Introducing 

Prezi AI.

Your new presentation assistant.

Refine, enhance, and tailor your content, source relevant images, and edit visuals quicker than ever before.

Loading…
Transcript

Компютърни архитектури

Компютърната архитектура отразява най-общите принципи на взаимодействие на хардуера и софтуера при организацията на изчислителния процес. Тя не разглежда конкретните конструктивни особености на компютъра, управлението и предаването на данните вътре в централния процесор и др. под. Терминът "архитектура" сред многото си други значения има значение и на "структура на нещо". Именно това значение се употребява при описание на организацията на компютърните системи. Архитектурата на компютъра, според Джон фон Нойман, се състои от три основни блока - памет, процесор (изчислително устройство) и входно-изходни устройства. Чрез тези три блока практически се изразяват и представят всички основни характеристики в архитектурата на компютъра, а от гледна точка на квалифицирания потребител те са основното и единствено значимото за него. Архитектурата характеризира хардуера, неговите изчислителни ресурси и особености, и рефлектира изцяло върху програмното осигуряване. Преценката за възможностите на компютъра и необходимия хардуер за изпълняване на конкретни задачи и програми по автоматизираната обработка на информацията, използването на една или друга операционна система, работа в Интернет мрежата, слушане на музика и гледане на видео и други започва от изучаването на архитектурата.

По-известните примери за многокомпютърни архитектури са суперкомпютрите, мейнфрйм компютрите, сървърите, клъстерите и т.н. Суперкомпютрите например са изградени от гигантски мейнфрейм компютри, които свързват десетки хиляди процесори за постигане на невероятни изчислителни скорости, които се измереват в петафлопа. А самите мейнфрейм компютри от други компоненти. Суперкомпютрите представляват една многокомпютърна архитектура.

Мейнфрейм компютър

История

Историята на мейнфрейм компютрите е прието да започва с появата на компютърната система IBM System/360 през 1964 г. За разработката ѝ корпорацията IBM е похарчила 5 милиарда долара. Самият термин «мейнфрейм» произлиза от названието на типовите стойки за процесорите. През периода от 60-те до началото на 80-те System/360 е безспорен лидер на пазара. Нейни клонинги са се правили в много страни, в това число и социалистическите (серия ЕС ЕИМ).

В началото на 90-те започва криза на пазара на мейнфрейм компютри, чийто пик е през 1993 г. Много анализатори предричат пълното им отмиране и предсказват преход от централизирана обработка на информацията към разпределена (с помощта на персонални компютри, обединени от архитектурата клиент-сървър). Мнозина днес възприемат мейнфрейм компютрите като остарели, считайки Unix- и PC-сървърите за по-съвременни и перспективни.

Според една от прогнозите на Gartner Group, последният мейнфрейм компютър се е предполагало да бъде изключен през 1993 г. Тази година отдавна е изминала, а пазарът на мейнфрейм компютри остава стабилен и продажбите им растат ежегодно. От 1994 година дори се наблюдава нарастване на интереса към тях. Практиката показва, че централизираната обработка на данни с използване на мейнфрейм решава много задачи в рамките на едно предприятие и е по-проста и по-евтина от разпределената система. В днешно време мейнфрейм компютрите на IBM, които доминират пазара, се използват от над 25 000 организации по цял свят и голяма част от важните бизнес данни се обработват на тях (например в застрахователните компании).

Особености и характеристики на съвременните мейнфрейм компютри

  • Средно време на амортизация. За съвременните машини то се оценява на 12–15 години. Надеждността им е резултат на тяхното почти 60-годишно усъвършенствуване.
  • Повишена устойчивост. Мейнфрейм компютрите са в състояние да идентифицират и коригират болшинството апаратни и програмни грешки използвайки дублиране(два резервни процесора, резервна памет, алтернативни пътища за достъп към периферните устройства) и бърза подмяна на всички елементи.
  • Достоверност на данните. В мейнфрейм компютрите се използва памет с корекция за грешките. Грешките не водят до разрушаване на данните в паметта, или на тези, очакващи изход на външно устройство. Дисковите подсистеми позволяват бърза подмяна и имат вградени средства за резервно копиране.
  • Работно натоварване. Работното натоварване на мейнфрейм компютрите може да достига 80–95 % от пиковата им производителност. За UNIX–сървърите, обикновено този параметър е не повече от 20–30 % от пиковото натоварване. Операционната система на мейнфрейма привлича всички ресурси, при това всички приложения си сътрудничат.
  • Пропускателна способност. Подсистемите за вход-изход при мейнфрейм компютрите са така разработени, че позволяват максимално натоварване при вход-изход на данните.
  • Мащабиране. То може да бъде както вертикално, така и хоризонтално. Вертикалното мащабиране се осигурява с паралелни процесори с производителност (бързодействие) от 5 до 200 MIPS и може да достигне до 12 централни процесора в един компютър. Хоризонталното мащабиране се реализира като се обединят няколко машини в Sysplex (System Complex) — многомашинен клъстер, който от гледна точка на потребителя изглежда като един компютър. В Sysplex могат да бъдат обединени до 32 машини. Програмното мащабиране позволява на един мейнфрейм да се конфигурират фактически безкраен брой различни сървъри, при което всички те да са изолирани един от друг, все едно са на отделни компютри, но същевременно могат да използват съвместно апаратните, програмните ресурси и данните.
  • Достъп до данните. Тъй като данните са на един сървър, приложните програми не се налага да събират информация от множество източници и не се изисква допълнително пространство за временното им съхраняване; при това не възникват съмнения в тяхната достоверност.
  • Защита. Вградените защити, като криптографски устройства, логическо разделение на дялове, специална защита на операционната система, осигуряват много добра защита
  • Потребителски интерфейс. Потребителският интерфейс винаги е бил слабо място на мейнфрейма. В днешно време вече е възможно мейнфреймът да се ползва при минимални разходи и в кратки срокове с помощта на съвременен уеб-базиран интерфейс.
  • Съхранение на инвестицията — до голяма степен се избягват допълнителни разходи за закупуване на ново програмно осигуряване или смяна на платформата, преквалификация на персонала, пренос на данни и др.

Суперкомпютър

Суперкомпютрите са невероятно мощни машини. Те са изградени от гигантски мейнфрейм компютри, които свързват десетки хиляди процесори за постигане на невероятни изчислителни скорости, които се измереват в петафлопа. Един петафлоп е равен на 1 квадрилион изчисления в секунда. За сравнение, това е повече от 12 000 пъти по-бързо, отколкото скоростта на изчисления на най-бързия MacBook Pro.

История

Преди 20-те години на 20-и век терминът „компютър“ е означавал човешко същество, способно на сложни изчисления. След 20-те години на 20-и век „Компютър“ започва да означава машина, която е способна на много повече и много по-сложни изчисления от човека. В изграждането на първите суперкомпютри, специалистите използвали физическите движения на машината, за да представят изчисления. През 30-те години, те започнали да използват електромагнити, за да оказват физическо влияние върху изчисленията. Освен това се използвали и вакуумни туби, които работели по-бързо от останалите две технологии. 40-60 години на 20-и век благодарение на вакуумните туби, скоростта на изчисленията започнала да нараства. От компютри създадени само с една цел, тези машини се превърнали в многофункционални устройства, които извършвали многобройни операции. 60-70-те години на 20-и век използването на векторни процесорни техники ускорява още повече работата с данни. Същите тези техники били използвани и в създаването на тогавашните персонални компютри. През 70-годишното си развитие, скоростта на суперкомпютрите е преминала от хиляда, до милиони и след това до милиарди, трилиони и четирилиони операции за секунда. Скоростта на суперкомпютрите през 2011 година достигна 8,2 петафлопа. Очаква се до 2018 година, суперкомпютрите да станат толкова мощни, че да изравнят възможностите си с тези на човешкия мозък. До 2020 година, пък, скоростта им ще е 1000 пъти по-голяма от днешната. Учените смятат, че някъде между 2025 и 2045 година, те ще развият собствен интелект.

Сървари

Сървър e термин, който има две тясно свързани значения:

  • Сървърът е компютърна програма, която предоставя услуги на други програми, наречени в този контекст клиентски софтуер (Client). Сървърът стартира като услуга, която обслужва заявки на други програми („клиенти“), които могат, а могат и да не бъдат стартирани на същия компютър.
  • Сървърът е също така компютър, стартиращ сървърен софтуер и предоставящ една или повече услуги (като например хост) на други компютри в същата мрежа. В повечето случаи хардуерните изисквания към този компютър са по-високи от изискванията към хардуера на стандартния настолен компютър, който не функционира като сървър. В допълнение, може да има специални изисквания за архивиране и др.
  • Днес, този термин се използва най-вече за завършени компютърни системи. Една такава софтуерна/хардуерна система представлява софтуерна услуга, стартираща на специално предназначен за нея компютър. Това са например сървър база данни, файлов сървър, mail сървър или print сървър.

Сървърният софтуер се характеризира с това, че работи на базата на приложение, което слуша за заявки (request) и връща отговор (response), като и двете операции са по предварително зададен протокол. Тъй като заявката може да пристигне по всяко време, сървърният софтуер е постоянно стартиран, чакайки за заявка, за разлика от клиентски софтуер, при който потребителят слага край с последната използвана операция.

Сървърът е компютър, който работи съвместно с други компютри в компютърна мрежа. При комуникацията сървърът предоставя услуги към останалите компютри, наричани клиенти. Терминът „сървър“ е пряко свързван с модела за обслужване (наричан още мрежова архитектура) клиент-сървър, който представлява антипод на модела „равен-към-равен“ (peer to peer).

Архитектура на сървъра

  • Паралелна компютърна архитектура. Операционната система работеща с четири и повече процесора ще балансира товара на задачата така, че да се постига добра производителност на сървъра.
  • Код за коригиране на грешките /ЕСС/ подсилва сигурността на сървъра и целостта на данните.
  • Кеширането на данните в паметта оптимизира производителността на сървъра.
  • Два мрежови адаптери позволяват сегментиране товара на клиентите на сървъра. Софтуерът обединява двата порта в един. Вторият адаптер служи за осигуряване на по-висока честотна лента или като резервен.
  • Смяна на дисковете по време на работа. Използване на технологията RAID Level5.Връзка към устройства за бързо съхранение на данни.
  • Непрекъсваеми по време на работа захранвания с двойни мрежови кабели и два допълнителни вентилатора.

Изисквания към сървъра

  • Средства улесняващи инсталирането - софтуерни пакети, които предпазват от допускане на големи грешки при инсталиране и експлоатация на сървъра и оказват ценна помощ на мрежовия администратор.
  • Средства за наблюдение и контрол - продукти за визуализиране състоянието на сървъра. Те позволяват автоматизиране на отделни задачи, които претоварените системни администратори пренебрегват.
  • Запаметяване и защита на информацията -прилагат се различни техники за дублиране на информацията, без това да се отразява чувствително върху крайната цена на сървъра. Използват се три метода - огледален диск(Два диска използват един и същи контролер, като и двата записват напълно идентично копие на данните. Недостатък - при повреда на контролера информацията се губи.), дублиране на дискове(Всеки от дублиращите дискове разполага със собствен контролер. Методът е по-скъп, но по надежден и осигурява по-голямо бързодействие.) и RAID(Обобщено наименование на няколко метода за повишаване на надеждността. Данните се записват на няколко диска по определена схема.).
  • Средства за отдалечен контрол - много полезни, когато мрежовия администратор не е наблизо. Той може да се свърже по телефона и да получи информация за състоянието на мрежата, да тества или рестартира системата. Предвидена е и възможност при възникване на проблем, сървърът автоматично да потърси помощ по телефона.

Допълнителни осигуровки на сървъра

  • Хардуер който сам фиксира възникналите проблеми в сървъра.
  • Оперативна памет с автоматична корекция на грешките. Ако това не може да стане повредения чип се изолира и се сигнализира за събитието.
  • Двойна осигуровка на захранването на сървъра. Включване на два UPS, като допълнителна осигуровка на захранването. Двете устройства работят в паралел.
  • Дублиране на сървъра (клъстъриране) - две или повече машини се свързват чрез високоскоростна връзка и се прави абсолютно огледален образ на данните и паметта.

Видове сървъри

Дейностите, които се изпълняват от мрежите са разнообразни и сложни. Те се реализират от специализирани сървъри, с цел задоволяване нарастващите нужди на потребителите.

  • Файлов сървър - компютър изпълняващ ролята на съвместно хранилище на файлове за потребителите. Синхронизира достъпа до общите ресурси.
  • Сървър за ІР адресиране (DNS Domain Name Server) - извършва услуги по управление на ІР адреси
  • Web сървър - удобно и икономично средство за публикуване на документи, достъпни са за всеки, който разполага с Web браузър.
  • Сървър, осъществяващ защитната стена - Сървърът може да има три адаптера - За връзка с Интернет(Създава защитна стена и пълен контрол върху маршрутизирането на постъпващите пакети.), адаптер за локална мрежа(Дава възможност на потребителите да се включват в други корпоративни локални мрежи.) и адаптер за защитаваната LAN.
  • Упълномощен сървър (Proxy сървър) - сървър, който обслужва заявки вместо друг сървър.
  • Сървър за електронна поща - управлява електронните съобщения между потребителите на мрежата.
  • Факс сървър - управлява трафика на факсове към и от мрежата. Може чрез обществената телефонна мрежа да предава факсове към факс апарати.
  • Сървъри за директорийни услуги - позволяват на потребителите да локализират, съхраняват и защитават информацията в мрежата.
  • Сървър за приложения - правят данните и сървърната част на приложенията от типа клиент/сървър достъпни за клиентите. При сървъра за приложения базата данни се намира на сървъра, а на клиентският компютър чрез форми се попълват данни или чрез заявки се извлича информация.
  • Други сървъри - както вече бе споменато, колкото функции изпълнява мрежата, толкова вида сървъри могат да бъдат създадени. Това е въпрос на проектиране, оптимизация на структурата и естествено пари.

Клъстер

Кла̀стерът представлява група компютри, свързани в мрежа помежду си, за да осигурят повече изчислителна мощ, взети заедно. Кла̀стър се нарича и обединяването на 2 или повече сектори от пътеките върху FDD или HDD носители на информация.

Предизвикателство пред ИТ отделите е извличането на максимална производителност при ограничен бюджет. Днес повече от всякога фирмите имат нужда от максимална процесорна мощ, за да работят с десктоп приложенията си, бази данни ERP и други приложения. За работата на много бизнес процеси се изисква употребата на значителни ИТ ресурси и ограничените ИТ бюджети не могат да се справят с непрекъснато нарастващата необходимост от повече мощност.

В търсене на решение много организации избират инвестицията в компютърни клъстери – мрежи от много, евтини десктоп компютри – алтернатива на скъпите сървъри и супер компютри.

Обединяването на компютри в клъстери е техника на свързване на 2 или повече компютъра в мрежа, с цел максимално възползване от паралелната процесорна мощ на тези компютри.

Видове клъстери

  • Отказо-устойчиви клъстери (High-availability clusters, HA). Създават се за гарантиране на непрекъсната работа на изчислителна система. Състои се обикновено от две или повече компютърни системи, при срив на една от системите, клъстерът продължава работата си. Позволява се включване на възстановената компютърна система в клъстера без прекратяване работата на клъстера. За изграждането на клъстер е необходимо специфично програмно осигуряване.
  • Клъстери с балансирано натоварване (Load balancing clusters). Разпределят заявките на един или повече входни възли, като ги препращат за обработка към изчислителните възли. Целта е повишаване на производителността чрез паралелно изчисляване на конкурентни заявки от различни компютърни системи (изчислителни възли). Това води и до повишаване на надеждността на системата.
  • Високопроизводителни клъстери (High-performance clusters, HPC). Използват се за решаване на специфични изчислителни задачи, например в научните изследвания и моделиране на процеси и явления. Намалява времето за изчисление, разбивайки задачата на паралелно изпълняващи се нишки.

Предимства на клъстерите

Компютърните клъстери имат редица предимства в сравнение със скъпите високо-производителен сървъри и супер компютрите:

  • Намаляване на разходите: Цената на масовите персонални компютри спада рязко през последните години и този спад води до голямо нарастване на процесорната им мощ и производителност. Днес един нормален десктоп компютър е в пъти по-мощен от първите супер компютри компютри.
  • Производителност: Паралелната изчислителна мощност на един високо-производителен клъстер може да бъде по-ефективна по отношение на разходите в сравнение с конкурентните решения. Това дава възможност на организациите да получат по висока възвращаемост на инвестициите (ROI) от техния ИТ бюджет.
  • Подобрена мрежова технология: Постоянното развитие на компютърните клъстери води до подобрение на мрежовите технологии и намаляване на цената на решението.
  • Скалируемост: Едно от основните предимства на клъстерите е скалируемостта, която предлагат. Докато обикновените сървъри имат фиксирана процесорна мощ, компютърните клъстери може лесно да се разширяват чрез добавяне на допълнителни компютри към мрежата.
  • Наличност: Когато един сървър се повреди, цялата система спира да работи. Ситуацията е различна при клъстерите – ако един компютър от клъстера се повреди, функциите му се прехвърлят към следващата единица в клъстера. По този начин се гарантира непрекъсната работа на системата/услугата.

Благодаря за вниманието!

Многокомпютърни архитектури

Курсова работа

Дисциплина: Компютърни архитектури

Тема: Многокомпютърни архитектури

Изработил: Стефан Цветков

Learn more about creating dynamic, engaging presentations with Prezi