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39. Les serveurs réseaux informatiques, le matériel

Même si nous reparlerons d'hardware dans les chapitres suivants, c'est finalement le dernier réel chapitre sur le sujet, la suite reprenant les techniques serveurs Windows, donc logiciels.

Si vous n'êtes pas familiarisés avec les réseaux, je vous conseille de débuter par bases en réseaux informatiques et parties suivantes avant de commencer ce chapitre.

1. Introduction

D'abord, qu'est ce qui caractérise un réseau par rapport à un PC standard (hormis le prix): ces ordinateurs sont le plus souvent quasiment identiques au niveau fonctionnement interne mais avec des composants souvent différents au niveau performance et même technologie. Avant de débuter, un ordinateur standard peut servir de serveur et vis versa: tous les serveurs réseaux ne sont pas des machines de compétition: ceci dépend de l'application et du nombre d'utilisateur simultanés. Les serveurs dédiés à l'hébergement Internet sont de simples PC standards. On distingue plusieurs types de serveurs suivant leur fonction.

Les serveurs d'application gèrent un (ou plusieurs) programmes sur lequel plusieurs utilisateurs vont se connecter simultanément pour exécuter la même tâche. Pour clarifier, ces programmes gèrent le plus souvent des bases de données partagées, on retrouve tous les logiciels de gestion (comptabilité mais surtout gestion des stocks, facturation, ...) mais aussi suivi des processus industriels, solutions bancaires, ... La liste est loin d'être exhaustive. Forcément, la taille du serveur pour une facturation de 3 personnes simultanée n'est pas la même que l'ordinateur qui gère la fabrication d'une usine automatisée employant 5000 personnes.

Les serveurs de fichiers permettent de partager des documents, où plutôt de les centraliser sur un seul ordinateur. Cette application ne nécessite généralement pas des processeurs puissants. Ils sont parfois remplacés par des disques durs externes connectés sur le réseau Ethernet (NAS)

Les serveurs Internet (le plus souvent sous Linux) permettent d'héberger des sites et là aussi, la puissance de la machine est proportionnelle aux programmes qui tournent derrière et au nombre d'utilisateur: des sites en HTML utilisent peu de ressources alors que certaines applications basées sur une base de donnée peuvent nécessiter plusieurs serveurs couplés ... Le serveur qui héberge ce site (avec quelques autres) est un simple celeron dual Core, obsolète pour des stations de travail.

Les serveurs de processus ne sont utilisés qu'en fabrication avec des systèmes d'exploitation spécifiques. Leur rôle est de gérer des étapes de fabrication. Pour cela, ils sont optimalisés pour réagir très vite à des interruptions.

Les ordinateurs de calcul servent uniquement à ... calculer et sont utilisés par les universités, calculs météo, simulations nucléaires, ...

Dans la suite, ce cours ne s'intéresse qu'aux trois premiers, les deux derniers étant plutôt marginaux. Les petites entreprises utilisent souvent un serveur unique en interne qui sert aux applications et aux fichiers, les plus grosses utilisent plusieurs serveurs, y compris quelques uns qui font exactement la même fonction en travaillant simultanément.

2. Les différents composants d'un serveur.

Comme composants de base, il n'y aura pas de différences par rapport aux stations, seuls les composants seront (un peu) différents. J'en profite pour reprendre quoi sert à quoi dans les performances d'un ordinateur au niveau composants.

- le processeur permet d'effectuer tous les calculs mais aussi de gérer les tâches de transfert. Plus il est rapide par sa vitesse de traitement mais aussi par son architecture interne, plus les programmes seront exécutés rapidement. On voit ici que pour un serveur dédié au partage et à la sauvegarde des fichiers, ses performances sont finalement négligeables, au contraire des dédiés application.

- la mémoire RAM permet aux applications et fichiers ouvert SUR l'ordinateur d'être exécutés rapidement par le processeur. Si la mémoire est insuffisante, le système d'exploitation va automatiquement mettre en temporaire ce qui n'est pas utilisé sur le disques durs (nettement plus lent), ce qui ralentit automatiquement les applications, principalement lors du passage d'une à l'autre. De nouveau, un serveur de fichier se contentera de pas trop de mémoire, un serveur d'application va en demander beaucoup plus.

- le disque dur permet de conserver les fichiers et programmes, lors de l'ouverture, ils passent en RAM. Deux caractéristiques vont être prises en compte pour le serveur: la capacité mais surtout la vitesse de transfert. Pour un serveur de fichier, plus la capacité sera importante, plus le nombre de fichiers sauvegardé sera élevé: principalement images, vidéos, ... Par contre, une application n'utilise finalement qu'une base de donnée (éventuellement plusieurs liées entre-elles) qui finalement ne prennent pas énormément de place. Pour les deux types, la vitesse de transfert va être primordiale. Dans le premier cas, elle va augmenter la vitesse d'envoi des documents aux utilisateurs connectés sur des stations. Dans le deuxième cas, elle va augmenter la vitesse de récupération des enregistrements dans la base de donnée avant traitement et donc augmenter la vitesse de réaction du serveur aux différentes requêtes des utilisateurs.

- la carte vidéo permet d'afficher à l'écran et ... les serveurs ne sont le plus souvent pas connectés à un écran. Par contre, les cartes mères avec chipset graphique intégré utilisent le plus souvent une partie de la mémoire ram. En pratique, ceci n'a pas d'incidence pour les serveurs où la mémoire utilisable pour l'affichage est le plus faible possible (pas d'applications 3D).

- la carte mère (ou plutôt le chipset) ne vont pas réellement intervenir sur les performances directes pourtant les chipsets de ces machines sont le plus souvent spécifiques. Ceci est lié au niveau des bus utilisés, de connexions des disques durs (interface et nombre mais aussi RAID), de redondances (plusieurs composants sont mis en parallèle pour que si le premier tombe en panne, le deuxième prenne le relais).

- la carte réseau Ethernet (l'intérêt d'un réseau sans fils est très limité puisque c'est PC sont fixes par définition) est la plus rapide possible (Giga Ethernet pour les plus petit mais 10 Giga en fibre optique pour les plus gros avec des Switchs identiques). La majorité en intègrent plusieurs (une installation de 2003 en demande deux par défaut) pour équilibrer les charges ou pour séparer les réseaux internes), les versions serveurs des systèmes d'exploitation intègrent un serveur DHCP (à désactiver pour l'utilisation d'un routeur).

- le boîtier (je sais ce composant semble ridicule) va intervenir pour une question de place, la majorité des serveurs utilisent des boîtiers en rack 19" (armoires, baies, ...) qui s'insèrent dans des armoires pour une question de place (imaginez 200 tours les unes à coté des autres) qui vont être intégrés dans une armoire les uns au-dessus des autres. De fait, les lecteurs CD/DVD des versions rack sont au format slim le plus souvent (identique aux PC portables comme vu au chapitre 33). Certaines serveurs regroupent des serveurs en boîtier Lame (Blade). Par contre, les petits serveurs de fichiers dédiés PME utilisent des tours traditionnelles.

- l'alimentation n'est pas non plus très différente (les connecteurs PCI-Express utilisés par les ordinateurs de jeux sont inutiles). Seule la qualité est généralement supérieure au niveau stabilité des tensions de sortie.

- la carte audio (Si l'un de vous pense qu'un serveur réseau en intègre une ... )

La suite va justement analyser ces composants principaux qui sont spécifiques, les prix sont aussi spécifiques. Un petit serveur qui semble identique à une petite station de 500 € TVA comprise va rapidement coûter 1000 € hTVA, ça donne une idée des prix des supers-serveurs (sans compter l'installation matérielle mais surtout logicielle).

3. Les types d'architecture serveur.

Pour comprendre, il faut plutôt imaginer un ordinateur qui utilise plusieurs processeurs (le multi-coeur, également utilisé dans les PC standards n'intervient pas ici puisque c'est un seul composant). Deux techniques peuvent être utilisées: le NUMA et l'UMA. Réfléchissons un peu, deux processeurs distincts utilisent les mêmes données (venant du disque dur mais surtout présent en mémoire) et peuvent les modifier simultanément sans faire "planter" l'autre. Ca nécessite un accès simultané à une mémoire ram de travail mais aussi des mécanismes de protection pour éviter des modifications simultanées des mêmes données, c'est le problèmes des bases de données partagées. En plus, le système d'exploitation doit gérer l'ensemble (la gestion des conflits n'est donc pas uniquement matérielles). 

La première solution est d'intégrer pour chaque processeur une mémoire Ram dédiée et de reliée ces groupes "processeur -mémoire" via un bus spécifique.  Bonne idée, sauf que ... les données doivent être accessibles (au global) par tous les groupes. En clair, les données doivent de toute façon être partagées. Ca fonctionne très bien avec un système d'exploitation spécifique au matériel qui va gérer les transferts par un bus de communication reliant ces différents éléments. Le problème vient du bus qui relie ces différents "couples", au niveau vitesse mais aussi gestion (système d'exploitation). Le gros avantage est de permettre d'ajouter des modules à la demande. C'est l'architecture UMA.

A votre avis, quels systèmes utilisent ce principe? Les super-calculateurs .... Cette technique est néanmoins utilisée dans un type de serveur spécifique pour nous, les multi-processeurs, mais dans un niveau plus standard puisque le nombre de processeur maximum est décidé d'avance (le nombre de socket qui est généralement ... 2).

Pour un serveur multi-processeur, c'est le chipset spécifique qui va gérer le tout, peu vendu donc chère.  Et les installations standards sont deux pour les cartes mères standards, même si quelques modèles en gèrent 4, 8 ou même 16. C'est le système utilisé pour les gros serveurs sous Windows. 

- Et mes multi-cores? Intel utilise la deuxième solution pour ses processeurs serveurs (mémoire partagée), tandis qu'AMD avec l'Opteron utilise la première, mémoire dédiée pour chaque processeur.

- Peut-on utiliser des multi-coeurs sur des cartes mères biprocesseur (ou plus)? Oui bien sûr puisque ces multi-coeurs sont en fait un seul processeur vu de l'extérieur.

- Deux processeurs ou dual-core? Au niveau des performances, un biprocesseur est avantagé au niveau des accès extérieurs (comme les bus, disques durs, ...) et donne environ 10 % de performance en plus mais pour un prix total doublé.

4. Les processeurs dédiés.

Des processeurs bureautiques standards sont utilisés dans la majorité des serveurs pour PME, notamment pour les serveurs de fichiers. Par contre chaque fabricant a développé des modèles spécifiques pour les modèles de haut de gamme nécessitant des puissances élevées.

INTEL a d'abord développé les Pentium Pro dans les années 90, c'était en gros deux Pentium II - Pentium III permettant via un chipset spécifique d'être couplé sur une seule carte mère. Ses mémoires cache L1 et surtout L2 était plus grosses et ses instructions internes étaient optimalisées en 32 bits (à l'époque, Windows 95 n'était que partiellement en 32 bits en reprenant une partie de Windows 3.1 programmé en ... 16 bits). Ses performances le dédiait à Windows NT (y compris la version station). 

A partir de 1999, c'est le Xeon qui prend la place. C'est une version modifiée des Pentium IV avec des possibilités bi-processeurs et de nouveau des mémoires cache internes supérieures. Ce processeur va suivre toute l'évolution des processeurs bureautiques (y compris l'hyper-threading, dual-core, ...) en reprenant la même architecture. Les derniers modèles utilisent une mémoire ram directement raccordée comme les I7 et permettent d'utiliser 4 processeurs simultanément en multi-core. Les chipsets et sockets sont spécifiques.

Depuis 2001, Intel développe également la série Itanium qui est complètement 64 bits mais avec des instructions propriétaires incompatibles avec les versions 64 bits des systèmes d'exploitation standard. L'utilisation de ces microprocesseurs nécessitent des versions spécifiques de Windows Server (Entreprise et data center). C'est actuellement le plus rapide mais aussi (nettement) le plus chère. Peu de constructeurs de serveurs l'ont réellement dans leur game.

Chez AMD, le premier dédié est l'Athlon MP. C'est en gros un athlon standard un peu modifié pour utiliser un chipset spécifique, l'AMD 760 MP. C'est seulement avec l'Opteron que la firme va réellement produire un processeur spécifique (dérivé des Athlon 64) permettant de coupler jusque 4 processeurs (version spécifique). Quelques fabricants en ont intégrés 8 pour des serveurs Windows. Par contre, des spécialistes de supercalculateurs comme Cray en intègrent plusieurs dizaines avec une architecture UMA.

6. La mémoire RAM

Les technologies utilisées sont identiques aux ordinateurs standards (DDR I, II et III) mais avec le plus souvent deux spécificités, les ram "registred", en gros une technologie spécifique pour quelques processeurs spécifiques (et obligatoire) et les mémoire ECC qui permettent de détecter et de corriger les erreurs mémoires.

Comme pour les ordinateurs standards, la mémoire est limitée à 3 GB (4 en partie) pour les systèmes d'exploitation 32 bits. Par contre, la limitation est souvent à 8 ou 16 pour les systèmes d'exploitation standards mais c'est lié à la carte mère. Ce n'est pas le cas pour les serveurs avec des chipsets spécifiques.

7. Les disques durs.

C'est ici la grosse différence avec les ordinateurs standards. La première est liée aux interfaces utilisées comme le SCSI mais aussi le SAS (les petits serveurs utilisent le SATA). La deuxième différence vient du couplage des disques en RAID pour garantir la continuité en cas de panne d'un disque dur. Cette partie est reprise dans une page part.

8. Les bus internes.

Nous savons déjà que les serveurs utilisent des bus d'interconnexion entre les processeurs spécifiques, mais qu'en est-il des bus standard comme le PCI et le PCI-Express? Ils sont effectivement toujours utilisés mais un autre type est également présent sur les modèles de haut de gamme, le PCI-X, développé au départ à partir du simple PCI. Ses principales différences (suivant les versions) tiennent compte que les cartes peuvent être enlevée lorsque l'ordinateur est en fonctionnement (ce qui n'est pas le cas des cartes PCI), mais également des largeurs du bus de donnée de 32 bits (comme le PCI) mais aussi de 64 bits ajouté avec des vitesses qui varient toujours suivant les versions de 33 Mhz (PCI standard) à 533 Mhz). Les versions les plus rapides sont légèrement supérieures au PCI-Express.

Ce type de bus est géré directement par le northbridge du chipset, les cartes sont plutôt chères. On retrouve principalement des contrôleurs de disques durs spéciaux et des cartes réseaux Giga et 10 Giga Ethernet. Le taux de transfert maximal (version PCX-2.0 à 533 Mhz sur 64 bits atteint les 4256 Mega octets par seconde, à comparer avec les 133 Mega octets d'un simple PCI ou même 4000 théorique des PCI-Express 16 canaux utilisés par les cartes graphiques.

9. Pour terminer cette introduction.

Vous le voyez, ces serveurs sont plus ou moins standards pour de petites installations, d'ailleurs la majorité des serveurs peuvent être utilisés comme station et les stations peuvent très bien être utilisés comme serveur de fichiers. Seule petit bémol, les serveurs en rack sont nettement plus bruyant, lié à la taille des ventilateurs de refroidissement (plus petit, ils tournent plus vite). L'utilisation des techniques ci-dessus et celles des disques durs et sauvegardes qui seront vues ensuite ne sert que pour des gros serveurs.

Le choix d'utiliser un vrai serveur est finalement plus lié à la charge d'utilisation et à la sécurité.

En complément:

x41.materiel-informatique.be- 38. Les protections électriques des équipements -> 41. Introduction à l'administration des serveurs

La quatrième partie, les petits plus techniques.

31. Les périphériques images - 32. Son et cartes audio - 33. Les ordinateurs portables - 34. Le Bios - UEFI - 35. La base de registre de Windows - 36. Techniques logicielles avancées - 38. Onduleur, disjoncteur, perturbations du réseau électrique - 39. Les serveurs, caractéristiques propres