3. Мейнфре́йм: определение, история развития, особенности и характеристики современных мейнфреймов.

Мейнфре́йм (также мэйнфрейм, от англ. mainframe) — данный термин имеет три основных значения.

1. Большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ.

2. Компьютер c архитектурой IBM System/360, 370, 390, zSeries.

3. Наиболее мощный компьютер, используемый в качестве главного или центрального компьютера (например, в качестве главного сервера).

Историю мейнфреймов принято отсчитывать с появления в 1964 году универсальной компьютерной системы IBM System/360, на разработку которой корпорация IBM затратила 5 млрд долларов. Сам термин «мейнфрейм» происходит от названия типовых процессорных стоек этой системы. В 1960-х — начале 1980-х годов System/360 была безоговорочным лидером на рынке. Её клоны выпускались во многих странах, в том числе — в СССР (серия ЕС ЭВМ).

В начале 1990-х начался кризис рынка мейнфреймов, пик которого пришёлся на 1993 год. Многие аналитики заговорили о полном вымирании мейнфреймов, о переходе от централизованной обработки информации к распределённой (с помощью персональных компьютеров, объединённых двухуровневой архитектурой «клиент-сервер»). Многие стали воспринимать мейнфреймы как вчерашний день вычислительной техники, считая Unix- и PC-серверы более современными и перспективными.

Важной причиной резкого уменьшения интереса к мейнфреймам в 80-х годах было бурное развитие PC и Unix-ориентированных машин, в которых благодаря применению новой технологии создания КМОП-микросхем удалось значительно уменьшить энергопотребление, а их размеры достигли размеров настольных станций. В то же время для установки мейнфреймов требовались огромные площади, а использование устаревших полупроводниковых технологий в мейнфреймах того времени влекло за собой необходимость жидкостного (например, водяного) охлаждения. Ещё один аргумент против мейнфреймов состоял в том, что в них не соблюдается основной принцип открытых систем, а именно — совместимость с другими платформами.

Отнесясь к критике конструктивно, руководство компании IBM, основного производителя аппаратного и программного обеспечения мейнфреймов, выработало кардинально новую стратегию в отношении этой платформы с целью резко повысить производительность, снизить стоимость владения, а также добиться высокой надёжности и доступности систем. Достижению этих планов способствовали важные перемены в технологической сфере: на смену биполярной технологии изготовления процессоров для мейнфреймов пришла технология КМОП. Переход на новую элементную базу позволил значительно снизить уровень энергопотребления мейнфреймов и упростить требования к системе электропитания и охлаждения (жидкостное охлаждение было заменено воздушным). Мейнфреймы на базе КМОП-микросхем быстро прибавляли в производительности и уменьшались в габаритах. Поворотным же событием стал переход на 64-разрядную архитектуру z/Architecture. Современные мейнфреймы перестали быть закрытой платформой: они способны поддерживать на одной машине сотни серверов с различными ОС.

C 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам. Дело в том, что, как показала практика, централизованная обработка данных или централизованные вычисления на мейнфреймах решает многие задачи построения информационных систем масштаба предприятия проще и дешевле, чем распределённая.

Особенности и характеристики современных мейнфреймов

• Среднее время наработки на отказ. Время наработки на отказ современных мейнфреймов оценивается в 12–15 лет.

  • Повышенная устойчивость систем. Мейнфреймы могут изолировать и исправлять большинство аппаратных и программных ошибок за счёт использования следующих принципов: дублирование: два резервных процессора, резервные модули памяти, альтернативные пути доступа к периферийным устройствам; горячая замена всех элементов вплоть до каналов, плат памяти и центральных процессоров.

• Целостность данных. В мейнфреймах используется память с коррекцией ошибок. Ошибки не приводят к разрушению данных в памяти, или данных, ожидающих вывода на внешние устройства. Дисковые подсистемы построенные на основе RAID-массивов с горячей заменой и встроенных средств резервного копирования защищают от потерь данных.

• Рабочая нагрузка. Рабочая нагрузка мейнфреймов может составлять 80–95 % от их пиковой производительности. Операционная система мейнфрейма будет тянуть всё сразу, причём все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие куски ПО.

• Пропускная способность. Подсистемы ввода-вывода мейнфреймов разработаны так, чтобы работать в среде с высочайшей рабочей нагрузкой на ввод-вывод данных.

• Масштабирование. Масштабирование мейнфреймов может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается линейкой процессоров с производительностью от 5 до 200 MIPS и наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное масштабирование реализуется объединением ЭВМ в Sysplex (System Complex) — многомашинный кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером. Всего в Sysplex можно объединить до 32 машин. В случае использования ОС VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров.

• Доступ к данным. Поскольку данные хранятся на одном сервере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Требуется небольшое количество физических серверов и значительно более простое программное обеспечение. Всё это, в совокупности, ведёт к повышению скорости и эффективности обработки.

Защита. Встроенные в аппаратуру возможности защиты, такие как криптографические устройства, и Logical Partition, и средства защиты операционных систем, дополненные программными продуктами RACF или VM:SECURE, обеспечивают надёжную защиту.

Пользовательский интерфейс. Пользовательский интерфейс у мейнфреймов всегда оставался наиболее слабым местом. Сейчас же стало возможно для прикладных программ мейнфреймов в кратчайшие сроки и при минимальных затратах обеспечить современный веб-интерфейс.

Сохранение инвестиций — использование данных и существующих прикладных программ не влечёт дополнительных расходов по приобретению нового программного обеспечения для другой платформы, переучиванию персонала, переноса данных и тд.

Кластер: понятие, классификация, история развития кластеров, программные средства.

Кла́стер (англ. cluster — скопление) — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами.

В информационных технологиях: кластер как подмножество результатов поиска, связанных единством темы; кластер — единица хранения данных на гибких и жёстких дисках компьютеров; кластер — группа компьютеров, объединённых высокоскоростными каналами связи и представляющая с точки зрения пользователя единый аппаратный ресурс; группа серверов, объединённых логически, способных обрабатывать идентичные запросы и использующихся как единый ресурс; кластер — объект, обеспечивающий физически объединённое хранение данных из различных таблиц для ускорения выполнения сложных запросов, используемый в Oracle Database.

Обычно различают следующие основные виды кластеров:

отказоустойчивые кластеры (High-availability clusters, HA, кластеры высокой доступности) создаются для обеспечения высокой доступности сервиса, предоставляемого кластером. Избыточное число узлов, входящих в кластер, гарантирует предоставление сервиса в случае отказа одного или нескольких серверов. Типичное число узлов — два, это минимальное количество, приводящее к повышению доступности. Создано множество программных решений для построения такого рода кластеров.

кластеры с балансировкой нагрузки (Load balancing clusters). Принцип их действия строится на распределении запросов через один или несколько входных узлов, которые перенаправляют их на обработку в остальные, вычислительные узлы. Первоначальная цель такого кластера — производительность, однако, в них часто используются также и методы, повышающие надёжность. Подобные конструкции называются серверными фермами.

вычислительные кластеры (Computing clusters) - позволяют уменьшить время расчетов, по сравнению с одиночным компьютером, разбивая задание на параллельно выполняющиеся ветки, которые обмениваются данными по связывающей сети. Одна из типичных конфигураций — набор компьютеров, собранных из общедоступных компонентов, с установленной на них операционной системой Linux, и связанных сетью Ethernet, Myrinet, InfiniBand или другими относительно недорогими сетями. Такую систему принято называть кластером Beowulf.

grid-системы. Такие системы не принято считать кластерами, но их принципы в значительной степени сходны с кластерной технологией. Их также называют grid-системами. Главное отличие — низкая доступность каждого узла, то есть невозможность гарантировать его работу в заданный момент времени (узлы подключаются и отключаются в процессе работы), поэтому задача должна быть разбита на ряд независимых друг от друга процессов. Такая система, в отличие от кластеров, не похожа на единый компьютер, а служит упрощённым средством распределения вычислений. Нестабильность конфигурации, в таком случае, компенсируется больши́м числом узлов

История. История создания кластеров неразрывно связана с ранними разработками в области компьютерных сетей. Одной из причин для появления скоростной связи между компьютерами стали надежды на объединение вычислительных ресурсов. В начале 1970-х гг. группой разработчиков протокола TCP/IP и лабораторией Xerox PARC были закреплены стандарты сетевого взаимодействия. Появилась и операционная система Hydra («Гидра») для компьютеров PDP-11 производства DEC, созданный на этой основе кластер был назван C.mpp (Питтсбург, шт. Пенсильвания, США, 1971). Тем не менее, только около 1983 г. были созданы механизмы, позволяющие с лёгкостью пользоваться распределением задач и файлов через сеть, по большей части это были разработки в SunOS (операционной системе на основе BSD от компании Sun Microsystems).

Первым коммерческим проектом кластера стал ARCNet, созданный компанией Datapoint в 1977 г. Прибыльным он не стал, и поэтому строительство кластеров не развивалось до 1984 г., когда DEC построила свой VAXcluster на основе операционной системы VAX/VMS. ARCNet и VAXcluster были рассчитаны не только на совместные вычисления, но и совместное использование файловой системы и периферии с учётом сохранения целостности и однозначности данных.

История создания кластеров из обыкновенных персональных компьютеров во многом обязана проекту Parallel Virtual Machine. В 1989 г. это ПО для объединения компьютеров в виртуальный суперкомпьютер открыло возможность мгновенного создания кластеров. В результате суммарная производительность всех созданных тогда дешёвых кластеров обогнала по производительности сумму мощностей «серьёзных» коммерческих систем.

Создание кластеров на основе дешёвых персональных компьютеров, объединённых сетью передачи данных, продолжилось в 1993 г. силами Американского аэрокосмического агентства (NASA), затем в 1995 г. получили развитие кластеры Beowulf, специально разработанные на основе этого принципа. Успехи таких систем подтолкнули развитие grid-сетей, которые существовали ещё с момента создания UNIX.

Программные средства. Широко распространённым средством для организации межсерверного взаимодействия является библиотека MPI, поддерживающая языки C и Fortran. Она используется, например, в программе моделирования погоды MM5. Операционная система Solaris предоставляет программное обеспечение Solaris Cluster, которое служит для обеспечения высокой доступности и безотказности серверов, работающих под управлением Solaris. Для OpenSolaris существует реализация с открытым кодом под названием OpenSolaris HA Cluster.

Среди пользователей GNU/Linux популярны несколько программ:

• distcc, MPICH и др. — специализированные средства для распараллеливания работы программ. distcc допускает параллельную компиляцию в GNU Compiler Collection.

• Linux Virtual Server, Linux-HA — узловое ПО для распределения запросов между вычислительными серверами.

• MOSIX, openMosix, Kerrighed, OpenSSI — полнофункциональные кластерные среды, встроенные в ядро, автоматически распределяющие задачи между однородными узлами. OpenSSI, openMosix и Kerrighed создают среду единой операционной системы между узлами.

Кластерные механизмы планируется встроить и в ядро DragonFly BSD, ответвившуюся в 2003 году от FreeBSD 4.8. В дальних планах также превращение её в среду единой операционной системы.

Компанией Microsoft выпускается HA-кластер для операционной системы Windows. Существует мнение, что он создан на основе технологии Digital Equipment Corporation, поддерживает до 16 (с 2010 года) узлов в кластере, а также работу в сети SAN (Storage Area Network). Набор API-интерфейсов служит для поддержки распределяемых приложений, есть заготовки для работы с программами, не предусматривающими работы в кластере.

Сервер–выделенный компьютер: понятие и общая характеристика.

Се́рвер (англ. server от to serve — служить) — аппаратное обеспечение, выделенное и/или специализированное для выполнения на нем сервисного программного обеспечения (в том числе серверов тех или иных задач). Некоторые сервисные задачи могут выполняться на рабочей станции параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно называют невыделенным сервером.

Консоль (обычно — монитор/клавиатура/мышь) и участие человека необходимы серверам только на стадии первичной настройки, при аппаратно-техническом обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство серверов управляются удаленно). Для нештатных ситуаций серверы обычно обеспечиваются одним консольным комплектом на группу серверов (с коммутатором, например KVM-переключателем, или без такового).

В результате специализации, серверное решение может получить консоль в упрощенном виде (например, коммуникационный порт), или потерять ее вовсе (в этом случае первичная настройка и нештатное управление могут выполняться только через сеть, а сетевые настройки могут быть сброшены в состояние по умолчанию).

Специализация. Специализация серверного оборудования идет несколькими путями, выбор того, в каком направлении идти, каждый производитель определяет для себя сам. Большинство специализаций удорожают оборудование.

Надёжность. Серверное оборудование зачастую предназначено для обеспечения работы сервисов в режиме 24/7, поэтому комплектуется надежными элементами, позволяющими обеспечить "пять девяток" (99,999 %; время недоступности сервера или простой системы составляет менее 6 минут в год).

Размеры и другие детали внешнего исполнения. Серверы (и другое оборудование), которые требуется устанавливать на некоторое стандартное шасси (например, в 19-дюймовые стойки и шкафы) приводятся к стандартным размерам и снабжаются необходимыми крепежными элементами. Серверы, не требующие высокой производительности и большого количества внешних устройств зачастую уменьшают в размерах. Часто это уменьшение сопровождается уменьшением ресурсов. В так называемом «промышленном исполнении», кроме уменьшенных размеров, корпус имеет бо́льшую прочность, защищенность от пыли (снабжен сменными фильтрами), влажности и вибрации, а также имеет дизайн кнопок, предотвращающий случайные нажатия. Конструктивно аппаратные серверы могут исполняться в настольном, напольном, стоечном и потолочном вариантах.

Ресурсы. По ресурсам (частота и количество процессоров, количество памяти, количество и производительность жестких дисков, производительность сетевых адаптеров) серверы специализируются в двух противоположных направлениях — наращивании ресурсов и их уменьшении. Наращивание ресурсов преследует целью увеличение емкости (например, специализация для файл-сервера) и производительности сервера. Когда производительность достигает некоторого предела, дальнейшее наращивание продолжают другими методами, например, распараллеливанием задачи между несколькими серверами. Уменьшение ресурсов преследует цели уменьшения размеров и энергопотребления серверов.

Аппаратные решения. Крайней степенью специализации серверов являются, так называемые аппаратные решения (аппаратные роутеры, сетевые дисковые массивы, аппаратные терминалы и т. п.). Аппаратное обеспечение таких решений строится «с нуля» или перерабатывается из существующей компьютерной платформы без учета совместимости, что делает невозможным использование устройства со стандартным программным обеспечением. Программное обеспечение в аппаратных решениях загружается в постоянную и/или энергонезависимую память производителем. Аппаратные решения, как правило, более надежны в работе, чем обычные серверы, но менее гибки и универсальны. По цене, аппаратные решения могут быть как дешевле, так и дороже серверов, в зависимости от класса оборудования.

Размещение и обслуживание. Серверы размещаются в специально оборудованных помещениях, называемых серверными комнатами. Управление серверами осуществляют квалифицированные специалисты - системные администраторы.

Характеристика компьютеров общего назначения.

Компьютер общего назначения — компьютер, способный решить любую задачу, которая может быть выражена в виде программы и выполнена в рамках разумных ограничений, накладываемых ёмкостью системы хранения компьютера, допустимым размером программы, скоростью её выполнения и надёжностью оборудования.

В отличие от специализированных вычислительных устройств компьютер общего назначения способен выполнять множество зачастую не связанных между собой функций. Так суперкомпьютеры общего назначения способны обслуживать программные приложения, разработанные для самых разных и далеко отстоящих друг от друга направлений научных исследований, таких как лингвистика и астрономия, науки о Земле и проектирование техники. Знакомый всем персональный компьютер тоже является примером компьютера общего назначения, сегодня он используется не только как вычислительное устройство, но и как интеллектуальный офисный инструмент, цифровая аудио-видео-студия или центр развлечений.

В настоящее время даже специализированные устройства (например, игровые приставки, видеопроигрыватели, музыкальные центры) часто выполняют на той же основе, что и универсальные компьютеры, поскольку написание программы для стандартного процессора обходится дешевле разработки специализированного микрочипа.