Облачные вычисления и ОС для облачных вычислений

Облачные вычисления (сloud computing) являются одним из наиболее популярных направлений развития ИТ. "Облако" (cloud) – это уже десятки лет используемая метафора для изображения сервисов, предоставляемых через Интернет или другую коммуникационную сеть (например, через ATM - сеть). Облачные вычисления – модель вычислений, основанная на динамически масштабируемых (scalable) и виртуализованных ресурсах (данных, приложениях, ОС и др.), которые доступны и используются как сервисы через Интернет и реализуются с помощью высокопроизводительных центров обработки данных (data centers)

С точки зрения пользователей, существует совокупность "облаков" (общедоступные, корпоративных, частных и др.), предоставляемых различными компаниями, для использования мощных вычислительных ресурсов, которых нет у индивидуального пользователя. Как правило, "облачные" сервисы платные. Из бесплатных назовем Windows Live.

Недостаток облачных вычислений в том, что пользователь оказывается полностью зависимым от используемого им "облака" (в котором доступны используемые им данные и программы) и не может управлять не только работой "облачных" компьютеров, но даже резервным копированием своих данных. В связи с этим возникает целый ряд важных вопросов о безопасности облачных вычислений, сохранении конфиденциальности пользовательских данных и т.д.; далеко не все из них на данный момент решены.

Серьезной проблемой организации облачных вычислений с точки зрения аппаратуры центров обработки данных является экономия электроэнергии и проблема распределения загрузки, так как облачные вычисления в каждом центре обработки данных имеют (или в ближайшем будущем будут иметь) миллионы удаленных пользователей.

Наиболее популярная "облачная" платформа – Microsoft Windows Azure (облачная ОС) и Microsoft Azure Services Platform (реализованная на основе Microsoft. NET). Windows Azure можно рассматривать как "ОС в облаке". Пользователю нет необходимости беспокоиться о ее инсталляции на его компьютере, который может не иметь для этого необходимых ресурсов. Все, что требуется, это иметь Web - браузер и минимальный пакет надстроек (plug - ins) для запуска и использования через браузер облачных сервисов.

В настоящее время все крупные компании (Microsoft, IBM, HP, Dell, Oracle и др.) разрабатывают свои системы облачных вычислений; имеется тенденция к интеграции этих корпоративных систем в единое доступное пользователю "облако".

Ключевые термины

Boot loader - загрузчик одной из нескольких ОС, установленных на некотором компьютере, управляемый специальным меню при включении компьютера.

Double bootable system - компьютер, на котором установлены две (или более) операционных системы, при включении которого пользователю выдается начальное меню для уточнения, какую именно ОС требуется запустить.

Hard real-time – система реального времени, в которой при нарушении временных ограничений может возникнуть критическая ошибка (отказ) управляемого ею объекта.

Original Equipment Manufacturer (OEM) - фирма-разработчик какого-либо внешнего устройства, обычно разрабатывающая и драйвер к нему.

Soft real-time – система реального времени, в которой нарушение временных ограничений не приводит к отказу управляемого ею объекта.

Асимметричная кластеризация (asymmetric clustering) – организация компьютерного кластера, при которой один компьютер выполняет приложение, а остальные простаивают.

Асимметричная мультипроцессорная система (asymmetric multiprocessing) – многопроцессорная компьютерная система, в которой процессоры специализированы по своим функциям; имеется главный процессор, планирующий работу подчиненных процессоров.

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

Вычислительная среда – интегрированная распределенная компьютерная система для решения задач в каких-либо проблемных областях.

Драйвер – низкоуровневая системная программа для управления каким-либо внешним устройством (например, жестким диском).

Кластеры с балансировкой загрузки (load-balancing clusters) – компьютерные кластеры, которые имеют несколько входных компьютеров, балансирующих запросы (front -ends), распределяющих задания между компьютерами серверного бэк-энда.

Кластеры с высокоскоростным доступом (high-availability clusters, HAC) – компьютерные кластеры, обеспечивающие оптимальный доступ к ресурсам, предоставляемым компьютерами кластера, например, к базам данных.

Клиент-серверная система – распределенная компьютерная система, в которой определенные компьютеры играют роль специализированных серверов, а остальные – роль клиентов, пользующихся их услугами.

Многоядерный (multi-core) компьютер – компьютерная система, основанная на тесно связанных друг с другом процессорах (ядрах), находящихся в одном кристалле, разделяющих ассоциативную память (кэш) второго уровня и работающих на общей памяти.

Облачные вычисления – модель вычислений, основанная на динамически масштабируемых (scalable) и виртуализованных ресурсах (данных, приложениях, ОС и др.), которые доступны и используются как сервисы через Интернет и реализуются с помощью высокопроизводительных центров обработки данных (data centers).

Параллельная компьютерная система – мультипроцессорная система, состоящая из нескольких непосредственно взаимодействующих процессоров.

Параллельный порт,или LPT (аббревиатура от Line PrinTer) – порт для подключения устаревших моделей принтеров. Для подключения принтера через данный порт требуется предварительно отключить и принтер, и компьютер.

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.

Распределенная система (distributed system) – компьютерная система, в которой вычисления распределены между несколькими физическими процессорами (компьютерами), объединенными между собой в сеть.

Сервер баз данных (database server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее доступ другим компьютерам сети к базам данных, расположенным на компьютере-сервере локальной сети.

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.

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.

Сервер электронной почты – компьютер и программное обеспечение, выполняющие отправку, получение и "раскладку" электронной почты для компьютеров некоторой локальной сети. Может обеспечивать также криптование почты (email encryption).

Сетевой адаптер (сетевая карта) – устройство для подключения компьютера к локальной сети.

Симметричная кластеризация (symmetric clustering) -организация компьютерного кластера, при которой все машины кластера исполняют одновременно различные части одного большого приложения.

Симметричная мультипроцессорная система (symmetric multiprocessing - SMP) – многопроцессорная компьютерная система, все процессоры которой равноправны и используют одну и ту же копию ОС; операционная система при этом может выполняться на любом процессоре.

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.

Сканер – устройство для оцифровки бумажных изображений, например, подписанных или рукописных документов.

Тесно связанная (tightly coupled) система – параллелльная компьютерная система, в которой процессоры разделяют общую память и таймер (такты); взаимодействие между ними происходит через общую память.

Файл-сервер (file server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющие доступ к подмножеству файловых систем, расположенных на дисках компьютера-сервера, другим компьютерам локальной сети.

Краткие итоги

Операционные системы для персональных компьютеров, предназначенных для одного пользователя, поддерживают многозадачный режим работы, взаимодействие с широким набором внешних устройств, возможности сетевого взаимодействия и имеют удобный дружественный пользовательский интерфейс. На одном ПК могут быть установлены несколько ОС.

Параллельные компьютерные системы могут быть тесно связанными (VLIW, многоядерными и др.) и слабо связанными, или распределенными. Многопроцессорные системы подразделяются на симметричные (SMP) и асимметричные. В распределенных системах компьютеры соединены через сеть. Преимущества параллельных систем – улучшенная производительность, более высокая надежность, устойчивость к ошибкам. Сетевые системы могут быть одноранговыми или клиент-серверными. Сети подразделяются на локальные, региональные и глобальные.

В клиент-серверных системах клиентам предоставляются файл-серверы, серверы приложений, серверы баз данных, веб-серверы, прокси-серверы, серверы электронной почты, бэк-энды (пулы, фермы) серверов.

Кластерные вычислительные системы используются для научных вычислений и подразделяются на симметричные, асимметричные, кластеры с балансировкой загрузки, кластеры с высокоскоростным доступом.

Системы реального времени служат для управления различными объектами и подразделяются на hard real-time (в которых нарушение временных ограничений приводит к отказу объекта) и soft real-time (в которых нарушение временных ограничений не имеет столь фатальных последствий).

Карманные и мобильные компьютерные системы широко используются, хотя и имеют целый ряд недостатков – малый объем памяти, медленные процессоры, невысокая скорость взаимодействия через Интернет, маленькие экраны, неудобство ввода информации, отсутствие традиционных портов. ОС для этих устройств должны учитывать все эти особенности. Для разработки программного обеспечения таких устройств чаще всего используется Java Micro Edition (JME).

Развитие ОС для различных типов компьютеров (mainframe, миникомпьютеров, ПК, настольных и карманных компьютеров) происходит аналогичными волнами (витками), от резидентных однозадачных мониторов - к поддержке разделения времени, многозадачности и работы в сети.

Интегрированные вычислительные среды подразделяются на традиционные, веб-ориентированные и встроенные.

Облачные вычисления обеспечивают клиентам доступ к веб-сервисам центров обработки данных через веб и браузер, без необходимости инсталляции ПО и хранения данных на компьютере клиента. Они являются наиболее популярной моделью вычислений в настоящее время. Недостаток – полная зависимость клиента от используемого им облака. Наиболее распространенная среда и ОС для облачных вычислений – Microsoft Windows Azure.

Вопросы и задания для самопроверки:

1. Назовите основные возможности и особенности ОС для персональных компьютеров.

2. Какие внешние устройства используются для персональных компьютеров?

3. Что такое double bootable system и boot loader?

4. Что такое мультипроцессорная система?

5. Что такое тесно связанная компьютерная система?

6. Как организованы многоядерные компьютеры?

7. Каковы преимущества параллельных компьютерных систем?

8. В чем различие между симметричными и асимметричными мультипроцессорными системами?

9. Назовите основные разновидности компьютерных сетей.

10. Каковы основные виды серверов в клиент-серверных системах?

11. Назовите виды кластерных вычислительных систем.

12. В чем отличие hard real-time систем от soft real-time систем реального времени?

13. Каковы возможности и недостатки (ограничения) карманных и мобильных компьютерных систем и их ОС?

14. Назовите основные этапы развития операционных систем для каждой разновидности компьютеров (mainframes, миникомпьютеры и т.д.).

15. Назовите основные виды вычислительных сред.

16. Что такое облачные вычисления, в чем их возможности и недостатки?

Упражнения

1. Предложите и опишите желательную для Вас конфигурацию настольного офисного компьютера, на котором удобно было бы выполнять любые повседневные операции (объем памяти, быстродействие, объем жесткого диска, порты, внешние устройства).

2. Предложите оптимальную конфигурацию портативного компьютера (ноутбука), удобного для поездок и максимально компактного.

3. Имеется компьютер с четырехъядерным процессором. Предложите схему распределения его ядер для исполнения ОС, пользовательских программ, параллельных процессов и потоков.

4. Имеется 16-процессорный компьютер. Предложите схему реализации на этом компьютере параллельного алгоритма умножения двух матриц 4*4, с параллельным вычислением столбцов матрицы-результата.

5. В Вашем офисе для организации локальной сети имеются шесть компьютеров. Предложите распределение между ними необходимых серверных функций (файл-сервер, сервер электронной почты и др.).

6. Опишите желаемый минимальный набор портов и адаптеров для карманной вычислительной системы, удобный для сетевого взаимодействия, использования Интернета, взаимодействия с настольным компьютером.

7. На основе рассмотренной в лекции схемы развития ОС, попытайтесь предсказать ход развития операционных систем и инструментов для облачных вычислений – какие новые возможности появятся в них в ближайшие 3-5 лет?