Эволюция архитектуры вычислительных систем и сетей

Эволюция архитектуры вычислительных систем и сетей.

Общие вопросы с обязательной привязкой  к конкретным 
примерам с ответами на вопросы «зачем?» , «как?», «почему?».

 

Понятие «вычислительная  система» предполагает наличие множества процессоров или законченных вычислительных машин, при объединении которых используется один из двух подходов.

В вычислительных системах с общей  памятью имеется общая основная память, совместно используемая всеми  процессорами системы. Альтернативный вариант организации — распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор  обладает собственной локальной  памятью. Часто такие системы  объединяют отдельные ВМ. Обмен информацией  между составляющими системы  обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями.

 

История развития вычислительных систем:

 

Системы пакетной обработки

Первый период  (1945-1955).  Ламповые машины. ( Операционные системы отсутствовали.)

Мы начнем исследование развития компьютерных комплексов с появления электронных  вычислительных систем .

Первые шаги по созданию электронных  вычислительных машин были предприняты  в конце второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства, и появился принцип программы, хранимой в памяти машины (John Von Neumann, июнь 1945г). В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не регулярное использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей.

.

 

Серийное производство ЭВМ в  СССР началось с 1953 года. В этом году был изготовлен первый экземпляр  машины Стрела, разработанной по проекту  и под руководством Героя Социалистического  Труда Ю.Я. Базилевского.

 Баллистические расчеты всех  первых космических запусков, в  том числе полета Юрия Гагарина, проводили в первом вычислительном  центре страны на ЭВМ "Стрела".

 

Второй период  (1955-Начало 60-х). Компьютеры на основе транзисторов.  Пакетные операционные системы

С середины 50-х годов начался  новый период в эволюции вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых  элементов. Применение транзисторов вместо часто перегоравших электронных  ламп привело к повышению надежности компьютеров. Теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы  на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Снизилось потребление вычислительными  машинами электроэнергии. Проще стали  системы охлаждения. Размеры компьютеров  уменьшились. Эксплуатация и обслуживание вычислительной техники подешевели. Началось использование ЭВМ коммерческими  фирмами.

 

 

Многотерминальные системы

Третий период (Начало 60-х - 1980).  Компьютеры на основе интегральных микросхем. Первые многозадачные ОС.

 

В это время в технической  базе вычислительных машин произошел  переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к появлению следующего поколения компьютеров, представителем которого является, например, IBM/360.

Вычислительная техника становится более надежной и дешевой. Растет сложность и количество задач, решаемых компьютерами. Повышается производительность процессоров.

Повышению эффективности использования  процессорного времени мешает низкая скорость  механических устройств ввода-вывода (быстрый считыватель перфокарт мог обработать 1200 перфокарт в минуту, принтеры печатали до 600 строк в минуту).

Дальнейшее повышение эффективности  использования процессора было достигнуто с помощью  мультипрограммирования. Идея мультипрограммирования заключается  в следующем: пока одна программа  выполняет операцию ввода-вывода, процессор  не простаивает, как это происходило  при однопрограммном режиме, а  выполняет другую программу.  Когда  операция ввода-вывода заканчивается, процессор возвращается к выполнению первой программы. Эта идея напоминает поведение преподавателя и студентов  на экзамене. Пока один студент (программа) обдумывает ответ на поставленный вопрос (операция ввода-вывода), преподаватель (процессор) выслушивает ответ другого  студента (вычисления). Естественно, что  такая ситуация требует наличия  в комнате нескольких студентов. Точно также мультипрограммирование требует наличия в памяти нескольких программ одновременно. При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом, и не должна влиять на выполнение другой программы.  (Студенты сидят за отдельными столами и не подсказывают друг другу.

\\Появление мультипрограммирования требует целой революции в строении вычислительной системы. 

Дальнейшим развитием стало  появление многотерминальных систем.

 

Многотерминальные системы  — прообраз сети

 

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного  центра, рассредоточились по всему  предприятию. Многотерминальный режим  использовался не только в системах разделения времени, но и в системах пакетной обработки. При этом не только оператор, но и все пользователи получали возможность формировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. Такие операционные системы получили название систем удаленного ввода заданий.

 

Терминальные комплексы могли  располагаться на большом расстоянии от процессорных стоек, соединяясь с  ними с помощью различных глобальных связей — модемных соединений телефонных сетей или выделенных каналов. Такие вычислительные системы с удаленными терминалами сохраняя централизованный характер обработки данных, в какой-то степени являлись прообразом современных компьютерных сетей ), а соответствующее системное программное обеспечение — прообразом сетевых операционных систем.

 

Рис. 1.2 Многотерминальная система  — прообраз вычислительной сети

 

Многотерминальные централизованные системы уже имели все внешние признаки локальных вычислительных сетей, однако по существу ими не являлись, так как сохраняли сущность централизованной обработки данных автономно работающего компьютера.

Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него создавалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые далекие от вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполняются внутри их дисплея.)

Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Но до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределенных систем, все еще сохраняли централизованный характер обработки данных. С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не созрела - в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот период был справедлив так называемый «закон Гроша», который эмпирически отражал уровень технологии того времени. В соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощных - их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

 

Появление глобальных сетей

 

Тем не менее потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось все с решения более простой задачи - доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер.

Компьютеры получили возможность  обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в  первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз  данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые  службы.

 

 

В 1969 году министерство обороны США  инициировало работы по объединению  в общую сеть суперкомпьютеров оборонных  и научно-исследовательских центров. Эта сеть, получившая название ARPANET послужила отправной точкой для  создания первой и самой известной  ныне глобальной сети — Internet. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных ОС с дополнительными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети.

В 1974 году компания IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры  для своих мэйнфреймов, получившей название SNA (System Network Architecture, системная сетевая архитектура). В это же время в Европе активно велись работы по созданию и стандартизации сетей X.25.

 

Таким образом, хронологически первыми  появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно, находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей, такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов и маршрутизация пакетов в составных сетях.

 

Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более старых и глобальных сетей — телефонных.

Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в первых глобальных сетях часто использовались уже существующие каналы связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, в течение многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты, способных в каждый момент времени вести передачу только одного разговора в аналоговой форме. Поскольку скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким каналам была очень низкой (десятки килобит в секунду), набор предоставляемых услуг в глобальных сетях такого типа обычно ограничивался передачей файлов, преимущественно в фоновом режиме, и электронной почтой.

 

 

Развитие технологии глобальных компьютерных сетей во многом определялось прогрессом телефонных сетей. С конца 60-х годов в телефонных сетях все чаще стала применяться передача голоса в цифровой форме, что привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих АТС и позволяющих одновременно передавать десятки и сотни разговоров. Была разработана специальная технология плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH), предназначенная для создания так называемых первичных, или опорных, сетей. Такие сети не предоставляют услуг конечным пользователям, они являются фундаментом, на котором строятся скоростные цифровые каналы "точка-точка", соединяющие оборудование другой (так называемой наложенной) сети, которая уже работает на конечного пользователя.

Первоначально технология PDH, поддерживающая скорости до 140 Мбит/с, была внутренней технологией телефонных компаний. Однако со временем эти компании стали сдавать часть своих каналов PDH в аренду предприятиям, которые использовали их для создания собственных телефонных и глобальных компьютерных сетей.

 

 

Появившаяся в конце 80-х годов  технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) расширила диапазон скоростей цифровых каналов до 10 Гбит/c, а технология спектрального мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) — до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду.

Сегодня глобальные сети по разнообразию и качеству предоставляемых услуг  догнали локальные сети, которые  долгое время лидировали в этом отношении, хотя и появились на свет значительно  позже.

 

Первые локальные  сети

 

В начале 70-х годов произошел  технологический прорыв в области  производства компьютерных компонентов - появились большие интегральные схемы. Их сравнительно невысокая стоимость  и высокие функциональные возможности  привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Закон Гроша перестал соответствовать действительности, так как десяток мини-компьютеров выполнял некоторые задачи (как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее одного мэйнфрейма, а стоимость такой мини-компьютерной системы была меньше.

 

Даже небольшие подразделения  предприятий получили возможность  покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления технологическим  оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения предприятия. Таким образом, появилась концепция  распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при  этом все компьютеры одной организации  по-прежнему продолжали работать автономно (рис. 1.3).

 

Но шло время, потребности пользователей  вычислительной техники росли, им стало  недостаточно собственных компьютеров, им уже хотелось получить возможность  обмена данными с другими близко расположенными компьютерами. В ответ  на эту потребность предприятия  и организации стали соединять  свои мини-компьютеры вместе и разрабатывать  программное обеспечение, необходимое  для их взаимодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети (рис. 1.4). Они еще во многом отличались от современных, в первую очередь - своими устройствами сопряжения. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т. п. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых были разработаны, - например, мини-компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компьютеры «Наири» с компьютерами «Днепр». Такая ситуация создала большой простор для творчества студентов - названия многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов «Устройство сопряжения...».