（计算机应用技术专业论文）基于大型机vm平台的linux整合技术研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着信息化程度的不断提高，越来越多的企业引进计算机系统作为企业管理 的重要工具。中大型企业中，各种各样的服务器上运行着各种不同的软件系统， 这些信息化系统为用户提供了高效率，高稳定性和高安全性的功能和服务。与之 同时，在信息化设备( 包括软硬件系统) 方面的投入也占用了企业很大一部分预 算。然而，对于主要硬件的企业级服务器而言，系统的资源帚j 用率并不高，根据 统计，在企业级的服务器中，大概只有1 5 至3 0 的系统资源利用率。在这样的背 景下，如何提高企业级服务器的系统资源利用率成为当前一个热门的研究方向。 在企业级服务器市场。大型机作为高端的服务器一直被银行政府，教育部 门和大中型企业所采用。大型机的特点是高可靠性、高可用性、高服务性，但是 它价钱昂贵，基于传统操作系统的常规利用，其系统强大的资源很难得到充分发 挥。l i n u x 操作系统是近年来迅速发展起来的一种开放源代码的操作系统，符合 p o s i x1 0 0 3 1 标准，支持多用户访问和多任务编程。可以在目前的主流硬件平台 上运行。系统是i b m 公司推出的一项虚拟化技术，能够作为中间层在大型机硬 件平台上模拟出若干独立硬件系统。 本文针对企业级计算服务器平均负载率低的阗题，介绍了利用吼系统虚拟化 技术，实现在大型机硬件平台上若干l i n u x 服务器动态分配系统资源并行运行的 解决方案。同时，分析利用了虚拟化技术创建l i n u x 服务器的基本方法，详细 介绍了如何将虚拟l i n u x 服务器配置成域控制器的方法。虚拟化技术和l i n u x 相 结合能够大幅度提高了大型机资源利用率。 关键词；大型机，负载率。l i r 嗽，虚拟化 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a i s i n gc o n t i n u o u s l ya l o n gw i t ht h ei n f o r m a t i o n - b a s e dd e g r e e ，m o r ea n dm o r e b u s i n e s se n t e r p r i s e su s ec o m p u t e rs y s t e ma st h ei m p o r t a n tt o o lo f b u s i n e s sm a n a g e m e n t i nm e d i u ma n dl a r g ee n t e r p r i s e s ，v a r i o u ss o f t w a r ea p p l i c a t i o n sr u n n i n go nv a r i o u sk i n d s o fs e r v e r sp r o v i d ef o rt h ec u s i o m e rs e r v i c e sw i t hh i g he f f i c i e n c y , h i g hs t a b i l i t ya n dt h e 1 1 i g hs a f e t y m o n e ys p e n to nt h ei n f o r m a t i o n b a s e de q u i p m e n t s ( i n c l u d es o f t w a r ea n d h a r d w a r e ) i sab i gp a r to fb u d g e t sf o rt h ee n t e r p r i s e s h o w e v e r , a st h em a i nh a r d w a r e p l a f f o r m ，t h eu s i n gr a t eo fr e s o u l o 。o ft h ee n t e r p r i s ec l a s ss e r v e r si s n th i g h a c c o r d i n g t ot h es t a t i s t i c s ，t h es e i - v e r sh a v ep r o b a b l yo n l y2 0 t o3 0 s y s t e mu s i n go fr e s o u r c e r a t e s i nt h eb a c k g r o u n d , h o wt or a i s ee n t e r p r i s ec l a s ss y s t e mu s h a gr a t eo fl e s o u l o ei s n o w b e c o m i n gap o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o n i nt h ee n t e r p r i s ec l a s ss e r v e rm a r k e t m a i n f r a n l ei sa l w a y su s e da sh i g hl e v e ls e r v e r b yb a n k s ，g o v e m m e n t s 。u n i v e r s i t i e sa n ds oo n t h ec h a r a c t e r i s t i t so fm a i n f r a m ea r e r e l i a b i l i t y , a v a i l a b i l i t ya n ds e r v i c e a b i l i t y , b u ti t sp r i c ei se x p e n s i v e m a i n f r a m e sh u g e p o w e ri sh a r dt oe x p l o i t e dt h r o u g ht h en o r m a lw a yw i t ht i l et r a d i t i o n a l0 p e r a t es y s t e m 1 1 1 el i n u xo p e r a t es y s t e mi so n ek i n do fo p e n - s o u r c eo p e r a t es v s t e mw h i c hd e v e l o p s q u i c l d yi nr e c e n ty e a r s l i n u xm a t c h e sp o s i x10 0 3 1s t a n d a r d s s u p p o r t sm u l t i p l e u s e r sa n dm u l t i p l et a s k s a n dc a nr u no nm a n yk i n d so f p o p u l a rh a r d w a r ep l a t f o r m s 1 1 地 v ms y s t e mi san e wv i r t u a it e e h n o l o g yr e l e a s e db yi b m w h i c hi sa b l et ob eu s e da s m i d d l el a y e rt os i m u l a t em a n yi n d e p e n d e n th a r d w a r es y s t e m so nm a i n f r a m ep l a t f o r m t os o l v et h ep r o b l e mo fl o wa v e r a g el o a do i le n t e r p r i s ec o m p u t i n gs y s t e m s ，a s o l u t i o nu s i n gv mv i a u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi sp r o p o s e dt od e p l o yl i n u xs e i v a s r u n n i n gp a r a l l e l l yw i t hd y n a m i ca l l o t m e n to fs 3 ，s t e mr e s o u r c e0 nm a i n f r a m e a n dt h e b a s i cm e t h o do fi m p l e m e n t a t i o no fl i n u xs e r v e ri s a n a l y z e d w h i c hu s e sv m v i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y n l ec o n f i g u r a t i o nm e t h o do f p d cw i t hv i r t u a ll i n u xs e r v e ri s d i s c u s s e d c o m b i n a t i o no fv i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dl i n u x 啪i n c r e a s et h es y s t e m n j s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i og r e a t l y 诹1 l 亡工繁失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：私海绝日期：如叩年，月谚日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：银 寥弘 日期：卅年厂月谚日 指导教师张够撒 日期：砷年，月谚日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章引言 随着信息化程度的不断提高，越来越多的企业将计算机信息化管理纳入了企 业的核心架构，他们发现自身的核心竞争力越来越依赖于各种各样的计算机硬件、 软件系统。在现实生活中。所有的关键应用都是运行在多种多样的计算机服务器 上。这些服务器系统在为企业，政府，教育医疗部门提供高效，快捷，安全的服 务的同时，也占用了用户很大一部分资金预算，在硬件采购，机房空间布置，维 护人员等方面都要投入大量的资金。与此同时，这些昂贵的服务器并没有得到充 分的利用，事实上绝大部分的服务器系统资源只有小部分得到了利用。这样一来， 研究如何大幅度提高企业级服务器系统的资源利用率成为了目前一个热门的研究 领域。 在企业级的服务器领域中，i 傩大型机一向以其高稳定性，高可靠性，高数据 处理性能和高价格著称，在全球的大型企业，教育，医疗和政府部门中有着广泛 的应用。i b m 的大型机技术一直是在高端的计算应用领域处于垄断地位，拥有性能 强大的硬件资源。虚拟化技术是一项在计算机领域热门的技术，它从前些年的概 念阶段已经慢慢进入了生产阶段。虚拟化技术的应用非常广泛，但是在操作系统 级别的企业级应用还是处于摸索阶段。l i n u x 操作系统是近些年迅速发展的开放源 代码的多用户多任务系统。在服务器市场占有率逐渐扩大。利用虚拟化技术将 l i n u x 操作系统和i 嘲的大型机硬件平台整合在一起。充分发挥硬件的强大性能和 操作系统的稳定性和灵活性，为企业级的计算应用提供了理想化的服务平台，是 提高高端企业级服务器系统资源利用率的一个很好的解决方案。 1 2 国内外研究和进展 i b m 大型机技术是一项封闭的技术。伴随着4 0 多年前i b m 的大型机的出现， 人们发现服务器的处理能力没有得虱充分的应用。为了让一台机器尽可能多地让 更多用户和应用程序有效使用。i b m 开始虚拟技术的研发，这也一直都是虚拟技术 发展的原动力。 在硬件方面，几大芯片厂商都研制或推出了其支持虚拟化技术的芯片。英特 尔宣布了其初步完成的v a n d e r p o o l 技术外部架构规范( e a s ) ，并称该技术可帮助 湖北工业大学硕士学位论文 改进未来虚拟化解决方案，将把v a n d e r p o o l 应用于安腾架构平台，同时还计划在 台式机处理器和芯片组产品中采用该技术。a 鼢在虚拟化技术方面下手更旱。 p a e i f i c a 技术规范是a 衄计划用于其6 4 位产品中的虚拟化技术，该技术将用于基 于x 8 6 架构的服务器，台式机和笔记本电脑等系列产品。从技术角度看，不论是 v a n d e r p o o l 技术外部架构规范还是p a e i f i c a 技术规范，它们强调的核心功能都是 r i s c 处理器早就实现了分区功能，即基于该技术平台实现在独立分区中高效运行 多个操作系统和应用程序，使一个计算机系统象多个“虚拟”系统一样运行。在 软件方面微软宣布了其v i r t u a ls e r v e r2 0 0 5 计划。与其他服务器虚拟化技术 一样，v i r t u a ls e r v e r2 0 0 5 允许用户对服务器进行分区，以使这些服务器能够支 持多个操作系统和应用。v a r e 公司也一直致力于虚拟化技术研究的。 l i n u x 操作系统是近些年来逐渐流行起来的一种开放源代码的操作系统。 l i n u x 在g n u 的一般公共许可证保护下开发，成为自由软件。l i n u x 是真正的多用 户，多任务的操作系统。它可以运行在多种硬件平台上，包括i n t e l 系列，p o w e r p c 系列，a l p h a 系列等等。r e d h a t 和s u s e 是目前l i n u x 的两个重要发行版本。l i n u x 的出现是对u n i x 在中低档服务器领域的支持，并且正逐步扩大其在服务器市场的 份额。 将l i n u x 结合系统引进i b m 大型机平台，这是一个i b m 公司正在努力推进 的一项工程。它将结合l i n u x 系统的灵活性和大型机平台的高性能，为高端企业 级应用提供了一种可靠的，高利用率的服务器系统。 1 3 本论文的各部分主要内容 第l 章。主要描述了本论文的研究背景和意义。 第2 章，大型机技术介绍，主要描述了大型机技术的一些特点和历史。 第3 章，虚拟化技术和、r m 、l i n u x 系统，比较详细的介绍了v m 系统在虚拟化 技术方面的作用，虚拟化技术的主要研究对象和目的。以及l i n u x 在整合服务器 领域的优势。 第4 章，在v m 系统上建立l i n u x 服务器，详细介绍了在v m 系统上建立l i n u x 服务器的基本方法和原理，同时给出了在此过程中所用到的技术和工具。 第5 章，创建配置域控制，详细介绍了将运行于i b m 大型机平台之上的l i n u x 服务器配置成域控制器的基本方法和原理。 第6 章，总结与展望，对应用过程中的相关技术进行总结，并做出展望。 2 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章大型机技术介绍 这篇论文是讨论大型机平台和l i n u x 操作系统相结合技术的，首先向大家介 绍一下大型机的相关背景知识。大型机技术在计算机发展史上有着举足轻重的地 位，我们提到人类计算机技术的发展史不能不提及大型机技术；提到大型机技术 又不能不提到i b m 公司( 国际商用机器公司) 所拥有的大型机技术和产品。原因 在于大型机技术从i 蹦公司产生的，同时也是吕兹唯一一家提供大型枫产品的公 司。 2 1 大型机技术的简介和历史 2 1 1 大型机技术的简介 大型机( m a i n f r a m e ) 这个词，最初是指装在非常大的带框铁盒子里的大型计 算机系统用来同小一些的迷你机和微型机有所区别。虽然这个词已经通过不同 方式被使用了很多年，大多数时候它却是指s y s t e m 3 6 0 开始的一系列的i b m 计算 机。这个词也可以用来指由其他厂商，如a m d a h l ，h i t a c h id a t as y s t e m s ( h d s ) 制 造的兼容的系统( 目前已经基本退出市场) 。有些人用这个词来指i 烈的a s 4 0 0 或者i s e r i e s 系统，这种用法是不恰当的；因为即使i b m 自己也只把这些系列的 机器看作中等型号的服务器，而不是大型机。 2 1 ，2 大型机技术的发展历史 1 9 4 8 年，i b m 开发制造了基于电子管的计算机s s e c 。1 9 5 2 年i b m 公司生产的 第一台用于科学计算的大型机1 8 m 7 0 1 问世，1 9 5 3 年又推出了第一台用于数据处理 韵大型机i b m t 0 2 和小型杌i b 6 5 0 。i b m 7 0 1 字长3 6 位，使用了4 0 0 0 个电子管和 1 2 0 0 0 个锗晶体二极管，运算速度为每秒2 0 0 0 0 次。采用静电存储管作主存，容量 为2 0 4 8 个字，并使用磁鼓作为辅存。此外，1 8 m 7 0 1 还配备了齐全的外设，如卡片 输入输出机和打印机等。这样，为第一代商用计算机描绘出一个生动的形象。 在此之后，i b m 于1 9 5 6 年继续推出7 0 1 与7 0 2 的后继产品7 0 4 和7 0 5 。1 9 5 6 年推出了第一台随机存储系统r a m a c 3 0 5 ，p a m a c 是“计算与控制随机访问方法” 的缩写。它是现代磁盘系统的先驱由5 0 个磁盘组成，存储容量为5 mb ，随机 存取文件的时间小于1 秒。 湖北工业大学硕士学位论文 1 9 5 8 年，i b m 推出了大型科学计算机7 0 9 0 ，并实现了晶体化。它采用存取周 期为2 。1 8 微秒的磁芯存储器、每台容量为i i y l 6 的磁鼓和每台容量为2 8 t c b 的固定 磁盘，并配置了f o r t r a n 等高级语言。1 9 6 0 年将7 0 0 0 系列全部晶体化，并制造了 7 0 9 4 一l 大型科学计算机和7 0 4 0 、7 0 4 4 大型数据处理机。7 0 9 4 1 的主频比7 0 9 0 高，又增加了双精度运算指令和变址寄存器个数，并采用了交叉存取技术。1 9 6 1 年，i 阴完成了第一台流水线计算机s t r e t c h ( i b m t 0 3 0 ) ，这台计算机的c p u 既有 执行定点操作和字符处理的串行运算器，又有执行快速浮点运算的并行运算器， 采用最多可重叠执行6 条指令的控制方式。为了提高速度，使用n p n 和p n p 高速 漂移晶体管作电流开关元件，电路延迟时间为1 0 纳秒，主存为存储容量为1 6 0 0 0 字的磁芯存储器，采用多体交叉存取。为了提高可靠性，首先采用了海明纠错码。 此外，还采用了多道程序技术，并且能使c p u 与输入输出设备并行工作。作为第 一台流水线计算机，它成为超级计算机的雏形。 1 9 6 4 年4 月7 日，i b m 公布了3 6 0 系统，成为计算机发展史上的一个重要里 程碑。s y s t e m 3 6 0 是5 种不同型号计算机的统称，它克服了第二代计算机的品种 重复、性能单调、程序不兼容和用户负担重等缺点 3 6 0 系统的主要贡献是：从应用角度来看，克服了第二代计算机性能单调的弱 点，集科学计算、数据处理和实时控制功能于一身，确立了通用性。命名3 6 0 的 意思是指一个圆的3 6 0 度角，表示全方位的应用服务，表达了这一计算机家族的 普遍适用性。从生产角度来看，实现了系歹q 化。3 6 0 系统的主要型号有；2 0 型、 2 5 型和3 0 型小型机；4 4 型和5 0 型中型机；6 5 型、7 5 型、8 5 型大型机；以及9 1 型和1 0 5 型超级计算机。型号虽多，但采用了标准化措施：统一指令格式( 有1 6 位、3 2 位、4 8 位3 种字长，5 种格式) 、统一数据格式( 有1 6 位、3 2 位、6 4 位3 种标准形式和可变字长形式) 、统一字符编码、统一i o 接口、统一中断系统以及 统一人机对话方式等。由于确立了兼容性，使同一程序在不同型号的机器语占级 上兼容，促进了计算机工业能力的规范和发展。3 6 0 系统在处理机设计中采用了微 程序技术为系列机功能的扩充刨造了条件。为了使i o 搡作迸一步独立于c p u ， 采用了通道技术。在可靠性、可用性和可维护性方面，对指令与数据进行奇偶校 验，对存储进行4 位编码的存储键保护。对于高档机型还采用了高速缓存、流水 控制、超常精度运算及冗余技术。从使用角度来看，3 6 0 系统配有操作系统、汇编 语言和f o r t r a n 、c o b o l 等高级语言，使用十分方便。更重要的是3 6 0 在建立计算 机系统的继承性上起了开创性的作用。所谓系统的继承性是指它有长远的开发价 值，有逐步扩充的余地。有不断提高性能的灵活性。它能使计算机系统适应用户 新的需求，使已有的软件资源能继续得到有效的利用，使新系列的开发周期越来 4 湖北工业大学硕士学位论文 越短。尽管s y s t e m 3 6 0 体系结构沿用了6 年之久，在该体系结构发柿后6 个月， i b m 就开始筹划开发基于单晶硅电路技术的新型计算机体系结构。这也就是后来的 s y s t e m 3 7 0 。 从8 0 年代下半叶开始，为适应i t 行业迅猛发展的势头，大型机系统体系结 构的更新步伐明显加快。1 9 8 6 年1 0 月。i b m 发布9 3 7 0 系列产品，这标志着 s y s t e m 3 7 0 向低端方向的延伸，目标是服务于中小型企业。 1 9 8 8 年，i b m 对8 3 7 0 的体系结构作了进一步的改进，发布了e s a ( e n t e r p r i s e s y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 3 7 0 。e s a 3 7 0 增加了访问寄存器，改进了虚存的性能。 通过这项技术，应用可以访问称之为数据空问另一个虚存空间。因此，e s a 3 7 0 允许应用访问多个2 g 的数据空间。基于该体系结构的产品系列使得多用户可以更 方便地共享系统资源。 1 9 9 0 年9 月，i b m 开发了e s a 3 9 0 以及e s 9 0 0 0 。s 3 9 0 系列计算机系统，其 性能价格比远高于s 3 7 0 系统。e s a 3 9 0 和e s 9 0 0 0 的1 8 种型号不仅与以往的 s 3 6 0 、s 3 7 0 系列机的所有应用程序可以兼容，而且还增加了新的功能。同s 3 7 0 系列一样，s 3 9 0 系列也是多用户计算机系统，也就是说一台计算机可以供多个( 两 个之上千个之内) 用户同时使用。同时，在e s a 3 9 0 中又加入了许多新的技术。 如e s c o n 等。其中e s c o n 和p a r a l l e ls y s p l e x 是该体系结构在原有体系结构基础 上的两项重大技术革新，它们直接而有力地增强了系统的内部通讯能力及可扩展 能力。并且，在系统性能得到显著改善的同时，保持了对s y s t e m 3 6 0 的向上兼容 性。 在扩展e s 9 0 0 0 产品系列的基础之上，i b m 于1 9 9 4 年发布了s y s t e m 3 9 0 ( 简 称s 3 9 0 ) 体系结构。s 3 9 0 引入了很多当时的先进技术，其中有两点比较突出： 其一是c o w s 技术的应用，在大大降低企业计算运营及维护成本的同时大幅度提高 了性能；其二是面向企业需求的计算机系统配置，这一设计理念从用户的角度出 发，使其应用于企业计算的投资能够发挥最高效率。 1 9 9 8 年i b m 引入了s y s t e m 3 9 0 第5 代服务器。t u r b o 型号突破了1 ，0 0 0 个 m i p s 的障碍，使它成为世界上最强大的主机之一。1 9 9 9 年i b m 引入s y s t e m 3 9 0 第 6 代服务器。它是第一个使用i b m 创新的铜芯片技术的企业服务器。2 0 0 0 年i b m 公布i b me s e r v e rz 系列9 0 0 ，它是从头构建的第一个以电子商务作为其主要功能 的i 酬主机。z 系列主机构建用于处理不可预测的电子商务需求，使得数千个服务 器能够在同一个机箱中运作。i 叫还向z 0 s 引入了新的6 4 位操作系统。2 0 0 3 年， i b m 公布了e s e r v e rz 系列9 9 0 ，它是世界上最复杂的服务器、e s e r v e r 系列的新 旗舰产品。它为动态地平衡关键应用提供了均衡的、高度安全的平台，并且是投 湖北工业大学硕士学位论文 入了4 年时日j 和超过1 0 亿美元所得到的成果。运行z o s l 4 的z 9 9 0 上的每秒s s l 交易量增加到i i ，0 0 0 。 2 大型机技术的主要优势 2 2 1 l 锚大型杌的技术特点 m a i n f r a m e 的三大特点是r a s ( r e l i a b i l i t y ，a v a i l a b i l i t y ，s e r v i c e a b i l i t y 高可靠性，高可用性、高服务性) 是一个i b m 常用来描绘它的大型机的词。到7 0 年代早期为止，i b m 已经认识到商业用途系统市场远比科研计算机系统市场有利可 图。他们也知道i b m 商用系统的一个重要的卖点就是高可靠性。如果他们的商业 客户准备采用i 叫计算机来开展极其重要的商业业务，客户就得确认他们可以在 任何时间都可以正常使用( i b m 的机器) 。所以，最近3 0 多年来，i 嘲致力于使每 一个新系列的系统比前一代更加可靠。这就导致了今天的系统变得如此可靠，以 至于几乎没听说过有任何因为硬件问题导致的系统灾难。这些大型机系统内集成 了相当高程度的冗余和错误检查( 技术) ，这样就能防止系统发生灾难性的问题。 每个c p u 装有2 个完全的执行管道( e x e c u t i o np i p e l i n e s ) 来同时执行每一条指 令。如果这两条管道得出的结果不相同，c p u 的状态就会复原，然后这条指令被重 新执行。如果重新执行后结果还是不一致，最初的c p u 状态就被记录下来，然后 一个空闲的c p u 被激活并装入存储的状态数据。这颞c p u 继续傲最初那颗c p u 的 工作。记忆芯片、内存总线、i o 通道、电源等等，都要么有冗余的设计，或者有 相应的备用品并可以随时投入使用。这些( 设备的) 小错误可能会导致性能的一 些小损失，但它们决不会导致系统中任何任务的失败。 当很罕见地出现错误的时候，高服务性就用得上了。许多组件都可以在系统 运行的同时被更换( 热插拔) ；甚至微码( m i c r o c o d e ) 的升级也可以在系统运行 的同时进行。对于那些不能被同时更换的部件，如c p u ，备用品的存在就保证了能 够在客户方便的时候安排系统停机。 除了系统设计中的固有可靠性，i b m 也创立了一个紧密联结的集群技术，叫做 p a r a l l e ls y s p l e x ，这项技术支持由晟多3 2 个系统作为一个系统镜像运行。在一 个合理部署的p a r a l l e ls y s p l e x 系统上。即使一个独立系统遭受了毁灭性损失， 整个系统也不会受太大影响，而且不会导致任何工作的损失。任何在那台遭受损 失的系统上进行的工作，都可以自动地在剩下的系统上重新开始。另一个p a r a l l e l s y s p l e x 的优势是一台( 或多台) 系统可以从整个系统中移出以进行硬件或软件的 维护工作( 例如在非工作时间) ，而其余的单独系统可以继续处理工作。当维护工 6 湖北工业大学硕士学位论文 作完成后，系统又回归加入s y s p l e x 系统中继续工作。充分利用这一特点就可以 升级整个s y s p l e x 系统软件( 一次一个单独的系统) ，而不会导致任何应用程序的 暂停使用。正因为拥有所有这些功能，真正1 0 0 的系统可用性是非常实用的，并 且已经在许多地方开始实施。 这些年虽然i b m 大型机的整体指令集有了显著改进，i b m 保持了对应用程序的 向后兼容。许多最为显著的构架上的变化已经影响了一些只能直接被操作系统调 用，而不能被应用程序调用的设备( 如i 0 子系统) 。i b m 已经花费了很大的努力 来保证它的客户们不必重写或重编译他们的程序来在新系统上运行。这样，客户 要采用新韵硬件就更为容易，客户只需要拔下旧系统，换上新系统，而不需要做 额外的软件测试工作。对于只有拥有一台大型机的公司来说，只需要花几个小时 就可以对旧系统进行升级，而不需要在投入正式使用前对新系统进行测试。这特 别适合那些在升级前后使用同一种操作系统的客户。他们只需要将操作系统升级 到所需要的版本就行了。例如，客户可以在新安装的z 9 0 0 系统上仍然运行3 1 位 的操作系统，然后在一个单独的l p a r 上安装并测试一个6 4 位的操作系统，然后 再把全部运行的业务转移到6 4 位的操作系统上。下面简单的总结一下i b m 大型机 s 3 9 0 的特点： ( 1 ) 加密结构：在s 3 9 0 中，计算机通过集成密码特征来实现对计算机中的 信息进行加密或解密，以防止信息被非法访问； ( 2 ) 子系统存储保护：防止诸如c i c s 等子系统对存储器的干扰，这个功能由 操作系统和子系统共同提供； ( 3 ) 数据压缩：是指s 3 9 0 在硬件级上提供数据压缩，其速度是软件压缩的5 倍以上； ( 4 ) 向上兼容：s 3 9 0 则提供了一个统一的硬件平台，在不同机型上支持相同 的系统软件，并保证和原有s 3 7 0 的三个系列正向兼容。也就是说s 3 9 0 做到不 同机型间的向上兼容，和原来s 3 7 0 的正向兼容： ( 5 ) 向量处理：过去i b m 的大中型机没有专门的向量处理指令，但有健全的 浮点和整数运算，因此用软件的办法解决向量运算。为了在大中型通用机系统上 有效解决向量运算，i b m 采用了两种方法：一是在通道上加接数组处理器( a p ) ，和 c p u 组成松散的协同关系。对处理f f u r 等问题十分方便； ( 6 ) 保护企业内部信息资源，保证信息在传送和存放中不受破坏或被外界盗用 是十分重要的。在企业内部由大型机，中小型机以及各基层部门使用的工作站等 连成一个庞大的体系中安全保护就更为重要。当然，仅仅提高机器本身的可靠 性还不够，还需在s 3 9 0 中采取抗干扰，抗病毒侵入的硬件安全装置： 7 湖北工业大学硕士学位论文 ( 7 ) s 3 9 0 可以运行多种数据库系统，其中之一就是d b 2 。由于采用了某些硬 件措旄，比如硬件实现排序和查询，d b 2 性能可以提高3 0 。 2 2 2i 阴大型机的体系结构 i 阴大型机是为了解决科学计算中对高速度的需求和商业应用中对高稳定性 的需求，而开发的其最先的随着s 3 9 0 和主机系统不断推出新的产品，硬件架构 方面也在不断发展，比如i f l 的出现。 多芯片模块( m c m ，m u l t i c h i pm o d u l e ) 是s 3 9 0 和z 系列主机系统的处理单 元p u ，s 3 9 0 和z 系列主机系统硬件的核心，以i b m 最新推出的z 9 9 0 系列主机系 统为例，它最多可以有3 2 个处理单元( p u ，p r o c e s s i n gu n i t ) 。在其它平台通常 称之为中央处理器c p u 或引擎。z 系列主机中每个处理单元p u 实际上都包括两个 内部指令处理器。指令同时被两个内部处理器并行处理，其结果进行比较，如果 不一致，指令将被再次处理。这一过程完全是在处理单元p u 中自动完成，对于操 作系统是透明的。通常在谈到主机系统处理单元p u 时，会忽略它包括两个并行的 处理器的事实，仅把它看成是一个处理器。有以下五种类型： ( 1 ) 中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s o r ，c p ) p u ：被操作系统用来执行客户任务。 ( 2 ) 系统辅助处理器( s a p ，s y s t e ma s s i s tp r o c e s s o r ) p u ：执行通道子系统已 获得许可的内码来控制输入输出操作。其中有一个s a p 作为主控s a p ，完成婀m 和 系统控制台s e 之闻的通讯。在逻辑分区模式下，所有逻辑分区的输入输出操作都 由s a p 完成。以z 9 0 0 主机为例，包含1 2 个处理单元p u 的m c m 上有两个s a p ，包 含2 0 个处理单元的m c m 上有3 个s a p 。 ( 3 ) 空闲p u ：当前未投入使用的处理器，必要时将接替故障处理器。根据情况它 可以投入与系统升级相关的用途。 ( 4 ) i f l ( i n t e g r a t e df a c i l i t y f o rl i n u x ) p u ：限于运行l i n u x 操作系统或z ， 而不能运行其它操作系统。该处理单元并不计入系统型号中的处理器个数，也不 反映到m i p s 参数或其它受软件资源开销影响的性能指标中。在i p l 上运行的l i n u x 操作系统完全不会影响其它软件的资源开销。i f l 必须指定给运行z 或l i n u x 操作系统的逻辑分区；多个运行z v m 或l i n u x 操作系统的逻辑分区可以共享i f l ( 如下图中c ) ；一个逻辑分区可以占用多个i f l ( 如下图中b ) ，但不能在用到i f l 的同时占用其它处理器( 如下图中a ) 。 3 湖北工业大学硕士学位论文 图2 1i f l 逻辑分配图 ( 5 ) i c f ( i n t e g r a t e dc o u p l i n gf a c i l i t y ) p u ：用来实现p a r a l l e ls y s p l e x 环 境中耦合部件( c f ，c o u p l i n gf a c i l i t y ) 的功能。它只能运行已获得许可的c f 内码，不能正常运行其它操作系统。同i f l 类似，该处理单元并不计入系统型号 中的处理器个数，也不反映到m i p s 参数或其它受软件资源开销影响的性能指标中。 但是如果i f l 和i c f 处理单元都要逻辑分区模式下运行，如果不需要使用i f l 或 i c f ，z 8 0 0 系统可以在基本模式下运行。但要注意新的z o s 操作系统要求在逻辑 分区模式下运行。 下图是一台z 9 0 0i c 6 型号主机，从这台主机的型号可以断定有它6 个中央处 理器c p o 至c p 5 。如图2 2 所示，同时在眦m 中还有3 个i f l 处理单元i f l o 、i f l i 和i f l 2 ，这些处理单元的存在并不改变主机的型号。3 个运行z o s 操作系统的逻 辑分区共享6 个c p ，而运行z v mv 4 操作系统的逻辑分区占用3 个i f l 处理单元， 在z 1 m 上运行着两个l i n u x 操作系统，分别用于生产和开发。 图2 2 处理单元逻辑结构图 2 2 3i 明大型机的作业管理 主机的作业是由一个叫j e s ( j o be n t r ys u b s y s t e m ) 的软件来管理，j e s 中有些定 义好的执行空间叫i n i t i a t o r 。每个i n i t i a t o r 都会有一个或多个j o b c l a s s 。作 业进入子系统接受要处理的作业并处理作业的输出。作业进入子系统共有两个， 9 湖北工业大学硕士学位论文 j e s 2 和j e s 3 。他们分别是假脱机系统h a s p 和a s p 的后代。j e s 2 和j e s 3 基本提供 相同的功能，通常使用j e s 2 。 j e s 工作过程如下：作业通过读卡机、分时终端或网络进入系统，或者由程序 生成后传递给系统。所有的作业都要经过扫描检验其正确性，然后排入适当的队 列。j e s 提供一种手段，使系统以优先权分级结构为基础，通过有序的方式调度工 作。转换程序将作业控制语言语句j c l 转换成系统能读的内部形式，同时也进行 一些其它的校验。如发现错误，则将该作业从系统中清除，并向用户发出相应的 信息。 下一步，作业又一次根据分级与优先权送至系统执行。这时j e s 放弃对作业 的控制权，直到有打印输出被j e s 截获时，j e s 把它交付给假脱机磁盘。作业终止 使系统通知j e s ，作业进入下一个j e s 操作输出步骤，输出经过打印或穿孔后作业 从系统中撤销，该作业用过的假脱机空间便可重新利用。 j e s 对优先权进行动态调整，作业等待运行的时间越长，系统将它的优先权提 升的越高。 2 2 4i 明大型机的逻辑分区模式 所有的i b m 大型机s 3 9 0 系列计算机都可以以l p a r 方式运行。在此方式下， 系统虽然在物理上是在一个机柜中，但是在逻辑上，它最多可以划分为1 5 个部分。 这种逻辑上的划分是由被称为处理器资源系统管理器( p r s m ) 的微码来完成的。 p r s m 可以让系统程序员将一个硬件系统从逻辑上划分成若干个系统( 并不是虚机 器) ，每一个系统都有其自己的通道、处理器( 或时间片) 和中央存储器。这样划 分后，每一部分都是一个完全独立的系统，每个分区可以运行不同的操作系统。 在这种方式下，系统程序员可以在任何时间将c p u 和中央存储器作重新配置甚 至一个c p u 可以由多个独立划分的逻辑分区来共享。但是，单个并行通道却不能 被多个独立划分的逻辑分区来共享。然而，同一个i 0 设备却可以由多个独立划 分的分区共享，只需为每一个逻辑分区确定一个通道，将这些通道都连接到一个 相同的i 0 设备上即可。这样，用户可以在一台$ 3 9 0 机器的某个逻辑分区运行 其生产系统的同时，另外的逻辑分区却可以同时执行应用开发或程序测试等工作。 2 2 5l 阴大型机存储结构 在计算机系统中，c p o 的主要功能是处理数据，而计算机系统中的其它部件( 例 如存储器) 则为c p u 提供数据。如果存储器的访问速度更不上c p u 的处理速度， 那么整个系统的运行速度就大受限制了。为了最大程度地提高整个计算机系统的 i o 湖北工业大学硕士学位论文 运行效率，同时又考虑到成本的因素，大多数计算机系统( 包括s 3 9 0 系统) 都 采用了由多晕中不同性能和不同价格的存储介质组合在一起，形成一个虚拟存储体 系。以s 3 9 0 为例： 图2 3s 3 9 0 的虚拟存储体系结构 如图2 3 所示，在s 3 9 0 中，整个虚拟存储体系由8 层组成： ( 1 ) 寄存器：是速度最快的存储介质，但数量较少。用于存放当前正在执行的 指令和正在使用的各类数据。它位于c p u 内部。其中通用寄存器为3 2 位，浮点寄 存器则为6 4 位。 ( 2 ) 高速缓冲器：位于c p u 内部，由高速半导体存储线路组成。其中存放的是下 一批待执行的指令。 ( 3 ) 二级高速缓冲器：不在c p u 内部。主要功能是自动地从它的下一层存储器( 即 主存) 获取信息并传送到上一层的缓存中。其目的是更快地将信息从主存提出送 到缓存。 ( 4 ) 主存：是整个存储系统的主角。位于c p u 外部。所有经过c p u 和i o 通道的 信息都必须存放于此。其容量远远大于以上各层存储器，但访问速度仍然很快。 ( 5 ) 扩展存储器：其目的是降低整个存储系统的成本的同时又不降低太多的性 能。它由超大规模的半导体存储线路矩阵组成，作为主存的补充。在c p u 的有些 型号中，扩展存储器实际上是主存的一部分。然而，在一些较大的c p u 系统中， 就必须要求一个与主存分开的扩展存储器了。哪些仍然还要使用的但不是马上要 用的信息都会自动地存入扩展存储器中。一旦这些信息又要被使用时，它们将立 即被送回到主存，以备c p u 随时使用。 ( 6 ) 直接访问存储设备( d a s d ) ：即磁盘存储器。在s 3 9 0 中，磁盘存储器一般 可以分为两类，一类是带有高速缓存的。另一类则不带高速缓存。磁盘存储器同 i o 设备一样，也是通过s 3 9 0 的i o 通道或系统总线与系统相连的。由于它利用 湖北工业大学硕士学位论文 磁介质存储信息，即使在关掉电源后信息也不会丢失，因此也称为永久性存储器。 ( 7 ) 光盘存储器：它是利用光技术获得极高的记录密度。它是一种比磁盘速度低 的随机存储器。可以长期保存信息。 ( 8 ) 磁带存储器：磁带存储器往往是作为磁盘存储器的备份。是一种低成本高速 度的存储媒体，对于存储一些档案文件非常适合。 3 大型机技术的发展方向 在企业级服务器领域，经历了集中式到分布式的转变之后。一种新的运算模 式再集中模式开始在国际上流行起来，这是因为以前的分布系统在不断扩充的 过程中，系统越来越庞大，数据分散难以管理和发挥效益，再集中就是用大型机 在许多分布式服务器上搭建大型机，对服务器进行数据的集中管理，使企业的信 息系统管理变得简便起来，提高了系统的效率，并降低了管理费用。再集中需求 的出现表明集中计算模式与分布计算在发展中开始出现分层，在应用的金字塔中， 大型机的地位越来越受到重视。 近年来，随着开放源代码软件的发展，开放源代码的操作系统m n