Введение в облачные и распределенные информационные системы

Тимур Машнин

Облачные и распределенные вычислительные системы – это быстро развивающаяся IT-область хранения и обработки данных.Современные облачные и распределенные вычислительные системы строятся на основе общих концепций и алгоритмов, таких как облако, MapReduce, NoSQL базы данных, распределенные алгоритмы, масштабируемость и многое другое.Познакомьтесь с этими фундаментальными понятиями облачных и распределенных информационных систем и узнайте, как эти системы работают изнутри.

© Тимур Машнин, 2020

ISBN 978-5-0053-0311-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение

Облачные и распределенные вычислительные системы — это быстро развивающаяся IT-область хранения и обработки данных.

И здесь мы попробуем сделать введение в эту большую тему облачных технологий и систем распределенных вычислений.

Сначала мы рассмотрим общие понятия, которые пригодятся при изучении этой темы.

Давайте обсудим две разные структуры данных.

Первая структура данных — это очередь.

Очередь, это структура данных, где первый зашел, первый вышел.

Когда вы удаляете элемент из очереди вы удаляете его из головы очереди.

Когда вы вставляете новый элемент, вы вставляете его в хвост очереди.

Другая структура данных, это стек, который является структурой данных, где первый зашел, последний вышел.

Представьте себе стопку тарелок на столе.

Тарелка, которую вы ставите сверху, вы добавляете последней, и она будет первой, которую вы можете удалить.

Эти две структуры данных, очередь и стек, используются очень широко в информатике, и мы будем использовать понятие стека, когда мы будем обсуждать процессы.

Говоря о процессах, давайте обсудим следующий процесс.

Процесс по существу, это программа в действии.

Этот примерный код состоит из основной функции, которая вызывает функцию f1.

А затем f1 вызывает другую функцию f2.

Это код вы должны скомпилировать и затем выполнить его.

И когда вы его выполняете, когда ваша программа находится в действии, это процесс.

После того, как вы напишете код, он не меняется, и мы не рассматриваем значения переменных как часть кода.

Сам код статичен.

Но существует программный счетчик, который обычно создается компьютером, на котором вы запускаете процесс, который указывает на номер строки кода, где выполняется программа в настоящее время, или скорее, где, процесс в настоящее время выполняется.

Далее, когда функции вызывают друг друга, или в объектно-ориентированной программе методы вызывают друг друга, они используют стек, который содержит аргументы и возвращаемые функциями значения.

Поэтому каждый процесс содержит стек.

Более конкретно, процесс может содержать несколько потоков.

И каждый поток будет содержать собственный стек.

В этом процессе есть только один поток.

Поэтому процесс содержит один стек, и этот стек используется этими функциями или методами, чтобы передать аргументы и вернуть значения.

Так, например, когда main вызывает f1, main внесет аргументы для f1, поверх стека.

И когда f1 начнет выполнение, она вытолкнет или удалит элементы из верхней части стека и будет использовать их для выполнения.

Точно так же, когда f1 вызовет f2, f1 разместит аргументы на вершине стека для f2, а затем f2 вытолкнет их из стека, выполнится, а затем поместит значения результата поверх стека.

f1 затем вытолкнет результат из стека.

И, наконец, когда f1 нужно вернуть значение, она внесет его в верхнюю часть стека.

И когда выполнение вернется к main, она удалит значение из верхней части стека.

Таким образом, стек является важной частью состояния процесса, потому что он сообщает вам, в каком месте исполнения программы вы находитесь, в отношении функций, вызывающих друг друга.

И наконец, функции могут иметь локальные переменные, такие как x.

Там могут быть и глобальные переменные, и, конечно, в объектно-ориентированных программах, у вас есть объекты, которые хранят много полей.

Эти данные хранятся в том, что называется кучей.

Куча — это, по существу, данные, которые были созданы методами, или объектами.

И эти данные также появляются в куче и удаляются из нее в процессе выполнения программы.

Также есть регистры, которые содержат недавние значения, к которым был получен доступ процессом.

Давайте посмотрим упрощенную версию компьютерной архитектуры.

Здесь есть процессор, который выполняет инструкции, которые присутствуют в вашем коде.

Также есть регистры, которые расположены вместе с процессором.

Это небольшие части памяти, к которым CPU можно быстро получить доступ.

И как правило, существует только небольшое количество регистров, не более нескольких десятков регистров.

Также есть кеш, который является немного большей памятью, чем набор регистров.

И чем больше память, тем медленнее доступ к ней.

Таким образом, доступ к кешу медленнее доступу к регистрам.

Но доступ к кешу все еще довольно быстрый.

Помимо кэша также есть основная память, или Random Access Memory, или RAM, которая еще больше, чем кеш, а, следовательно, медленнее, чем кеш.

И, наконец, есть жесткий диск, у которого намного больше памяти, чем у основной памяти, и доступ к ней еще медленнее.

Таким образом, по мере того, как вы поднимаетесь от диска, к основной памяти, кешу, регистрам, увеличивается скорость и уменьшается память.

И когда вы пишете программу и компилируете ее, она компилируется в машинные инструкции низкого уровня.

Эти машинные инструкции могут быть специфическими для архитектуры машины, на которой вы работаете, или они могут быть кодом для виртуальной машины, как, например, виртуальной машины JVM.

В любом случае, эти низкоуровневые машинные инструкции являются исполняемой версией вашей программы, и они сохраняются в файловой системе на вашем диске.

Когда ваша программа начинает выполняться, когда она становится процессом, тогда CPU загружает инструкции их в основную память, а затем в кеш и в регистры.

И как правило, кэш и регистры содержат последние несколько обработанных инструкций.

Теперь, выполняя каждую команду, процессор, выполняющий этот процесс, загружает данные, необходимые для инструкции, в память, а затем, если необходимо, в кэш и регистры.

И если есть какие-то изменения, которые происходят с такой переменной, как x, тогда они сохраняются сначала в кеш, а затем в основную память.

Это конечно очень упрощенная картина.

Компьютерные архитектуры могут быть гораздо более сложными, чем эта.

Но чтобы понять, как работают процессы этого достаточно.

Теперь давайте обсудим несколько отвлеченных тем, относящихся к веб приложениям.

Давайте обсудим, что такое DNS.

DNS — это система доменных имен.

Это набор серверов, которые расположены по всему миру, и, DNS очень важен для работы в Интернете.

Как правило, вход в DNS-систему — это URL-адрес.

URL-адрес — это имя, это читаемая пользователем строка, которая уникально идентифицирует объект.

И обычно, когда вы открываете свой браузер, вы вводите URL-адрес, и ваш браузер связывается с DNS-системой и, дает DNS-системе имя этого URL-адреса.

Что возвращает DNS в ваш браузер?

Он возвращает IP-адрес веб-сервера, на котором размещается этот контент, так что ваш браузер может затем может отправить запрос на этот IP-адрес и получить фактическое содержимое этой веб-страницы.

Таким образом, IP-адрес является идентификатором, это уникальная строка, указывающая на конкретный объект.

Таким образом, по сути, DNS — это система, которая переводит читаемый URL-адрес в уникальный идентификатор, IP-адрес.

IP-адрес может ссылаться либо на фактический веб-сервер, который хранит контент, либо, может быть, на сервер передачи данных, такой как сетевой сервер распространения контента.

Теперь, после обсуждения этих понятий, мы начнем введение в облачные вычисления и рассмотрим, чем отличаются облачные вычисления от предыдущего поколения распределенных систем.

В настоящее время имеется большой интерес к облачным вычислениям.

Но вопрос в том, что такое облачные вычисления?

Есть много облачных провайдеров, о многих из которых вы, возможно, слышали.

Наиболее популярными облачными провайдерами являются Amazon Web Services, Microsoft Azure, и Google Compute Engine, и есть целая группа других компаний.

Например, Amazon предлагает различные услуги, и три из их самых популярных услуг называются EC2, S3 и EBS.

EC2 представляет собой вычислительное облако, которое обеспечивает вычислительные службы.

S3 — это простая служба хранения, которая предоставляет вам возможность хранения данных, чтобы вы могли получить к ней доступ из любой точки мира.

И EBS — это хранение блоков, к которым экземпляры EC2 могут получить доступ во время работы.

Теперь, существует две категории облаков — это публичное облако и приватное облако.

Приватное облако доступно только для привилегированных пользователей или персонала.

Например, если вы работаете в компании X, а компания X имеет центр обработки данных или облако, доступное только для сотрудников компании, это приватное облако.

С другой стороны, общедоступное облако — это облако, к которому может получить доступ любой человек в любой точке мира.

Таким образом, среди публичных облаков, есть такие популярные, как Amazon AWS, Google Compute Engine и Microsoft Azure.

Amazon S3 — это простая служба хранения, которая позволяет хранить произвольные наборы данных, и вы платите за гигабайты в месяц, которые вы храните.

EC2 — это вычислительное облако, которое позволяет загружать и запускать произвольные образы ОС.

По сути, это виртуальные машины, и вы платите за процессорные часы, которые вы используете.

Google AppEngine или Compute Engine предлагает возможность для разработки приложений с последующей загрузкой их в облако.

Например, вы можете использовать Google облако для размещения ваших собственных веб-сервисов.

И Microsoft Azure предлагает аналогичные Google продукты.

Таким образом, облачные вычисления привлекательны для клиентов, потому что они позволяют им экономить как время, так и деньги.

Потому что для развертывания своего собственного сервера нужно его сначала приобрести, затем подключить, установить программное обеспечение, и все это занимает несколько недель.

Облако позволяет все это сделать за несколько минут.

И в результате неудивительно, что сотни стартапов в Силиконовой долине используют облачных провайдеров.

Итак, что такое облако?

Когда вы спросите разных людей в компаниях или в академических кругах, что такое облако, они дадут вам очень разные ответы.

Некоторые скажут: «это просто кластер, куча серверов, соединенных сетью».

Другие могут сказать «это суперкомпьютер. У него больше мощности чем у простого кластера, который вы можете запустить в вашей лаборатории».

Другие могут сказать: «облако хранит много данных, поэтому оно отличается от суперкомпьютера, потому что оно скорее хранит данные, чем занимается вычислениями».

И нет единого определения для облака.

Мы будем исходить из очень простого определения.

Облако состоит из большого количества ресурсов хранения вместе с вычислительными циклами.

И есть два вида облаков — это облако с одним сайтом и географически распределенное облако.

Облако с одним сайтом часто называют центром обработки данных, и оно состоит из серверов или вычислительных узлов, которые сгруппированы в стойки.

Стойка представляет собой единицу из нескольких серверов, которые имеют общее питание и общий переключатель верхнего уровня.

Эти переключатели стоек часто связаны через сетевую топологию.

Например, одна из самых популярных — это двухуровневая древовидная топология, в которой переключатели стоек находятся на одном уровне, а затем у вас есть основные переключатели, соединяющие все стойки между собой.

В дополнение к этим, узлам, которые используются для вычислений, есть также внутренние узлы в стойках, но они используются для хранения.

Это могут быть узлы, которые имеют SSD диски.

И, наконец, есть программное обеспечение, которое работает на всех этих серверах, а также маршрутизаторы.

Программное обеспечение включает в себя операционные системы, различные приложения пользовательского уровня, поддержку IP-протокола, коммутации и маршрутизации.

Так что это единственный центр данных.

И как правило, такой центр обработки данных размещается в одном здании.

Но компания также может иметь несколько географически распределенных центров обработки данных, и они могут быть подключены друг к другу.

Таким образом, в этом случае, есть много сайтов, каждый из которых является центром обработки данных, и это часто называют географически распределенным облаком.

Но теперь остается вопрос «чем это отличается от кластера?», потому что это похоже на кластер.

Облачные вычисления не являются первой распределенной системой, которая появилась.

Первые несколько компьютеров, которые были построены в 1940-х годах, были построены на основе архитектуры или подобной архитектуры, такой, как мы знаем сегодня.

Они были фактически центрами данных; они занимали целые, большие залы и большие лаборатории.

Это была эпоха индустрии обработки данных, когда обработка данных была сосредоточена в таких центрах.

Затем в 1980-х годах появились персональные компьютеры, которые упростили создание кластеров или сетей рабочих станций, и это привело к появлению распределенных вычислений, а затем крупномасштабных систем, таких как одноранговые системы Peer-to-peer (P2P) в 1990-х и 2000-х годах.

С появлением персональных компьютеров эпоха индустрии обработки данных ушла.

И в настоящее время мы совершили круг и вернулись к эпохе индустрии обработки данных, путем создания крупномасштабных кластеров, которые обрабатывают очень большие объемы данных.

И отличие сейчас от 1960-х и 70-х в масштабах и мощностях.

Итак, чем облачная инфраструктура отличается от предыдущих поколений распределенных вычислительных систем.

Сегодняшние облака имеют масштабирование, доступ по требованию, интенсивность данных и новую парадигму облачного программирования.

Масштабирование означает, что датацентры очень большие, они содержат десятки тысяч, а иногда и сотни тысяч серверов, и вы можете запускать ваши вычисления на стольких серверах, как вы захотите.

Доступ по требованию означает, что вы не подписывайте контракт по покупке ресурсов заранее.

Нет никаких предварительных обязательств, вы платите только за то, что используете, и каждый может использовать эти ресурсы.

Третий аспект, это интенсивность данных.

То, что раньше было мегабайтами, стало терабайтами данных.

И эти данные нужно сохранить, и их необходимо обработать, и, возможно, в режиме реального времени.

Наконец, появляются новые парадигмы облачного программирования, которые упрощают обработку такие больших объемов данных.

Эти, новые программные парадигмы и парадигмы хранения являются доступными, их легко программировать и легко настраивать, и многие из них являются системами с открытым исходным кодом.

Так, это Hadoop — проект для разработки и выполнения распределённых программ.

И это MongoDB — NoSQL база данных и так далее.

И облачные сервисы классифицируются исходя из характера предоставляемых услуг.

HaaS означает «аппаратное обеспечение как услуга».

По сути, это означает, что вы получаете доступ к голым машинам, и вы можете делать с ними все, что хотите.

Например, если вы покупаете кластер, приватное облако, тогда, вы запускаете аппаратное обеспечение как сервис.

Но предоставлять аппаратное обеспечение как сервис другим пользователям, особенно тем, которым вы не доверяете, может быть, не очень хорошая идея из-за рисков безопасности.

Поэтому существует IaaS — инфраструктура как сервис, которая позволяет получить к машинам, и установить свои собственные операционные системы, но без доступа администратора root.

По сути, здесь используется виртуализация, чтобы, вы могли установить собственные виртуальные машины.

PaaS — платформа как сервис, по сути, представляет собой разновидность IaaS.

Вы не получаете доступ к самим виртуальным машинам, но вы пишете свой код, и он тесно интегрирован с программной платформой.

Например, App Engine от Google позволяет писать код на Python, Java или Go, а затем автоматически масштабирует ваше приложение в зависимости от входящей нагрузки.

При этом вы не задумываетесь об установке дополнительных виртуальных машин.

И наконец, SaaS — программное обеспечение как сервис дает вам доступ к приложениям как сервисам, когда они вам понадобятся, и снова вы платите по требованию.

Например, это Google документы или облачный Microsoft Office.

Итак, какая связь между облаками и распределенными системами?

Облако на самом деле является распределенной системой.

Облако состоит из сотен тысяч компьютеров на стороне центра обработки данных в интегрированном центре.

Это мы называем серверной стороной.

На стороне клиента может быть от тысяч до миллионов машин, которые получают доступ к услугам, и которые размещаются на этих серверах.

Это возможно, веб-страницы, сайты, объекты, которые хранятся, и различные сервисы.

Серверы на стороне центра обработки данных обмениваются между собой данными.

А клиенты напрямую взаимодействуют с серверами.

И каждый клиент может связываться с одним или более серверами.

Клиенты могут также взаимодействовать друг с другом через облако.

Тот факт, что серверы общаются между собой, означает, что это распределенная система, состоящая из множества разных серверов, отправляющих и получающих сообщения между собой.

Это называется кластером.

Клиенты, взаимодействующие с серверами, также создают распределенную систему.

Клиенты, общающиеся друг с другом, создают peer-to-peer распределенную систему.

Все это означает, что облака являются особым классом распределенных систем.

Теперь давайте попытаемся определить термин распределенная система.

Давай примем, что распределенная система представляет собой совокупность объектов, каждый из которых является автономным, программируемым, асинхронным, но и подверженным сбоям, и эти объекты обмениваются информацией через ненадежную среду связи.

Здесь объекты — это по существу процессы.

Таким образом, каждый объект является процессом, который работает на каком-либо устройстве.

И каждый объект является автономным и программируемым, так как это процесс.

Асинхронный также очень важно, это означает, что каждый процесс или каждый объект работает в соответствии со своим собственным циклом или часами, так как каждое устройство имеет свое системное время, и эти часы не синхронизируются друг с другом.

И эти объекты подвержены сбоям, и их коммуникация не надежна.

Асинхронность отличает распределенные системы от параллельных систем.

Параллельные системы включают в себя многопроцессорные системы и суперкомпьютеры.

Но, по сути, при этом очень большое количество процессоров используют одну и ту же материнскую плату.

Они взаимодействуют друг с другом по тесно связанной сети, и все они имеют синхронизированные циклы или часы.

И этим параллельная система отличается от распределенной системы.

Таким образом, процесс, это автономная работающая программа, которая может иметь несколько потоков.

Процесс выполняет множество задач, которые могут быть распределены по потокам, и которые могут выполняться на одном или нескольких процессорах.

В распределенных системах, эти процессы работают на разных устройствах, системные времена которых не синхронизированы.

В параллельных системах каждый поток процесса выполняется на своем процессоре или ядре процессора, и задачи таким образом выполняются параллельно.

При этом процессоры имеют синхронизированное системное время.