Файл: Сетевые операционные системы ( Определение и свойства сетевых операционных систем ).pdf

4. Распределенная обработка в сетевых операционных системах

Объединение компьютеров в сеть предоставило возможность программам, работающим на отдельных компьютерах плодотворно взаимодействовать. Связь между некоторыми программами может быть настолько тесной, что их можно представлять как части одного приложения, которое называется распределенным, или сетевым.

Распределенные приложения обладают множеством потенциальных преимуществ по сравнению с локальными. Это и более высокие показатели производительности, отказоустойчивости и масштабируемости. Разумеется, распределенным является не только прикладное, но и системное программное обеспечение. Программы, которые выполняют некоторые общие и часто встречающиеся в распределенных системах функции, обычно называются сетевыми службами. Имеется три основных параметра организации работы приложений в сети –

1) разделения приложения на части для выполнения на различных компьютерах сети;

2) применение серверов в сети, на которых выполняются общие для всех приложений операции и функции;

3) взаимодействие между приложениями, работающих на разных компьютерах.

5. Программно-определяемая сеть SDN

Наиболее перспективной на данный момент времени представлятся программно-определяемая сеть SDN (software-defined networking). Это сеть передачи данных, в которой уровень управления сетью отделён от устройств передачи данных и реализуется программно. Это объединения аппаратных и программных сетевых ресурсов в единую.

Ключевые принципы программно-определяемых сетей

- разделение процессов передачи и управления данными,

- централизация управления сетью при помощи унифицированных программных средств,

- виртуализация физических сетевых ресурсов.

Одним из реализаций концепции программно-определяемой сети и считается движущей силой её распространения и популяризации является протокол OpenFlow. Этот протокол реализует независимый от производителя интерфейс между логическим контроллером сети и сетевым транспортом.

Основные принципы программно-определяемых сетей сформулированы в 2006 году. В 2009 году технологии программно-определяемых сетей появились в списке 10 быстрорастущих технологий.

Вкратце рассмотрим архитектуру программно-определяемой сети:

- инфраструктурный уровень Здесь функционируют сетевые коммутаторы и каналы передачи данных;

- уровень управления. Это набор программных средств, физически отделённых от инфраструктурного уровня. Они обеспечивают реализацию механизмов управления устройствами инфраструктурного уровня;

- уровень сетевых приложений - набор так называемых SDN-приложений, взаимодействующих с SDN-контроллером посредством программного протокола (API) для сбора, анализа, развертывания и управления сетевой инфраструктурой на уровне приложений.

Ядром уровня управления программно-определяемой сетью является сетевая операционная система. Это программное средство, обеспечивающее, с одной стороны, интерфейс со средствами инфраструктурного уровня (например, динамическое изменение таблиц маршрутизации), и с другой стороны — прикладной программный интерфейс для уровня сетевых приложений, сформулированный в терминах более высокого уровня абстракции (например, «имя узла», «имя пользователя»), нежели используется в параметрах конфигурации сетевых операционных системах в сетевых устройствах типа маршрутизатора или коммутатора (IP-адрес, маска подсети, MAC-адрес), рассмотренных нами ранее.

На данный момент уже существует множество реализаций сетевых операционных систем для программно-определяемых сетей: NOX, POX, Beacon, Maestro, Trema, BigSwitch, FloodLight и др

Как говорилось ранее, своим появлением и развитием программно-определяемые сети обязаны механизму Openflow. Он является основной движущей силой концепции программно-определяемых сетей и широко применим как стандартом для их построения.

Рассмотрим подробнее этот важный протокол OpenFlow. Он управляет процессом обработки данных, передающихся по сети передачи данных маршрутизаторами и коммутаторами, реализующий технологию программно-конфигурируемой сети. Используется для управления сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами с центрального устройства — контроллера сети. Например, с сервера или обычного персонального компьютера. Это управление заменяет или дополняет работающую на коммутаторе (или маршрутизаторе) встроенную программу, осуществляющую построение маршрута, создание карты коммутации и т.д. Контроллер используется для управления таблицами потоков коммутаторов, на основании которых принимается решение о передаче принятого пакета на конкретный порт коммутатора. Таким образом в сети формируются прямые сетевые соединения с минимальными задержками передачи данных и необходимыми параметрами.

Версии микропрограмм с поддержкой Openflow разработаны для устройств основных вендрово, включая Extreme Networks, Juniper, Cisco, HP, IBM, NEC.

Архитектура OpenFlow наглядна. Путь прохождения данных состоит из таблицы потоков и действий, назначенных для каждой записи в таблице. Сами таблицы могут касаться как протоколов канального уровня Ethernet, так и протоколов вышестоящих уровней - IP и TCP. Основные действия это:

- форвардинг (пересылка фрагмента данных - пакета, фрейма - в заданный порт),

- пересылка фрагмента данных на контроллер через безопасный канал для дальнейшего исследования,

- отбрасывание фрагмента данных (drop).

Для устройств, совмещающих openflow и обычную обработку пакетов средствами микропрограммы устройства, добавляется четвёртый тип действия: обработка фрагмента данных обычными средствами. Оборудование, поддерживающее эти четыре действия являются Type0-устройствами.

Устройство OpenFlow состоит, как минимум, из трёх компонент:

- таблицы потоков (англ. flow table);

- безопасного канала (англ. secure channel), использующегося для управления коммутатором внешним «интеллектуальным» устройством (контроллером);

- поддержки OpenFlow protocol, использующегося для управления.

Каждая запись в таблице потоков имеет три поля: заголовок PDU (фрагмента данных), который позволяет определить соответствие PDU потоку, действие и поле со статистикой (число байтов и PDU, соответствующее потоку, время прохождения последнего соответствующего потоку PDU).

Заголовок может состоять из множества полей разного уровня. Для примера, MAC-адресов отправителя и получателя, полей из заголовка IP-пакета, полей из заголовка TCP-сегмента. Примечатель, что в текущей версии протокола не поддерживается проверка, к примеру, флага SYN в заголовке TCP-сегмента. Каждое поле может иметь особое значение соответствующее любому значению соответствующего поля в PDU.

Устройства Type1 запланированы, но их спецификация пока не определена. Они будут обеспечивать трансляцию сетевых адресов, поддержку классов и приоритетов.

Контроллеры обеспечивают наполнение таблицы потоков и получение пакетов через безопасный канал от устройства. Могут реализовать как простейший алгоритм, напоминающий поведение коммутатора, разделяющего пакеты по VLAN. Либо реализовывать сложную динамическую логику, влияющую на прохождение пакетов исходя из внешних причин. Например, права доступа, загрузка серверов, приоритеты по обслуживанию.

Основная цель применения программно-определяемых сетей это построения инфраструктурных облачных сервисов (Infrastructure-as-a-Service; IaaS). Что наиболее актуально в наши дни в условиях, когда по запросу от потребителей услуг необходимо автоматически и в самые кратчайшие сроки создавать виртуальные узлы и выделять виртуальные сетевые ресурсы для них.

Также программно-определяемые сети целесообразны в условиях крупных центров обработки данных (ЦОД), позволяя сократить издержки на сопровождение сети за счёт централизации управления на программном контроллере и повысить процент использования ресурсов сети благодаря динамическому управлению.

Другим перспективным применением программно-определяемых сетей считаются приложения в концепции интернета вещей (Internet of Things, IoT) — основанные на вычислительных сетях физических объектов, оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой.

Первый коммерческий проект по построению программно-определяемой сети реализован в 2007 году Вендоры традиционного сетевого оборудования начали с 2011 года реализовать поддержку программно-определяемых сетей в выпускаемых устройствах. Так, линейки коммутаторов корпорации Cisco Nexus и Catalyst поддерживают программно-определяемые сети. А также Cisco выпустил платформу Open Network Environment. Juniper встроила поддержку протокола Openflow в операционную систему для сетевого оборудования JunOS SDK и поддержала протокол в линейках коммутаторов EX и MX. В 2012 года компания Google объявила, что трансформировала всю внутреннюю сеть для обмена трафиком между собственными распределёнными центрами обработки данных в программно-определяемую. Причем OpenFlow-коммутаторы были изготовлены компанией Google самостоятельно.

6. Центр обработки данных, дата-центр

В разрезе распределенных систем обработки информации важное значение имеют центры обработки данных (DCN), дата-центр (Data-Center). это специализированное здание для размещения (хостинга) серверного и сетевого оборудования и подключения абонентов к каналам сети Интернет.

Центр обработки данных исполняет функции обработки, хранения и распространения информации. Предлагает свои услуги, в основном, для корпоративных клиентов и ориентирован на решение бизнес-задач путём предоставления информационных услуг. Консолидация вычислительных ресурсов и средств хранения данных в ЦОД позволяет сократить совокупную стоимость владения IT-инфраструктурой за счёт возможности эффективного использования технических средств, например, перераспределения нагрузок, а также за счёт сокращения расходов на администрирование.

Дата-центры обычно расположены в пределах или в непосредственной близости от узла связи или точки присутствия какого-либо одного или нескольких операторов связи. Основным критерием оценки качества работы любого дата-центра является время доступности сервера.

История развития дата-центров начинается с огромных компьютерных комнат времен зарождения компьютерной индустрии. Тогда компьютерные системы были сложнее в управлении и требовали обеспечения особых условий для работы. Так как они занимали много места и требовали множества проводов для подключения различных компонентов, в компьютерных комнатах стали применять стандартные серверные стойки, фальшполы и кабельные каналы (проложенные по потолку или под фальшполом). Кроме того, такие системы потребляли много энергии и нуждались в постоянном охлаждении, чтобы оборудование не перегревалось. Не менее важна была безопасность — оборудование весьма дорогостоящее и часто использовалось для военных нужд. Поэтому были разработаны основные конструкционные принципы по контролю доступа в серверные.

В период бурного развития компьютерной индустрии и особенно в 1980-е компьютеры начинают использовать повсеместно, не особенно заботясь об эксплуатационных требованиях. Но с развитием ИТ-отрасли, компании начинают уделять все больше внимания контролю ИТ-ресурсов. С изобретением архитектуры клиент-сервер в 1990-е, микрокомпьютеры, сейчас называемые серверами, стали занимать места в старых серверных. Доступность недорогого сетевого оборудования вместе с новыми стандартами сетевых кабелей сделали возможным использование иерархического проектирования, так серверы переехали в отдельные комнаты. Термин «дата-центр», в те времена применимый к специально спроектированным серверным, начал набирать популярность и становился все более узнаваем.

Бум дата-центров приходится на период 1995—2000 годов. Компаниям было необходимо устойчивое и высокоскоростное соединение с Интернетом и бесперебойная работа оборудования, чтобы разворачивать системы и устанавливать своё присутствие в сети. Разместить оборудование, способное справиться с решением этих задач, было делом непосильным для большинства небольших компаний. Тогда и началось строительство отдельных больших помещений, способных обеспечить бизнес всем необходимым набором решений для размещения компьютерных систем и их эксплуатации. Стали развиваться новые технологии для решения вопросов масштаба и операционных требований столь крупных систем.

В наши дни проектирование и строительство дата-центров — хорошо изученная область. Сформированы стандарты, устанавливающие требования для проектирования дата-центров. К примеру специалисты Telecommunications Industry Association внесли большой вклад в формирование стандартов для дата-центров. Но все же осталось ещё много нерешенных задач в методах работы, а также строительстве дата-центров, не наносящих вреда окружающей среде.