Разделение времени в вычислительных системах

Введение

Общий вычислительный ресурс, используемый несколькими пользователями — вычислительный термин.

В информатике, разделение времени (таймшеринг) — это совместное использование вычислительного ресурса между множеством задач или пользователей. Оно обеспечивает многозадачность для одного пользователя или позволяет осуществлять несколько пользовательских сеансов одновременно. Разработанное в 1960-х годах, его становление как доминирующей модели вычислений в 1970-х годах стало значительным технологическим сдвигом в истории информатики. Предоставляя возможность многим пользователям взаимодействовать с одним компьютером одновременно, разделение времени значительно снизило стоимость вычислительных ресурсов, сделало возможным использование компьютера отдельными лицами и организациями без его приобретения, а также способствовало интерактивному использованию компьютеров и разработке новых интерактивных приложений.

Обработка партий

Самые ранние компьютеры были чрезвычайно дорогими устройствами и очень медленными по сравнению с последующими моделями. Машины обычно предназначались для выполнения конкретного набора задач и управлялись с помощью панелей управления, где оператор вручную вводил небольшие программы, переключая тумблеры для загрузки и запуска серии программ. Выполнение этих программ могло занимать часы. С увеличением скорости компьютеров время выполнения сокращалось, и вскоре стало проблемой время, необходимое для запуска следующей программы. Новые программные средства и методики пакетной обработки, включая пакетные операционные системы, такие как IBSYS (1960), уменьшили эти "простои", ставя программы в очередь на выполнение. Программисты использовали относительно недорогие перфораторы карт или устройства для записи на бумажные ленты для написания своих программ "в автономном режиме". Программы передавались операторской группе, которая планировала их запуск. Результаты (обычно в виде распечаток) возвращались программисту. Весь процесс мог занять несколько дней, в течение которых программист мог даже не увидеть компьютер. Студенты Стэнфордского университета сняли короткометражный фильм, юмористически критикующий эту ситуацию. Альтернатива – предоставление пользователю возможности напрямую управлять компьютером – обычно была слишком дорогой. Это объяснялось тем, что пользователи могли тратить много времени на ввод кода, в то время как компьютер простаивал. Такая ситуация ограничивала интерактивную разработку организациями, которые могли позволить себе тратить вычислительные ресурсы: в основном крупными университетами.

Разделение времени

Утверждается, что концепция была впервые описана Робертом Доддом в письме, написанном им в 1949 году, хотя он и не использовал термин "разделение времени". Позже Джон Бэкус также описал эту концепцию, но не использовал этот термин, на летней сессии 1954 года в МТИ. Боб Бемер использовал термин "разделение времени" в своей статье 1957 года "Как рассматривать компьютер", опубликованной в журнале Automatic Control Magazine, и, как сообщается, в том же году использовал этот термин в своей презентации. В статье, опубликованной в декабре 1958 года, В. Ф. Бауэр писал: "Компьютеры будут одновременно обрабатывать несколько задач. Организации будут устанавливать оборудование для ввода-вывода данных на своей территории и приобретать время на компьютере примерно так же, как обычный дом покупает электроэнергию и воду у коммунальных служб". Кристофер Стречи, ставший первым профессором вычислительной техники Оксфордского университета, подал заявку на патент на "разделение времени" в феврале 1959 года. Он представил доклад "Разделение времени в больших и быстрых компьютерах" на первой конференции ЮНЕСКО по обработке информации в Париже в июне того же года, где он передал эту концепцию Дж. К. Р. Ликлайдеру. В 1963 году Вычислительный центр МТИ признал этот доклад "первой работой о компьютерах с разделением времени". Значение термина "разделение времени" со временем изменилось по сравнению с его первоначальным использованием. С 1949 по 1960 год "разделение времени" использовалось для обозначения многопрограммности без множественных пользовательских сеансов. Первая интерактивная система разделения времени общего назначения, пригодная для разработки программного обеспечения, Compatible Time Sharing System (CTSS), была инициирована Джоном Маккарти в МТИ, который в 1959 году написал соответствующую записку. Фернандо Корбато возглавил разработку системы, прототип которой был создан и протестирован к ноябрю 1961 года. Филип М. Морз договорился с IBM о предоставлении серии их мейнфрейм-компьютеров, начиная с IBM 704, а затем линейки продуктов IBM 709, включая IBM 7090 и IBM 7094. МТИ мог использовать компьютеры IBM только восемь часов в день; еще восемь часов были доступны для других колледжей и университетов; IBM могла использовать свои компьютеры в течение оставшихся восьми часов, хотя и с некоторыми исключениями. В 1963 году вторая установка CTSS была развернута на IBM 7094, приобретенном МТИ на средства ARPA. Она использовалась для поддержки разработки Multics в рамках проекта MAC. Система разделения времени Дартмутского колледжа (DTSS) начала работу в марте 1964 года.

The concept is claimed to have been first described by Robert Dodds in a letter he wrote in 1949 although he did not use the term time sharing. Later John Backus also described the concept, but did not use the term, in the 1954 summer session at MIT. Bob Bemer used the term time sharing in his 1957 article "How to consider a computer" in Automatic Control Magazine and it was reported the same year he used the term time sharing in a presentation. In a paper published in December 1958, W. F. Bauer wrote that "The computers would handle a number of problems concurrently. Organizations would have input output equipment installed on their own premises and would buy time on the computer much the same way that the average household buys power and water from utility companies." Christopher Strachey, who became Oxford University's first professor of computation, filed a patent application for "time sharing" in February 1959. He gave a paper "Time Sharing in Large Fast Computers" at the first UNESCO Information Processing Conference in Paris in June that year, where he passed the concept on to J. C. R. Licklider. This paper was credited by the MIT Computation Center in 1963 as "the first paper on time shared computers". The meaning of the term time sharing has shifted from its original usage. From 1949 to 1960, time sharing was used to refer to multiprogramming without multiple user sessions. The first interactive, general purpose time sharing system usable for software development, Compatible Time Sharing System, was initiated by John McCarthy at MIT writing a memo in 1959. Fernando J. Corbató led the development of the system, a prototype of which had been produced and tested by November 1961. Philip M. Morse arranged for IBM to provide a series of their mainframe computers starting with the IBM 704 and then the IBM 709 product line IBM 7090 and IBM 7094. MIT could only use the IBM computers for eight hours a day; another eight hours were available for other colleges and universities; IBM could use their computers for the remaining eight hours, although there were some exceptions. In 1963 a second deployment of CTSS was installed on an IBM 7094 that MIT has purchased using ARPA money. This was used to support Multics development at Project MAC. Dartmouth Time Sharing System (DTSS) began service in March 1964.

Разработка

В конце 1960-х и 1970-х годов компьютерные терминалы подключались к большим институциональным мейнфрейм-компьютерам (централизованным вычислительным системам), которые во многих реализациях последовательно опрашивали терминалы, чтобы проверить, доступны ли дополнительные данные или запрошено ли действие пользователем. Более поздние технологии межсоединений работали на основе прерываний, и некоторые из них использовали параллельные технологии передачи данных, такие как стандарт IEEE 488. Как правило, компьютерные терминалы использовались в учебных заведениях в тех же местах, где сегодня располагаются настольные или персональные компьютеры. На заре развития персональных компьютеров многие из них фактически использовались в качестве особо продвинутых терминалов для систем разделения времени. Создатели DTSS в 1968 году писали, что "любое среднее время отклика, превышающее 10 секунд, разрушает иллюзию наличия собственного компьютера". В свою очередь, пользователи систем разделения времени считали, что их терминал и есть компьютер. Это был эффективный способ совместного использования вычислительных ресурсов большого компьютера. DTSS поддерживала более 100 одновременных пользователей. Хотя более 1000 из 19 503 заданий, выполненных системой в "особенно загруженный день", требовали 10 секунд или более времени работы на компьютере, DTSS справлялась с ними, поскольку 78% заданий требовали одну секунду или меньше времени работы на компьютере. Около 75% из 3197 пользователей использовали свой терминал в течение 30 минут или меньше, за это время они использовали менее четырех секунд вычислительного времени. Симулятор футбола, одна из первых игр для мейнфреймов, разработанная для DTSS, требовала менее двух секунд вычислительного времени для 15 минут игрового времени. С появлением микрокомпьютеров в начале 1980-х годов разделение времени потеряло свою значимость, поскольку отдельные микропроцессоры стали достаточно дешевыми, чтобы один человек мог иметь в своем распоряжении все время процессора исключительно для своих нужд, даже в режиме простоя. Однако Интернет возродил общую концепцию разделения времени. Дорогие корпоративные серверные фермы, стоимостью в миллионы, могут обслуживать тысячи клиентов, совместно использующих одни и те же ресурсы. Как и в случае с ранними последовательными терминалами, веб-сайты работают в основном короткими периодами активности, за которыми следуют периоды бездействия. Эта неравномерность позволяет обслуживать множество клиентов одновременно, обычно без ощутимых задержек в связи, если только серверы не перегружены.

Throughout the late 1960s and the 1970s, computer terminals were multiplexed onto large institutional mainframe computers (centralized computing systems), which in many implementations sequentially polled the terminals to see whether any additional data was available or action was requested by the computer user. Later technology in interconnections were interrupt driven, and some of these used parallel data transfer technologies such as the IEEE 488 standard. Generally, computer terminals were utilized on college properties in much the same places as desktop computers or personal computers are found today. In the earliest days of personal computers, many were in fact used as particularly smart terminals for time sharing systems. DTSS's creators wrote in 1968 that "any response time which averages more than 10 seconds destroys the illusion of having one's own computer". Conversely, timesharing users thought that their terminal was the computer. It was an efficient way to share a large computer. DTSS supported more than 100 simultaneous users. Although more than 1,000 of the 19,503 jobs the system completed on "a particularly busy day" required ten seconds or more of computer time, DTSS was able to handle the jobs because 78% of jobs needed one second or less of computer time. About 75% of 3,197 users used their terminal for 30 minutes or less, during which they used less than four seconds of computer time. A football simulation, among early mainframe games written for DTSS, used less than two seconds of computer time during the 15 minutes of real time for playing the game. With the rise of microcomputing in the early 1980s, time sharing became less significant, because individual microprocessors were sufficiently inexpensive that a single person could have all the CPU time dedicated solely to their needs, even when idle. However, the Internet brought the general concept of time sharing back into popularity. Expensive corporate server farms costing millions can host thousands of customers all sharing the same common resources. As with the early serial terminals, web sites operate primarily in bursts of activity followed by periods of idle time. This bursting nature permits the service to be used by many customers at once, usually with no perceptible communication delays, unless the servers start to get very busy.

Поднимается и падает

В 1975 году исполняющий обязанности президента Prime Computer Бен Ф. Робелен заявил акционерам, что "наибольшим рынком конечных пользователей в настоящее время является совместное использование вычислительного времени". Для DEC, некоторое время второй по величине компьютерной компании (после IBM), это также было верно: их PDP 10 и IBM 360/67 широко использовались коммерческими сервисами таймшеринга, такими как CompuServe, On Line Systems, Inc. (OLS), Rapidata и Time Sharing Ltd. Появление персональных компьютеров ознаменовало начало спада популярности совместного использования вычислительного времени. Экономическая ситуация сложилась таким образом, что вычислительное время перестало быть дорогим ресурсом, которым необходимо было делиться, и стало настолько дешевым, что компьютеры могли простаивать длительное время, чтобы быть доступными по требованию.

Rapidata как пример

Хотя многие службы совместного использования времени просто закрылись, Rapidata удержалась на плаву и стала частью National Data Corporation. В 1982 году она все еще вызывала достаточный интерес, чтобы стать темой "Руководства для пользователей по статистическим программам: система совместного доступа ко времени Rapidata". Даже когда выручка упала на 66%, а National Data впоследствии столкнулась с собственными трудностями, предпринимались попытки сохранить этот бизнес.

Великобритания

Time Sharing Limited (TSL, 1969–1974) была запущена на системах DEC. ПЕРТ был одним из её популярных продуктов/услуг. В 1974 году TSL была приобретена компанией ADP. OLS Computer Services (UK) Limited (1975–1980) использовала системы HP и DEC.

Компьютерная утилита

Начиная с 1964 года, операционная система Multics разрабатывалась как вычислительный сервис, по аналогии с электро- или телефонными сетями. В 1970-х годах первоначальный гипертекстовый репозиторий "Xanadu" Теда Нельсона задумывался как подобный сервис.

Безопасность

Разделение времени стало первым случаем, когда несколько процессов, принадлежащих разным пользователям, работали на одном компьютере, и эти процессы могли влиять друг на друга. Например, один процесс мог изменять общие ресурсы, от которых зависел другой процесс, такие как переменная, хранящаяся в памяти. Когда системой пользовался только один человек, это могло приводить к неверным результатам, но при работе нескольких пользователей это могло означать, что другие пользователи получали доступ к информации, которую не должны были видеть. Чтобы предотвратить это, операционной системе требовалось обеспечить соблюдение набора политик, определяющих права доступа каждого процесса. Например, операционная система могла запретить определенному процессу доступ к определенной переменной. Первая международная конференция по компьютерной безопасности, прошедшая в Лондоне в 1971 году, была в основном инициирована индустрией разделения времени и ее клиентами. Разделение времени в форме оболочечных аккаунтов рассматривалось как фактор риска.