Особенности ОС для различных классов компьютерных систем. ОС реального времени. ОС для облачных вычислений

Распределенные компьютерные системы и особенности их ОС

В распределенной системе (distributed system) вычисления распределены между несколькими физическими процессорами (компьютерами), объединенными между собой в сеть.

Слабо связанная система (loosely coupled system) – распределенная компьютерная система, в которой каждый процессор имеет свою локальную память, а различные процессоры взаимодействуют между собой через линии связи – высокоскоростные шины, телефонные линии, беспроводную связь (Wi-Fi, EVDO, Wi-Max и др.).

Преимущества распределенных систем:

1. Разделение (совместное использование) ресурсов: в распределенной системе различные ресурсы могут храниться на разных компьютерах. Нет необходимости дублировать программы или данные, храня их копии на нескольких компьютерах.
2. Совместная загрузка (load sharing ): каждому компьютеру в распределенной системе может быть поручено определенное задание, которое он выполняет параллельно с выполнением другими компьютерами своих заданий.
3. Надежность: при отказе или сбое одного из компьютеров распределенной системы его задание может быть перераспределено другому компьютеру, чтобы сбой в минимальной степени повлиял или вовсе не повлиял на итоговый результат.
4. Связь: в распределенной системе все компьютеры связаны друг с другом, так что, например, при необходимости возможен удаленный вход с одного компьютера на другой с целью использования ресурсов более мощного компьютера.

В распределенной системе компьютеры связаны в сетевую инфраструктуру, которая может быть:

1. локальной сетью (local area network - LAN);
2. глобальной или региональной сетью (wide area network - WAN).

По своей организации распределенные системы могут быть клиент-серверными (client-server) или одноранговыми (peer-to-peer) системами. В клиент-серверной системе определенные компьютеры играют роль серверов, а остальные – роль клиентов, пользующихся их услугами. Подобная организация распределенных систем наиболее распространена, и мы рассмотрим ее подробнее. В одноранговой распределенной системе все компьютеры равноправны.

Структура клиент-серверной системы изображена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структура клиент-серверной системы

Виды серверов в клиент-серверных компьютерных системах

Клиент-серверная архитектура распределенных систем весьма широко распространена и поддержана операционными системами. Поэтому очень важно знать, какие виды и функции серверов предлагают современные распределенные системы.

Файл-сервер (file server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющие доступ к подмножеству файловых систем, расположенных на дисках компьютера-сервера, другим компьютерам локальной сети (LAN). Пример – серверное программное обеспечение SAMBA (SMB – сокращение от Server Message Block) для ОС типа UNIX (Linux, FreeBSD, Solaris и т.д.), обеспечивающее доступ с Windows-компьютеров локальной сети к файловым системам UNIX-машин. Samba также реализована для платформы Macintosh / MacOS.

Сервер приложений (application server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее вычислительные ресурсы (память и процессор) и необходимое окружение для удаленного запуска определенных классов (как правило, больших) приложений с других компьютеров локальной сети. Примеры серверов приложений - WebSphere (IBM), WebLogic (BEA) – наилучшие из известных серверов приложений, работающих в Java Enterprise Edition (JEE).

Сервер баз данных (database server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее доступ другим компьютерам сети к базам данных, расположенным на компьютере-сервере. Пример: серверное программное обеспечение для доступа к базам данных Microsoft SQL Server.

Веб-сервер (Web server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее доступ клиентам через WWW к Web-страницам, расположенным на компьютере-сервере. Пример: свободно распространяемый Web-сервер Apache.

Прокси-сервер – компьютер и программное обеспечение, являющиеся частью локальной сети и поддерживающие эффективное обращение компьютеров локальной сети к Интернету, фильтрацию трафика, защиту от внешних атак. Proxy-сервер обычно встроен в операционную систему.

Сервер электронной почты – компьютер и программное обеспечение, выполняющие отправку, получение и "раскладку" электронной почты для компьютеров некоторой локальной сети. Могут обеспечивать также криптование почты (email encryption) – шифрование электронных писем перед отправкой адресатам из определенного сетевого домена (как правило, заказчику) и их дешифровку после получения от заказчика.

Серверный бэк-энд (Server back-end) – группа (пул) связанных в локальную сеть серверных компьютеров, используемых вместо одного сервера, в целях большей надежности и предоставления большего объема ресурсов. Другой термин, близкий к этому, - центр обработки данных (data center).Эти понятия особенно актуальны в связи со все более широким распространением облачных вычислений, являющихся, с этой точки зрения, наиболее современной реализацией клиент-серверной схемы взаимодействия.

Кластерные вычислительные системы и их ОС

Компьютерные кластеры весьма популярны для научных вычислений. Компьютеры в кластере, как правило, связаны между собой через быструю локальную сеть. Кластеризация позволяет двум или более системам использовать общую память. Кластеризация обеспечивает высокую надежность. Различают компьютерные кластеры двух видов:

• асимметричная кластеризация (asymmetric clustering) – организация компьютерного кластера, при которой один компьютер выполняет приложение, а остальные простаивают;
• cимметричная кластеризация (symmetric clustering) - организация компьютерного кластера, при которой все машины кластера исполняют одновременно различные части одного большого приложения.

Различают также:

• кластеры с высокоскоростным доступом (high-availability clusters) – компьютерные кластеры, обеспечивающие оптимальный доступ к ресурсам, предоставляемым компьютерами кластера, например, к базам данных;
• кластеры с балансировкой загрузки (load-balancing clusters) – компьютерные кластеры, которые имеют несколько входных компьютеров, балансирующих запросы (front-ends), распределяющих задания между компьютерами серверного back-end’а (серверной фермы).

Кластеры часто используются в университетах (например, установлены на нескольких факультетах СПбГУ) и в исследовательских центрах (например, CERN, Швейцария). Операционные системы для кластеров: Windows 2003 for clusters; Windows 2008 High-Performance Computing.

Системы и ОС реального времени

Системы реального времени часто используются как управляющие устройства для специальных приложений, - например, для научных экспериментов; в медицинских системах, связанных с изображениями; системах управления в промышленности; системах отображения (display); системах управления космическими полетами, АЭС и др. Для таких систем характерно наличие и выполнение четко определенных временных ограничений (время реакции – response time; время наработки на отказ и др.).

Различаются системы реального времени видов hard real-time и soft real-time.

Hard real-time – системы – системы реального времени, в которых при нарушении временных ограничений может возникнуть критическая ошибка (отказ) управляемого ею объекта. Примеры: система управления двигателем автомобиля; система управления кардиостимулятором. В таких системах вторичная память ограничена или отсутствует; данные хранятся в оперативной памяти (RAM) или постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ, ROM). При использовании таких систем возможны конфликты с системами разделения времени, не имеющие места для ОС общего назначения. Выражаясь более простым языком, при работе подобных систем не допускаются прерывания; все необходимые данные для основного цикла работы системы должны предварительно быть загружены в память; процесс, выполняющий код такой системы, не должен подвергаться откачке на диск. ОС для таких систем обычно упрощены, вместо виртуальной памяти выделяется физическая, все другие виды виртуализации ресурсов исключены. Популярной практикой разработки ОС реального времени является практика разработки таких ОС на основе открытых исходных кодов ОС общего назначения путем "отсечения всего лишнего". Однако при этом следует соблюдать осторожность. Автору приходилось консультировать разработчиков системы реального времени для "Эльбруса", которые использовали для своей системы низкоуровневую процедуру выделения физической памяти, но не учли ее возможных конфликтов с общей системой виртуальной памяти ОС Эльбрус; в результате выделяемая память иногда "портилась" … в результате изменения связующей информации в списке областей свободной памяти, который использовался механизмом виртуальной памяти "Эльбруса".

Soft real-time – системы – системы реального времени, в которых нарушение временных ограничений не приводит к отказу управляемого ею объекта. Обычно это системы управления несколькими взаимосвязанными системами с постоянно изменяющейся ситуацией. Пример - система планирования рейсов на коммерческих авиалиниях .В случае какой-либо задержки в работе такой системы, в худшем случае, пассажирам некоторых рейсов придется немного подождать в аэропорту, но никаких фатальных последствий не будет. Подобные системы имеют ограниченную полезность для промышленных систем управления и в роботике. Они также полезны в современных приложениях (например, для мультимедиа и виртуальной реальности), требующих развитых возможностей ОС.