Закон Амдала и его следствия

Предположим, что в вашей программе доля операций, которые нужно выполнять последовательно, равна f, где 0<=f<=1 (при этом доля понимается не по статическому числу строк кода, а по числу операций в процессе выполнения). Крайние случаи в значениях f соответствуют полностью параллельным (f=0) и полностью последовательным (f=1) программам. Так вот, для того, чтобы оценить, какое ускорение S может быть получено на компьютере из 'p' процессоров при данном значении f, можно воспользоваться законом Амдала:

Если 9/10 программы исполняется параллельно, а 1/10 по-прежнему последовательно, то ускорения более, чем в 10 раз получить в принципе невозможно вне зависимости от качества реализации параллельной части кода и числа используемых процессоров.

Отсюда первый вывод - прежде, чем основательно переделывать код для перехода на параллельный компьютер (а любой суперкомпьютер, в частности, является таковым) надо основательно подумать. Если оценив заложенный в программе алгоритм вы поняли, что доля последовательных операций велика, то на значительное ускорение рассчитывать явно не приходится и нужно думать о замене отдельных компонент алгоритма. В ряде случаев последовательный характер алгоритма изменить не так сложно. Допустим, что в программе есть следующий фрагмент для вычисления суммы n чисел:

По своей природе он строго последователен, так как на i-й итерации цикла требуется результат с (i-1)-й и все итерации выполняются одна за одной. Имеем 100% последовательных операций, а значит и никакого эффекта от использования параллельных компьютеров. Вместе с тем, выход очевиден. Поскольку в большинстве реальных программ (вопрос: а почему в большинстве, а не во всех?) нет существенной разницы, в каком порядке складывать числа, выберем иную схему сложения. Сначала найдем сумму пар соседних элементов: a(1)+a(2), a(3)+a(4), a(5)+a(6) и т.д. Заметим, что при такой схеме все пары можно складывать одновременно! На следующих шагах будем действовать абсолютно аналогично, получив вариант параллельного алгоритма. Казалось бы в данном случае все проблемы удалось разрешить. Но представьте, что доступные вам процессоры разнородны по своей производительности. Значит будет такой момент, когда кто-то из них еще трудится, а кто-то уже все сделал и бесполезно простаивает в ожидании. Если разброс в производительности компьютеров большой, то и эффективность всей системы при равномерной загрузке процессоров будет крайне низкой. Но пойдем дальше и предположим, что все процессоры одинаковы. Проблемы кончились? Опять нет! Процессоры выполнили свою работу, но результат-то надо передать другому для продолжения процесса суммирования... а на передачу уходит время... и в это время процессоры опять простаивают... Словом, заставить параллельную вычислительную систему или супер-ЭВМ работать с максимальной эффективность на конкретной программе это, прямо скажем, задача не из простых, поскольку необходимо тщательное согласование структуры программ и алгоритмов с особенностями архитектуры параллельных вычислительных систем.

Заключительный вопрос. Как вы думаете, верно ли утверждение: чем мощнее компьютер, тем быстрее на нем можно решить данную задачу? Заключительный ответ. Нет, это не верно. Это можно пояснить простым бытовым примером. Если один землекоп выкопает яму 1м*1м*1м за 1 час, то два таких же землекопа это сделают за 30 мин - в это можно поверить. А за сколько времени эту работу сделают 60 землекопов? За 1 минуту? Конечно же нет! Начиная с некоторого момента они будут просто мешаться друг другу, не ускоряя, а замедляя процесс. Так же и в компьютерах: если задача слишком мала, то мы будем дольше заниматься распределением работы, синхронизацией процессов, сборкой результатов и т.п., чем непосредственно полезной работой.

Клиент-сервер (англ. Сlient/Server) — сетевая архитектура, в которой устройства являются либо клиентами, либо серверами. Клиентом (front end) является запрашивающая машина (обычно ПК), сервером (back end) — машина, которая отвечает на запрос. Оба термина (клиент и сервер) могут применяться как к физическим устройствам, так и к программному обеспечению.

В сетях с выделенными серверами (рис. 8) используются специальные варианты сетевых ОС, которые оптимизированы для работы в роли серверов и называются серверными ОС. Пользовательские компьютеры в таких сетях работают под управлением клиентских ОС.

Специализация операционной системы для работы в роли сервера является естественным способом повышения эффективности серверных операций. А необходимость такого повышения часто ощущается весьма остро, особенно в большой сети. При существовании в сети сотен или даже тысяч пользователей интенсивность запросов к разделяемым ресурсам может быть очень значительной, и сервер должен справляться с этим потоком запросов без больших задержек. Очевидным решением этой проблемы является использование в качестве сервера компьютера с мощной аппаратной платформой и операционной системой, оптимизированной для серверных функций.

Чем меньше функций выполняет ОС, тем более эффективно можно их реализовать, поэтому для оптимизации серверных операций разработчики ОС вынуждены ущемлять некоторые другие ее функции, причем иногда даже полностью отказываться от них. Одним из ярких примеров такого подхода является серверная ОС NetWare. Ее разработчики поставили перед собой цель оптимизировать выполнение файлового сервиса и сервиса печати. Для этого они полностью исключили из системы многие элементы, важные для универсальной ОС, в частности, графический интерфейс пользователя, поддержку универсальных приложений, защиту приложений мультипрограммного режима друг от друга, механизм виртуальной памяти. Все это позволило добиться уникальной скорости файлового доступа и вывело NetWare в лидеры серверных ОС на долгое время.

Однако слишком узкая специализация некоторых серверных ОС является одновременно и их слабой стороной. Так, отсутствие в NetWare 4 универсального интерфейса программирования и средств защиты приложений, не позволившее использовать эту ОС в качестве среды для выполнения приложений, приводит к необходимости применения в сети других серверных ОС в тех случаях, когда требуется выполнение функций, отличных от файлового сервиса и сервиса печати. Поэтому разработчики многих серверных операционных систем отказываются от функциональной ограниченности и включают в состав серверных ОС все компоненты, позволяющие задействовать их в качестве универсальных серверов и даже клиентских ОС. Такие серверные ОС снабжаются развитым графическим пользовательским интерфейсом и поддерживают универсальный API. Это сближает их с одноранговыми операционными системами, но существует несколько отличий, которые позволяют отнести их именно к классу серверных ОС:

· поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе мультипроцессорных;

· поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений;

· включение в состав ОС компонентов централизованного администрирования сети (например, справочной службы или службы аутентификации и авторизации пользователей сети);

В больших сетях выделенный сервер часто выполняет только одну определенную функцию и тогда различают:

· файл-сервер, узел сети, выполняющий централизованное хранение данных и обеспечивающий разделяемый доступ к ним, служащий для управления передачей, файлов и позволяющие пересылать информацию большого объема, (не обязательно текстовую, но и графическую);

· серверы печати (или принт-серверы), служащие для включения в состав сети принтера, доступного для использования пользователям со всех рабочих станций сети, в NetWare – служебная программа (или специализированный микроконтроллер) для вывода заданий из очередей на принтеры;

· коммуникационные (связные) серверы, предназначенные для управления и установления связи между компьютерами в сети, обеспечивает разделяемый доступ к коммуникационным средствам – модемам, портам Х.25 и т.д.;

· почтовые серверы в системе электронной почты, служащие для пересылки и приема электронных писем;

· архивные серверы, предназначенные для архивирования данных и резервного копирования информации в больших многосерверных сетях;

· Web-серверы под управлением определенных ОС (для Microsoft Internet Information Server - Windows NT/2000, для Apache – Linux или Unix);

· серверы удаленного доступа, которые предоставляют коммутируемое соединение;

· прокси-серверы служат промежуточным звеном между рабочими станциями пользователей и Internet;

· факс-серверы, используемые для отправления пользователями факсимильных сообщений с рабочих станции, для приема и последующей рассылки сообщении в личные боксы пользователей и др.

В качестве сервера может быть использован либо обычный персональный компьютер, или же это может быть специализированное устройство - высокопроизводительный компьютер, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более), реализующий одну из указанных функций управления. В этом последнем случае специализированный сервер по своему внешнему виду может отличаться от обычного персонального компьютера и в зависимости от назначения иметь различные габариты - от бытового видеомагнитофона до видеокассеты (при этом в его состав, как правило, не входят ни монитор, ни клавиатура). Сервер в иерархических сетях – это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером.

С точки зрения пользователей архитектура "клиент-сервер" предоставляет им быстрый и простой доступ с локальной рабочей станции к информации и функциям, содержащимся где-то в сети. Среди других достоинств, важных для пользователя, можно отметить: повышение производительности, возможность свободного выбора необходимого программного обеспечения, простоту в использовании инструментальных средств.

Модель клиент-сервер значительно упрощает задачи администрирования, особенно в сетях с большим количеством компьютеров. Однако требует высокой квалификации сетевого администратора. Эти сети обладают более высокой безопасностью, чем одноранговые.

Сети клиент-сервер обладают большей безопасностью, чем одноранговые. Чтобы зарегистрироваться в сети, пользователь должен знать учетную запись и пароль, созданные на сервере. Когда пользователь успешно зарегистрировался, он получает доступ ко всем ресурсам, на которые ему выделили право. При этом от него не требуется помнить многочисленные имена и пароли для разных компьютеров, как в рабочей группе Windows NT Workstation или Windows 2000 Professional. Сеть клиент-сервер предоставляет пользователю доступ к ресурсам на основе аутентификации пользователя и прав доступа.

Информационные системы созданные на основе классической архитектуры клиент/серве р (называемые двухзвенными системами или системами с "толстым" клиентом)состоят из сервера баз данных (содержащего сгенерированные тем или иным способом таблицы, индексы, базы данных и другие объекты) и одного или нескольких клиентских приложений. Эти приложенияявляются достаточно сложным программным продуктом и нуждаются в полнофункциональной ОС (например Windows 2000 Professional). В ряде случаев клиентские приложения для доступа к источникам данных используют вызовы функций прикладных интерфейсов серверных СУБД, в частности библиотеки, например Borland Database Engin (BDE).

Соответственно подобное клиентское приложение требует наличия на компьютере конечного пользователя клиентской части используемой серверной СУБД (наличия лицензии на ее использование) и присутствия в оперативной памяти набора динамически загружаемых библиотек как из клиентской части, так и из BDE (либо иной заменяющей ее библиотеки), таких, как драйверы баз данных, библиотеки. Это усложняет технические требования, предъявляемые к аппаратной части клиентской рабочей станции, и в конечном итоге приводит к удорожанию всей системы в целом.

Выходом из этой ситуации является создание систем с так называемым "тонким" клиентом, в частности, с клиентом, не содержащим в своем составе BDE и клиентскую часть серверной СУБД. В этом случае функциональность, связанная с доступом к данным (а нередко и какая-либо иная функциональность), возлагается на другое приложение, называемое обычно сервером приложений, и являющееся клиентом серверной СУБД. В свою очередь, клиентские приложения обращаются не непосредственно к серверной СУБД, а к серверу приложений, являющемуся для них источником данных, при этом собственно клиентская часть серверной СУБД и библиотеки типа BDE на рабочей станции, где используется такое клиентское приложение, присутствовать не обязаны. Вместо них используется одна-единственная динамически загружаемая библиотека. Таким образом, созданная информационная система становится трехзвенной, а сервер приложений является средним звеном в цепи "тонкий клиент - сервер приложений - сервер баз данных". Клиентские операционные системы в сетях с выделенными серверами обычно освобождаются от серверных функций, что значительно упрощает их организацию. Разработчики клиентских ОС уделяют основное внимание пользовательскому интерфейсу и клиентским частям сетевых служб. Наиболее простые клиентские ОС поддерживают только базовые сетевые службы, обычно файловую и службу печати. В то же время существуют так называемые универсальные клиенты, которые поддерживают широкий набор клиентских частей, позволяющих им работать практически со всеми серверами сети. Многие компании, разрабатывающие сетевые ОС, выпускают две версии одной и той же операционной системы. Одна версия предназначена для работы в качестве серверной ОС, а другая — для работы на клиентской машине. Эти версии чаще всего основаны на одном и том же базовом коде, но отличаются набором служб и утилит, а также параметрами конфигурации, в том числе устанавливаемыми по умолчанию и не поддающимися изменению. Например, операционная система Windows NT выпускалась в версии для рабочей станции — Windows NT Workstation — и в версии для выделенного сервера — Windows NT Server. Оба эти варианта операционной системы включают клиентские и серверные части многих сетевых служб. Так, ОС Windows NT Workstation, кроме выполнения функций сетевого клиента, может предоставлять сетевым пользователям файловый сервис, сервисы печати, удаленного доступа и другие, а, следовательно, может служить основой для одноранговой сети. С другой стороны, ОС Windows NT Server содержит все необходимые средства, которые позволяют задействовать компьютер в качестве клиентской рабочей станции. Под управлением ОС Windows NT Server локально запускаются прикладные программы, которые могут потребовать выполнения клиентских функций ОС при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети. Windows NT Server имеет такой же развитый графический интерфейс, как и Windows NT Workstation, что позволяет с равным успехом применять эти ОС для интерактивной работы пользователя или администратора. Однако версия Windows NT Server имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям сети, так как может выполнять более широкий набор функций, поддерживает большее количество одновременных соединений с клиентами, реализует централизованное управление сетью, имеет более развитые средства защиты. Поэтому рекомендуется применять Windows NT Server в качестве ОС для выделенных серверов, а не клиентских компьютеров.

№42. Основные принципы построения систем ввода/вывода.

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода. Содержание понятий «обработка информации» и «операции ввода-вывода» зависит от того, с какой точки зрения мы смотрим на них. С точки зрения программиста, под «обработкой информации» понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под «операциями ввода-вывода» программист понимает обмен данными между памятью и устройствами, внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура, таймер. С точки зрения операционной системы «обработкой информации» являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к «операциям ввода-вывода». Чтобы выполнять операции над данными, временно расположенными во вторичной памяти, операционная система, сначала производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем процессор совершает необходимые действия.

Данная лекция будет посвящена второму виду работы вычислительной системы – операциям ввода-вывода. Мы разберем, что происходит в компьютере при выполнении операций ввода-вывода, и как операционная система управляет их выполнением. При этом для простоты будем считать, что объем оперативной памяти в вычислительной системе достаточно большой, т. е. все процессы полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятие «операция ввода-вывода» с точки зрения операционной системы и с точки зрения пользователя означает одно и то же. Такое предположение не снижает общности нашего рассмотрения, так как подкачка информации из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому же принципу, что и все операции ввода-вывода.

Прежде чем говорить о работе операционной системы при осуществлении операций ввода-вывода, нам придется понять, как осуществляется передача информации между оперативной памятью и внешним устройством и почему для подключения к вычислительной системе новых устройств ее не требуется перепроектировать.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: