Операционные системы семейства Novell NetWare

 

4 Концепции построения NetWare

4.1 Производительность

Система NetWare доминировала на рынке сетевых операционных систем с середины 80-х годов до конца 90-х благодаря чрезвычайно высокой производительности по сравнению с другими сетевыми операционными системами. Большинство сравнительных тестов в то время указывали на преимущество в производительности в соотношении от 5:1 до 10:1 по сравнению с продуктами Майкрософт, Banyan и других компаний. Результаты одного сравнительного теста были особенно интересны: система NetWare 3.x со службами NFS, работающими по протоколам TCP/IP (не по разработанному для NetWare протоколу IPX), сравнивалась с дорогостоящим выделенным сервером Auspex NFS и с сервером SCO Unix с запущенными службами NFS. Производительность NetWare NFS превысила производительность обоих систем NFS, являющихся частью соответствующих операционных систем, и превысила в два раза производительность SCO Unix NFS на одинаковом оборудовании.

4.2 Службы файлов вместо дисковых служб

Во времена разработки первой версии NetWare почти все хранилища  данных в локальных сетях работали на основе модели дискового сервера. Это означало, что клиент-компьютер для чтения блока файла должен был выполнить следующие запросы по сравнительно медленной локальной сети.

Прочитать первый блок каталога.

Продолжить чтение следующих  блоков каталогов до тех пор, пока не будет найден блок каталога, содержащий данные искомого файла (таких блоков каталогов могло оказаться много).

Читать блоки записей  файлов до тех пор, пока не будет  найден блок с данными искомого файла (таких блоков могло оказаться  много).

Читать искомый блок данных.

В системе NetWare, построенной  на основе модели служб файлов, взаимодействие с клиентом происходило на уровне файлового интерфейса API.

Отправить запрос на открытие файла (если этот файл ещё не был  открыт).

Отправить запрос на искомые  данные в этом файле.

Все операции по поиску каталога для определения места, где физически  расположены на диске искомые  данные, выполнялись с высокой  скоростью локально на сервере.

К середине 1980-х годов большинство  сетевых операционных систем стали  использовать модель служб файлов вместо модели дисковых служб. Сейчас происходит возврат к модели дисковых служб, например в SAN.

4.3 Эффективность протокола NCP

Большая часть сетевых протоколов, использовавшихся во времена разработки NetWare, не считали надёжной доставку сообщений сетью. Обычно операция чтения файла клиентом выполнялась следующим образом.

• Клиент отправлял запрос на сервер.
• Сервер подтверждал получение запроса.
• Клиент подтверждал получение подтверждения.
• Сервер отправлял запрошенные данные клиенту.
• Клиент подтверждал получение данных.
• Сервер подтверждал получение подтверждения.

В основе же протокола NCP лежала концепция надёжной доставки пакетов сетью в большинстве случаев. Поэтому ответ на запрос служил в большинстве случаев подтверждением. Пример запроса чтения клиента в данной модели.

• Клиент отправлял запрос на сервер.
• Сервер отправлял запрошенные данные клиенту.

Все запросы содержали  последовательный номер, поэтому если клиент не получал ответа в течение  указанного времени, он отправлял запрос повторно с тем же последовательным номером. Если сервер уже обрабатывал  этот запрос, он отправлял кэшированный ответ повторно. Если у сервера не было времени на обработку запроса, он отправлял «положительное подтверждение».

Результатом использования  этой модели «надёжной сети» было уменьшение на две трети сетевого трафика и связанных с ним задержек.

4.4 Операционная система без вытесняющей многозадачности, разработанная для сетевых служб

В 90-х годах интенсивно сравнивалось выполнение операций сетевых  файловых служб специальным программным  обеспечением в обычной операционной системой с выполнением тех же операций специализированной операционной системой. NetWare была специализированной операционной системой, не операционной системой с поддержкой режима разделения времени. Она была полностью написана для обработки запросов типа «клиент-сервер». Изначально система была ориентирована на службы файлов и печати, но позже продемонстрировала отличные унаследованные возможности в качестве платформы баз данных, систем электронной почты, веб-сервисов и других служб. Она также эффективно работала в качестве маршрутизатора протоколов IPX, TCP/IP и AppleTalk, хотя никогда не претендовала на гибкость, присущую аппаратным маршрутизаторам.

В версии 4.x и более ранних версиях NetWare не поддерживалась вытесняющая многозадачность, режим разделения времени, виртуальная память, графический интерфейс пользователя и прочее. Процессы и службы, выполнявшиеся в NetWare, должны были работать правильно: обрабатывать запрос и возвращать управление операционной системе в отведённое время. В отличие от NetWare операционные системы общего назначения (UNIX, Microsoft Windows) основывались на интерактивной модели с поддержкой режима разделения времени, когда без контроля со стороны операционной системы программа могла бы занять все доступные ресурсы системы. В таких средах с вытесняющей многозадачностью и виртуализацией памяти возникала значительная дополнительная нагрузка, так как в таких системах никогда не хватает ресурсов для выполнения всех запросов всех приложений. Такие системы улучшились со временем путём более тесной интеграции сетевых служб с ядром операционной системы «общего назначения», но так и не смогли достигнуть уровня эффективности NetWare. К сожалению, раньше, когда прикладные процессы управляли собой, такое «доверие» часто приводило к аварийным остановам системы.

Рис. 4.1 - Пример запущенных приложений в ОС.

4.5 Способы повышения  производительности

4.5.1 Плоская модель памяти

NetWare работает в защищенном  режиме CPU (protected mode), используя все  преимущества 386, 486 процессоров и  Pentium, связанные с 32-разрядной  адресацией памяти.

 В защищенном режиме  память адресуется непрерывным  диапазоном адресов. Эта так  называемая "плоская" (flat) модель  памяти делает управление памятью  более удобным и гибким. В этом случае нет необходимости переключать сегменты памяти, так как вся память состоит из одного сегмента. При работе в "реальном" режиме CPU отдельная операция по выделению памяти ограничена размером 64 К, так как 64 К - это максимальный размер сегмента. Работа в 32-разрядном режиме значительно повышает скорость выполнения всех компонентов и модулей ОС.

4.5.2 Нити и невытесняющая многозадачность

Другим преимуществом  защищенного режима является возможность  выполнять несколько программ одновременно. Часто это называют многозадачностью (multitasking). В NetWare реализован механизм "нитей" (thread), который позволяет использовать все преимущества расщепления одного процесса на несколько параллельно  выполняемых нитей. Этот механизм описан в разделе 1.2.4 главы 1. NetWare обеспечивает удобные средства для реализации многонитевых процессов.

 Существует несколько  вариантов реализации алгоритма  диспетчирования нитей. NetWare использует  метод невытесняющей многозадачности  (nonpreemptive multitasking). Это означает, что  обычно невозможно прерывание  приложений и их нитей другими  приложениями и нитями. Иногда  этот метод называют "окружением  хороших парней", так как ожидается,  что приложения будут вести  себя вежливо по отношению  к системным ресурсам. Фактически, если приложение не отдает  периодически управление CPU, чтобы  дать возможность другим приложениям  выполняться, то будет работать  только это приложение. Следовательно,  при работе в таком режиме  очень важно понимать последствия  захвата CPU и быть "хорошим парнем" среди равных. Главным же преимуществом невытесняющей многозадачности является более быстрое переключение с нити на нить по сравнению с вытесняющей многозадачностью (preemptive multitasking), когда нить процесса прерывается в неожиданный и часто неудобный для нее момент времени, и ОС приходится сохранять гораздо больше информации о прерванном состоянии нити, чем в случае, когда нить сама отдает управление ОС.

 Из-за того, что NetWare использует режим невытесняющей  многозадачности, она не очень  заботится о управлении поведением нитей, которые выполняются. NetWare хранит информацию о том, какая нить выполняется, с каким приоритетом и как долго это происходит, но навязывает нитям свои ограничения только в экстремальных ситуациях. Обычно NetWare считает, что все нити справедливо разделяют процессор, достаточно часто отдавая ему управление. Это позволяет NetWare самой работать более эффективно.

4.5.3 Кэширование диска

 Вся оперативная память, оставшаяся после загрузки ОС  и дополнительных модулей, используется  для кэширования диска, что,  файлам при соответствующих размерах  оперативной памяти, естественно,  существенно повышает скорость  обращения к дисковым.

4.5.4 Элеваторный поиск

 В ОС NetWare предусмотрен  отдельный процесс чтения с  диска, который считывает данные  с жестких дисков сервера и  размещает их в кэш-буферах.  Этот процесс сортирует поступающие  запросы на чтение и располагает  их в порядке приоритетов, в  зависимости от текущего положения  головок дисковода. Такой метод  обслуживания запросов, называемый  элеваторным поиском (elevator seeking), оптимизирует перемещение головок  и в результате позволяет значительно  увеличить пропускную способность  дисковой подсистемы при большой  интенсивности запросов.

4.5.5 Параллельный поиск

 Если на сервере  имеется несколько дисковых каналов,  то NetWare может параллельно осуществлять  поиск данных на нескольких  дисках (по одному диску на  канал). Это существенно повышает  производительность.

4.6 Способы обеспечения открытости и расширяемости

 Все сетевые сервисы,  утилиты сервера или работающие  на сервере приложения выполнены  в NetWare в виде загружаемых модулей  - NetWare Loadable Modules, NLMs, которые могут  динамически загружаться и выгружаться  в любое время без остановки  сервера. Структура ОС NetWare приведена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1 - Структура ОС NetWare

Ядро системы, называемое System Executive, выполняет базовые задачи ОС по управлению памятью, планированию и диспетчированию нитей, управлению файловой системой, также поддерживает программную шину для интерфейса NLM'ов. Каждый NLM выполняет либо функции  операционной системы (драйвер диска  или сетевого адаптера, утилита пространства имен, файловый сервер или модуль почтового сервиса), либо является пользовательским модулем, реализующим дополнительный сетевой сервис - например, сервис SQL-сервера или сервера печати. Для ядра системы все модули NLM равноправны, поэтому расширение или сужение функций системы осуществляется путем добавления или выгрузки соответствующего NLM'а.

Novell обеспечивает расширяемость  системы NetWare за счет предоставления  программистам набора инструментальных  средств и строго описанных  интерфейсов API для разработки  собственных NLM-приложений, использующих  все возможности 32-разрядного  окружения. В настоящее время  существует большое количество  программных систем третьих фирм, реализованных в виде NLM-приложений, для серверов NetWare - серверы баз  данных, коммуникационные серверы  и т.п. 

 Открытость ОС NetWare обеспечивается  поддержкой ею наиболее популярных  стеков протоколов в строгом  соответствии с существующими  стандартами. NetWare поддерживает такие  популярные сетевые протоколы,  как IPX/SPX, TCP/IP, Apple Talk, и средства  их мультиплексирования, такие  как STREAMS и TLI. Стандарт ODI позволяет  независимым разработчикам сетевых  адаптеров легко включать свои NLM-драйверы в состав серверной ОС NetWare. Кроме того, фирма Novell разработала для NetWare большое количество программных средств - шлюзов к другим широко распространенным сетям, таким, как сети Internet и SNA.

4.7 Способы обеспечения надежности

 В системах NetWare предусмотрен  ряд функций, обеспечивающих надежность  системы и целостность данных. Ниже перечислены функции, которые  обеспечивают защиту всех частей  сервера: от устройств хранения данных до критичных файлов прикладных программ. Наличие таких функций позволяет NetWare обеспечить очень высокий уровень надежности сети.

Средства обеспечения  надежности SFT I:

• Проверка чтением после записи. После записи на диск каждый блок данных немедленно считывается в память для проверки читаемости. Первоначальное содержание блока не стирается до окончания проверки. Если данные не читаются, они записываются в другой блок диска, а первый блок помечается как дефектный.
• Дублирование каталогов. NetWare хранит копию структуры корневого каталога. Если портится основная структура, то начинает использоваться резервная.
• Дублирование таблицы размещения файлов FAT. NetWare хранит копию FAT и использует ее при порче основной таблицы FAT.
• Оперативное исправление 1 (Hot Fix 1). Запись или перезапись данных из дефектных блоков в специальную резервную область диска.
• Контроль UPS.

 Средства обеспечения  надежности SFT II:

• Зеркальное отображение дисков, подключенных к одному дисковому контроллеру (Disk Mirroring).
• Дуплексирование дисков, подключенных к различным дисковым контроллерам (Disk Duplexing).
• Оперативное исправление 2 (Hot Fix 2). Повторное выполнение операции чтения на отраженном диске и запись данных в резервную область.

Система отслеживания транзакций (TTS).

• Средства обеспечения надежности SFT III заключаются в полном динамическом зеркальном отображении двух серверов, которые могут находится на значительном удалении друг от друга (при использовании оптоволоконного кабеля для межсерверной связи - до 4 км).
• Средства обеспечения надежности уровней SFT I и SFT II реализованы в NetWare v3.11, NetWare v3.12 и NetWare v4.x. Уровень надежности SFT III реализован пока только в NetWare SFT III v3.11.