Архитектура и технологии IBM eServer zSeries

Операционные системы и программное обеспечение
на платформе zSeries

2-е издание, исправленное

Варфоломеев В.А.
Лецкий Э.К.
Шамров М.И.
Яковлев В.В.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 004.7(075.8)
ББК 15
А87
Архитектура и технологии IBM eServer zSeries / Варфоломеев В.А., Лецкий Э.К., Шмаров М.И.,
Яковлев В.В. - M.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы
информационных технологий)
ISBN 5-9556-0036-1

Представлены компоненты, принципы построения, базовые механизмы, а также языковые и
интерфейсные средства операционной системы z/OS для систем IBM eServer zSeries.
Рассмотрены программные средства IBM для построения информационных систем (WebSphere, DB2,
Lotus, MQSeries). Приведены примеры практической реализации решений IBM на платформе zSeries.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2005-2016
(c) Варфоломеев В.А., Лецкий Э.К., Шамров М.И., Яковлев В.В., 2005-2016

3

Эволюция z/OS

Серверы S/390 и zSeries могут функционировать под управлением различных
операционных систем (ОС), каждая из которых располагает собственной средой для
выполнения приложений и работы пользователей, а также имеет специфические
особенности и области применения. На рис. 5.1 показаны четыре направления развития
системного программного обеспечения, применяемого на мэйнфреймах IBM начиная с
60-х годов. Каждое направление представлено семейством операционных систем с
единой концепцией построения и языковыми средствами, а также общими базовыми
архитектурными компонентами, адаптируемыми к сменяющим друг друга аппаратным
нововведениям. Внутри каждого семейства при переходе к новым версиям
поддерживается принцип наследования “снизу-вверх”. Это означает, что приложения,
разработанные для старых моделей систем, могут выполняться и на более новых
моделях. В то же время в системе появляются возможности и компоненты,
раскрывающие преимущества новых аппаратных платформ.

Первое направление c начала 70-х годов базируется на технологии управления
памятью MVS (Multiple Virtual Storage) и включает наиболее популярные и широко
используемые сегодня операционные системы OS/390 и z/OS. Это направление
позиционируется IBM как стратегическое, поскольку обеспечивает использование
возможностей мэйнфреймов в полном объеме. Следует отметить, что операционная
система ОС ЕС, известная специалистам по отечественной линейке компьютеров
единой серии (ЕС ЭВМ), также может быть отнесена к данному семейству, поскольку в
ее основе лежала архитектура MVS. Подробное описание технологии MVS, а также
архитектуры и возможностей операционной системы z/OS будет представлено в п. 5.1.

Рис. 5.1.  Эволюция операционных систем мэйнфреймов IBM

Таблица 5.1. Операционные системы, поддерживающие серверы z9xx

Операционные

системы

Режим 31-разрядной

адресации

Режим 64-разрядной

адресации

z/OS V1R1 и выше
да
да

OS/390 V2R10
да
да

OS/390 V2R6-R9
да
нет

z/VM V3R1 и выше
да
да

VM/ESA V2R3-R4
да
нет

4

VSE/ESA V2R3 и выше да
нет

Linux for zSeries
нет
да

Linux for OS/390
да
нет

Второе направление представлено семейством операционных систем, построенных на
основе концепции “виртуальных машин” VM (Virtual Machine). Данная технология
позволяет “разбить” реальный компьютер на произвольное число виртуальных,
каждый из которых использует свою часть ресурсов системы (процессорное время,
оперативную память, периферийные устройства). Виртуальные машины могут
работать параллельно под управлением различных (“гостевых”) операционных систем
и решать различные наборы задач. Современная версия операционной системы
виртуальных машин z/VM будет представлена в п. 5.2.

В основе третьего направления лежит технология, получившая название VSE (Virtual
Storage Extended). Начиная с первой версии, вышедшей под названием DOS (Disk
Operating System) (читателям со стажем, быть может, известна аналогичная
отечественная разработка ДОС ЕС), операционные системы данного семейства
ориентированы на малые и средние по мощности конфигурации мэйнфреймов. Выпуск
версии VSE для платформы zSeries не планируется.

Четвертое направление, родившееся совсем недавно (в 1999 г.), связано с поддержкой
на платформах S/390 и zSeries популярной во всем мире операционной системы Linux.
Данное решение позволяет перенести на серверы IBM существующие приложения и
системы, работающие в среде Linux, что в совокупности с большой мощностью,
надежностью и защищенностью мэйнфреймов обеспечивает существенное снижение
затрат на эксплуатацию системы. Обзор возможностей и характеристика операционных
систем Linux для S/390 и Linux для zSeries будет представлен в п. 5.2.

Выбор той или иной операционной системы определяется множеством требований,
учитывающих характеристики производительности и безопасности, наличие
необходимого набора сервисов, совместимость с имеющимися приложениями и т.п. В
данной главе представлены необходимые сведения о возможностях и архитектурных
особенностях операционных систем z/OS, z/VM и Linux, предлагаемых в настоящее
время для установки на серверы zSeries. Операционные системы IBM,
поддерживающие серверы z9хх в режимах 31 и 64-разрядной адресации, представлены
в таблице 5.1.

Эволюция z/OS

z/OS представляет собой новейшую операционную систему, спроектированную и
разработанную для серверов zSeries с учетом перехода на 64-разрядную архитектуру.
Как представитель семейства MVS, z/OS унаследовала основные конструктивные
элементы своей предшественницы OS/390, сохранив и развив ее базовые возможности.
Поэтому рассмотрение архитектуры z/OS целесообразно начать с исторического
обзора, раскрывающего особенности технологии MVS и основные этапы
совершенствования ОС вместе с совершенствованием аппаратной платформы (рис.
5.1).

5

Однако в начале введем несколько важнейших понятий, которые помогут
сориентироваться тем читателям, которые только начинают знакомиться с
мэйнфреймами IBM.

Пакетное задание (batch job) - внешняя единица работы z/OS. Выглядит как текст,
написанный на специальном языке управления заданиями JCL (Job Control Language), в
котором указано, какие программы (загрузочные модули), в какой последовательности
и с какими данными должны быть исполнены в рамках задания. Задания формируются
и направляются в систему пользователями через терминальные устройства, консоли,
ранее запущенные программы и т.п.

Адресное пространство (address space) - совокупность ячеек виртуальной памяти,
выделяемой под размещение кода и данных принятой к выполнению программы. В
z/OS включает также вспомогательные системные таблицы и код. Программа до начала
выполнения должна либо размещаться в собственном адресном пространстве, либо
получить место в “чужом”.

Задача (task) - внутренняя единица работы z/OS. Любая программа может быть
представлена программистом как совокупность задач - фрагментов кода, которые
могут выполняться параллельно, получая кванты процессорного времени независимо
от других задач. Если задание состоит из последовательности вызываемых на
выполнение программ, то программа состоит из множества (как минимум - одной)
параллельно выполняемых задач. Синонимом задачи в других операционных системах
(Windows, UNIX) является термин “поток” (thread).

Набор данных (data set) - термин, означающий именованную совокупность связанных
элементов данных, размещаемых во внешней памяти или иных устройствах. Для
большинства читателей это не что иное, как файл.

Первые шаги

Прежде всего, следует отметить, что эволюция операционной системы z/OS связана в
первую очередь с изменениями, которые касаются методов управления основной
памятью. В период “младенчества”, связанный с платформой S/360, операционные
системы использовали технологию распределения памяти между параллельно
выполняющимися программами на основе прямого “деления” физической памяти
(OS/MFT и OS/MVT).

В начале 70-х годов, с появлением новой модели S/370, произошел переход на
технологию виртуальной памяти. Концепция виртуальной памяти обеспечивает более
эффективное использование основной памяти ЭВМ благодаря реализации следующих
принципов:

разрывное размещение программ в физической памяти блоками - страницами;
размещение страниц программы частично в основной, а частично - во внешней
памяти;
обязательное присутствие страниц программы в основной памяти лишь в период

6

ее активности (когда программа выполняется процессором);
динамический обмен страницами между основной и внешней памятью;
динамическое преобразование адресов.

Первой ласточкой, возвестившей в 1972 году эпоху виртуальной памяти, стала
операционная система Virtual Storage 2 (OS/VS2), более известная сегодня как SVS
(Single Virtual Storage). SVS обеспечивала поддержку единого виртуального адресного
пространства размером 16 MB (при 24-разрядной адресации) для всех параллельно
работающих программ. При этом реальный объем физической памяти мэйнфрейма в то
время едва мог достигать 1-2 MB.

В 1974 году SVS уступила место операционной системе MVS (Multiple Virtual Storage),
в которой были реализованы архитектурные принципы, на десятилетия определившие
направление развития операционных систем и сохранившиеся с некоторыми
изменениями в современных системах OS/390 и z/OS. Поэтому имеет смысл более
подробно рассмотреть основные этапы развития технологии MVS [1].

MVS/370 (Multiple Virtual Storage/370)

В соответствии с концепцией MVS, каждая прикладная программа, выполняющаяся на
платформе S/370, получает в свое распоряжение виртуальное адресное пространство
объемом 16 MB, что существенно увеличивает объем доступной приложению памяти
по сравнению с SVS. Это означает также, что может быть увеличено количество
одновременно выполняемых приложений. Кроме того, наличие раздельных адресных
пространств повышает степень безопасности программ и пользователей, поскольку
приложение, работающее в одном адресном пространстве, не имеет возможности
(преднамеренно или нет) напрямую обратиться к памяти в других адресных
пространствах. Однако в некоторых случаях приложения нуждаются во
взаимодействии, когда они обмениваются данными или используют одни и те же
общие программы. В MVS/370 для этой цели в каждом виртуальном адресном
пространстве была выделена так называемая общая область (common area), в которой
резервировалось место для размещения программ (предназначенных в основном для
поддержки системных сервисов) и данных, доступных всем приложениям. Остальная
часть адресного пространства, защищенная от других приложений, названа приватной
областью (private area) (рис. 5.2).

7

Рис. 5.2.  Виртуальные адресные пространства MVS/370

Для того чтобы не расширять объем общей области (и, стало быть, не сокращать объем
приватной), для некоторых системных программ MVS выделяются отдельные
виртуальные адресные пространства. Для организации взаимодействия с такими
программами, а также для взаимодействия между обычными приложениями в
архитектуре S/370 был реализован альтернативный механизм межпространственной
связи CMF (Cross Memory Facility). Этот механизм основан на специальных
процессорных командах, с помощью которых можно передавать данные из одного
адресного пространства в другое, а также запускать процедуры из других адресных
пространств. При этом используются встроенные средства обеспечения безопасности
на основе средств авторизации.

MVS/XA (Multiple Virtual Storage/eXtended Architecture)

К концу 70-х предел в 16 MB для приложений становился все более заметным
ограничивающим фактором. Переход на архитектуру S/370-XA (eXtended Architecture)
обеспечил расширение разрядности адреса до 31 бит, что дало возможность в новой
версии операционной системы MVS/XA (1983) создавать виртуальные адресные
пространства размером 231 = 2 GB (рис. 5.3). Этот объем виртуальной памяти,
выделяемый приложению, применялся вплоть до перехода на 64-разрядную
архитектуру zSeries (z/Architecture).

Рис. 5.3.  Виртуальные адресные пространства MVS/XA

Для сохранения преемственности структура виртуального адресного пространства
MVS/XA в младших 16 MB осталась прежней. Свыше границы 16 MB (как стали
говорить “above line” - “над линией”) появились расширенная общая область (Extended

8

Common Area), как продолжение общей области MVS/370, и расширенная приватная
область (Extended Private Area), дающая дополнительное жизненное пространство для
31-разрядных приложений. Механизм межпространственной связи (CMF) был
адаптирован к новому формату адресных пространств.

Следует отметить, что для поддержки “старых” приложений, разработанных для
MVS/370, в MVS/XA была сохранена возможность переключения в режим 24-разрядной
адресации. В этом случае приложения могли использовать по-прежнему только 16мегабайтную область адресного пространства.

MVS/ESA (Multiple Virtual Storage/Enterprise System Architecture)

Появление архитектуры ESA/370 в 1988 году привело к созданию операционной
системы для этой платформы, получившей название MVS/ESA. Основные нововведения
в этой версии были связаны с использованием расширенной памяти (expanded storage),
впервые реализованной в системе ES/3090 в 1985 году. Расширенная память, являясь
фактически продолжением основной (центральной) памяти, стала использоваться для
хранения вытесненных из основной памяти страниц, что позволило существенно
уменьшить время на страничный обмен по сравнению с применением для этой цели
дисковой памяти. Расширенная память адресуется поблочно (размер блока - 4 KB).
Объем расширенной памяти мог достигать 8 GB, в то время как основная память была
по-прежнему ограничена 2 GB.

В MVS/ESA появились виртуальные адресные пространства нового типа: пространства
данных (Data Spaces) и гиперпространства (от HIgh PERformance Spaces “высокопроизводительные пространства”). Общая схема адресных пространств
MVS/ESA представлена на рис. 5.4. Практически в таком виде эта схема сохранилась в
последующих версиях MVS и OS/390 и легла в основу построения z/OS.

9

Рис. 5.4.  Виртуальные адресные пространства MVS/ESA

Пространства данных могут иметь размер от 4 KB до 2 GB и адресуются побайтно.
Они могут создаваться приложениями для размещения данных произвольного типа и
доступа к этим данным в процессе выполнения. В отличие от обычных адресных
пространств, в пространствах данных не могут размещаться и исполняться
программные коды. Для доступа к данным, размещенным в пространствах данных, в
архитектуре ESA/370 в качестве базовых регистров применяются специальные
регистры доступа (AR), что позволяет приложениям одновременно взаимодействовать
с несколькими пространствами данных (до 16), используя стандартные процессорные
команды. Следует отметить, что в MVS/ESA появились пространства данных,
создаваемые для нужд операционной системы и используемые специальными
системными программами, такими как VLF, LLA, DLF и др.

Гиперпространства представляют собой разновидность пространств данных, но с
некоторыми специфическими чертами. Главная особенность заключается в том, что
данные из гиперпространств могут вытесняться только в расширенную память
(никогда во внешнюю!), что обеспечивает повышение производительности при их
обработке. Память гиперпространств адресуется поблочно (размер блока 4 KB).

MVS/ESA SP V4 (Multiple Virtual Storage/Enterprise System
Architecture, System Product Version 4)

Очередной вехой в развитии технологии MVS стало появление четвертой версии
операционной системы MVS/ESA в 1990 году, ориентированной на архитектуру
ESA/390 (ES/9000). Основные изменения системного программного обеспечения были
связаны с появлением ESCON-каналов и внедрением элементов технологии сисплекс

10