НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

История и перспективы современных больших вычислительных машин (Mainframes)

(Часть 1)

В этой статье мы ответим на вопросы:

·       Что такое мэйнфрейм сейчас?

·       Где мэйнфреймы будут применяться?  

·       Какие виды работ выполняются на мэйнфреймах?

·       Какие специалисты их будут обслуживать?

·       Где будут готовить этих специалистов?

Что такое мейнфрейм сейчас?

Для того чтобы понять, что из себя представляют большие вычислительные машины (Mainframes), стоит вспомнить историю развития вычислительной техники. Благо, она, эта история, пока коротка – меньше века.

Большие вычислительные машины (Mainframes) – это, собственно, те электронные вычислительные машины (ЭВМ), с которых начинается история вычислительной техники. Архитектура ЭВМ и принципы управления, разработанные в середине прошлого века отцами кибернетики  Винером и Фон-Нейманом, предполагали использование ЭВМ для решения больших по значению и по объему вычислений задач, причем, задач, которые должны обрабатываться одной машиной одновременно. Была разработана специальная теория массового обслуживания, в которой математически точно описывается состояние очередей и управление ими.

Появление в 1980-х годах персональных вычислительных машин, персональных компьютеров (ПК) заставило разработчиков «забыть» на время некоторые  важные принципы управления ЭВМ, в частности, потеряла актуальность и теория массового обслуживания. А в 90-х нередко встречались статьи, обосновывающие ненужность больших машин. Многим казалось, что мощная персональная машина, да к тому же двухпроцессорная, в состоянии решить любую задачу. Встречались даже так сформулированные мысли: любую задачу, которую может поставить человек, в состоянии решить мощный персональный компьютер. Немногочисленные оппоненты пытались говорить о многопользовательских задачах – им предлагалось использовать сетевые решения – соединенные между собой различными способами персональные компьютеры.  Централизованное управление сетью обеспечивается сервером – более мощной машиной со специализированным программным обеспечением, решающей задачи обслуживания многих пользователей одновременно.

Появление в начале 20-го века сетевых технологий, сетей самых разных конфигураций, вплоть до кластерных соединений (соединений серверов), имеющих централизованный и децентрализованный принципы управления, казалось бы, решили все вычислительные проблемы. Был даже временной промежуток в истории известной всем фирмы IBM (не даром же персональные компьютеры большей частью IBM-совместимые), когда она не продала ни одной большой ЭВМ за целый год. Мэйнфреймы в это время называли «динозаврами» и многие пророчили им «вымирание».

Недаром философы твердят нам о спирале-подобной форме развития чего бы то ни было. История развития вычислительных машин, совершив виток этой спирали, находится сейчас в начале нового витка, когда опять на первый план выходят большие вычислительные машины. Дальнейшее развитие архитектуры и технологии серверов приблизилось вплотную к основополагающим принципам построения больших ЭВМ.

Фирма IBM никогда не сдавала своих позиций, уверенно отстаивая мысль о том, что большие машины имели, имеют, и будут иметь свою нишу, свою область применения. Причем, эта ниша в дальнейшем будет становиться все больше и больше. Уже сейчас 60% информации, используемой в Интернете, хранится в базах данных больших вычислительных машин. Более 500 крупнейших мировых корпораций имеют вычислительные комплексы, оснащенные мэйнфреймами. Везде, где высоки требования к быстродействию, надежности, безопасности, используются именно они. Такие предприятия, как банки, страховые компании, транспортные корпорации, активно используют сейчас технологии электронной коммерции (электронный обмен информацией, электронные транзакции и др.),  обслуживание пользователей с использованием современных информационных технологий.

Секрет выживания «динозавра» в том, что фирма IBM последовательно и методично работала над своим продуктом, учитывала все современные достижения науки, регулярно модернизировала продукт. Примерно один раз в 10 лет происходили существенные изменения в мэйнфрейме, при этом его вычислительная мощь и другие отличительные характеристики не ухудшались, а лишь улучшались.

Рисунок 1. История развития больших ЭВМ (слайд взят с сайта IBM)

Если очень схематично описать историю модернизации мэйнфреймов, то она будет выглядеть так, как это показано на рис.1. Временная ось с отметками десятилетий, над временной осью строка с названиями архитектуры большой машины, то есть, аппаратное обеспечение или hardware (HW).   Нижние две строки соответственно характеризуют два слоя программного обеспечения или software (SW): нижний слой - операционные системы, управляющие аппаратной частью машины, и промежуточный слой (middleware), на рисунке  он расположен в самом низу, программное обеспечение для обслуживания бизнес-приложений.

Итак, приведем краткую характеристику каждого десятилетия в соответствии с рисунком 1:

·       1964 год.  Архитектура машины – S/360, управляется операционными системами MVT, PCP, MFT, промежуточный слой (middleware) представлен подсистемой управления обработкой заданий CICS (Costumer Interface Control System), с помощью которой пользователь может сам управлять выполнением своих транзакций в безопасной/защищенной среде.

·       70-е годы. Архитектура машины – S/370, управляется операционной системой MVS. Разработана операционная система с виртуальной памятью MVS, управление памятью осуществляется с помощью специальных таблиц ???VTAM (Virtual Tables Addressing Memory). Промежуточный  слой (middleware) представлен подсистемой VM (Virtual Machine) «Виртуальная машина»

·       В 80-е годы осуществлен аккуратный переход на 31-битную адресацию памяти при сохранении старой системы адресации (24-х битной) в рамках новой. Именно недостающий до 32-х бит служит для индикации того, какая адресация используется: 24-х или 31-битная (архитектура машины – S/370XA).

·       Середина 80-х отмечена появлением новой операционной системы ESA/390 и специального программного обеспечения промежуточного слоя – реляционной базы данных DB2.

·       Середина 90-х – Архитектура машины – ESA/390 - абсолютно революционный прорыв в области новых технологий – перевод производства аппаратной части на технологию использования полупроводниковых биполярных транзисторов (CMOS), повлекший за собой резкое уменьшение размеров микросхем и машины в целом, ощутимое снижение потребляемой энергии при одновременном резком увеличении размеров памяти и скорости вычислений. В этот же период появилась технология Parallel Sysplex, как особый вид организации связей между различными машинами с целью создания более мощных вычислительных комплексов, была оптимизирована организация операций ввода-вывода информации и, которую можно охарактеризовать.

·       2000 – 2005 – Появление новой z-Архитектуры, с 64-х разрядной адресаций памяти.  Промежуточный слой представлен мощнейшей системой Web Sphere, которая позволяет предприятиям создавать представительство в мире Интернет, может работать, как внутренняя сеть предприятия, имеет неограниченные возможности наращивания в ту или иную сторону за счет присоединения вновь разрабатываемых приложений.  Новая операционная система большой вычислительной машины предоставила возможность параллельного использования и других операционных систем, например,  Linux. В настоящее время   более тысячи  Linux        машин используют  специальную операционную систему z/VM.

Специально разработан Z-процессор (произносится как Zed–процессор), который  позволяет нам использовать Java. При этом,  Z-процессор предоставляет вам использовать Java наиболее экономично.

Что следует особо отметить, Z-платформа много дешевле, чем предыдущие архитектуры мэйнфрейм.

Итак, резюмируя эту часть статьи, скажем: мэйнфреймы мы встречаем не часто, гораздо чаще нам встречаются персональные компьютеры, серверы, UNIX – станции. Мэйнфреймы находятся в тени, но именно на них выполняются самые важные приложения.

Что такое мэйнфрейм?

Сейчас мэйнфрейм

·       это вычислительная система,  доступная пока (из-за ее высокой стоимости) только крупной компании, предназначенная для хранения в ней коммерческих баз данных, серверов транзакций, приложений, требующих более высоких уровней безопасности и надежности, а также постоянства доступа;

·       это вычислительная система,  которая предоставляет большие возможности с точки зрения скорости вычислений и их объемов;

·       это вычислительная система,  которая используется для решения большого количества разнообразных задач, выполняет огромное количество различных типов транзакций и нагрузок.

Где мэйнфреймы будут применяться?

Остановимся на перечислении достоинств этой машины. Основные характеристики современной большой вычислительной машины, это надежность, доступность и обслуживаемость (RAS – reliability, availability, serviceability). Например, в появившейся летом 2005 года новой архитектуре Z9 отсутствует единая точка отказов. Каждый компонент машины  с этой архитектурой может быть заменен новым без остановки рабочих нагрузок.

Централизованное управление – еще одна важная характеристика мэйнфрейм, это много дешевле, чем  децентрализованное управление. Уникальная возможность мэйнфрейм  -  управление нагрузками.

Несомненным достоинством этих машин является и непрекращающаяся совместимость, что означает, что до сих пор в мэйнфреймах используются приложения, написанные в 70-е годы.

Какие виды работ выполняются на мэйнфреймах?

Мэйнфреймы могут выполнять два вида работ, которые соответственно представляют собой обслуживание двух абсолютно различных типов рабочих нагрузок (см. рисунок 2):

·       Пакетная обработка заданий (Batch job), когда компьютер выполняет работу без участия человека. Можно провести аналогию с Batch-файлами на персональном компьютере (РС), но очень грубая аналогия. Используется в случае значительных объемов данных на входе.

·       Обработка заданий в реальном времени (On-line), например, транзакционные системы, такие как система приобретения железнодорожных билетов, система оплаты по кредитной карте и т.п.   

Рисунок 2.  Два типа рабочих нагрузок в мэйнфрейм (рисунок взят из материалов IBM)

Главное отличие этих видов работ - в объеме вводимых и выводимых данных. Если требуется соблюсти заведомо оговоренное самое высокое быстродействие, при этом обслужить значительное количество пользователей, стоит использовать мэйнфрейм, операционная система которой сможет координировать  всю эту работу.

Рисунок 3. Пример использования мэйнфрейм для пакетных видов рабочих нагрузок

Пример осуществления работ по пакетной обработке заданий (Batch job) приведен на рисунке 3.  В центре рисунка показана большая вычислительная машина (мэйнфрейм), которая в наши дни не выглядит такой уж большой. Ее физические размеры (100см х100см х50см) соизмеримы с размером старинного комода или «горки» для посуды. На выходе мэйнфрейм  мы видим отчеты, которые отправляются в головной офис (Main office) и в филиалы предприятия (Branch offices), показано также, что балансовые счета и другие отчеты могут  поступать непосредственно по месту жительства пользователя (Residence). Как видно на рисунке, отдельное внимание уделено резервированию (Backup), которое осуществляется в одном месте (например, в банковской структуре) в определенное время, например, в конце каждого рабочего дня, либо по завершению месяца, квартала, года и т.д. Главный признак пакетного вида нагрузок – большой объем вводимых данных.

Пример обработки заданий в реальном времени – общение с банком через банкомат - показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Пример использования мэйнфрейм для выполнения рабочих нагрузок в реальном времени

Самое важное в таком виде нагрузок  – централизация и координация.  Мэйнфрейм должен в автоматическом режиме управлять доступом пользователей к банковской информации, отслеживать порядок очередей на обработку заданий, выполнять своевременное обновление и резервное копирование хранимой информации, при этом четко разделяя роли (конечных пользователей, аналитиков, отвечающих за соответствие данных, системных администраторов, программистов) в этом вычислительном мире: предоставляя соответствующие ролям права и услуги.  Отметим при этом, что несколько ролей может играть одно лицо и наоборот, может быть несколько человек, которые выполняют одну роль.

Несколько слов о современных операционных системах, работающих с мэйнфрейм. Таких на сегодня четыре:

·       z/VM – предоставляет возможность работать в мульти-операционной среде, то есть, есть возможность работы с несколькими операционными системами;

·       Linux for r/Series - работает с тысячами машин;

·       VSE – операционная система (ОС) для небольших  инсталляций для ограниченного числа пользователей, в этой ОС нет возможности использовать Parallel Sysplex;

·       z/TPZ – очень большая ОС, специализированная,  обслуживающая большое количество транзакций, например,  системы оформления билетов.

Итак, резюмируя эту часть статьи, скажем: новые мэйнфреймы играют центральную роль в современном мире, несмотря на то, что они находятся       на заднем плане, в тени, они первые по надежности, постоянной доступности и быстродействию. Они  обслуживают тысячи пользователей одновременно, работают в режиме интенсивного ввода/вывода, обрабатывают очень большие рабочие нагрузки, выполняют защищенный запуск важных бизнес-приложений.