Базовая архитектура большой ЭВМ класса мейнфрейм

Серверы и мейнфреймы. Архитектура и основные характеристики

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

1. Большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмомоперативной и внешней памяти

, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ.

2. Компьютер c архитектуройIBMSystem/360, 370, 390, zSeries.

3. Наиболее мощный компьютер (например, удовлетворяющий признакам значения (1)), используемый в качестве главного или центрального компьютера (например, в качестве главного сервера).

 

Особенности и характеристики современных мейнфреймов

· Среднее время наработки на отказ. Время наработки на отказ современных мейнфреймов оценивается в 12-15 лет. Надёжность мейнфреймов — это результат их почти 60-летнего совершенствования. Группа разработки операционной системы VM/ESA затратила 20 лет на удаление ошибок, и в результате была создана система, которую можно использовать в самых ответственных случаях.

· 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 копированиязащищают от потерь данных.

· Рабочая нагрузка. Рабочая нагрузка мейнфреймов может составлять 80-95 % от их пиковой производительности. Операционная система мейнфрейма будет обрабатывать всё сразу, причём все приложения будут тесно сотрудничать и использовать общие компоненты 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. Географически распределённый Sysplex называют GDPS. В случае использования операционной системы VM для совместной работы можно объединить любое количество компьютеров. Программное масштабирование — на одном мейнфрейме может быть сконфигурировано фактически бесконечное число различных серверов. Причем все серверы могут быть изолированы друг от друга так, как будто они выполняются на отдельных выделенных компьютерах и в то же время совместно использовать аппаратные и программные ресурсы и данные.

· 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 т. д.

 

Базовая архитектура большой ЭВМ класса мейнфрейм

Архитектура большой ЭВМ класса IBM мейнфрейм может быть представлена следующим образом (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Базовая архитектура zSeries.

Базовая архитектура zArchitecture большой ЭВМ класса мейнфрейм состоит из набора центральных процессоров СРU (Сentral Processor Units), согласованную работу которых синхронизирует внешний таймер ETR (External Timing Removed), основной памяти Main Storage, расширенной или дополнительной памяти Extended Storage, подсистемы ввода-вывода (далее по тексту мы будем называть ее канальной подсистемой) Channel SubSystem (CSS), в составе которой есть последовательные и параллельные каналы. Последовательные каналы управляются с помощью устройств селекции Dynami и контрольных блоков CU (Control Unit), через которые машина общается с периферийными устройствами D (Device). Контрольные блоки CU, их называют также контроллерами ввода-вывода или управляющими блоками, – очень важная часть канальной подсистемы.

Соединение между канальной подсистемой и контрольным блоком называется канальным путем (Channel Path). Канальный путь использует протокол параллельной либо последовательной передачи данных и соответственно называется либо параллельным, либо последовательным канальным путем. Последовательный канальный путь может подсоединяться к контрольному блоку через динамический переключатель Dynami, который предоставляет возможность организации различных внутренних соединений между портами этого переключателя.

Криптографический узел может быть выполнен встроенным в процессор, а внешний таймер (ETR) может быть подключен к системе.

Физическая реализация описанного набора основных компонентов архитектуры может варьироваться в зависимости от модели системы.

Специальные процессоры могут различаться по своим внутренним характеристикам, функциям, числу подканалов; канальные пути и контрольные блоки могут различаться по способу подключения периферийных устройств к канальной подсистеме, основная (и расширенная) память может различаться размерами, а система в целом будет отличаться характеристиками производительности.

Система, рассматриваемая без периферийных устройств ввода-вывода, называется конфигурацией. Все физическое оборудование, независимо от того, входит оно в состав конфигурации или нет, называется инсталляцией.

Процессорная память – это память внутри самого процессора, она недоступна для программ.

Внутренняя или процессорная память имеет многоуровневую структуру, включающую до трех уровней буферной памяти, называемой КЭШ-памятью. Уровни КЭШ-памяти предназначены для увеличения быстродействия основной памяти и "прозрачны" для процессора, то есть программно недоступны.

Серверы

Сервер - в информационных технологиях вообще - это некий программный или аппаратный компонент, выполняющий сервисные функции по запросу клиента, предоставляя ему доступ к определённым ресурсам. Подчёркиваю! - в общем случае сервер - это не обязательно машина, компьютер, железка. Сервер - это может быть и программа. Общее свойство серверов - выполнение некой сервисной,обслуживающей функции (сервер - от английского to serve - служить).

Сервер обслуживает клиентов. Под клиентом могут пониматься пользователи или другие компьютеры или программы - неважно. Важно, что понятия сервер и клиент и закрепленные за ними роли образуют программную концепцию «клиент-сервер» (Обязательный материал!). О ней мы ещё обязательно вспомним, поскольку для сетевых коммуникационных технологий эта концепция имеет решающее значение.

Возвращаясь к нашей теме, к компьютерам высокой производительности, мы будем называть серверами именно аппаратные устройства, то есть компьютеры, которые выполняют сервисные функции по запросу клиента. Какие именно функции? Самые разные. Эти функции называются ролями сервера и их у каждого сервера может быть несколько.

Наиболее частая роль - файл-сервер, как наш Intel Storage Device, на котором хранятся почти все файловые ресурсы нашей институтской локальной компьютерной сети. Чуть более редкая роль - сервер 1С, например.

Сервер - это не обязательно сверхмощный компьютер, бывают и очень "слабые" сервера. Поэтому иногда говорят, что сервер (как компьютер) - это некий выделенный из группы персональных компьютеров для выполнения какой-либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. В самом деле, в мире тихо и незаметно выполняют свои сервисные функции миллионы серверов, которые по мощности уступают Вашему домашнему компьютеру. Из-за того, что им нет нужды взаимодействовать с человеком непосредственно через УВВ, кроме сетевой карты, нет нужды обслуживать графический интерфейс, требования к их мощности намного ниже, чем к персональным компьютерам.

Важное свойство всех серверов - это надёжность. Как устройство, призванное работать без участия человека, сервер обязан обеспечивать доступ клиентов 24 часа 7 дней в неделю. Для этого в серверах используется схожая по сути, но совершенно отличная от "персоналок" элементная база - более надёжная оперативная память, жёсткие диски с бОльшим временем наработки на отказ, дублирующие системы и т.д.

Нередко для серверов в организации отводят специальное помещение - серверную комнату. В этом помещении обеспечивают особый температурный режим (как правило - от +16 до +18 °С), влажность (40-50%), предотвращают запылённость (поддерживают избыточное давление воздуха по отношению к примыкающим помещениям), обеспечивают резервным электропитанием, нередко - системой газового пожаротушения, и, конечно, особый режим допуска.

Самая главная характеристика сервера – это его производительность, которая зависит от нескольких параметров:

· во-первых, от типа и производительности процессоров;

· во-вторых, от объема и типа оперативной памяти;

· в-третьих, от производительности дисковой подсистемы.

Например, чем больше процессоров составляют начинку сервера и чем больше ядер в каждом из них, тем больше мощность всей сети. В принципе, выбирая конфигурацию сервера, нужно обязательно предусмотреть возможность расширения его через некоторое время, если возникнет потребность. Для этого нужно позаботиться о наличии процессоров, памяти и пр. устройств, совместимых с уже имеющимися.

Вторая важная характеристика сервера – его управляемость. Имеется ввиду, что должны быть обеспечены такие функции, как удаленные мониторинг и диагностика. Т.е. желательно, чтобы сервером можно было управлять на расстоянии: включать и перезагружать, диагностировать и исправлять неполадки даже в выключенном состоянии (при условии, что он подключен к электрической сети).

Первые две характеристики – производительность и управляемость– в значительной мере влияют на надежность сервера, что подразумевает не только физическую его надежность и качественную сборку, но и программную, которая состоит в стабильной работе всех программ.

Кроме перечисленного, следует обратить внимание на масштабируемость сервера, что позволяет значительно увеличить его мощность в плане производимых операционной системой вычислительных операций. Иными словами, масштабируемость означает, что система имеет способность увеличивать мощность в случае увеличения рабочей нагрузки без снижения таких показателей, как надежность и отказоустойчивость.