Курсовая работа: Серверные платформы RISC/UNIX

Несмотря на всевозможные пророчества, предрекавшие неминуемую и скорую смерть этой платформе, в прошлом году она успешно отметила 40-летие, при этом, по оценкам ведущих аналитических агентств мира, до 70% критически важной корпоративной информации хранится и обрабатывается именно с помощью мэйнфреймов.

Платформа Sun SPARC

История платформы Sun SPARC начинается с начала 1980-х гг., когда компания Sun Microsystems вплотную приблизилась к пределу производительности своих рабочих станций на базе процессоров Motorola. Новая процессорная архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture), по замыслам руководства компании, должна была помочь преодолеть недостатки существующих на рынке решений, обеспечить Sun независимость от их поставщиков и помочь выбиться в технологические лидеры. Основные идеи SPARC разрабатывались в Калифорнийском университете (Беркли), где в 1980—1982 гг. создавались системы с сокращенным набором команд (RISC). Ключевые работы по созданию SPARC-архитектуры были выполнены в период между 1984 и 1987 гг. коллективом инженеров Sun Microsystems. Б разработанное ранее решение они внесли ряд улучшений, основным из которых была поддержка SMP-многопроцессорности. Важно отметить, что практически с самого начала руководством Sun было принято решение сделать SPARC-архитектуру открытым стандартом. Для этого в 1989 г. была организована независимая компания SPARC International (www.sparc.org), на которую возложили обязанности по лицензированию архитектуры всем заинтересованным. При этом была определена достаточно либеральная ценовая политика — лицензию можно было приобрести за сумму, эквивалентную 100 долларам США.

В начале 1986 г. была опубликована спецификация первого поколения архитектуры — SPARC Version 7. Первые 32-разрядные микропроцессоры с частотой 16,67 МГц на ее базе в апреле 1986 г. для Sun изготовила компания Fujitsu. С их помощью было построено семейство рабочих станций Sun-4/260. Спустя два месяца стараниями программистов компании появилась стабильная версия операционной системы SunOS для новой платформы. Первая ОС платформы SPARC была основана на дистрибутиве BSD UNIX, дополненном сетевым ПО и графическим оконным интерфейсом, а впоследствии сетевой файловой системой NFS. Для максимальной концентрации усилий по развитию ОС и необходимого ПО в 1991 г. в Sun было сформировано подразделение SunSoft. Кроме непосредственно разработки, в его функции также входило обеспечение лицензиями на ПО дистрибьюторов, OEM-партнеров и конечных пользователей.

8 июля 1987 г. — официальное рождение новой RISC/UNIX платформы: Sun представила компьютерному сообществу одновременно и открытую архитектуру SPARC, и первую базирующуюся на ней систему Sun-4/260, и ОС, и обширный набор прикладного ПО.

Рабочая станция SPARCstation 1, появившаяся в 1989 г., стала первой действительно массовой системой на базе новой архитектуры и яркой демонстрацией ее возможностей. В этом же году было объявлено о представлении второго, более совершенного поколения архитектуры SPARC — SPARC Version 8.

В 1991 г. появился первый сервер Sun — SPARC-server 600MP. Несмотря на то что он был построен на процессоре с архитектурой SPARC Version 7, его объявление стало важным событием — платформа SPARC перешла в разряд серверных. Тогда же появился первый портативный компьютер на базе SPARC — SPARC LT. 1991 г. стал переломным и в сфере ПО — SunOS 4.1.4 уже не удовлетворяла Sun в качестве решения для многопроцессорных систем. В сентябре было объявлено о выходе новой ОС на основе AT&T System V, самой важной особенностью которой стало заново переписанное ядро, включившее в себя расширенную поддержку многопоточности на уровне всех системных и прикладных процессов. Продукт получил название Solaris 2. Несмотря на новое имя, ОС Solaris все же выросла из SunOS — даже сегодня в системных сообщениях можно видеть обозначение SunOS 5.x, где X обозначает текущую версию Solaris. Для большинства приложений ОС Solaris обеспечивает практически линейный рост производительности при увеличении числа процессоров в системе, воплощая концепцию SMP-вычислений. Благодаря прекрасной масштабируемости одна и та же ОС используется и на однопроцессорных рабочих станциях, и на серверах масштаба рабочей группы и предприятия.

В 1992 г. появился первый процессор на базе архитектуры SPARC Version 8 — SuperSPARC I. Суперскалярный процессор интегрировал в себя все основные исполнительные блоки, вне кристалла оставался лишь контроллер кэш-памяти L2 и сам кэш. Подобное решение позволило значительно повысить производительность конечных систем. В мае 1992 г. была выпущена рабочая станция SPARCstation 10, объединившая в одной системе два процессора SuperSPARC и шину MBus.

Годом позже было объявлено о завершении разработки третьего поколения архитектуры SPARC — SPARC Version 9. Ее главной отличительной особенностью стал переход к 64-разрядным вычислениям. Кроме того, произошел переход от шинной архитектуры взаимодействия системных компонентов к коммутируемой. С момента появления и до настоящего времени Version 9 остается базой для проектирования аппаратной и программной составляющих SPARC-платформы. В феврале 1995 г. идеи, заложенные в SPARC Version 9, обрели физическое воплощение — появился процессор UltraSPARC I.

В ноябре этого же года был представлен восьмипроцессорный сервер SPARCserver 1000, а в декабре 20-процессорный SPARCcenter 2000. Оба на процессорах SuperSPARC и шине с коммутацией пакетов XDBus. Это были первые по-настоящему большие системы, созданные в рамках платформы SPARC, появление которых обозначило зрелость платформы, ее готовность к построению сложных высокопроизводительных SMP-систем для массового применения.

1996 г. оказался очень важным для будущего SPARC-платформы — компания Sun Microsystems приобрела исследовательское подразделение Cray Research, входившее ранее в состав крупнейшего производителя суперкомпьютеров Cray. Это шаг открыл Sun доступ к наработкам в области сверхсложных больших вычислительных систем и позволил ей значительно повысить масштабируемость своих решений.

Благодаря новым идеям, в 1997 г. был выпущен 64-процессорный сервер масштаба предприятия — Sun Enterprise 10000 на процессорах UltraSPARC II, появившихся в том же году несколько ранее и базирующихся на архитектуре SPARC Version 9. Характерную для предыдущих моделей шинную организацию взаимодействия узлов внутри системы в Sun Enterprise 10000 заменила архитектура UltraSPARC Port Architecture (UPA) на базе специализированного высокоскоростного внутрисистемного коммутатора. Не будет преувеличением сказать, что на тот момент эта система оказалась уникальной, не имеющей близких аналогов. Конкурирующие решения не вышли за пределы двух десятков процессоров в одной системе. Кроме того, сервер Sun Enterprise 10000 стал первой SPARC-системой, в которой были реализованы принцип динамического разбиения на домены и идеи динамического реконфигурирования. Каждый домен содержал накопитель с независимой копией ОС Solaris, некоторое количество процессоров, сетевых интерфейсов и интерфейсов ввода-вывода, при этом процессоры и I/О-интерфейсы могли перераспределяться между несколькими доменами динамически в зависимости от решаемых задач и текущего уровня нагрузки.

Новое поколение ОС Solaris — Solaris 7 — появилось в 1998 г. Несмотря на вторичность причин, вызвавших появление цифры 7 в названии, внесенные в ОС изменения носили достаточно серьезный характер: в соответствии с требованиями SPARC Version 9 она была переработана под 64-разрядную аппаратную базу, что наилучшим образом сказалось на производительности, расширяемости и масштабируемости платформы SPARC.

2001 г. памятен появлением процессора UltraSPARC III с интегрированным в кристалл контроллером памяти, выпуском на его основе нового модельного ряда серверов под названием Sun Fire, ориентированного на средний уровень задач и соответствующую ценовую категорию, и переходом к новой технологии общения внутрисистемных компонентов Fireplane. Система Sun Fire 280R стала первой SPARC-системой среднего уровня, в которой применялись технологии динамического ре-конфигурирования и разбиения на домены. Кроме того, в серии Sun Fire был реализован модульный подход к построению систем, позволивший создавать отказоустойчивые, легко расширяемые и модернизируемые серверы, которые не требовали прекращения работы в процессе любых манипуляций с ними. Тогда же появилась ОС под названием Solaris 8, в которой был существенно переработан механизм организации многопоточности внутри ядра.

Богатым на события для SPARC-платформы оказался 2003 г. — в апреле были запущены в производство процессоры UltraSPARC IIIi — упрощенный вариант UltraSPARC III, предназначенный для построения недорогих от однопроцессорных до четырехпроцессорных систем, оптимизированных по соотношению цена/производительность. В июле свет увидела новая версия UltraSPARC III, работающая на повышенных тактовых частотах. А в октябре был представлен новый процессор, получивший название UltraSPARC IV. С архитектурной точки зрения ничего нового в нем не было: просто он объединил два ядра UltraSPARC III в одном процессорном корпусе. Однако с точки зрения повышения производительности и особенно перспектив дальнейшего развития платформы SPARC это был очень серьезный шаг к реализации аппаратной многопоточности. Наконец, в этом же году была представлена 9-я версия ОС Solaris, в которой еще раз был переработан способ организации могопоточности, и в качестве окончательного варианта был выбран способ «один к одному», когда каждому пользовательскому потоку соответствует поток внутри ядра.

Настоящее SPARC-платформы связано с тремя компаниями: Sun Microsystems, Fujitsu и Texas Instruments. Первые две занимаются разработкой и совершенствованием архитектуры SPARC и в 2004 г. для повышения эффективности этого процесса и координации действий образовали альянс. Последняя изготавливает процессоры для Sun на своих производственных мощностях.

15 ноября 2004 г. Sun анонсировала, а в начале 2005 г. представила радикально обновленную ОС Solaris 10. Это событие сопровождалось объявлением об открытии исходных кодов ОС и запуском масштабного open-source-проекта по ее дальнейшей разработке.

Радикальные изменения коснулись как технической части, так и самой бизнес-модели, в том числе поставки и лицензирования ПО, способов его обновления и условий технического сопровождения. Начиная с 10-й версии, Sun Microsystems перешла к более открытой, простой и наглядной лицензионной политике. Любой заинтересованный потребитель теперь может свободно загрузить образы дисков с ОС, причем как для архитектуры х8б, так и для SPARC, и устанавливать ОС на любое количество серверов любой конфигурации. При этом ему будут доступны все обновления, связанные с безопасностью. Если же у пользователя возникнет потребность в технической поддержке, он может подписаться на одну из платных программ.

В пул наиболее интересных и значимых технологий Solaris 10 вошла система виртуализации Solaris Containers, система диагностики и контроля DTrace и файловая система ZFS.

Встроенная система виртуализации Solaris Containers (ранее известная как N1 Grid Containers) позволяет системному администратору организовать в рамках единой инсталляции ОС несколько виртуальных системных разделов, называемых зонами. При этом внутри каждой зоны существует персонализированное пространство имен и процессов — она выступает в роли самостоятельной, изолированной от других зон, системы с собственными пользователями, каталогами и сетевыми адресами. Процессы и пользователи, в том числе суперпользователь root, работающие в пределах одной зоны, не имеют доступа к ресурсам и данным прочих, так что даже в случае нарушения режима безопасности и несанкционированного проникновения в какую-либо из них злоумышленник не получит доступа ко всей системе. Каждой такой зоне может быть назначен контейнер — набор локализованных системных ресурсов. Технология контейнеров предназначена дли распределения ресурсов между отдельными процессами, группами процессов и пользователями, однако в сочетании с зонным делением она позволяет оптимально настроить всю систему, выделив каждой области-зоне ровно столько ресурсов, сколько ей необходимо для обеспечения заданной функциональности. Такое сочетание дает администратору возможность создавать множество виртуальных серверов и манипулировать ими по собственному разумению, не опасаясь, что они будут как-либо влиять друг на друга. Технология весьма экономична с точки зрения системных ресурсов — на каждый контейнер требуется менее 1 % накладных расходов. Обслуживание даже нескольких сотен виртуальных серверов не слишком увеличивает нагрузку на администратора — все контейнеры работают в рамках одной копии Solaris 10 и могут наследовать все установленные пакеты, исправления и глобальные настройки.

Инструмент DTrace (Dynamic Tracing) с помощью специальных информационных датчиков, число которых может достигать нескольких тысяч, автоматически диагностирует в реальном времени «узкие места», влияющие на производительность приложений и работу системы в целом. Он призван заменить стандартный для UNIX-систем подход к диагностике и администрированию, связанный с использованием набора вспомогательных утилит и файлов с протоколами системных операций, предлагая системному администратору автоматизацию значительной части функций и их консолидацию в рамках единого управляющего интерфейса.

Новая файловая система Solaris ZFS (zettabyte file system) обеспечивает 128-бит адресацию памяти, гарантируя отсутствие проблем при работе с большими объемами данных даже в отдаленном будущем. Кроме того, в нее встроена система защиты от физических повреждений, основанная на CRC-методе коррекции ошибок. Наконец, Solaris ZFS позволяет осуществлять любые манипуляции с разделами на лету: администратор может создавать и удалять разделы, разделять и группировать существующие, перераспределять пространство из одного раздела в другой, причем без прекращения работы системы и без перезагрузок.

Технология автоматического контроля за состоянием серверной системы (Predictive Self Healing) позволяет ОС самостоятельно диагностировать, изолировать и устранять практически любые программные и аппаратные сбои. Компонент Solaris Fault Manager — составная часть технологии Predictive Self Healing — осуществляет мониторинг аппаратных и программных частей системы, заранее выявляя потенциально сбойные участки и выводя их из рабочей среды. Непосредственное участие администратора сведено к минимуму и относится в основном к случаям неустранимых сбоев, требующих немедленного вмешательства.

Стоит особо отметить, что для платформ SPARC и х86 дистрибутив Solaris 10 собирается из одной и той же ветки разработки, так что обе версии абсолютно идентичны, разумеется, за исключением частей, связанных с аппаратными особенностями платформ. Это позволяет заказчикам приобщиться к миру UNIX, не затрачивая каких-либо значительных средств на приобретение необходимого оборудования, но дает возможность безболезненно масштабировать информационную систему на высокоуровневые и более производительные решения при достижении платформой х86 пределов производительности и расширяемости.

Фактически индустрия получила в виде Solaris 10 уникальную возможность консолидировать ИТ-инфраструктуру заказчиков без ее коренной переработки.

Отличительная черта платформы SPARC — ее преемственность: даже сегодня, несмотря на все прошедшие за время ее существования смены поколений, заказчики могут без проблем работать с ПО, написанным 10 и более лет назад, при этом речь идет о прямом исполнении программного кода без каких-либо его изменений и перекомпиляции. Более того, преемственность распространяется не только на программную часть, но в определенной мере и на аппаратную — появление нового поколения процессоров не приводит к смене всей системы целиком, достаточно заменить интегрированные платы Uniboard, содержащие процессор и ОЗУ.

Список литературы

Журнал Upgrade4_08_05