Для объединения рабочих групп в вычислительные сети необходимы специализированные машины-серверы.

Для обслуживания небольших рабочих групп в локальных вычислительных сетях используются серверы, созданные на базе персональных компьютеров. На нижнем уровне обслуживание небольших рабочих групп в локальных сетях взяли на себя серверы на базе PC (или РС - серверы), аппаратная база которых включает стандартные компоненты персонального компьютера. Персональные компьютеры и рабочие станции, предназначенные для работы в различных сетях, всегда имели приблизительно одинаковые показатели и архитектуру в одном поколении, поэтому чаще всего персональные компьютеры используются в качестве рабочих станций.

 

Локальная вычислительная сеть с выделенным сервером

 

В зависимости от вычислительной мощности сети варьируются параметры серверов. На смену мэйнфреймам в сетях на уровне предприятий пришли компьютеры, получившие название суперсерверов. Мэйнфреймы с точки зрения их архитектуры представляют собой хорошую аппаратную платформу для построения мощных высоконадежных серверов. В 1988 году была разработана архитектура сервера- ESA (Enterprise System Architecture), где при помощи регистра доступа (указывающего на пространство данных) был осуществлен новый вид адресации виртуальной памяти. В 1990 году представлены новые компьютеры ES/9000, системы ESA/390, в их архитектуре наряду с параллельными каналами связи, осуществляющими связь с устройствами, удаленными на расстояние до 122 метров, впервые были использованы волоконно-оптические каналы (ESCON), позволяющие осуществлять связь на расстоянии до 20 км.

Основное преимущество мэйнфреймов в высокой производительности ввода/вывода и в поддержке гигантской конфигурации внешних устройств (256 каналов по 256 устройств у ES/9000) и они долго удерживали лидирующие позиции в области обработки данных очень большой емкости, однако по всем параметрам мэйнфреймы уступают ряду серверов RISC - архитектуры (с сокращенным набором команд) и, естественно, вытесняются ими.

 

Обмен данными между сервером и рабочей станцией 

Масштабирование

Для увеличения производительности серверов применяют методы масштабирования вглубь и вширь.

Масштабирование вглубь является эффективным способом повышения скорости работы серверов за счет увеличения количества устанавливаемых в компьютере процессоров и увеличения пропускной способности шины. В архитектуре суперсерверов используется несколько процессоров, высокоскоростная системная шина и несколько более медленных стандартных шин, предназначенных для работы с устройствами ввода/вывода.

При масштабированиии вширь производительность увеличивается за счет сетевого соединения нескольких серверов.

Изначально платформой для реализации очень больших баз данных (Very Large Databases - VLDB) служили симметричные многопроцессорные системы (Symmetric MultiProcessor - SMP), способные эффективно обрабатывать большие объемы информации и обладающие хорошим соотношением цена/производительность.

Сейчас многие компании и потребители обращают свои взоры к системам с массовым параллелизмом (MPP) и слабосвязанным (кластерным) системам, что объясняется двумя их основными преимуществами - высоким потенциалом отказоустойчивости и более широкими воможностями наращивания производительности. Для больших коммерческих систем совершенно недопустимо, чтобы в результате аппаратного или программного сбоя данные оказались недоступными для пользователей. Те же проблемы возникают, если необходимо установить новую версию операционной системы или сервера системы управления базами данных (СУБД).

Системы с массовым параллелизмом (MPP) и слабосвязанные системы, называемые часто архитектурами без разделяемых ресурсов, представляют собой быстрые сети, связывающие однопроцессорные или симметричные многопроцессорные системы - узлы. Если база данных сосредоточена не на единственном узле, а поделена между множеством узлов, то отказ одного из них приведет лишь к недоступности относящихся к нему данных. Остальные данные будут попрежнему доступны пользователям. Если же в конфигурации предусмотрено аварийное переключение узлов, то доступ к данным отказавшего узла будет автоматически возобновлен через дублирующие узлы. 

Суперсерверы строятся, зачастую, как кластерные системы. Кластер можно определить как систему из нескольких компьютеров, совместно работающих над одной общей прикладной задачей. Кластеры строятся на тех системах, которые изначально ориентированы на многозадачное использование. Количество процессоров в корпоративных серверах увеличивается с 4 до 8. Появление 8-процессорных серверов существенно поднимает производительность кластерных систем и ускоряет переход к гигабитным сетям.

Корпорация Compaq Computer анонсировала производство суперкомпьютерных систем AlphaServer SC на базе RISC-процессоров Alpha, включающих от 64 до 512 процессоров, с возможностью масштабирования. Планируется достигнуть производительности до 100 Tflops в течении следующих 5 лет. Первая система такого класса (128 узлов) уже была поставлена в сентябре 1999 года в Ливерморскую Национальную Лабораторию в рамках проекта PathForward. 

Системы были построены на стандартных SMP-серверах семейства AlphaServer. В качестве коммуникационной технологии используется высокоскоростная сеть QsNet, разработанная компанией Quadrics Supercomputers World (QSW), которая позволяет объединить в единую массивно-параллельную систему до 128 узлов AlphaServer.

При использовании коммуникационной сети от QSW совместно с 4х-процессорными серверами AlphaServer ES40 была достигнута скорость обмена данными в 206 Mб/c и латентность (задержка сообщений) порядка 6 микросекунд.

На системах AlphaServer SC также будет устанавливаться разработанное QSW программное обеспечение управления ресурсами (QSW) и поддержки параллельной файловой системы (PFS).

Серверы серии GS МРР архитектуры содержат до 32 процессоров. От них уже полшага и до 64-процессорных систем Wildfire, практически той же архитектуры.

В максимальной конфигурации GS320 выглядит весьма впечатляюще: пиковая производительность около 47 GFLOPS, общая емкость памяти до 156 Гбайт, подсистема ввода/вывода содержит до 224 PCI - адаптеров (PCI-современная шина).

Базовой строительной единицей серверов класса GS являются блоки QBB (Quad Building Block)

Построение системы, при которой каждый процессор имеет свой порт на коммутаторе (внутри QBB, в данном случае), обладает преимуществами перед SMP-системами.

В серверах GS огромное внимание уделено средствам повышения надежности, отказоустойчивости и обеспечения непрерывной доступности, с этими целями в серверах GS обеспечена поддержка аппаратного разбиения (partitioning) всей системы на разделы. Разделы представляют собой фактически отдельные компьютерные системы, на которых могут работать разные версии ОС или вообще разные ОС. Подобное разбиение хорошо зарекомендовало себя не только в мире мэйнфреймов, но и в Unix-системах UltraEnterprise 10000.

Анонсированная компанией Compaq Computer технология построения кластеров из N-узлов и стратегия обеспечения высокого уровня готовности позволяет надеяться, что представленная фирмой архитектура E2000 в ближайшие годы будет стимулировать разработку продуктов, ориентированных на предприятие. Эта стратегия рассчитана главным образом на самый высокий уровень корпоративных информационных систем и включает в себя целый ряд инициатив, в том числе кластерные серверы с симметричной многопроцессорной обработкой (SMP) и и сетевой (ServerNet); системы хранения, высокоскоростные шины обмена данными; наборы инструментальных средств разработчика.

Над проектом E2000 работает тесно взаимодействующая группа компаний-партнеров, в том числе Microsoft, Intel, Tandem, корпорация Digital Equipment. Развитие технологии E2000 позволило к 2000 году достигнуть скорости обработки до 500 тыс. запросов в минуту. В архитектуре E2000 сервер Proliant является базовым строительным блоком; дополняют его кластеризация, коммуникационные протоколы, система хранения и кластерная операционная среда.

Но необходимо не только объединить но и балансировано загрузить все рабочие станции.

Изначально перед кластерами ставились две задачи - мощные вычисления и поддержка распределенных баз данных, особенно таких, для которых требуется повышенная надежность. Привлекательность кластера определяется прежде всего возможностью построить уникальную архитектуру, обладающую достаточной производительностью, устойчивостью к отказам аппаратуры и программного обеспечения и при этом легко наращиваемую и модернизируемую, но универсальными средствами, из стандартных компонентов и за умеренную цену (несравненно меньшую, чем цена уникального отказоустойчивого компьютера или системы с массовым параллелизмом).

Реально кластер был введен в жизнь после создания Oracle Parallel Server - первого коммерческого изделия на рынке профессиональных многопользовательских систем управления базами данных (СУБД), ориентированного одновременно на распределенную многопроцессорную архитектуру и массовые применения.

Пионером создания кластерных архитектур, вообще, и кластеров баз данных, в частности, выступила корпорация Digital Equipment, в начале восьмидесятых предложившая коммерческую реализацию кластеров миникомпьютеров под управлением операционной системы DEC VMS, а в 1991 году начавшая поставки своих кластерных VMS-систем, предназначенных для работы с Oracle Parallel Server (OPS).

Для того чтобы эффективность наращивания кластера не падала с увеличением количества узлов, необходимо такое средство внутрикластерного взаимодействия, которое обеспечивало бы адекватную скорость обмена данными между узлами кластера. Простейшее решение такой задачи - просто сеть Ethernet, TokenRing и т.д. Однако при построении сети таким образом неминуемо (и при том очень быстро) наступает момент, когда производительности среды становится недостаточно. Наиболее эффективны при построении кластеров коммуникационные технологии "канального" типа (когда устанавливается жесткий канал между двумя узлами), но останавливает перспектива квадратичного роста числа каналов при увеличении числа узлов. Потому самыми привлекательными (при условии достаточного финансирования) выглядят системы с коммутацией каналов высокой производительности.

Кроме масштабируемости, OPS обеспечивает сервис, получивший название "высокая готовность", т.е. возможность обнаружения, локализации и упразднения единичных сбоев и отказов системы. При отказе одной из вычислительных систем, входящих в кластер (одного из прессорных модулей), очередной запрос переадресуется другой вычислительной системе.

Кластерные системы на базе локальных сетей Ethernet, или NI-кластеров (Network Interconnect), реализуются традиционными способами. К достоинствам этого подхода следует отнести его максимальную простоту и дешевизну.

NI-кластер предоставляет обычный сетевой ресурс и единичный путь (через сеть) доступа к разделяемым ресурсам.

VAX-кластер - классический пример слабосвязанных систем, надежный на уровне единичных отказов оборудования и программного обеспечения. VAX-кластер может содержать до четырех компьютеров с общей шиной и разделяемыми накопителями на ней.

Изделие, несущее в своем названии слово "кластер", впервые появилось в перечне продуктов компании IBM в 1991 году. Он представлял собой лишь два узла RS/6000, один из которых находился в "горячем" резерве. Несколько позже узлы "научились" функционировать независимо, заменяя друг друга в случае сбоя или отказа. Тогда же появились упоминания о возможности наращивания кластера до восьми узлов.

Сегодня кластер IBM поддерживает как однопроцессорные, так и SMP-узлы, построенные по уникальной технологии Data Crossbar Switch. При таком построении системы общая шина, характерная для большинства SMP-архитектур, заменяется на своего рода систему переключаемых коммутационных каналов. По существу, число процессоров при этом ограничено лишь характеристиками поддержки симметричной мультипроцессорной архитектуры операционной системой.

Решение это - острие стратегической линии IBM "from palmtop to terraFLOPS" - Scalable POWERparallel System SP2IBM, которое заполняет ту же нишу, что продукты таких производственных альянсов, как Cray-Sun и Convex-HP.

"Стандартная" конфигурация может содержать от 2 до 128 узлов (в терминологии массово-параллельных архитектур), на заказ до 512. Архитектурно SP2 - типичная слабосвязанная архитектура, где у каждого процессорного модуля собственная память до 2 ГБайт и свои дисковые накопители от 1 до 8 Гбайт.

Компания Sequent заслуженно причисляется к пионерам кластерных UNIX-систем. Большую роль в развитии кластеров Sequent сыграл способ организации накопителей - это еще одна иллюстрация того, что в кластерных архитектурах, предназначенных для работы с базами данных, накопители играют ведущую роль. Кластер Sequent пополнился средствами восстановления для систем высокой готовности, стал обеспечивать поддержку до четырех узлов и поддержку систем разного поколения в рамках одного кластера. С точки зрения сети, кластер представляется единым узлом.

Среди лидирующих поставщиков UNIX-систем HP объявила о поддержке Oracle Parallel Server, пожалуй последней - в конце января 1995 года. Кластерная программа HP началась несколькими годами раньше, но первые кластерные системы на основе решений HP были ориентированы скорее на быстрые вычисления, нежели на распределенные базы данных. Отсюда и аппаратная ориентация такого кластера - рабочие станции APOLLO. Первые кластеры обеспечивали масштабируемость производительности, поздне они стали использоваться как средства поддержки высокой готовности. Кроме того, среди кластерных решений фирма HP предлагает уникальную возможность создания кластеров в рамках глобальной сети.

Компания Sun вступила на рынок кластерных систем с объявления SPARC-Cl Server. Кластер компании Sun ориентирован на применение в качестве узлов SMP-систем SPARCServer1000 и SPARCCenter2000. Компания Sun была первой компанией, ориентирующийся на использование технологии, обеспечивающей удаление накопителей и узлов друг от друга на расстояние до 2 километров.

Постоянная доступность данных — еще один барьер на пути в мир высокопроизводительных систем. Рассмотрим пример построения такой системы.

Для сред, требующих гарантированной надежности и постоянной доступности данных SQL Server 7.0 Enterprise Edition интегрируется с Microsoft Cluster Server (MSCS). MSCS объединяет два обычных сервера в один виртуальный — кластер. Каждая система — узел кластера — располагает своим процессором, памятью и дисками. Все они соединены между собой оптоволоконной сетью (кроме того, отдельные системы кластера могут иметь общий дисковый массив). Такая конфигурация отказоустойчива — если один из узлов кластера выходит из строя, остальные узлы берут его функции на себя. 

Источники информации: 

1. Михаил Кузьминский. MPP-серверы AlphaServer серии

GS. «Computerworld Россия», #27-28/2000

2. http://www.osp.ru/win2000/1999/03/04.htm

Майкл Оти. Новые возможности масштабирования

SQL Server 7.0 

3.Энциклопедия персонального компьютера.

"Кирилл и Мефодий"