Операционные системы Введение (часть 3) 3.Основы компьютерной архитектуры 3.5.Классификация 3.6.Межмашинное взаимодействие Терминальные комплексы Компьютерные сети 3.7.Организация сетевого взаимодействия Модель ISO/OSI Семейство протоколов TCP/IP

Классификация архитектур многопроцессорных ассоциаций ОКОД (SISD Single Instruction, Single Data stream) компьютер с единственным ЦП ОКМД (SIMD Single Instruction, Multiple Data stream) матричная обработка данных МКОД (MISD Multiple Instruction, Single Data stream) ? МКМД (MIMD Multiple Instruction, Multiple Data stream) множество процессоров одновременно выполняют различные последовательности команд над своими данными Поток инструкций (команд) Поток данных Автор классификации: Майкл Флинн (M. Flynn)

Иерархия MIMD-систем MIMD Системы с общей оперативной памятью Системы с распределённой оперативной памятью UMA cистема c однородным доступом в память (Uniform Memory Access) SMP симметричная мультипроцессорная система (symmetric multiprocessor) NUMA – системы с неоднородным доступом в память (Non- Uniform Memory Access) MPP (Massively Parallel Processors) процессоры с массовым параллелизмом COW ( Cluster Of Workstations кластер рабочих станций)

Иерархия MIMD-систем Системы делятся по принципу организации работы с ОЗУ В системе с общей оперативной памятью имеется ОЗУ, и любой процессорный элемент имеет доступ к любой точке общего ОЗУ, то есть любой адрес может быть исполнительным для любого процессора Виды систем с общей оперативной памятью UMA Uniform Memory Access SMP Symmetrical MultiProcessing NUMA Non-Uniform Memory Access

UMA и SMP системы UMA: характеристики доступа любого процессорного элемента в любую точку ОЗУ не зависят от конкретного элемента и адреса (Все процессоры равноценны относительно доступа к памяти). SMP-системы являются подвидом UMA-систем. SMP-системы CPU 0 Cache L1 CPU 1 Cache L1 CPU N-1 Cache L1 … RAM общая шина

SMP-системы Cинхронизация кэша. Поведение кэш-памяти с отслеживанием при чтении/записи ОперацииЛокальный кэшКэш других процессоров Промах при чтенииЗапись из памяти в кэшНичего Попадание при чтенииИспользование кэшаНичего (операция «не видна») Промах при записиЗапись в памятьСоответствующая запись в кэше удаляется Попадание при записиЗапись в память и кэшСоответствующая запись в кэше удаляется

SMP-системы Преимущества SMP Простота реализации Недостатки SMP Задержки при доступе к памяти Система с явной централизацией общая шина является «узким местом» Проблема синхронизации кэша (решением является кэш-память с отслеживанием) Ограничение на количество процессорных элементов (как следствие централизации)

NUMA-системы NUMA: Процессорные элементы работают на общем адресном пространстве, но характеристики доступа процессора к ОЗУ зависят от того, куда он обращается. CPU 0 Контроллер памяти CPU 0 Локальная память 0 … CPU N–1 Контроллер памяти CPU N–1 Локальная память N–1 общая шина

NUMA-системы Проблема синхронизации кэша - несколько способов её решения: использовать процессоры без кэша (использовать только Cache L2) использовать ccNUMA (NUMA-системы с когерентными кэшами) ccNUMA сложнее, но позволяет строить системы из сотен процессорных элементов.

NUMA-системы Степень параллелизма выше, чем в SMP Централизация (ограничение ресурсом шины) Использование когерентных кэшей загружает шину служебной информацией Преимущества NUMA Недостатки NUMA Недостатки cc NUMA Загрузка общей шины служебной информацией

Иерархия MIMD-систем Системы с распределённой оперативной памятью представляются как объединение компьютерных узлов, каждый из которых состоит из процессора и ОЗУ, непосредственный доступ к которой имеет только «свой» процессорный элемент. Класс наиболее перспективных систем. Виды систем с распределённой оперативной памятью MPP Massively Parallel Processors COW Cluster Of Workstations

MPP-системы MPP Специализированные дорогостоящие ВС. Эти компьютеры могут выстраиваться, процессорные элементы могут объединяться в различные топологии: макроконвейер, n-мерный гиперкуб и др. Примеры топологий MPP-систем Макроконвейер:3-мерный гиперкуб: Процессорный элемент с локальной памятью Межэлементные коммуникации, определяющие топологию

MPP-системы Преимущества MPP Недостатки MPP Высокая эффективность при решении определённого класса задач Высокая стоимость Узкая специализация

COW-кластеры Кластер как вычислительный узел (высокопроизводительная система) Кластеры, которые обеспечивают надёжность (сохранение работоспособности при возможном снижении производительности)

COW- кластеры Топология Преимущества COW Проблемы COW «прозрачность» архитектуры относительная «универсальность» - возможность применения для решения широкого круга задач

Терминальные комплексы Терминальный комплекс многомашинная ассоциация, предназначенная для организации массового доступа удаленных и локальных пользователей к ресурсам некоторой вычислительной системы. модем Удаленный терминал модем Вычислительная система Мультиплексор... Терминальные устройства модем Телефонная связь АТС

Линии связи / каналы Канал точка-точка Один абонент общается с одним абонентом (подключение к удалённому терминалу без мультиплексирования) Многоточечный канал Подключение терминала осуществляется через локальный мультиплексор Коммутируемый канал Физически коммутируемая линия может иметь различные топологии Выделенный канал Обеспечивает доступ к системе на постоянной основе. Преимущества: отсутствие отказа, детерминированное качество соединения Симплексные каналы Дуплексные каналы Полудуплексные каналы Организация канала Направление движения информации

Компьютерные сети Компьютерная сеть объединение компьютеров (вычислительных систем), взаимодействующих через коммуникационную среду. Коммуникационная среда каналы и средства передачи данных. Коммуникационная среда Обмен данными

Cвойства компьютерных сетей 1. Большое число связанных узлов, обеспечивающих решение определённых задач 2. Возможность распределения обработки информации 3. Расширяемость сети (сеть должна обеспечивать развитие сети по протяжённости, по расширению пропускной способности каналов, по составу и производительности узлов, входящих в состав сети) 4. Применение симметричных интерфейсов обмена информации внутри сети (возможность произвольного распределеня функций внутри сети)

Абонентские или основные компьютеры хосты Коммуникационные или вспомогательные компьютеры (шлюзы, маршрутизаторы, …) Компьютерные сети Составляющие компьютерной сети

Компьютерные сети Сеть коммутации каналов Сеть коммутации сообщений Сеть коммутации пакетов Сообщение логически целостная порция данных, имеющая произвольный размер). Взаимодействие абонентов осуществляется сеансами связи. Сеанс связи состоит из обмена сообщениями между абонентами. Начало/завершение сеанса связи. Модели построения компьютерной сети:

Сеть коммутации каналов После установления соединения сеть находится в состоянии готовности Требования к коммуникационному оборудованию минимальны Минимизируются накладные расходы по передаче данных Детерминированная пропускная способность Сеть коммутации каналов обеспечивает выделение коммуникаций абонентам на весь сеанс связи. Преимущества Недостатки Требование избыточности сети Период ожидания соединения (канала) недетерминирован Неэффективное использование выделенного канала В случае сбоя или отказа повторная передача информации

Сеть коммутации сообщений Отсутствие занятости канала на недетерминированный промежуток времени Взаимодействие представляется в виде последовательности обменов сообщениями. Преимущества Недостатки Сообщения могут быть произвольного размера - необходимость наличия средств буферизации неопределённых характеристик Необходимость в специализированном коммуникационном оборудовании и ПО Повтор передачи всего сообщения в случае сбоя

Сеть коммутации пакетов Так как известна топология сети и характеристики её элементов, то возможно определение требований в коммутационных узлах возможна оценка размера буфера и времени доставки пакетов Каждое сообщение разбивается на блоки фиксированного размера - пакеты. Структура пакета (заголовок, данные) Преимущества Недостатки Увеличение трафика из-за наличия заголовочной информации Проблема сборки пакетов

Пакетная коммутация Леонард Клейнрок (MIT) 1961 г. Публикация по пакетной коммутации DARPA - Defence Advanced Research Projects Agency, 1967 г. проект ARPANET (1969 г. первая конфигурация)

Модель ISO/OSI организации взаимодействия в сети 1.Физический уровень 2.Канальный уровень 3. Сетевой уровень 4.Транспортный уровень 5.Сеансовый уровень 6.Представительский уровень 7.Прикладной уровень

Основные понятия Протокол (правила взаимодействия одноименных уровней) формальное описание сообщений и правил, по которым сетевые устройства (вычислительные системы) осуществляют обмен информацией. Правила взаимодействия одноимённых (одноранговых) уровней сети. Интерфейс правила взаимодействия вышестоящего уровня с нижестоящим. Служба (сервис) набор операций, предоставляемых нижестоящим уровнем вышестоящему. Стек протоколов перечень разноуровневых протоколов, реализованных в системе.

Логическое взаимодействие сетевых устройств по i-ому протоколу i i-1 … 2 1 Сетевое устройство 1 i i-1 … 2 1 Сетевое устройство 2 физическая среда передачи данных i)

Семейство протоколов TCP/IP 1.Уровень доступа к сети 2.Межсетевой уровень 4.Уровень прикладных программ 3.Транспортный уровень

Соответствие модели ISO/OSI модели семейства протоколов TCP/IP Уровень модели TCP/IPУровень модели ISO/OSI 1.Уровень доступа к сети Специфицирует доступ к физической сети. Канальный уровень Физический уровень 2.Межсетевой уровень В отличие от сетевого уровня модели OSI, не устанавливает соединений с другими машинами. Сетевой уровень

Соответствие модели ISO/OSI модели семейства протоколов TCP/IP Уровень модели TCP/IPУровень модели ISO/OSI 3.Транспортный уровень Обеспечивает доставку данных от компьютера к компьютеру, обес- печивает средства для поддержки ло- гических соединений между прик- ладными программами. В отличие от транспортного уровня модели OSI, в функции транспортного уровня TCP/IP не всегда входят контроль за ошибками и их коррекция. TCP/IP предоставляет два разных сервиса передачи данных на этом уровне. Протокол TCP, UDP. Сеансовый уровень Транспортный уровень

Соответствие модели ISO/OSI модели семейства протоколов TCP/IP Уровень модели TCP/IPУровень модели ISO/OSI 4.Уровень прикладных программ Состоит из прикладных программ и процессов, использующих сеть и доступных пользователю. В отличие от модели OSI, прикладные про- граммы сами стандартизуют пред- ставление данных. Уровень прикладных программ Уровень представления данных

Свойства протоколов семейства TCP/IP Открытые (доступные для использования) стандарты протоколов Независимость от аппаратного обеспечения сети передачи данных Общая схема именования сетевых устройств Стандартизованные протоколы прикладных программ

Взаимодействие между уровнями протоколов TCP/IP Уровень прикладных программ поток сообщение Межсетевой уровень дейтаграмма Уровень доступа к сети фрейм Транспортный уровень пакетсегмент TCPUDP

Уровень доступа к сети На уровне доступа к сети протоколы обеспечивают систему средствами для передачи данных другим устройствам в сети Протокол Ethernet разработка исследовательской компании Xerox (1976 год). Единая шина широковещательная сеть. Для сетевых устройств обеспечивается множественный доступ, с контролем и обнаружений конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD) Пример

Межсетевой уровень. Протокол IP Функции протокола IP формирование дейтаграмм поддержание системы адресации обмен данными между транспортным уровнем и уровнем доступа к сети организация маршрутизации дейтаграмм разбиение и обратная сборка дейтаграмм IP протокол БЕЗ логического установления соединения Протокол IP НЕ обеспечивает обнаружение и исправление ошибок

Система адресации протокола IP Класс А Класс В Класс С Класс D Класс E 0СетьХост 32 бита 10СетьХост 110СетьХост 1110Группа 1111

Дейтаграммы Дейтаграмма пакет протокола IP. Шлюз устройство, передающее пакеты между различными сетями. Маршрутизация процесс выбора шлюза или маршрутизатора.

Маршрутизация дейтаграмм Уровень прикладных программ Транспортный уровень Межсетевой уровень Уровень доступа к сети Хост А1 Межсетевой уровень Уровень доступа к сети Шлюз G1 Межсетевой уровень Уровень доступа к сети Шлюз G2 Уровень прикладных программ Транспортный уровень Межсетевой уровень Уровень доступа к сети Хост А2 Сеть АСеть BСеть C

Транспортный уровень Протокол контроля передачи (TCP, Transmission Control Protocol) обеспечивает надежную доставку данных с обнаружением и исправлением ошибок и с установлением логического соединения. Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP, User Datagram Protocol) отправляет пакеты с данными, не контролируя их доставку. TCP обеспечивает последовательную передачу пакетов, контроль доставки пакетов, отработку сбоев.

Уровень прикладных программ Протоколы, опирающиеся на TCP TELNET (Network Terminal Protocol) FTP (File Transfer Protocol) SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) Протоколы, опирающиеся на UDP DNS (Domain Name Service) RIP (Routing Information Protocol) NFS (Network File System) На основе TCP базируются прикладные протоколы, которые обеспечивают либо доступ и работу с заведомо корректной информацией, которая осуществляется в сети Интернет.