Операционные системы и сети ЭВМ Operating Systems and Networking Лекция 3 Сафонов Владимир Олегович, профессор кафедры информатики, руководитель лаборатории Java-технологии НИИММ СПбГУ

(C) В.О. Сафонов, Особенности ОС для персональных компьютеров (desktops, PCs) Персональные компьютеры – предназначены как правило, для одного пользователя Персональные компьютеры – предназначены как правило, для одного пользователя Устройства ввода-вывода – клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер, внешние накопители (flash, ZIP, JAZ), CD- ROM/CD-RW/DVD-ROM/DVD-RW/DVD-RAM и др. Устройства ввода-вывода – клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер, внешние накопители (flash, ZIP, JAZ), CD- ROM/CD-RW/DVD-ROM/DVD-RW/DVD-RAM и др. Удобство для пользователя, дружественность к пользователю Удобство для пользователя, дружественность к пользователю Могут использовать технологии, применяемые в больших ОС; пользователь имеет персональный доступ к компьютеру и часто не нуждается в оптимизации работы процессора или улучшенных средствах защиты Могут использовать технологии, применяемые в больших ОС; пользователь имеет персональный доступ к компьютеру и часто не нуждается в оптимизации работы процессора или улучшенных средствах защиты На одном и том же ПК могут использоваться несколько ОС (Windows, MacOS, UNIX, Linux) – double bootable systems На одном и том же ПК могут использоваться несколько ОС (Windows, MacOS, UNIX, Linux) – double bootable systems Тем не менее, ОС для ПК имеет сетевые средства для соединения в сеть нескольких ПК, а также соединения ПК с серверами и с мобильными устройствами Тем не менее, ОС для ПК имеет сетевые средства для соединения в сеть нескольких ПК, а также соединения ПК с серверами и с мобильными устройствами The network is the computer ~ девиз фирмы Sun The network is the computer ~ девиз фирмы Sun

(C) В.О. Сафонов, Параллельные компьютерные системы Мультипроцессорные системы с несколькими неспосредственно взаимодействующими процессорами (CRAY, Эльбрус, позднее – мультипроцессорные рабочие станции и др.) Мультипроцессорные системы с несколькими неспосредственно взаимодействующими процессорами (CRAY, Эльбрус, позднее – мультипроцессорные рабочие станции и др.) Тесно связанные (tightly coupled) системы – процессоры разделяют общую память и таймер (такты); взаимодействие происходит через общую память. Тесно связанные (tightly coupled) системы – процессоры разделяют общую память и таймер (такты); взаимодействие происходит через общую память. Very Long Instruction Word (VLIW), Explicit Parallelism Instruction Computer (EPIC) системы: одна широкая команда содержит несколько параллельно исполняемых в данном такте команд для нескольких исполнительных устройств (арифметических, логических и др.); распараллеливание на уровне команд; оптимальное планирование вычислений – задача компилятора Very Long Instruction Word (VLIW), Explicit Parallelism Instruction Computer (EPIC) системы: одна широкая команда содержит несколько параллельно исполняемых в данном такте команд для нескольких исполнительных устройств (арифметических, логических и др.); распараллеливание на уровне команд; оптимальное планирование вычислений – задача компилятора Multi-core computers ~ еще более тесно связанные процессоры; находятся в одном кристалле, разделяют cache уровня 2, работают на общей памяти Multi-core computers ~ еще более тесно связанные процессоры; находятся в одном кристалле, разделяют cache уровня 2, работают на общей памяти Преимущества параллельной компьютерной системы: Преимущества параллельной компьютерной системы: Улучшенная производительность (throughput) Улучшенная производительность (throughput) Экономичность Экономичность Повышенная надежность: Повышенная надежность: дружественное к пользователю снижение производительности (graceful degradation)дружественное к пользователю снижение производительности (graceful degradation) Устойчивость к ошибкам (fail-soft systems) Устойчивость к ошибкам (fail-soft systems)

(C) В.О. Сафонов, Параллельные компьютерные системы (продолжение) Симметричные мультипроцессорные системы - symmetric multiprocessing (SMP) Симметричные мультипроцессорные системы - symmetric multiprocessing (SMP) Все процессоры используют одну и ту же копию ОС Все процессоры используют одну и ту же копию ОС Любому свободному процессору может быть распределено любое задание Любому свободному процессору может быть распределено любое задание Используется общая память и общие дисковые ресурсы Используется общая память и общие дисковые ресурсы Несколько процессов (или threads) могут исполняться сразу без существенного нарушения производительности Несколько процессов (или threads) могут исполняться сразу без существенного нарушения производительности Большинство современных ОС поддерживают SMP Большинство современных ОС поддерживают SMP Асимметричные мультипроцессорные системы (asymmetric multiprocessing) Асимметричные мультипроцессорные системы (asymmetric multiprocessing) Каждому процессору дается специфическое задание; главный процессор (master processor) планирует работу подчиненных процессов (slave processors) Каждому процессору дается специфическое задание; главный процессор (master processor) планирует работу подчиненных процессов (slave processors) Более типично для очень больших систем Более типично для очень больших систем Пример (Эльбрус): 2-10 ЦП; 1-4 ПВВ (процессоры ввода- вывода); 1-4 ППД (процессоры передачи данных) Пример (Эльбрус): 2-10 ЦП; 1-4 ПВВ (процессоры ввода- вывода); 1-4 ППД (процессоры передачи данных)

(C) В.О. Сафонов, SMP-архитектура

(C) В.О. Сафонов, Распределенные компьютерные системы (distributed systems) Распределяют вычисления между несколькими физическими процессорами Распределяют вычисления между несколькими физическими процессорами Слабо связанная система (loosely coupled system) – каждый процессор имеет свою локальную память; процессоры взаимодействуют между собой через линии связи – высокоскоростные шины или телефонные линии. Слабо связанная система (loosely coupled system) – каждый процессор имеет свою локальную память; процессоры взаимодействуют между собой через линии связи – высокоскоростные шины или телефонные линии. Преимущества распределенных систем Преимущества распределенных систем Разделение ресурсов Разделение ресурсов Совместная загрузка (load sharing) Совместная загрузка (load sharing) Надежность Надежность Связь Связь

(C) В.О. Сафонов, Распределенные компьютерные системы (продолжение) Требуют сетевой инфраструктуры Требуют сетевой инфраструктуры Локальные сети (local area networks - LAN) или глобальные сети (wide area networks - WAN) Локальные сети (local area networks - LAN) или глобальные сети (wide area networks - WAN) Могут быть клиент-серверными (client- server) или одноранговыми (peer-to-peer) системами Могут быть клиент-серверными (client- server) или одноранговыми (peer-to-peer) системами

(C) В.О. Сафонов, Общая структура клиент- серверной системы

(C) В.О. Сафонов, Основные виды серверов в клиент-серверных компьютерных системах Файл-серверы (file servers) – компьютеры + ПО, предоставляющие доступ к подмножеству своих файловых систем, расположенных на дисках, другим компьютерам локальной сети (LAN). Пример: SAMBA (SMB – от Server Message Block) – серверное ПО для ОС типа UNIX (Linux, FreeBSD, Solaris, etc.), обеспечивающее доступ с Windows-компьютеров LAN к файловым системам UNIX- машины. Samba также реализована для платформы Macintosh/MacOS Файл-серверы (file servers) – компьютеры + ПО, предоставляющие доступ к подмножеству своих файловых систем, расположенных на дисках, другим компьютерам локальной сети (LAN). Пример: SAMBA (SMB – от Server Message Block) – серверное ПО для ОС типа UNIX (Linux, FreeBSD, Solaris, etc.), обеспечивающее доступ с Windows-компьютеров LAN к файловым системам UNIX- машины. Samba также реализована для платформы Macintosh/MacOS Серверы приложений (application servers) – компьютеры + ПО, обеспечивающие вычислительные ресурсы для (удаленного) исполнения определенных классов (больших) приложений с других компьютеров LAN. Примеры: WebSphere (IBM), WebLogic (BEA) – наилучшие из известных application-серверов для приложений J2EE Серверы приложений (application servers) – компьютеры + ПО, обеспечивающие вычислительные ресурсы для (удаленного) исполнения определенных классов (больших) приложений с других компьютеров LAN. Примеры: WebSphere (IBM), WebLogic (BEA) – наилучшие из известных application-серверов для приложений J2EE Серверы баз данных (database servers) – компьютеры + ПО (Microsoft SQL Server, Oracle, etc.), обеспечивающие доступ другим компьютерам сети к базам данных, расположенным на этих компьютерах Серверы баз данных (database servers) – компьютеры + ПО (Microsoft SQL Server, Oracle, etc.), обеспечивающие доступ другим компьютерам сети к базам данных, расположенным на этих компьютерах Web-серверы (Web servers) – компьютеры + ПО, обеспечивающие доступ через WWW к Web-страницам, расположенным на этих серверах. Примеры: Apache; Microsoft.NET Web Servers; Java Web Servers Web-серверы (Web servers) – компьютеры + ПО, обеспечивающие доступ через WWW к Web-страницам, расположенным на этих серверах. Примеры: Apache; Microsoft.NET Web Servers; Java Web Servers Proxy-серверы – компьютеры + ПО, обеспечивающие более эффективное выполнение обращений к Интернету, фильтрацию трафика, защиту от атак Proxy-серверы – компьютеры + ПО, обеспечивающие более эффективное выполнение обращений к Интернету, фильтрацию трафика, защиту от атак -серверы – компьютеры + ПО, обеспечивающие отправку, получение ираскладку электронной почты для некоторой локальной сети. Могут обеспечивать также криптование почты ( encryption) -серверы – компьютеры + ПО, обеспечивающие отправку, получение ираскладку электронной почты для некоторой локальной сети. Могут обеспечивать также криптование почты ( encryption) (Server) back-end – группа (pool) связанных в LAN компьютеров (вместо одного сервера), обеспечивающая серверные функции (Server) back-end – группа (pool) связанных в LAN компьютеров (вместо одного сервера), обеспечивающая серверные функции

(C) В.О. Сафонов, Кластерные вычислительные системы (clustered systems) Компьютеры в кластере, как правило, связаны между собой через быструю локальную сеть Компьютеры в кластере, как правило, связаны между собой через быструю локальную сеть Кластеризация позволяет двум или более системам использовать общую память Кластеризация позволяет двум или более системам использовать общую память Обеспечивают высокую надежность Обеспечивают высокую надежность Асимметричная кластеризация (asymmetric clustering): один сервер выполняет приложение, остальные серверы простаивают Асимметричная кластеризация (asymmetric clustering): один сервер выполняет приложение, остальные серверы простаивают Симметричная кластеризация (symmetric clustering): все N машин (hosts) исполняют одно приложение Симметричная кластеризация (symmetric clustering): все N машин (hosts) исполняют одно приложение Кластеры с высокоскоростным доступом (high-availability clusters, HA) – обеспечивают оптимальный доступ к ресурсам, предоставляемым компьютерами кластера, например, к базам данных Кластеры с высокоскоростным доступом (high-availability clusters, HA) – обеспечивают оптимальный доступ к ресурсам, предоставляемым компьютерами кластера, например, к базам данных Кластеры с балансировкой загрузки (load-balancing clusters) – имеют несколько входных балансирующих запросы front-ends, которые распределяют задания между server back-ends (server farm) Кластеры с балансировкой загрузки (load-balancing clusters) – имеют несколько входных балансирующих запросы front-ends, которые распределяют задания между server back-ends (server farm) Часто используются в университетах (например, установлены в ПТЦ ПУНК СПбГУ) Часто используются в университетах (например, установлены в ПТЦ ПУНК СПбГУ)

(C) В.О. Сафонов, Системы реального времени (real-time systems) 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. 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. Четко определенные временные ограничения (время реакции – response time; время наработки на отказ и др.) Четко определенные временные ограничения (время реакции – response time; время наработки на отказ и др.) Системы реального времени могут быть hard или soft real-time Системы реального времени могут быть hard или soft real-time Hard real-time systems: При нарушении временных ограничений может возникнуть критическая ошибка (отказ). Примеры: система управления двигателем автомобиля; система управления кардиостимулятором Hard real-time systems: При нарушении временных ограничений может возникнуть критическая ошибка (отказ). Примеры: система управления двигателем автомобиля; система управления кардиостимулятором Soft real-time systems: Нарушение временных ограничений не приводит к отказу. Это системы управления несколькими взаимосвязанными системами для управления совокупностью изменяющихся ситуаций. Пример: система планирования рейсов на коммерческих авиалиниях Soft real-time systems: Нарушение временных ограничений не приводит к отказу. Это системы управления несколькими взаимосвязанными системами для управления совокупностью изменяющихся ситуаций. Пример: система планирования рейсов на коммерческих авиалиниях

(C) В.О. Сафонов, Системы реального времени (продолжение) Hard real-time: Hard real-time: Вторичная память ограничена или отсутствует; данные хранятся в оперативной памяти (RAM) или ПЗУ (ROM) Вторичная память ограничена или отсутствует; данные хранятся в оперативной памяти (RAM) или ПЗУ (ROM) Конфликты с системами разделения времени, не имеющие места для ОС общего назначения. Конфликты с системами разделения времени, не имеющие места для ОС общего назначения. Soft real-time Soft real-time Ограниченная полезность для промышленных систем управления или в роботике Ограниченная полезность для промышленных систем управления или в роботике Полезны в приложениях (мультимедиа, виртуальная реальность), требующих развитых возможностей ОС Полезны в приложениях (мультимедиа, виртуальная реальность), требующих развитых возможностей ОС

(C) В.О. Сафонов, Карманные вычислительные системы (handheld systems) Карманные персональные компьютеры - Personal Digital Assistants (PDAs) Карманные персональные компьютеры - Personal Digital Assistants (PDAs) Мобильные телефоны – Cellular/mobile phones Мобильные телефоны – Cellular/mobile phones Особенности и проблемы: Особенности и проблемы: Ограниченный объем памяти Ограниченный объем памяти Медленные процессоры (ожидание выполнения простейшей команды в течение нескольких секунд) Медленные процессоры (ожидание выполнения простейшей команды в течение нескольких секунд) Маленькие экраны мониторов (дисплеев), отсюда – необходимость в специализированном ПО для поддержки GUI (J2ME: javax.microelectronics… lcdui), не совместимом с обычным (J2SE) Маленькие экраны мониторов (дисплеев), отсюда – необходимость в специализированном ПО для поддержки GUI (J2ME: javax.microelectronics… lcdui), не совместимом с обычным (J2SE) Невысокая скорость связи через Интернет: GPRS-модем мобильного телефона обеспечивает связь примерно со скоростью dial-up – 3-5 Kbps; обычный мобильный Интернет – 9600 bps Невысокая скорость связи через Интернет: GPRS-модем мобильного телефона обеспечивает связь примерно со скоростью dial-up – 3-5 Kbps; обычный мобильный Интернет – 9600 bps Связь для передачи данных – через Bluetooth или IrDA (который часто отсутствует); имеются не все необходимые порты (нет USB => нельзя использовать flash); сменный диск – SmartMedia (как для цифровых фотоаппаратов) Связь для передачи данных – через Bluetooth или IrDA (который часто отсутствует); имеются не все необходимые порты (нет USB => нельзя использовать flash); сменный диск – SmartMedia (как для цифровых фотоаппаратов)

(C) В.О. Сафонов, Развитие концепций и возможностей ОС

(C) В.О. Сафонов, Вычислительные среды Традиционные (Traditional computing) Традиционные (Traditional computing) Ориентированные на WWW (Web- Based Computing) Ориентированные на WWW (Web- Based Computing) Встроенные (Embedded Computing) Встроенные (Embedded Computing)

(C) В.О. Сафонов, Архитектура компьютерных систем 1/2 Функционирование (Operation) Функционирование (Operation) Структура ввода/вывода (I/O) Структура ввода/вывода (I/O) Структура памяти (Storage, Memory) Структура памяти (Storage, Memory) Иерархия памяти Иерархия памяти Аппаратная защита (Hardware Protection) Аппаратная защита (Hardware Protection) Общая архитектура системы Общая архитектура системы

(C) В.О. Сафонов, Архитектура компьютерных систем 2/2

(C) В.О. Сафонов, Q & A Вопросы и ответы Вопросы и ответы