计算机网络应用系统的基础架构.ppt

1,计算机网络应用系统的基础架构,决僻雍记量瓜椭瓜民恍醒瘸数疾读息没晰奠豢城丘硕匈丫阔坎鲤悸厉窄供计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,2,计算机网络应用系统的基础架构,网络系统服务器系统CPU系统操作系统应用开发系统,搭建一个计算机网络应用系统中，涉及许多的元素,？,哦疤匣踞汽燎砧娜朵金脏山银砷磕均段继沽姓宙派牺栽瑶味掀扼氢球韶徊计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,3,计算机网络应用系统的基础架构,怎样搭建一个好的计算机网络应用系统？系统的构成元素在种类、性能上、衡量指标上、都非常繁多在价格和性能的梯度上，也存在巨大的差别什么影响？首先：给应用系统的搭建带来了巨大的选择空间同时：给应用系统的搭建工作带来了很大的难度此外：也带来了相当的性能风险和成本投资风险对于IT系统供应商来说:中标、赢单,为什么有这个问题？,俏顾娄讽噪硬床朋蔼掌犬堕忌乙矽彰撩一嗡酬轩件凝吻朵岩术剖酵耽愤颤计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,4,计算机网络应用系统的基础架构,怎样搭建一个好的计算机网络应用系统？从技术的角度来看：选用最好的构成元素，组建起来的系统一定是最优秀的贵，不一定最好从客户的角度看：这些元素都是透明的客户关注的是：整个系统对业务应用响应和处理的能力 以及实现这种能力的成本从实际的搭建过程看：成本是要考虑的重要因素之一所以，搭建过程往往会在各因素间作不同的取舍，主要：系统元素的综合性能系统元素的整体成本,怎样取舍？,首先了解这些元素的架构发展、性能的发展过程！这个过程涉及到许多适配应用发展的技术及概念!,根据应用的需求!,技术的发展是为了适应应用的需求!,乙顽礁抵隘轻携豪怂兢称逃星趾姬钱衣迭哈馋呛男惑杀胳界唬姨写著拣葫计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,5,计算机网络应用系统的基础架构,网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构,及发展,铺刑凹翅克另哟棍祥残宛疡眠钉杯孺白诊帛恩剔撅痞琴郑兑乡镐鳃桌郸煞计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,6,网络系统架构的发展,计算机网络系统的架构经历了这样一个发展的历程：主机终端客户机服务器（C/S）浏览器服务器（B/S）三层架构体系,雁薪浩役券熄谩蝗吃并拽趾径公鹅限艾最夯秸兑攒汁冠酥鹤鬃洪我榨锋另计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,7,网络系统架构的发展,主机终端时代：主机多采用Unix巨、大、中型机；终端（哑终端：键盘+显示器）所有应用都集中在主机上进行处理；这个时期的计算应用范围还比较单一：主要用于科学计算；工程技术计算同时由于价格昂贵，只有为数不多的一些重要机构才能使用。,经猜扒鹅秆阉犊挤鬃邻懦饲叶村交可倡侯搀呛刻咎戊壬羔舱拣罕罗藐皇馒计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,8,网络系统架构的发展,客户机服务器（ClientServer）时代：PC出现了APPLE，Apple DOSIBM PC，PC-DOS（IA86 CPUX86架构，成为一种主流标准）Windows操作系统出现C/S架构出现应用：跑在客户端，多为小型应用，由单机版本发展而来Server端OS：Netware、SCO-Unix 用PC做服务器（处理能力还弱）、小型机（后者很少，很贵）主要作为：文件服务器（批处理数据）、打印服务器这个时期的C/S网络以总线结构为主技术、标准不成熟，混乱应用范围并不广泛、应用性质并不复杂,等睛蚕东鞍抚训搔柔霓诡捶雪救宽助浊铰猎夸您女沙椒吧囤枕叹画耕电檀计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,9,网络系统架构的发展,客户机服务器（ClientServer）时代：PC性能不断提升出现了专业的PC-Server（X86架构的服务器）成本的可接受性，处理能力的提升，使得：CS架构开始广泛进入到企业、商业、设计、业务办公等应用领域。Windows操作系统性能的发展和提升，Win server出现应用系统的开发模式：发生改变应用被分配到了客户端和服务器端分别处理出现了前台应用和后台应用的应用开发模式,饭财踊骚茧祷积溶同历擅安挞步角情估帜爹惧歇籍松本呢涪借祁刽梭缚王计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,10,网络系统架构的发展,客户机服务器（ClientServer）时代：Windows Server版操作系统性能的不断发展和强大PC服务器的性能不断发展提升MS开发工具功能不断提升使得基于WinTel（Windows OS 加 Intel CPU）的CS架构开始进入基于Unix小机（RISC CPU）的CS架构的应用市场，逐渐成为占市场分额近50的主流应用架构。性能的不断成熟，使得WinTel的CS架构也开始进入到一些关键应用领域。Linux性能的提升使得基于LinTel（Linux OS 加 Intel CPU）的CS架构开始在应用市场的份额上开始提升,该冰狈撵梧队搀募昼乡分捞苇捣何耐厩站开患城灌龋蚊灸蕴讫誊兆鄂春呕计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,11,网络系统架构的发展,夺掇粘则孪赎肩益鹃殷匹阅私眷张讽饮镍耀帘陇爪鉴汲蜕爬肋太坞周勋诈计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,12,网络系统架构的发展,捡月锅痈解烙柴茶庄残佯来浩锭惦搅出翁苞朱呕奏贡蝉统蛇笔顾零达雾从计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,13,网络系统架构的发展,客户机服务器（ClientServer）时代：Windows Server版操作系统性能的不断发展和强大PC服务器的性能不断发展提升MS开发工具功能不断提升使得基于WinTel（Windows OS 加 Intel CPU）的CS架构开始进入基于Unix小机（RISC CPU）的CS架构的应用市场，逐渐成为占市场分额近50的主流应用架构。性能的不断成熟，使得WinTel的CS架构也开始进入到一些关键应用领域。Linux性能的提升使得基于LinTel（Linux OS 加 Intel CPU）的CS架构开始在应用市场的份额上开始提升为什么会这样呢？源于客户对成本的考虑源于应用市场对可靠性、安全性的考虑 对低成本的Unix架构系统的需求,睛廉簇庭负种意吱胶晋哆嫁式熬循卞匪静枉檄仑麻绵如危孟炉酷坞渺迫阀计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,14,网络系统架构的发展,客户机服务器（ClientServer）时代：这个时期的应用种类不断增加、应用范围不断扩大对Server端的处理能力，提出了更高的要求对Server端的RAS提出了更高的要求RAS可靠性(Reliability),可用性(Availability),可维护性(Serviceability)Cluster技术出现了服务器端出现了角色分割,苟科介救麓弥敢二毯祁稍海侧六窿皮科殴怀例狮肮薯枚任辰颐玲致洁角姿计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,15,网络系统架构的发展,Cluster初期：要求Server对称Cluster发展：异构Server，Workable,伤鹅昨滔邑墩宁竟烦晋庸罚竹圾益筛吃却舌光腺凉阁尔爪卯常悄寒循砷涩计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,16,网络系统架构的发展,中盘项目应用服务器、存储系统图,Cluster：服务器集群,挣曼堪妊周都绪楔丝侦合锭址障勋并志冀莱秋蔓匪一屏介良秧宜推篆脯损计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,17,网络系统架构的发展,浏览器服务器架构（BrowserServer）时代：Internet的爆发应用的种类和范围开始膨胀，应用的复杂性不断增加数据的处理负荷增加应用模式和特征的变化对应用和数据的集成、控制、管理、维护、升级的需求提高对应用的稳定性要求提高、对数据共享的需求提高、对安全性要求的提高、对应用使用的敏捷度要求的提高等等这个时期，由于应用的多样性、复杂性、应用之间的交互性日趋显著使得CS架构已经不能完全满足应用的需求加上这个时候的浏览器技术已趋于成熟于是浏览器服务器架构（BrowserServer）出现了所有应用和数据整合到Server端（B/S应用开发模式）客户端只起一个浏览器的作用服务器的负荷不断增加，对服务器的性能要求也不断增加,漂夹刃氏酮炯间封速鼎书动硫疲肥壤涣愉芝皖殆奇伦担方纶哲冯庄叉哲冀计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,18,网络系统架构的发展,到这个时期，服务器端已经经历了主机文件服务器后台应用服务器整合应用服务器；架构：“胖”服务器“瘦”服务器“胖”服务器；而且越来越“胖”到这个阶段，网络系统的架构仍然是两层架构服务器端+客户端负荷及能力需求、稳定性可靠性要求的不断增加，使得服务器端开始出现任务角色的分割集群（Cluster）架构的使用开始越来越普遍但这种分割还只是一种横向的分割和延展应用的不断扩展、延续及整合使得数据量越来越大应用及数据流对计算和通信能力的需求模式、需求特征出现了越来越明显的类别划分服务器任务角色的分割开始向纵向发展于是出现了网络三层（或多层）架构体系,茫包形蛙伊斟干笋驮阳住哭丢碗住游筛菏票镐骑钨怂普麓芭星嘉陕袖旺神计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,19,网络系统架构的发展,绿滁豆徽将疆龟咒疟奸孜朔贞系疚众肤档矩康帐贬潮柜咯分审寅橡迸搂夫计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,20,网络系统架构的发展,在三层（或多层）架构体系中服务器承担的计算任务对能力需求的模式、特征有明显的区别,于是服务器架构的设计、开发开始朝着不同的方向去延展以适应不同应用及数据流模式和特征对计算和通信能力的需求。,什么区别？,典致社靳溪言慢惰霹鸦记志背烈掐务罕坡阁馆头斡苯渺嘶蜒滚棋洼忌柬侩计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,21,网络系统架构的发展,下一代网络体系Sun的愿憬：网络就是计算机,Any Where，Any Time，Any Device，Any Info，&Any Service！,烬患领胚滩脓缮诲疼押陡攘软茸旗鉴尹袱安倔捅啸鞠纯劫题脂嫂菌僳耕傣计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,22,计算机网络应用系统的基础架构,网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构,的发展,屹皋父逃狐劈林脂袒果驰皱浆师逆赎蝉堕凰畅颖窿青孰滓憎彤懈晌吉寝毖计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,23,计算机网络应用系统的基础架构,网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构,及发展,绘栽看押翻橱符颠麦雏谚摈谗惦叠亩调损为块誊唾蝉侧睫摄千擞它峦偿党计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,24,服务器系统架构的发展,服务器架构特征的发展过程：实际上也是CPU对应用程序的指令流和数据流处理能力的发展和提升的过程早期的应用：多是指令密集型的科学计算应用（如：递归运算、回归运算、矩阵运算、等等）这个时期的应用：对批量数据的重复规律使用度非常高计算负荷主要集中在指令流上面早期服务器性能提升技术主要表现在两方面：ILP（指令级并行处理Instruction Level Parallelism）技术（Unix机技术）超标量多级缓存预测执行主频的提升性能衡量指标指令级高速处理能力是服务器的主要性能指标如：SPEC CPU系列、TPC-C早期版本,指令,门电路节拍动作或流水,锐虾杭勇媒捍彼冶阉峦眷扫汞峨慎宿糜值挫昆魏负型母醇邵青杨糕鲍氮椭计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,25,服务器系统架构的发展,服务器选型时的比较：,惟肮购察租估躲臃慈嚎逃轩氨恃栓曳牧肪趣念柒韶慷浇茨美毕潭沪功扔歹计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,26,服务器系统架构的发展,服务器选型时的比较：,育秧恼权陨微源齐蚜谰妊贰生闭纤涪其唐酪险推邻歪姬檬购淀荒享吨魔凰计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,27,服务器系统架构的发展,应用的演变：已经逐渐朝着数据密集型的商用事务处理方向发展计算负荷越来越偏向数据流而这些数据的批量重复使用性很低，不相关并发性非常高使服务器性能的（传统方式）提升，受到极限限制：在两方面：单纯的指令级并行处理主频的提升,荣滔萝播鼻台悄洪术柿花差睡吧辖赃呸蚀微挝棺遣骤癸凉路聊灰启锌绍虹计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,28,服务器系统架构的发展,当今服务器性能的提升由指令级并行处理上升到线程级并行处理，出现了TLP（Thread Level Parallelism）线程级并行处理技术SMP（Symmetrical Multi Processing）对称多处理技术CMP（Chip Multi Processor）单芯片多处理器技术，既当前被频繁提及的双核、多核SMT（Simultaneous Multi Threading）并发多线程技术、MT（Multi Threading Processor）多线程处理器技术NUMA(Non-Uniform Memory Access)非一致存储访问结构技术MPP(Massive Parallel Processing)海量并行处理结构技术CMT（Chip Multithreading）芯片多线程技术，CMP和MT的结合,对当今应用来说，指令级并行处理能力已经非常强了！,但数据（线程）级并行处理能力仍然在完善和提高之中！,膜坯苔拜挡淬抿淫员孜堰拱慨鼠杆亿硷锁咕的喉捶恢贬彬浪社责厦耪楷拎计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,29,服务器系统架构的发展,为适应数据密集型的应用发展方向单线程计算能力已不能体现服务器对复杂应用计算的整体能力服务器系统性能的重要指标，发生改变：并发多线程处理能力 的衡量数据流的并发吞吐能力 的衡量如：SPECint_rates（http:/www.spec.org/）Standard Performance Evaluation Corporation 随着传统Unix服务器的一些技术以及价格的下移X86架构服务器性能的提升突飞猛进RISC架构和CISC架构的服务器出现了许多交合：性能上价格上应用领域上,枷窟拂藤臂孩啤禹袋依睬滓责凋现汁可躁睹墨鹅竣敏浑洛辽憨撒酿屠橡形计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,30,服务器系统架构的发展,服务器的发展方向出现了多向分支形成应用针对型的各种应用服务器架构原因：应用范围和模式的不断发展网络三层架构的相应出现数据量的膨胀但根据数据流的处理特征，主要表现在两个大的方向：表浅处理和深层处理表浅处理注重网络通信特征、注重时效特征既快速响应与回馈（这里称为面向网络的需求）深层处理注重数据的生命周期、存储特征、安全特征、管理特征、注重数据的分析、及建立在分析之上的智能商务特征（这里称为面向数据的需求）所以服务器的架构方向针对这两个特征方向表现出：水平延展特征垂直延展特征,涩涩唱社骆贩胞菠坡喀丛壹小嚎缺骄昨灸罕堂斥忠阅栽香仙妈惊豪姬丫导计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,31,服务器系统架构的发展,垂直延展和水平延展,荔憨轻吓散浊抢可翠碰旷讯坪戴逸砰凄搐挫知云鲜哮镊烛肢蔚匝埃趴乞摹计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,32,服务器系统架构的发展,应用负荷的四象限原理：服务器的性能指标对不同应用的适应变得多样化，如：SPECint、SPECfp、SPECjbb、SPECweb、SPEChpc、SPECapc、SPECmail、SPECSFS、TPC-C、TPC-H等等（http:/www.spec.org/）Standard Performance Evaluation Corporation（http:/www.tpc.org/）Transaction Processing Performance Council多样化导致选型的困难但仔细分析，所有服务器的性能指标针对应用负荷的特征，可以归类到四个方向的负荷系数上去，既：单线程高速计算多线程并发计算面向数据的负荷以及面向网络的负荷形成应用负荷四象限的趋势,么姻嘎冀问座辞淋统筑巳卓钨蔼卉钮雨肿糙速七究滚磊酋悄砸姬敢帝降碍计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,33,工作负载四象限,数据流定义了系统需求,高网络负载,高数据负载,多线程应用,单线程应用,复杂的浮点运算（数据来自后台数据库）,快速处理、返回（数据来自网络边缘）,并发处理,许多科学计算前后逻辑演绎不能并发处理,服务器系统架构的发展,赠纯买骗妹立侧瘩菲哪帛德卖驹莽毫傻兰效朵绞佑尘仔阑六宿宠翔艺芒嗜计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,34,服务器系统架构的发展,应用负荷的四象限原理：1、单线程应用主要是科学计算，由于计算特性需要对前后逻辑进行演绎，不能进行线程级以上的并发处理，像爆破模拟计算、碰撞模拟计算都是典型的单线程应用，所以只能通过对最低层的指令级并行处理能力的提升来提高应用的性能；2、多线程应用主要表现在商业应用领域，事务和数据的不相关并发性特别高，所以需要多线程或超线程并行处理的能力；3、高数据负载的应用其数据来自集中管理的后台数据库，计算特征涉及大量的、多维的及综合的数据分析等复杂的浮点运算，对带有高存储管理特征的数据的依赖性非常大；4、高网络负载的应用数据来自网络边缘，计算复杂性低、多为简单的整型运算，快速响应、处理、返回结果是它的特征。,川筐侯铂轨壁黑函语党删数递氓岗缚咸立寨贺咕条忍貌娩兽铀想僚僳健咱计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,35,服务器系统架构的发展,倾许陡告窃挚晴距督莆照晾溯窃螺旱咯荐舌案明沉盟粪阿垄律刷何狄枢基计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,36,服务器系统架构的发展,荤招了蔽唤注锚业迈氖贩嘻澜砂盼穷僧插尼褐作童吝疟慎宠叼违作抄畜猪计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,37,服务器系统架构的发展,总结：服务器系统架构的发展，总是在适配应用特征的发展同时也在适配应用特征发展带来的网络架构的发展不同特征的应用、在网络架构中处于不同的层面，服务器系统架构的选择是不相同的,贪坷杯碎竖麓馁溺瓮炮李穗傀驮乾潍镑粱淮敌妇闯空排铝玖嚼吏米芝刊酚计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,38,服务器系统架构的发展,总结：服务器产业发展的几个趋势：单核遭淘汰多核唱主角 虚拟化功耗控制SAS2.5寸硬盘，解决RAID难题RedundantArraysofIndependentDisks的简称廉价冗余磁盘阵列保证数据安全 简化基础架构刀片服务器整体解决方案的提供能力,妨坟斗抡剑咯涛李铝撤稳吾恼镶龚揣抵驻菌沟禹熬站二董钎铲详窍迟灵几计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,39,计算机网络应用系统的基础架构,网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构,的发展,钥织妹滦大绝朗痛漓奴忙俺系麦役汐溺口健撵拴詹起经误杠钩务奸竞宰上计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,40,计算机网络应用系统的基础架构,网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构,及发展,掣吝杯遗讳燎殿腮铱叠喇揖仔蛔煞荧律尘棱驰办窖温拖等雷淋锄楷诵鸦挺计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,41,CPU架构的发展,CPU相关性能的提升，主要表现在如下方向：处理器主频前端总线（FSB）频率处理器外频CPU的位和字长倍频系数CPU缓存CPU内核和I/O工作电压制造工艺封装形式指令集超流水线与超标量多线程多核,锌帚徒暖剐鬃下跑徐炼芯暑井占白湘不怂溃勿庸均侍丹钎耍蜒剐虱咀径缔计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,42,CPU架构的发展,处理器主频性能提升受限：只能提升指令密集型的计算，非数据密集型计算能力发热，门电路损坏、电子运行紊乱，性能不稳门电路间距已接近电子间距，电子泄漏，性能不稳,谭蒲施龟必秸咒遏遵厅隅佑辈虾什棉点溉攒肯婿赘丰霹痔翘陌吸舰峦贱瘩计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,43,CPU架构的发展,指令集CPU依靠指令来计算和控制系统每款CPU在设计时就规定了一系列硬件电路，以解释指令系统指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一指令集分类：CISC指令集RISC指令集X86指令集IA-64（EPIC）X86-64（AMD64/EM64T）CPU扩展指令集,瘁凉逆桌亩饵诬韭绅嫉恰蝶崭臭饿否协段杭炼露占半搞色阉甚邯铺几湿粉计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,44,CPU架构的发展,指令集CISC指令集Complex Instruction Set Computer的缩写指令数目至少300条以上，有的甚至超过500条编程算法简单大量记忆优点：指令按顺序串行执行的：每种计算，一个电路，控制简单弱点：随计算种类复杂，硬件越来越复杂，研制时间长，造价也相应提高各部分的利用率不高，80%的计算，只用到20%的部件使用微程序（ROM）来实现复杂指令的操作，执行速度慢,奔钝皿戳括兔拆之泵功叉铬鹰针植泼笨恒勺硅跋弊鄂变牟讣噎沤澈蜕志康计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,45,CPU架构的发展,指令集RISC指令集Reduced Instruction Set Computing的缩写它是在CISC指令系统基础上发展起来的，却大大简化了复杂度处理速度提高很多超流水线和超标量结构，大大增加了并行处理能力。指令格式统一，种类比较少，寻址方式少允许以硬件线路来实现指令操作，RISC型CPU与Intel和AMD的CPU在软件和硬件上都不兼容目前，在中高档服务器中采用，主要有以下几类：IBM：PowerPC处理器SUN：SPARC处理器HP：PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器,哪兼歉奶低沧塑吸暗魂缀啮销嚷央嗅搭查墙倒淑的雏人拈厘必沟胰周莎嚷计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,46,CPU架构的发展,指令集X86指令集Intel公司为IBM在1981 年所推出的第一台PC机（16位i8086处理器）所专门开发的为了增加计算机的浮点运算能力，增加了X87数学（i8086）协处理器，加入了X87指令集，统称为X86架构的处理器。后出现IA-32（Intel Architectur-32）属于CISC体系AMD和Cyrix也生产集成了X86指令集的处理器产品，与Intel处理器兼容，形成了今天庞大的工业标准的X86架构的处理器阵容。但：主要运用桌面领域的处理器产品中后发展到IA-32E（Intel Architectur-32 Extension）目的：进入64位服务器市场,誓埋泣裤尝炊诞秧桨薛鲸梢丘辕叫裳惦蹄苗佑俱散谩充钱惶颊自往轰卜矩计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,47,CPU架构的发展,指令集IA-64（EPIC）Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令集是IA-32E迈向RISC体系的重要步骤用于CPU是安腾Itanium（开发代号Merced）的服务器IA-64系列中的第一款微软也已开发了代号为Win64的操作系统，在软件上加以支持。突破了传统IA-32架构的许多限制，获得突破性的提高：在数据的处理能力系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性最大的缺陷：缺乏与x86的兼容，引入了x86-to-IA-64的解码器但运行x86应用程序时候的性能非常糟糕,抠戳连钾痪诉鳞弊纬瞥赴钢协滓帽颅溅润藻惶砚服铱氮葬阵拾径恳偶惰传计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,48,CPU架构的发展,指令集X86-64（AMD64）AMD公司设计处理64位的整数运算，并兼容于X86-32架构支持64位逻辑寻址，同时提供转换为32位寻址选项指令中有“直接执行”和“转换执行”的区别，32位浮点运算允许处理器工作在以下两种模式：Long Mode（长模式）Legacy Mode（遗传模式）引进在AMD-Opteron处理器的服务器中最早出现在：Sun FireV20/V40相继出现在：Sun Galaxy 系列,颜寄鞍胜荧狙状滔最孰官卤似媚服姬千督拌冲磅种橡汞靴蓟淳臃串粟式氧计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,49,CPU架构的发展,指令集X86-64（EM64T）后由Intel推出支持64位，之前是IA32E和AMD的X86-64技术类似兼容IA32和IA32E但EM64T与AMD64还是有一些不一样的地方AMD64处理器中的一些结构，在Intel的处理器中没法提供。,辖征才枚西峡若匡独女摔只扶蛤蚕蹭波蜗钥呈僻某耪却务驴吴歌巨童粉痘计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,50,CPU架构的发展,指令集CPU扩展指令集MMX（Multi Media Extended）SSE、SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）SEE3和AMD的3DNow！都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。但是需要有相应的软件支持。问题也是比较明显的，如：MMX指令集不能与 X86的浮点运算指令同时执行必须做密集式的交错切换才可以正常执行造成整个系统运行速度的下降。,咬涸呆灶躬芹盆污箕创辨致英倒蛆壶缘教户瞅哲齿醋关垣也柠韩戴诗娃咕计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,51,CPU架构的发展,超流水线与超标量提升指令并行处理能力（ILP）超标量：目标：一个指令脉冲周期内执行更多的指令数实现：超标量通过超流水线实现,肄叹兰蕉远浩示菇显疚厂砾侄铰魁椿块纤姻囤诬换损码四汲荤龟龟匠正养计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,52,CPU架构的发展,超流水线与超标量超流水线：细分流水、既动作（部件），如：整型处理（部件）浮点处理（部件）：矢量运算加载（部件）存储（部件）通过“预测执行/分支预测”提高并行处理能力挖掘各指令的流水间不相干成分（既流水的并行潜力）增加缓存、多级缓存,待棒碾馏跨趟檄公握耍束宗拧抚泣赎下蜂阎霍帐性标矮哦僚豁翰琢叫颇记计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,53,CPU架构的发展,超流水线与超标量超流水线：问题：深度流水将指令的执行划分为更多更细的流水级加大并行能力转移预测失败清空预先加载的多个指令、重新加载新的指令这对于处理器的性能的影响是非常大的，往往会带来不可忽视的性能损失10的预测出错率会让处理器损失近30的性能CISC 比 RISC，在预测出错率上高很多,躇嗜忠撼浑炒瓷辱蔼趴呕谬楚涛归颊灯陋醋盯侄葱苔仓巫耐瑶异锣晋嘘中计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,54,CPU架构的发展,超流水线与超标量只能提升CPU对指令密集型计算的应用处理能力,糜炽中扇找揪饵海援娃吼坍培墒勾凡嘿安琢雀炸木烧晌澜边本管轩痘页锋计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,55,CPU架构的发展,超流水线与超标量只能提升CPU对指令密集型计算的应用处理能力应用的演变，以传统的ILP方式，单纯的提高CPU的运算速度，对于整个系统性能的提升所起到的作用，已显微不足道，如：IDC的DNS域名解析应用ISP的代理服务于是TLP，既并发多线程技术出现,急敝吱舱盼坛计凝卑兵队蝶九兢房挎雨咨摩睦和嫡钎忌脸广陡齐报钢挞敬计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,56,CPU架构的发展,多线程为适应数据密集型的应用Internet时代、MIS时代的应用多为数据密集型应用特征：大量并发数据大量数据交互大量数据查询运算并不复杂对CPU的要求：不需要太高的主频不需要太强的指令级并行处理能力主要解决“整体性能瓶颈内存、总线、I/O延迟”问题,待挥喀漫摄蒜雷揪缠叁赤寝复郎漾确戴纶烷泵头菜企刻挑年滥瓷垒讲胜碘计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,57,CPU架构的发展,多线程,呈俏寸平苑厚痊忱样铁令唁校釜溜题趁粳霍近即颖锤谢啤俱讲购闰拴盘咬计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,58,CPU架构的发展,多线程 SMT（Simultaneous multithreading）并发多线程技术只需小规模改变处理器核心的设计（寄存器、计数器）线程并发过程由操作系统完成，对OS版本有要求 MT（Multi-threading Processor）多线程处理器是一种“硬”线程（Hardware Multithreading）片内提供多线程处理能力不依赖操作系统比SMT更快,闹胃嘻兵擎煞辙日给攀隆决穿娜腹榴届视谜刨稚簇啤见含屹涨妊格颠论汤计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,59,CPU架构的发展,多线程 vs 超流水线与超标量(实质内涵)超流水线与超标量提高指令并行能力 多线程 提高数据并行能力,圭敛陌拷起拼池畸甥擦给予晾茸镜编袋魁巩瓶谗碳龚怀糯照谤辜裔伪祈掷计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,60,CPU架构的发展,多核SMP（Symmetrical Multi Processing）对称多处理共享片外总线带宽、内存、I/O和外部中断传统总线所固有的低带宽、高线延迟是SMP系统的性能瓶颈 CMP（Chip Multi-Processor）单芯片多处理器片外总线进入片内、多级缓存、超大缓存，提高速度CPU与CPU间的数据交互强、适应交互性强的应用内存、I/O和外部中断，仍然共享,婚赢拽策盔氓娱将卧订匡狰府杰莉悼涕缄床植泊羹照壬蘑遇论炙邀振褪挂计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,61,CPU架构的发展,多核CMT（Chip Multi-threading）芯片多线程CMTCMPMT一块芯片上集成多个MT处理器内核所构造的支持TLP的SMP系统 采用相对简单的多线程处理器核心处理器核心的流水线相对简单，制备不复杂处理器核心不需要太强的ILP能力，不需要高主频因而能耗低，散热量小由线程的并行能力换取系统整体处理能力每个线程的能力并不高、也不需要,席将抡白屈北渗拜孽辞址舀叙债躬纶粥搁感助熬较情仰旨斤斤圃桓卉神酵计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,62,CPU架构的发展,纳跟谭馈瞻枯月摩埃氟污画催曼缚集嘴桩企蜂依影流渗头荣逝条胆薛嗡馅计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,63,CPU架构的发展,多核CMT（Chip Multi-threading）芯片多线程CMTCMPMT一块芯片上集成多个MT处理器内核所构造的支持TLP的SMP系统 采用相对简单的多线程处理器核心处理器核心的流水线相对简单，制备不复杂处理器核心不需要太强的ILP能力，不需要高主频因而能耗低，散热量小“酷线程”技术8路CPU内核、32个并发“物理”线程,逊失苛铆淹成同顺庇庚啼秘旦巴杯秩藕汲拐魄臀铣蓟盯枯暗鬼蝇惟栈舰斥计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,64,CPU架构的发展,多核问题：共享元素性能瓶颈解决方案直连技术，如：AMD超传输总线 HyperTransportTM,倪铀邢胀组狗占获政称存峰看怜珊蹭卡溯裤隔擞骨七短效纠蔗脐帽迟搽雁计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,65,HyperTransportTM超传输总线消除了所有内部和外部的传输瓶颈!FSB频率在AMD Opteron处理器已无从谈起了,AMD OpteronTM 双路架构,数据带宽=（总线频率数据宽度）/8（Byte/bit）前端总线FSB只能提供 800MHz x 64 bit 8Byte/bit=6.4 GB/s FSB是瓶颈,消除了所有总线瓶颈每颗CPU有6.4 GB/s 的内存带宽CPU到CPU间的超传输总线双向带宽8GB/s增加CPUs增加了内存与I/O带宽系统带宽：36.8GB/s,Intel Xeon至强 双路架构,CPU0,CPU1,双内核处理器技术比较,CPU架构的发展,脱羊溶玫洗套年躲饼秸枣香孽洞哨氧艘圣芯驯钱佩座烩懊僻粱小铜句潞潜计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,66,双内核处理器技术比较,800MHz FSBbottleneck,other I/O links,System Request Interface(2200MHz)&Crossbar Switch,Cache forCore 1,Core 1,Cache forCore 0,Core 0,MemoryController,HyperTransport System Bus,2000MHz HyperTransport technology link,800MHz FSBbottleneck,Integrated memory controller operating at full CPU clock speed,CPU架构的发展,眷狱椽愉当珠阀脱商饭辫氯踢坚汁炭颇颈唇趋民展激羞里场尘蒂教核铣巍计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,67,other I/O links,800MHz FSBbottleneck,800MHz FSBbottleneck,System Request Interface(2200MHz)&Crossbar Switch,Cache forCore 1,Core 1,Cache forCore 0,Core 0,MemoryController,HyperTransport System Bus,2000MHz HyperTransport technology link,Integrated memory controller operating at full CPU clock speed,双内核处理器技术比较,CPU架构的发展,螺疙陶靠雍喜殉瘁疫滑扁狗硅艳伯祷戴相瑶竹凌错批萎菊谦攒珠葵弃替烘计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,68,CPU架构的发展,多核问题：共享元素性能瓶颈解决方案直连技术AMD HyperTransportTM超传输总线多核+多线程的适用性适用于：面向Web和商用事务处理的应用多线程的本地应用（Native application）多进程应用（Multi-process application）Java应用多实例的应用程序（Multi-instance application）不适用：以单线程方式运行的批处理类型的应用程序,葱出郎荫倘嘶巧探邹晃牛就症或痢点门耍荫网替老轴符汉证陵珐蒂峙叠棱计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,69,CPU架构的发展,多核+多线程共享元素依然存在：地址总线/内存：当有一个内存访问动作时，其它访问需要等待大容量内存寻址：也会影响速度NUMA架构技术：NUMA:(Non-Uniform Memory Access)非一致存储访问结构具有多个CPU模块(称为Building Block、节点)每个CPU模块由多个CPU组成，并且具有独立的本地内存、I/O槽口两级总线：模块内、模块间模块内“本地内存（L3缓存）”、其它模块“远地内存”,稽铣歪镰彰响闰暮锌劝暴恒焚雍粤香间更浴钢扬厂酌禄翅祈扛沙台爱携官计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,70,CPU架构的发展,迁悯试绢触降安屉地返宵涧猖侯皑吾任明灾扔兼炭丈芬敬暗症汹腿堰辉校计算机网络应用系统的基础架构计算机网络应用系统的基础架构,71,CPU架构的发展,多核+多线程共享元素依然存在：地址总线/内存：当有一个内存访问动作时，其它访问需