

Найповільнішими серверними компонентами є тверді диски. Для зменшення тривалості доступу замість цих дисків застосовують твердотільні диски SSD. Якщо треба забезпечити ще менший час доступу до даних, то використовують масиви оперативної пам’яті. Зокрема, до класу таких масивів належать пристрої MegaRam компанії Imperial Technology – це, по суті, набір блоків пам’яті. Параметри їхньої ємності сягають десятків гігабайтів. (наводиться цифра 38 Гбайт). Крім пам’яті, в цих пристроях є швидкодійні тверді диски, з яких інформація зчитується після запуску та після зупинки. Пристрій має вбудований UPS. У тестах MegaRAM 2000 виявив швидкість передавання даних та виконання трансакцій у 20 разів більшу, ніж масив твердих дисків.

Опрацювання даних - процесорна система

Мультипроцесорність.

Для збільшення швидкодії в сучасних серверах використовують багатоядерні процесори. Щораз частіше також використовують кілька (до кількох десятків) процесорів, які працюють у режимі розподілу пам’яті (Symmetrical Multiprocessing (SMP)), (Asymmetrical Multiprocessing (ASMP)). Як звичайно, у таких серверах можна виконати гарячу (без припинення роботи сервера) заміну окремих блоків.

Конструктиви серверних масивів

У центрах опрацювання даних працюють тисячі та десятки тисяч серверів. При їх експлуатації виникають додаткові проблеми енергозбереження, охолодження, раціонального використання простору. Ці проблеми значною мірою вирішуються конструкціями серверних масивів, наприклад – у blade серверах.

Кластерні вирішення.

Поряд з використанням багатопроцесорних комп’ютерів, окремі сервери об’єднують у кластери, які дають змогу розподіляти навантаження, передавати задачі з несправного сервера на інший сервер кластера.

Грід- комп’ютинг

Віртуалізація опрацювання даних у формі грід–комп’ютингу дає змогу ефективно використати наявні у мережі процесорні потужності та розподілити обчислення між багатьма вузлами. При цьому треба враховувати, що не всі класи задач придатні для паралельного виконання.

Підсистема живлення.

Дублювання блоків живлення.

Ця операція захищає сервер від можливої несправності блока, її використовують у серверних системах високої надійності поряд з дублюванням інших пристроїв.

Використання UPS та резервних джерел живлення.

Джерела безперебійого живлення застосовують (Uninterrupted Power Supply (UPS)) для живлення файл- серверів та інших пристроїв з цінною інформацією. Фірма Novell для своїх систем зазначає: «Будь-який файл – сервер та його тверді диски повинні бути приєднаними до апробованого Novelloм' джерела безперебійного живлення. Ми також рекомендуємо UPS захист робочих станцій».

Джерела безперебійного живлення виробництва різних фірм мають різну початкову потужність та сервіс. Потужність змінюється від 300-400 до 3000-5000 ВА. Чим більша потужність, тим більшу кількість комп’ютерів можна приєднати, і тим більший період роботи після відімкнення живлення. Джерела безперебійного живлення живляться з батарей і дають змогу комп’ютеру в разі вимкнення головного живлення працювати ще деякий період (від 15 хв до кількох годин). UPS стежать за формою струму живлення, коректують його, подають спеціальні попередження на комп’ютери, ведуть статистику стану живлення тощо. Вартість UPS може коливатися від 200- 300 для дешевих до 1000 – 3000 дол. для дорогих UPS. Найвідоміша фірма, яка виготовляє UPS, – це American Power Conversion (APC).

Питання до самоконтролю

1. Які функції в ком’ютерній мережі виконує мережева ОС?

2. Дайте визначення терміну “сервер”. Чим сервер відрізняється від робочої станціїт?

3. Що таке витісняюча ОС ?

4. Для чого використовуть механізм спулінгу у системі мережевого друкування ?

5. Як працює програма переспрямування ?

6. Функції ядра ОС.

7. В чому полягає та для чого використовується кешування ?

8. Що таке гешування та для чого воно використовується

Лекція 2. Віртуалізація збереження даних в комп’ютерних мережах

2.1. Методи збереження даних у пристроях комп’ютерної мережі

Найчастіше дані зберігають на жорстких дисках (HDD - hard disk drive) які є електромеханічними пристроями. В основі HDD є пластини, покриті феромагнітним матеріалом, що швидко обертаються. Дані на диск записують використовуючи зміни напряму орієнтації магнітних доменів. Інформація кодується по зміні орієнтації сусідніх магнітних доменів. Пластини виготовляють з немагнітних матеріалів (скло, алюміній) та покривають шаром феромагнітного матеріалу завтовшки 10 – 20 нм. (в 10 тис раз тоншим ніж товщина аркушу паперу). Зчитування/запис даних відбувається шляхом переміщення головки (актуатора) над поверхнею диску. Головка «пливе» над поверхнею пластини на відстань порядку 13 нм. Враховуючи масу головки, її швидкість руху та відстань до пластини, для ілюстрації прецизії її виготовлення та роботи цей процес часто порівнюють з рухом Боінгу 747, що летить зі швидкістю 3 млн. км/год на постійній висоті 0,25 мм над поверхею Землі. HDD має два двигуни – один для обертання, інший для переміщення головки диску.

Головні параметри HDD такі:

• швидкість обертання пластин - від 4200 до 15000 обертів на хвилину.

• ємність (макс. 10 Тб),

• час доступу (5-20 мс).

• форм-фактор: 8; 5,25; 3,5 (десктоп); 2,5 дюймові (ноутбук)

HDD були розроблені фірмою IBM в 1956 році (перший диск мав розмір як два холодильники, ємність 4 Мб на 50 пластинах). Головки зчитування висувалися при запуску диску. В 1973 році IBM розробила модифікацію HDD «Вінчестер», і якій головки при виключенні живлення паркувалися на визначене місце на самому диску. Це зменшило вартість диску. Перші вінчестера мали діаметр пластин 360 мм.

З бігом часу параметри жорстких дисків були значно покращені. Для них діє закон Крайдера (аналог закону Мура) який визначає, що густина збереження даних подвоюється у кожні 2-4 роки. Зокрема,

• обсяги дисків зросли 4 Мб до 8 Тб,

• об’єм зменшився від 1,9 м³ до 20 см³,

• вага зменшилася від 910 кг. до 48 грам,

• вартість впала від 15000 за мегабайт до 0,0001$ за мегабайт,

• час доступу покращено з 100 мс. до 5 мс.

Сучасні диски використовують коректуючі коди (ECC) для виявлення та виправлення помилок. (коди Ріда-Соломона та ін) за рахунок використання надлишкових бітів. Це дозволяє збільшити густину запису. Контролер диску визначає збійні блоки диску та переспрямовує запис на інші, запасні блоки. SMART (Self-monitoring analysis and reporting technology system) веде облік збійних секторів і дозволяє передбачити аварію диску.

Жорсткі диски є механічними пристроями і як такі погано сприймають удари – існує можливість механічного пошкодження. З іншого боку, кількість операцій зчитування/ запису такого диску необмежена. Суттєвою перевагою є також можливість передбачити аварію диску по збільшенню кількості помилок і вчасно замінити його.

Альтернативою використання жорстких дисків на сьогодні є твердотільні диски (SSD – Solid State Disk). У них для збереження даних використовують мікросхеми.Таким чином, SSD не мають рухомих частин, вони надійніші ніж HDD та мають менший час доступу. Максимальна ємність промислових SSD на сьогодні – 16 TB, а мінімальний час доступу порядка 0,1 мс.

Таблиця 6.1. Порівняння характеристик HDD та SSD

Параметр	HDD	SSD
Час запуску	Декілька секунд до повної доступності	Моментально
Час доступу	Від 5 мс до 12 мс	Менше за 100 мкс
Швидкість передачі даних	Для послідовного доступу – до 140 МБ/с. На практиці набагато менша, так як потрібно врахувати час перемішення головок	100- 600 МБ/с.
Фрагментація	Час доступу до даних можна зменшити, якщо періодично проводити дефрагментацію даних.	Фрагментація не впливає на продуктивність
Шум	Рівень шуму значний та залежить від моделі диску	Відсутній
Час служби та надійність	На час експлуатації впливають можливі механічні помилки.	Обмежена кількість операцій запису. Загалом, час служби більший за HDD
Вартість за ГБ	Порядка $0,05	Порядка $0,65
Енергоспоживання	Типове споживання дисків формату 2,5” – 5 Вт, 3,5” – 20 Вт	Диски на базі флеш-пам’яті споживають від половини до третини енергії своїх HDD аналогів

Недоліком SSD є те, що кожна комірка пам’яті у ньому має обмежену кількість операцій витирання та запису даних. Контролер диску намагається рівномірно розподілити зношення окремих комірок. Коли SSD виходить з ладу, це часто відбувається неочікувано. Поновити втрачені дані з SSD досить складно. Також, суттєвим недоліком SSD порівняно з HDD є обмежений час збереження даних, якщо диск не отримує живлення. Виробники визначають цей час трьома місяцями, але результати незалежних досліджень показують, що окремі типи SSD починають втрачати дані вже після тижня перебування у відключеному стані.

На сьогодняшній день для шин підключення жорстких дисків використовують такі архітектурні вирішення: SATA, SCSI.

Контролери SATA (Serial Advanced Attachment Interface) використовують AHSI (Advanced Host Controller Interface) інтерфейс доступу до інформації. Для роботи з диском SATA мусить бути наявна підтримка SATA материнською платою.

На фізичному рівні SATA використовує кабель що складається з чотирьох дротів. Використовується диференційне передавання з невеликою амплітудою сигнала. Дані кодуються та передаються з використанням кодування 8B/10B, що дозволяє сумістити синхросигнал та сигнал даних та виключає потребу в окремій лінії для синхросигналу.

Перша генерація SATA інтерфейсу (SATA- 150) мала швидкість передавання 1.5 Гбіт/с, що є порівняльним зі швидкістю роботи попереднього паралельного інтерфейсу (PATA). Новіша версія SATA (SATA-300) пропонує більшу швидкість передавання – до 3 Гбіт/с. Наступна, третя версія SATA-600 була розроблена у 2009 році та працює з швидкістю до 6 Гбіт/с. Наступні доробки цієї версії (3.1 – 2011 рік, 3.2 – 2013 рік) були орієнтовані на підтримку взаємодії з швидкими SSD. Швидкість передачі даних у них сягнула 16 Гбіт/с. У таблиці 6.2. наведено порівняння SATA та деяких споріднених технологій.

Таблиця 6.2. Порівняння SATA та деяких інших інтерфейсних мереж

Технологія	Макс швидкість передавання, Мбіт/с	Макс. Довжина кабелю, м	Чи надається живлення по кабелю
eSATA	2400	2	Ні
SATA-150	1200	1	Ні
SATA-300	2400	1	Ні
SATA-600, 3.2	19000	1	Ні
PATA – 133	1064	0,46	Ні
FireWire-800	786	4,5	Так
USB 2.0	480	5	Так
USB 3.0.	5000	5	Так
USB 3.1	10000	5	Так
Ultra-320 SCSI	2560	12	Ні
Fiber Channel	4000	1-50000	Ні

Таким чином, на сьогодні інтерфейси специфікації SATA повністю забезпечують можливості пристроїв збереження даних (як HDD так і SSD) по зчитуванню та запису інформації.