Файл: Основы_обл_техн_лекции.pdf

ОСНОВЫ ОБЛАЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Введение

В настоящее время технологии «облачных» вычислений приобретают все большую популярность, а концепция Cloud Computing является одной из самых модных тенденций развития информационных технологий. Крупнейшие мировые ИТ вендоры (Microsoft, Amazon, Google и прочие) так или иначе внедряют сервисы «облачных» вычислений.

Сегодня под облачными вычислениями обычно понимают возможность получения необходимых вычислительных мощностей по запросу из сети, причем пользователю не важны детали реализации этого механизма и он получает из этого «облака» все необходимое. Ярким примером могут служить поисковые системы, интерфейс которых очень прост, но в то же время они предоставляют пользователям огромные вычислительные ресурсы для поиска нужной информации. Сегодня крупные вычислительные центры не только позволяют хранить и обрабатывать внутри себя определенные данные, но и дают возможности для создания собственных виртуальных дата-центров, позволяя молодым компаниям не тратить силы на создание всей инфраструктуры с нуля.

На сегодняшний день существует множество определений «облачных вычислений». Зачастую они расходятся в своем значении и акцентах. Рассмотрим некоторые из этих определений для того чтобы понять что такое «облачные» вычисления с разных точек зрения.

Облачные вычисления представляют собой динамически масштабируемый способ доступа к внешним вычислительным ресурсам в виде сервиса, предоставляемого посредством Интернета, при этом пользователю не требуется никаких особых знаний об инфраструктуре «облака» или навыков управления этой «облачной» технологией.

Cloud computing – это программно-аппаратное обеспечение, доступное пользователю через Интернет или локальную сеть в виде сервиса, позволяющего использовать удобный интерфейс для удаленного доступа к выделенным ресурсам (вычислительным ресурсам, программам и данным). Компьютер пользователя выступает при этом рядовым терминалом, подключенным к Сети. Компьютеры, осуществляющие cloud computing, называются «вычислительным облаком». При этом нагрузка между компьютерами, входящими в «вычислительное облако», распределяется автоматически.

Облачные вычисления - это новый подход, позволяющий снизить сложность ИТ-систем, благодаря применению широкого ряда эффективных технологий, управляемых самостоятельно и доступных по требованию в рамках виртуальной инфраструктуры, а также потребляемых в качестве сервисов. Переходя на частные облака, заказчики могут получить множество преимуществ, среди которых снижение затрат на ИТ, повышение качества предоставления сервиса и динамичности бизнеса».

«Облако» является новой бизнес-моделью для предоставления и получения информационных услуг. Эта модель обещает снизить оперативные и капитальные затраты. Она позволяет ИТ департаментам сосредоточиться на стратегических проектах, а не на рутинных задачах управления собственным центром обработки данных.

Облачные вычисления – это не только технологическая инновация в ИТ, но и способ создания новых бизнес-моделей, когда у небольших производителей ИТпродуктов, в том числе и в регионах, появляется возможность быстрого предложения рынку своих услуг и мало затратного способа воплощения своих бизнес-идей. Поддержка облачных вычислений в сочетании с инвестициями в молодые компании создают быстро развивающуюся экосистему инновационных производств.

1

Облачные вычисления являются рыночным ответом на систематическую специализацию и усиление роли аутсорсинга в ИТ. По сути, переход к облачным вычислениям означает аутсорсинг традиционных процессов управления ИТинфраструктурой профессиональными внешними поставщиками. Большинство современных поставщиков решений сферы облачных вычислений предоставляет возможность не только использовать существующие облачные платформы, но и создавать собственные, отвечающие технологическим и юридическим требованиям заказчиков.

«Облачные вычисления» работают следующим образом: вместо приобретения, установки и управления собственными серверами для запуска приложений, происходит аренда сервера у Microsoft, Amazon, Google или другой компании. Далее пользователь управляет своими арендованными серверами через Интернет, оплачивая при этом только фактическое их использование для обработки и хранения данных.

Вычислительные облака состоят из тысяч серверов, размещенных в датацентрах, обеспечивающих работу десятков тысяч приложений, которые одновременно используют миллионы пользователей. Непременным условием эффективного управления такой крупномасштабной инфраструктурой является максимально полная автоматизация. Кроме того, для обеспечения различным видам пользователей - облачным операторам, сервиспровайдерам, посредникам, ИТ-администраторам, пользователям приложений - защищенного доступа к вычислительным ресурсам облачная инфраструктура должна предусматривать возможность самоуправления и делегирования полномочий.

Концепция «облачных» вычислений появилась не на пустом месте, а явилась результатом эволюционного развития информационных технологий за последние несколько десятилетий и ответом на вызовы современного бизнеса. Аналитики Гартнер групп (Gartner Group) называют «Облачные» вычисления — самой перспективной стратегическая технологией будущего, прогнозируя перемещение большей части информационных технологий в «облака» в течение 5–7 лет. По их оценкам, к 2015 году объём рынка облачных вычислений достигнет 200 миллиардов долларов.

В России технологии «облачных» вычислений делают лишь первые шаги. Несмотря на существующие предложения со стороны крупнейших международных корпораций Microsoft, IBM, Intel, NEC, а также ряда отечественных ИТ-поставщиков спрос на облачные сервисы в России пока невелик. Однако, по прогнозу аналитической компании IDC, за ближайшие 5 лет рынок облачных услуг в России вырастет более чем на 500% и составит 113 миллионов долларов.

Перспективы «облачных» вычислений неизбежны, поэтому знание о этих технологиях необходимо любому специалисту, который связывает свою текущую или будущую деятельность с современными информационными технологиями.

2

Лекция 1. Тенденции развития современных инфраструктурных решений.

Развитие аппаратного обеспечения.

Для того, чтобы понять, как появились «облачные» вычисления, необходимо представлять основные моменты процесса развития вычислений и вычислительной техники.

В наше время жизнь без компьютеров не представляется возможной. Внедрение вычислительной техники проникло почти во все жизненные аспекты, как личные, так и профессиональные. Развитие компьютеров было достаточно быстрым. Началом эволюционного развития компьютеров стал 1930 год, когда двоичная арифметика была разработана и стала основой компьютерных вычислений и языков программирования. В 1939 году были изобретены электронно-вычислительные машины, выполняющие вычисление в цифровом виде. Появление вычислительных устройств приходится на 1642 год, когда было изобретено устройство, которое могло механически добавлять числа. Вычисления производились с использованием электронных ламп.

Появившаяся в 1941 году модель Z3 Конрада Цузе в немецкой Лаборатории Авиации в Берлине была одним из наиболее значительных событий в развитии компьютеров, потому что эта машина поддерживала вычисления как с плавающей точкой, так и двоичную арифметику. Это устройство рассматривают как самый первый компьютер, который был полностью работоспособным. Язык программирования считают «Turingcomplete», если он попадает в тот же самый вычислительный класс, как машина Тьюринга.

Первое поколение современных компьютеров появилось в 1943, когда были разработаны Марк I и машина Колосс. С финансовой поддержкой от IBM (International Business Machines Corporation) Марк был сконструирован и разработан в Гарвардском университете. Это был электромеханический программируемый компьютер общего назначения. Первое поколение компьютеров было построено с использованием соединенных проводов и электронных ламп (термоэлектронных ламп). Данные хранились на бумажных перфокартах. Колосс использовался во время Второй мировой войны, чтобы помочь расшифровать зашифрованные сообщения.

Чтобы выполнить его задачу расшифровки, Колосс сравнил два потока данных, прочитанных на высокой скорости с перфоленты. Колосс оценивал поток данных, считая каждое совпадение, которое был обнаружено, основываясь на программируемой Булевой функции. Для сравнения с другими данными был создан отдельный поток.

Другой компьютер общего назначения этой эры был ENIAC (Электронный Числовой Интегратор и Компьютер), который был построен в 1946. Это было первым компьютером, способным к перепрограммированию, чтобы решать полный спектр вычислительных проблем. ENIAC содержал 18 000 термоэлектронный ламп, весивший более чем 27 тонн, и потреблявший электроэнергии 25 киловатт в час. ENIAC выполнял 100 000 вычислений в секунду. Изобретение транзистора означало, что неэффективные термоэлектронные лампы могли быть заменены более мелкими и надежными компонентами. Это было следующим главным шагом в истории вычислений.

Компьютеры Transistorized отметили появление второго поколения компьютеров, которые доминировали в конце 1950-ых и в начале 1960-ых. Несмотря на использование транзисторов и печатных схем, эти компьютеры были все еще большими и дорогостоящими. В основном они использовались университетами и правительством. Интегральная схема или чип были развиты Джеком Килби. Благодаря этому достижению он получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году.

Изобретение Килби вызвало взрыв в развитии компьютеров третьего поколения. Даже при том, что первая интегральная схема была произведена в сентябре 1958, чипы не использовались в компьютерах до 1963. Историю мейнфреймов - принято отсчитывать с

3

появления в 1964 году универсальной компьютерной системы IBM System/360, на разработку которой корпорация IBM затратила 5 млрд долларов.

Мейнфрейм - это главный компьютер вычислительного центра с большим объемом внутренней и внешней памяти. Он предназначенный для задач, требующих сложные вычислительные операции. Сам термин «мейнфрейм» происходит от названия типовых процессорных стоек этой системы. В 1960-х — начале 1980-х годов System/360 была безоговорочным лидером на рынке. Её клоны выпускались во многих странах, в том числе — в СССР (серия ЕС ЭВМ). В то время такие мэйнфреймы, как IBM 360 увеличили способности хранения и обработки, интегральные схемы позволяли разрабатывать миникомпьютеры, что позволило большому количеству маленьких компаний производить вычисления. Интеграция высокого уровня диодных схем привела к развитию очень маленьких вычислительных единиц, что привело к следующему шагу развития вычислений.

В ноябре 1971 Intel выпустили первый в мире коммерческий микропроцессор, Intel 4004. Это был первый полный центральный процессор на одном чипе и стал первым коммерчески доступным микропроцессором. Это было возможно из-за развития новой технологии кремниевого управляющего электрода. Это позволило инженерам объединить намного большее число транзисторов на чипе, который выполнял бы вычисления на небольшой скорости. Это разработка способствовала появлению компьютерных платформ четвертого поколения.

Компьютеры четвертого поколения, которые развивались в это время, использовали микропроцессор, который помещает способности компьютерной обработки на единственном чипе. Комбинируя память произвольного доступа (RAM), разработанную Intel, компьютеры четвертого поколения были быстрее, чем когда-либо прежде и занимали намного меньшую площадь. Процессоры Intel 4004 были способны выполнять всего 60 000 инструкций в секунду. Микропроцессоры, которые развились из Intel 4004 разрешенные изготовителями для начала развития персональных компьютеров, маленьких достаточно дешевых, чтобы быть купленными широкой публикой. Первым коммерчески доступным персональным компьютером был MITS Altair 8800, выпущенный в конце 1974. В последствии были выпущены такие персональные компьютеры, как Apple I и II,

Commodore PET, VIC-20, Commodore 64, и, в конечном счете, оригинальный IBM-PC в 1981. Эра PC началась всерьез к середине 1980-ых. В течение этого время, IBM-PC, Commodore Amiga и Atari ST были самыми распространенными платформами PC, доступными общественности. Даже при том, что микровычислительная мощность, память и хранение данных мощности увеличились намного порядков, начиная с изобретения из Intel 4004 процессоров, технологии чипов интеграции высокого уровня (LSI) или интеграция сверхвысокого уровня (VLSI) сильно не изменились. Поэтому большинство сегодняшних компьютеров все еще попадает в категорию компьютеров четвертого поколения.

Одновременно с резким ростом производства персональных компьютеров в начале 1990-х начался кризис рынка мейнфреймов, пик которого пришёлся на 1993 год. Многие аналитики заговорили о полном вымирании мейнфреймов, о переходе от централизованной обработки информации к распределённой (с помощью персональных компьютеров, объединённых двухуровневой архитектурой «клиент-сервер»). Многие стали воспринимать мейнфреймы как вчерашний день вычислительной техники, считая Unix- и PC-серверы более современными и перспективными.

C 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам. Дело в том, что, как показала практика, централизованная обработка на основе мейнфреймов решает многие задачи построения информационных систем масштаба предприятия проще и дешевле, чем распределённая. Многие из идей, заложенных в концепции облачных вычислений также “возвращают” нас к эпохе мэйнфреймов, разумеется с поправкой на время. Еще шесть лет назад в беседе с Джоном Мэнли, одним из ведущих научных сотрудников центра

4

исследований и разработок HP в Бристоле, обсуждалась тема облачных вычислений, и Джон обратил внимание на то, что основные идеи cloud computing до боли напоминают мэйнфреймы, только на другом техническом уровне: «Все идет от мэйнфреймов. Мэйнфреймы научили нас тому, как в одной среде можно изолировать приложения, – умение, критически важное сегодня».

Современные инфраструктурные решения.

С каждым годом требования бизнеса к непрерывности предоставления сервисов возрастают, а на устаревшем оборудовании обеспечить бесперебойное функционирование практически невозможно. В связи с этим крупнейшие ИТ-вендоры производят и внедряют более функциональные и надежные аппаратные и программные решения. Рассмотрим основные тенденции развития инфраструктурных решений, которые, так или иначе, способствовали появлению концепции облачных вычислений.

Рост производительности компьютеров. Появление многопроцессорных и многоядерных вычислительных систем, развитие блейд-систем

Появление систем и сетей хранения данных

Консолидация инфраструктуры

Появление блэйд-систем

В процессе развития средств вычислительной техники всегда существовал большой класс задач, требующих высокой концентрации вычислительных средств. К ним можно отнести, например сложные ресурсоемкие вычисления (научные задачи, математическое моделирование), а так же задачи по обслуживанию большого числа пользователей (распределенные базы данных, Интернет-сервисы, хостинг).

Не так давно (порядка 5ти лет назад) производители процессоров достигли разумного ограничения наращивания мощности процессора, при котором его производительность очень высока при относительно низкой стоимости. При дальнейшем увеличении мощности процессора, необходимо было прибегать к нетрадиционным методам охлаждения процессоров, что достаточно неудобно и дорого. Оказалось, что для увеличения мощности вычислительного центра более эффективно, увеличить количество отдельных вычислительных модулей, а не их производительность. Это привело к появлению многопроцессорных, а позднее и многоядерных вычислительных систем. Появляются многопроцессорные системы, которые начитывают более 4 процессоров. На текущий момент существуют процессоры с количеством ядер 8 и более, каждое из которых эквивалентно по производительности. Увеличивается количество слотов для подключения модулей оперативной памяти, а также их емкость и скорость.

Увеличение числа вычислительных модулей в вычислительном центре требует новых подходов к размещению серверов, а также приводит к росту затрат на помещения для центров обработки данных, их электропитание, охлаждение и обслуживание.

Для решения этих проблем был создан новый тип серверов XXI века — модульные, чаще называемые Blade-серверами, или серверами-лезвиями (blade — лезвие). Преимущества Blade-серверов, первые модели которых были разработаны в 2001 г. изготовители описывают с помощью правила «1234». «По сравнению с обычными серверами при сравнимой производительности Blade-серверы занимают в два раза меньше места, потребляют в три раза меньше энергии и обходятся в четыре раза дешевле».

5