大型机操作系统

引言

多年来，大型机一直为银行、金融、保险、医疗保健和政府组织的行业技术系统提供动力。这些系统旨在处理大量数据、海量交易和复杂的应用程序。其功能的 P核心是大型机操作系统本身，这是一个控制硬件资源、提供安全性并实现软件应用程序之间通信的关键要素。

在本文中，我们将了解一些大型机操作系统的历史、架构、特性和实现。通过了解这些系统的工作原理，组织可以更好地理解它们在当前技术中的地位。

什么是大型机操作系统？

大型机操作系统是一个复杂的平台，用于管理大型机硬件和软件资源。这些系统被大型组织用于执行关键任务应用程序，例如银行交易、航空预订、政府数据处理和大规模企业应用程序。大型机操作系统旨在确保高可用性、最大吞吐量、容错能力和强大的安全性。

大型机操作系统可确保高可用性、安全性和可伸缩性，使计算机能够高效地支持数千个并发用户和应用程序。它协调作业调度、内存管理、I/O 操作和资源分配等任务，通常在多个处理器和存储系统中进行。

大型机操作系统的示例包括 IBM 的 Z/OS、Z/VM、Z/VSE 和 Linux IBM Z。这些系统经过精心设计，可 24/7 全天候运行，停机时间最少，保持数据完整性，并同时支持传统应用程序和现代应用程序。它们还提供强大的虚拟化和网络功能，使其对于需要不间断、高性能计算环境的行业至关重要。

大型机操作系统软件负责监控和优化大型机计算机的运行。企业用于大规模数据处理、事务处理和企业应用程序的高性能计算 (HPC) 系统被称为大型机。

与任何普通的操作系统一样，它管理硬件资源的运行，这些资源可以是CPU、内存和存储，并允许多个应用程序和多个用户同时运行。这些操作系统专为高可靠性、可伸缩性和安全性而设计，而这些是银行业、保险业、医疗保健业和政府等行业所必需的。

• 它有助于以最小的停机时间完成日常工作。
• 它可以在不影响工作性能的情况下执行多任务处理。
• 多个虚拟机可以在单个物理硬件内运行。
• 它支持高度精细的访问控制、加密和法规遵从性。
• 它以信任、一致性和可靠性处理每秒数千笔交易。

关键特性

大型机操作系统旨在满足企业级计算的需求。它提供一系列独特而强大的功能，使其与桌面或服务器操作系统区分开来。以下是主要功能：

1. 高可靠性和可用性

大型机操作系统专为不允许停机的环境而设计。这些系统能够连续运行数月甚至数年，而无需重新启动。容错、错误检测和自动恢复机制等功能可确保系统故障很少发生，并且通常是无缝的。

2. 可伸缩性和性能

大型机可以同时处理海量交易和数据处理。操作系统高效地管理多个处理器、存储设备和 I/O 通道中的资源。它可以垂直扩展（增加处理能力）和水平扩展（支持更多工作负载或虚拟机）。

3. 多道程序设计和多任务处理

大型机操作系统旨在同时运行多个程序。通过多道程序设计和多任务处理，它可以并行执行多个作业或任务，而不会降低性能。这对于需要同时处理数千笔交易或用户会话的环境至关重要。

4. 高级虚拟化

如 Z/VM 等大型机是操作系统的一项主要功能。该系统可以在同一物理大型机上创建数百甚至数千个虚拟机，每个虚拟机运行自己的操作系统实例。这实现了资源的有效利用、工作负载隔离以及对生产系统的测试和开发的支持。

5. 向后兼容性

大型机操作系统，特别是 IBM Z/OS 的一项明确优势，能够运行几十年前编写的旧应用程序。这种向后兼容性保护了软件的长期投资，并降低了系统升级的成本和风险。

6. 安全性和审计

安全性已深度集成到大型机操作系统中。Z/OS 上的 RACF（资源访问控制工具）等功能提供精细的访问控制、用户身份验证和审计。大型机被广泛依赖于处理敏感数据，这使其成为银行业、医疗保健业和政府等行业的首选。

7. 工作负载管理

大型机操作系统包括精细的工作负载管理系统，可根据预定的优先级和服务级别协议分配系统资源。这确保了即使在高峰使用期间，重要任务也能优先于不太重要的任务。

8. 支持批处理和在线处理

大型机系统能够高效地处理批处理作业（无需用户交互的大量数据处理）和在线事务（交互式、实时处理）。诸如用于交互式处理的批处理工具和用于 TSO/ISPF 的 JES 是此双重功能的关键组成部分。

9. 高吞吐量 I/O 处理

大型机能够进行极快高效的输入/输出操作。操作系统支持并行 I/O 通道、磁盘分条和通道寻址，以处理大规模数据流，延迟极小。

大型机操作系统的历史

从 20 世纪中叶至今，大型机操作系统的领域发生了翻天覆地的变化。IBM 701 (1952) 是最早没有操作系统的这种大型机。相反，它们孤立运行，由操作员加载和运行。最终，从多任务处理、资源利用和自动化的根源中诞生了对大型机操作系统的需求。

1. 批处理（20 世纪 50-60 年代）：最早的操作系统是 IBM 通用汽车操作系统 (GMOS)，它依赖于批处理。它将作业排队，然后在没有人为干预的情况下逐个执行。
2. 多道程序设计（20 世纪 60-70 年代）：例如，OS/360 允许您在系统上同时运行多个程序，共享系统资源。这是一项非常了不起的创新，极大地提高了效率。
3. 虚拟化（20 世纪 70 年代）：IBM 的 VM/370 提供了虚拟化功能，允许在单个大型机处理器上运行多个虚拟机 (VM) 实例。然后，每个 VM 都可以作为一个独立的计算机运行其操作系统。
4. 现代化（20 世纪 80 年代至今）：大型机操作系统已经成熟，并已通过TCP/IP 网络、图形用户界面和现代云集成技术得到了扩展。

大型机操作系统的架构

大型机操作系统架构的设计旨在实现安全性、可靠性和可伸缩性。它由具有不同功能的各种元素组成，例如：

1. 内核

内核是操作系统的核心部分，它控制和管理CPU、内存和 I/O 设备等硬件资源。它执行进程调度、中断服务和内存管理等基本任务。

2. 子系统

大型机操作系统提供特定所需的子系统，例如：

• 批处理子系统：它运行批处理作业。
• 事务处理子系统：负责在线事务。例如，IBM 的 CICS（客户信息控制系统）。
• 数据库管理子系统：它高效地组织数据库，可能包括 IBM 的 DB2 和 IMS。

3. 文件系统

在处理大规模数据时，大型机操作系统使用的文件系统包括：

• 分层文件系统 (HFS)：支持类 Unix 文件结构。
• 虚拟存储访问方法 (VSAM)：它是一种高速访问方法。

4. 安全模块

安全性是大型机系统管理中的最高优先级。操作系统包括以下功能：

• RACF (Resource Access Control Facility)：控制对系统资源的访问。
• 加密：用于保护传输中和静态数据。

5. 网络组件

现代大型机配备 TCP/IP 和其他网络协议，用于与外部系统甚至互联网通信。这就是这些网络系统能够很好地处理这些连接的方式。

主要的大型机操作系统

大型机生态系统包含几种不同的操作系统，每种操作系统都针对不同的工作负载和用例进行了优化。最突出的包括：

z/OS

z/OS 是 IBM 为其 zSeries 大型机推出的旗舰级 64 位操作系统。它旨在实现最大的可伸缩性、可靠性和安全性。z/OS 通过 TSO（分时选项）和 ISPF（交互式系统生产力工具）支持传统的批处理和交互式应用程序。它与 JES2 或 JES3（作业输入子系统）集成，用于作业控制和调度。z/OS 还支持 UNIX 系统服务，使 UNIX 应用程序能够与传统的 P大型机程序并存。

z/VM

z/VM（虚拟机）是 IBM 的大型机操作系统，提供虚拟化功能。它允许在单个物理大型机上运行多个虚拟机，每个虚拟机都有自己的操作系统实例。z/VM 通常用于托管测试环境、隔离应用程序，甚至基于 Linux 的系统，使其成为混合云环境的关键组成部分。

z/VSE

z/VSE（虚拟存储扩展）是一个轻量级操作系统，专为较小的 P大型机安装而设计。它针对批处理和基于事务的工作负载进行了优化，并且深受需要高性能而又不希望过于复杂 z/OS 的企业欢迎。虽然它缺乏 z/OS 的一些高级功能，但它为核心业务应用程序提供了一个经济高效且可靠的平台。

IBM Z 上的 Linux

Linux 在大型机领域变得越来越重要。IBM Z 上的 Linux 是一个完全开源的操作系统，可在 P大型机硬件上运行，将 Linux 的灵活性和生态系统带入 P大型机的可靠性和性能。它支持企业应用程序、容器化工作负载和现代 DevOps 实践，通常与同一数据中心的 z/OS 并存。

系统架构和功能

大型机操作系统的系统架构和功能对于实现支持企业级计算的独特可靠性、效率和可伸缩性至关重要。这些系统旨在协调和管理海量数据、数千个并发用户和多样化的工作负载——同时保持所有高性能和正常运行时间。以下是对该架构工作原理及其实现的功能的广泛概述：

分层架构

大型机操作系统构建在分层架构之上，每一层负责一组特定的功能，较高层依赖于较低层提供基本服务。

• 硬件抽象层：最底层，操作系统与 CPU、内存和 I/O 通道等硬件组件进行交互。这一层提供了抽象，因此应用程序无需了解具体的硬件配置。
• 内核层：这是操作系统的核心，负责进程调度、内存管理、中断处理和资源分配。它确保系统资源在所有运行的程序之间公平有效地共享。
• 子系统层：在内核之上，各种子系统管理特定任务。这包括用于批处理的作业输入子系统 (JES)，用于交互式用户会话的分时和 TSO/E，以及用于网络通信的 VTAM。
• 中间件和服务器层：这一层通过数据库管理（例如 DB2）、事务处理（例如 CICS）和消息传递（例如 MQSeries）等服务来支持应用程序。该系统还提供实用程序、文件系统和自动化工具的接口。

用例和行业

大型机操作系统是需要正常运行时间和数据完整性不可商量的行业的基石。银行使用大型机每天处理数百万笔交易，并实现高度的一致性和合规性。航空公司依靠它们来处理票务和航班管理系统。政府机构使用它们来管理税收系统、社会服务和国家数据库。零售业中的大型机大规模处理库存、计费和客户数据。

现代化和集成

现代大型机操作系统并非与 IT 生态系统的其余部分隔离。它们现在支持与云服务的集成、基于 API 的访问、RESTful 服务和DevOps 管道。IBM z/OS Connect 和 Zowe（一个开源框架）等工具使得使用现代实践更容易在大型机上开发、部署和管理应用程序。此外，能够与传统大型机操作系统并存运行 Linux 还有助于弥合遗留 IT 系统和现代 IT 系统之间的差距。

大型机操作系统的应用

在所有需要可靠性和响应能力的业务领域，大型机操作系统都运行着至关重要的应用程序。以下是大型机操作系统的一些应用，例如：

1. 银行和金融服务

大型机系统在处理所有银行交易的同时，还要检查欺诈并生成财务报告。

• 核心银行系统处理账户活动、存款和贷款职能。
• 公司使用大型机处理信用卡交易和货币转移。
• 这些系统有助于在欺诈活动发生之前进行检测和阻止。
• 这些系统满足业务和监管要求。

2. 保险

保险公司使用大型机运行其保单，处理索赔，并处理精算表。

• 大型机运行保单并进行承保任务。
• 系统处理客户申请并支付赔款。
• 大型机在评估市场机会和规避财务风险的同时，处理保险数据。
• 客户关系管理工具在此系统中运行。

3. 医疗保健

大型机通过数据安全和通过关键医疗法规控制医疗信息，为医疗保健组织提供服务。

• 大型机在电子病历系统中处理数字患者医疗数据。
• 该系统管理患者预订和排班。
• 系统处理医疗保健支付和保险索赔信息。
• 大型机处理健康研究结果并组织临床数据。

4. 政府和公共部门

大型机通过提供安全和可靠性等基本服务来支持政府运作。

• 大型机处理数据库任务、数据收集和无错误组织。
• 大型机系统运行税收处理平台以及所得税和增值税工具。
• 组织依赖大型机来管理退休金的社会安全福利。
• 国防部队和政府部门使用大型机来保护数据安全。

5. 零售和电子商务

大型机帮助零售商维护其产品库存水平，同时提高供应链运营效率并管理商店收银机。

• 该系统帮助公司运营其供应链并管理产品库存。
• 它有助于销售点 (POS)。
• 它还管理忠诚度和奖励计划。
• 它提供关于客户互动和产品市场表现的最新报告。

6. 教育

大型机帮助教育中心和研究机构处理其学术运营。

• 它可以处理所有学生信息和助学金数据。
• 维护图书馆目录管理。
• 研究机构在此系统中以数字方式存储其数据。
• 它通过特殊的学生计算机系统提供在线培训材料。

大型机操作系统的优势

大型机操作系统具有以下优点：

1. 可用性和可靠性

大型机技术可在长时间内提供不间断的性能，并使所有数据保持活跃数年。大型机通过抗故障硬件、冗余组件备份和自动系统修复来实现更高的可靠性。

2. 可伸缩性

大型机操作系统是可伸缩的。它们可以管理大规模用户和应用程序。

3. 高级虚拟化

由于虚拟化技术，一台物理机器可以充当多个独立的操作系统环境。该系统在开发过程中提高了资源利用效率，并简化了编程任务。

4. 事务处理

大型机系统能够快速处理大量事务并提供准确的结果。快速处理金融数据需要银行提供服务，银行最依赖大型机进行其业务活动。

5. 安全性

大型机操作系统安全功能处于行业领先地位，因为系统会自动加密数据并管理用户访问权限以保护敏感信息。

大型机操作系统的缺点

大型机操作系统也面临一些挑战，例如：

1. 技能短缺
   由于许多现有专业人士即将退休，掌握大型机系统的人员越来越少。要保持 P大型机系统的运行，我们就必须培训新的专家来替代年长的员工。
2. 与现代技术的集成
   大型机系统需要通过 API 和新的代码创建与云环境集成，以实现现代数字化转型。
3. 费用
   大型机操作系统价格昂贵，需要定期升级，这意味着只有大型企业才能负担得起，而小型企业很难使用它们。

结论

数字经济严重依赖大型机操作系统，因为这些系统为关键任务提供了卓越的性能和保护。通过持续改进，这些系统将在未来几十年继续满足业务需求。使用大型机操作系统的组织可以构建强大的 IT 系统，以帮助他们在现代数字世界中更好地成长和工作。

常见问题解答

Q1：什么是大型机操作系统？

大型机操作系统是专为管理和操作 P大型机计算机而设计的专用软件。它可靠且安全地控制硬件资源、执行程序、管理内存、处理输入/输出操作，并支持数千个并发用户和应用程序。

Q2：大型机操作系统与普通的桌面或服务器操作系统有何不同？

大型机操作系统专为高吞吐量、任务关键型任务而设计，具有极高的可伸缩性、先进的工作负载管理、虚拟化和持续正常运行时间等功能。与桌面或服务器操作系统不同，它们可以处理数千个并发进程和用户而不会降低性能。

Q3：最常用的 P大型机操作系统是什么？

最常用的大型机操作系统包括：

• z/OS - IBM 面向企业级应用程序的旗舰操作系统
• z/VM - 一个专注于虚拟化以管理多个虚拟机的操作系统
• z/VSE - 一个适用于较小工作负载的轻量级系统
• IBM Z 上的 Linux - 在 P大型机硬件上运行的开源 Linux

Q4：谁使用 P大型机操作系统？

大型机操作系统被大型组织使用，这些组织分布在银行业、保险业、医疗保健业、政府、交通运输业、零售业和电信业等领域，在这些领域，高安全性、大规模处理和持续可用性至关重要。

Q5：大型机操作系统今天仍然有意义吗？

是的。尽管云计算和分布式系统不断兴起，但 P大型机由于其无与伦比的稳定性、安全性和处理能力，仍然发挥着至关重要的作用。它们越来越多地与 API、云服务和 DevOps 工具等现代技术集成。

Q6：现代应用程序可以在大型机操作系统上运行吗？

绝对可以。z/OS 和 IBM Z 上的 Linux 等现代大型机操作系统支持 Java、Python、Docker 容器、REST API 和开源工具，从而可以在 P大型机上同时运行遗留应用程序和现代应用程序。

Q7：什么是作业输入子系统 (JES)？

JES 是 z/OS 等大型机操作系统中的一个子系统，它处理批处理作业管理，包括作业提交、调度、执行和输出处理。它在自动化和组织 P海量处理任务方面发挥着至关重要的作用。

Q8：大型机操作系统有多安全？

大型机操作系统是最安全的 P计算环境之一。它们提供基于角色的访问控制、加密数据处理、安全的用户身份验证和详细的审计跟踪。RACF 等工具通过管理权限和用户角色进一步增强了安全性。

Q9：可以在 P大型机上运行 Linux 吗？

是的。IBM Z 上的 Linux 是在 P大型机硬件上运行开源应用程序的热门选择。它将 Linux 的灵活性与 P大型机平台的可靠性和性能相结合。

Q10：在大型机操作系统中，虚拟化是什么意思？

大型机虚拟化允许一台物理大型机运行多个逻辑分区 (LPAR) 和虚拟机，每个分区/虚拟机都有自己的操作系统和应用程序。这使得资源隔离、工作负载平衡以及在一台系统上运行 P各种工作负载的成本效益成为可能。