Эволюция архитектуры вычислительных систем и сетей

 

 

Создание стандартных  технологий локальных сетей

 

В середине 80-х годов положение  дел в локальных сетях стало  кардинально меняться. Утвердились  стандартные технологии объединения  компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей - с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой - явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

 

 

 

 

Современные тенденции

 

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быстро. Разрыв между локальными и глобальными  сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным  системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа  к ресурсам, такие же удобные и  прозрачные, как и службы локальных  сетей. Подобные примеры в большом  количестве демонстрирует самая  популярная глобальная сеть - Internet.

 

Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих  тысячи компьютеров и имеющих  сложную структуру. Возродился интерес  к крупным компьютерам - в основном из-за того, что после спада эйфории  по поводу легкости работы с персональными  компьютерами выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживать  сложнее, чем несколько больших  компьютеров. Поэтому на новом витке  эволюционной спирали мэйнфреймы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы, но уже как полноправные сетевые узлы, поддерживающие Ethernet или Token Ring, а также стек протоколов TCP/IP, ставший благодаря Internet сетевым стандартом де-факто.

 

Проявилась еще одна очень важная тенденция, затрагивающая в равной степени как локальные, так и  глобальные сети. В них стала обрабатываться несвойственная ранее вычислительным сетям информация - голос, видеоизображения, рисунки. Это потребовало внесения изменений в работу протоколов, сетевых  операционных систем и коммуникационного  оборудования. Сложность передачи такой  мультимедийной информации по сети связана  с ее чувствительностью к задержкам  при передаче пакетов данных - задержки обычно приводят к искажению такой  информации в конечных узлах сети. Так как традиционные службы вычислительных сетей - такие как передача файлов или электронная почта - создают  малочувствительный к задержкам  трафик и все элементы сетей разрабатывались  в расчете на него, то появление  трафика реального времени привело  к большим проблемам.

 

Сегодня эти проблемы решаются различными способами, в том числе и с  помощью специально рассчитанной на передачу различных типов трафика  технологии АТМ, Однако, несмотря на значительные усилия, предпринимаемые в этом направлении, до приемлемого решения проблемы пока далеко, и в этой области предстоит еще много сделать, чтобы достичь заветной цели - слияния технологий не только локальных и глобальных сетей, но и технологий любых информационных сетей - вычислительных, телефонных, телевизионных и т. п. Хотя сегодня эта идея многим кажется утопией, серьезные специалисты считают, что предпосылки для такого синтеза уже существуют, и их мнения расходятся только в оценке примерных сроков такого объединения - называются сроки от 10 до 25 лет. Причем считается, что основой для объединения послужит технология коммутации пакетов, применяемая сегодня в вычислительных сетях, а не технология коммутации каналов, используемая в телефонии.

 

Современность

Также в наше время помимо вычислительных сетей ктивно используются такие выч сист как Суперкомпью́тер (англ. supercomputer, СуперЭВМ) — вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи

Вычислительная система «Ломоносов» (фото разработчиков).

Суперкомпьютер «Ломоносов» —  суперкомпьютер, построенный компанией  «Т-Платформы» для МГУ им. М.В. Ломоносова. По состоянию на ноябрь 2011 года занимает 18-е место в рейтинге TOP500 самых  мощных суперкомпьютеров[1]. По состоянию  на 30 июня 2012 — 22 место[2]. По состоянию  на 13 ноября 2012 — 26 место

 

__________

В научных исследованиях активно  используются Грид-вычисления (англ. grid — решётка, сеть) — это форма распределённых вычислений, в которой «виртуальный суперкомпьютер» представлен в виде кластеров соединённых с помощью сети, слабосвязанных, гетерогенных компьютеров, работающих вместе для выполнения огромного количества заданий (операций, работ). Эта технология применяется для решения научных, математических задач, требующих значительных вычислительных ресурсов. Грид-вычисления используются также в коммерческой инфраструктуре для решения таких трудоёмких задач, как экономическое прогнозирование, сейсмоанализ, разработка и изучение свойств новых лекарств.

http://www.rentagrid.org/

 

 

Хронологическая последовательность важнейших событий в истории  развития компьютерных сетей

 

 

 

Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения. Поскольку ВС появились как параллельные системы, то и рассмотрим классификацию архитектур под этой точкой зрения.

Эта классификация архитектур была предложена Флинном (M. Flynn) в начале 60-х гг. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени еще не потеряла своего значения. Однако подчеркнем, что, как и любая классификация, она носит временный и условный характер. Своим долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в которых ЭВМ и процессоры реализуют программные последовательные методы вычислений. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использующих ассоциативную обработку, классификация может быть некорректной.

Согласно данной классификации  существуют четыре основные архитектуры  ВС, представленные на рис. 10.3:

 

1) одиночный поток команд - одиночный  поток данных (ОКОД), в английской  аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD), - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

2) одиночный поток команд - множественный  поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data (SIMD), - одиночный поток инструкций -множественный поток данных;

3)множественный поток команд - одиночный  поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD), - множественный поток инструкций - одиночный поток данных;

4)множественный поток команд - множественный  поток данных (МКМД), или Multiple histruction Multiple Data (MIMD), - множественный поток инструкций - множественный поток данных.

 

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними.

По данной схеме строились системы: первая суперЭВМ - ILLIAC-IV, отечественные параллельные системы - ПС-2000, ПС-3000. Идея векторной обработки широко использовалась в таких известных суперЭВМ, как Cyber-205 и Gray-I, II, III. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа, по существу, являются структурами специализированных суперЭВМ.

Третий тип архитектуры  МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме  того, на практике нельзя обеспечить и  “большую длину” такого конвейера, при  которой достигается наивысший  эффект. Вместе с тем конвейерная  схема нашла применение в так  называемых скалярных процессорах  суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра. Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Общая теоретическая база такого вида работ практически отсутствует. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Например, отечественный проект машины динамической архитектуры (МДА) - ЕС-2704, ЕС-2727 позволял одновременно использовать сотни процессоров.

 

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка - как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Будем считать, что пока данный класс пуст.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.