Классификация вычислительных систем
Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Основными классификационными признаками ВС являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы:
по типу – многомашинные и многопроцессорные.
по типу ЭВМ или процессоров - однородные и неоднородные.
по степени территориальной разобщенности вычислительных модулей – сосредоточенные и разобщенные.
по методам управления - централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.
по принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ - с жестким и плавающим закреплением функций.
по режиму работы - работающие в оперативном и неоперативном временных режимах.
Первые, как правило, используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.
Архитектура и типовые структуры вычислительных систем.
Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления.
|
|
|
Классификация М. Флинна.
Виды параллелеизма:
независимость потоков заданий (команд), существующих в системе
независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.
Основные архитектуры ВС:
а) Одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД)
все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть системы 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.
б) Одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД)
создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: 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. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ.
|
|
|
в) Множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД)
построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер в 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.
г) Множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД)
все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором данных. 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.
|
|
|
Кластеры
Кластер – это группа взаимно соединенных вычислительных систем (узлов), работающих совместно, составляя единый вычислительный ресурс и создавая иллюзию наличия единственной ВМ.
Перед кластерами ставятся две задачи:
1) достичь большой вычислительной мощности;
2) обеспечить повышенную надежность ВС
В качестве узлов кластеров могут использоваться как одинаковые ВС (гомогенные кластеры), так и разные (гетерогенные кластеры). По своей архитектуре кластерная ВС является слабо связанной системой.
Преимущества, достигаемые с помощью кластеризации:
1) Абсолютная масштабируемость. Возможно создание больших кластеров, превосходящих по вычислительной мощности даже самые производительные одиночные ВМ. Кластер в состоянии содержать десятки узлов, каждый из которых представляет собой мультиплексор.
2) Наращиваемая масштабируемость. Кластер строится так, что его можно наращивать, добавляя новые узлы небольшими порциями.
|
|
|
3) Высокий коэффициент готовности. Поскольку каждый узел кластера – самостоятельная ВМ или ВС, отказ одного из узлов не приводит к потере работоспособности кластера. Во многих системах отказоустойчивость автоматически поддерживается программным обеспечением.
4) Превосходное соотношение цена/производительность. Кластер любой производительности можно создать, соединяя стандартные ВМ, при этом его стоимость будет ниже, чем у одиночной ВМ с эквивалентной вычислительной мощностью.
На уровне аппаратного обеспечения кластер – это просто совокупность независимых вычислительных систем, объединенных сетью.
Узлы кластера контролируют работоспособность друг друга и обмениваются специфической информацией. Контроль работоспособности осуществляется с помощью специального сигнала, называемого heart-beat («сердцебиение»). Этот сигнал передается узлами кластера друг другу, чтобы подтвердить их нормальное функционирование.
Неотъемлемой частью кластера является специализированное программное обеспечение (ПО), на которое возлагается задача обеспечения бесперебойной работы при отказе одного или нескольких узлов. Такое ПО производит перераспределение вычислительной нагрузки при отказе одного или нескольких узлов кластера, а также восстановление вычислений при сбое в узле. Кроме того, при наличии в кластере совместно используемых дисков кластерное ПО поддерживает единую файловую систему.
Существуют следующие методы кластеризации:
1) Пассивное резервирование. Вторичный сервер при отказе первичного берет управление на себя.
2) Резервирование с активным вторичным сервером. Вторичный сервер, как и первичный, используется при решении задач.
3) Самостоятельные серверы. Самостоятельные серверы имеют собственные диски, а данные постоянно копируются с первичного сервера на вторичный.
4) Серверы с подключением ко всем дискам. Серверы подключены к одним и тем же дискам, но каждый сервер владеет своей их частью. Если один из серверов отказывает, то управление его дисками берет на себя другой сервер.
5) Серверы с совместно используемыми дисками. Множество серверов работают в режиме коллективного доступа к дискам.
Топологии сетей
Термин «топология» характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети.
Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности выбор той или иной топологии влияет на:
· состав необходимого сетевого оборудования;
· характеристики сетевого оборудования;
· возможности расширения сети;
· способ управления сетью.
Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки.
Базовые топологии
- шина (bus) - компьютеры подключены вдоль одного кабеля, топология называется шиной;
Используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети; данные передаются всем компьютерам в сети; однако информацию принимает тот, адрес которого соответствует адресу получателя. Причем в каждый момент времени, только один компьютер может вести передачу.
Преимущества: отсутствие дополнительного активного оборудования (например повторителей) делает такие сети простыми и недорогими.
Недостаток линейной топологии заключается в ограничениях по размеру сети, ее функциональности и расширяемости.
- звезда (star) - компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки или концентратора
Преимущество: если нарушится работа в одном компьютере или выйдет из строя кабель, соединяющий один компьютер, то только этот компьютер не сможет получать и передавать сигналы. На остальные компьютеры в сети это не повлияет. Общая скорость работы сети ограничивается только пропускной способностью концентратора.
Недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети.
- кольцо (ring) - кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо
В отличии от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитора, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру.
Наиболее существенный ее недостаток заключается в том, что при выходе из строя хотя бы одного устройства отказывалась функционировать вся сеть.
Модель OSI
«Эталонная модель взаимодействия открытых систем» (OSI) - является концептуальной основой, описывающей правила и процедуры обмена данными при организации сеанса связи, которые должны быть реализованы как в аппаратных, так и в программных средствах сетей. Она разделяет функции в сети на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.
Система передачи информации
Для существования и распространения информация должна быть обязательно связана с какой-либо материальной основой – без неё она не может проявляться, передаваться и сохраняться. Материальным носителем информации может быть бумага, воздух, лазерный диск, электромагнитное поле и т.д. При этом хранение информации связано с некоторой характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени, а передача информации – наоборот, с характеристикой, которая изменяется с течением времени. Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом.
Линия связи – это физическая среда, которая используется для распространения сигналов в нужном направлении.
Каналом связи называют средства односторонней передачи данных. Они создаются по линиям связи. Одна и та же линия связи может служить одновременно для реализации нескольких каналов связи. Существует два основных метода разделения линии связи:
– временное мультиплексирование – разделение по времени, при котором каждому каналу выделяется некоторый интервал времени;
– частотное мультиплексирование – разделение по частоте, при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.
Основными характеристиками линии связи являются:
– амплитудно-частотная характеристика – показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на её входе для всех возможных частот передаваемого сигнала;
– полоса пропускания – это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел (обычно 0,5);
– затухание – относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определённой частоты;
– помехоустойчивость – способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде;
– пропускная способность – максимальное количество информации, передаваемое в единицу времени без потерь и искажений;
– достоверность передачи данных – характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных;
– удельная стоимость.
Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц. Среда передачи данных может включать как кабельные, так и беспроводные технологии.
Сетевое оборудование
Всё оборудование, используемое в компьютерных сетях, можно условно разделить на три группы:
– аппаратура передачи данных – используется для соединения компьютеров или локальных сетей с линией связи;
– оконечное оборудование данных – это аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные для передачи по линии связи и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных;
– промежуточная аппаратура – используется для улучшения качества сигнала и создания постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.
Повторитель (repeater) – физически соединяет различные сегменты кабеля локальной сети и передаёт сигналы из одного сегмента сети в другой, улучшая его качество, позволяя тем самым преодолеть ограничения на длину линий связи.
Концентратор (hub) – устройство для соединения нескольких компьютеров в локальную сеть, являясь её центральным соединительным узлом. Он не способен регулировать потоки данных, а лишь передаёт сигнал от порта к порту, т.е. все устройства, подключённые к концентратору, получают одну и ту же информацию.
Коммутатор (switch) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который осуществляет широковещательную рассылку пакетов, коммутатор передаёт данные только целевому устройству, а также он разрешает возникающие на портах коллизии.
Структурированная кабельная система – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъёмов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях
Мост (bridge) – это программно-аппаратный комплекс, который соединяет локальные сети между собой, а также локальные сети и удалённые рабочие станции, позволяет им взаимодействовать друг с другом для расширения возможностей сбора и обмена данными. Они могут соединять две или более сети с одинаковыми протоколами взаимодействия, одинаковыми типами среды передачи и одинаковой структурой адресации.
Маршрутизатор (router) – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на её основании пересылает данные в сеть назначения, что позволяет более эффективно, чем мосты, изолировать поток данных отдельных сегментов сети друг от друга.
Шлюзы (gateway) соединяют сети с разными протоколами, типами системного и прикладного программного обеспечения, преобразуя проходящие через них сигналы
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 340; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!