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玄貓（BlackCat）

IBM大型主機作業系統特性與多樣性

IBM 大型主機支援多種作業系統，包含 z/OS、z/VSE、z/TPF、z/VM、Linux 和 KVM，各有不同的設計目標和應用場景。z/OS 作為企業級運算的核心，具備高穩定性、安全性和效能，支援多工處理和 Spooling 功能。其他系統如 z/VSE 適用於中小型企業，z/TPF

系統設計 作業系統
大型主機 z/OS z/VSE z/TPF z/VM Linux KVM

大型主機系統的核心概念在於其支援多種不同作業系統的能力，並透過虛擬化技術有效分配資源。本文探討 z/OS 的特性，例如多工處理和 Spooling，並簡述其他作業系統如 z/VSE、z/TPF 和 z/VM 的應用場景。同時也介紹了 Linux 和 KVM 在大型主機環境下的角色，以及現代 IBM Z 大型主機的處理器架構，包含 CPU、記憶體和通道的協同運作，以及邏輯分割區（LPAR）如何提升資源利用率和系統可靠性。

IBM 大型主機作業系統的特性與多樣性

IBM 大型主機（Mainframe）支援多種作業系統，每種都有其獨特的設計目標和應用場景。其中，z/OS 是最為人熟知的作業系統之一，但並非唯一選擇。本文將探討 z/OS 及其他五種主要作業系統：z/VSE、z/TPF、z/VM、Linux 和 KVM，並分析它們的技術特點和應用場景。

z/OS：企業級運算的核心

z/OS 是 IBM 為大型主機設計的高階作業系統，具備高度的穩定性、安全性和效能。它支援多工處理（Concurrency），允許同時執行多個程式，充分利用 CPU 資源。z/OS 還具備 Spooling 功能，用於管理列印等 I/O 操作，確保系統的高效運作。

程式碼範例：z/OS 上的 COBOL 程式

IDENTIFICATION DIVISION.
PROGRAM-ID. HELLO-WORLD.

PROCEDURE DIVISION.
    DISPLAY "Hello, World!"
    STOP RUN.

內容解密：

  1. IDENTIFICATION DIVISION：定義程式的基本資訊，如程式名稱。
  2. PROGRAM-ID：指定程式的名稱為 HELLO-WORLD。
  3. PROCEDURE DIVISION：定義程式的邏輯部分。
  4. DISPLAY：輸出字串 “Hello, World!"。
  5. STOP RUN：終止程式執行。

其他作業系統的多樣性

除了 z/OS，IBM 大型主機還支援多種其他作業系統，以滿足不同的業務需求。

z/VSE：適用於中小型企業

z/VSE 是為小型企業設計的作業系統，具有較小的資源佔用。它支援安全的交易處理和批次工作負載，並與 IBM 的 CICS 和 Db2 系統整合良好。

z/TPF：高效能交易處理

z/TPF 是為高交易量環境設計的作業系統，最初用於航空公司的訂票系統。它使用組合語言開發，以追求極致的效能。

z/VM：虛擬化技術的先驅

z/VM 是 IBM 於 1972 年推出的虛擬化作業系統，採用 Type 1 Hypervisor 架構，可直接安裝在實體機器上，提供高效能和穩定性。

Linux：開放原始碼的選擇

Linux 是由 Linus Torvalds 於 1991 年開發的開放原始碼作業系統。IBM 於 2000 年開始將 Linux 移植到大型主機上，並在 2015 年推出專用的 LinuxONE 主機。

KVM：核心級虛擬化

KVM 是 Linux 核心的一部分，提供 Type 1 Hypervisor 功能。IBM 將 KVM 用於大型主機，以支援 Linux 工作負載的佈署和 x86 伺服器的整合。

處理器架構與虛擬化技術

現代 IBM Z 大型主機的處理器架構包含 CPU、主記憶體和通道。CPU 負責指令處理，並透過快取提升效能。通道則負責 I/O 操作，透過高速光纖連線提升資料傳輸效率。

此外，IBM Z 支援邏輯分割區（LPAR），可將一台實體主機劃分為多個獨立的虛擬主機，提升資源利用率和系統可靠性。

大型主機（Mainframe）技術解析

LPAR 技術與系統架構

大型主機的 LPAR（邏輯分割區）技術允許單一實體機器分割成多個獨立的虛擬系統。每個 LPAR 擁有自己的作業系統和軟體，除了 z/OS 外，其他作業系統不會察覺到其他 LPAR 的存在。每個分割區具有完全的獨立性，為了實作跨機器無縫運作，z/OS 使用跨記憶體服務（cross-memory services）來處理不同 LPAR 的任務。

資源分配具有彈性，例如，可以為每個 LPAR 分配一個或多個處理器，或將處理器分散到多個 LPAR。此外，還可以為資源分配權重，例如，LPAR1 可以獲得兩倍於 LPAR2 的處理器時間。

LPAR 技術的優勢

LPAR 架構的優勢之一是可靠性。如果一個分割區故障，其他分割區可以接管其任務。開發者在使用的過程中，不會察覺到與其他主機系統的差異。

LPAR 技術依賴於 Processor Resource/Systems Manager（PR/SM），這是一種嵌入硬體的韌體。PR/SM 為主機提供內建虛擬化技術，能夠有效利用 CPU 資源和儲存空間。

系統複合體（Sysplex）技術

另一項重要技術是系統複合體（sysplex），它允許 LPAR 之間進行通訊和叢集。sysplex 可以實作 z/OS 的多個例項（通常稱為映像），從而更好地分享工作負載、管理資源和處理還原。有兩種型別的 sysplex：基本（或單一）和平行。基本 sysplex 允許獨立系統透過高速光纖電纜連線，例如與使用 Db2、IMS 或 CICS 的應用程式合作。

平行 sysplex 由耦合設施（CF）LPAR 管理，可以是獨立的 LPAR 或專用的硬體裝置。

磁碟儲存技術

磁碟儲存對於大型主機至關重要，因為它們需要管理龐大的資料量。磁碟機由一疊圓形磁碟組成，磁碟表面分為多個磁軌和扇區。IBM 將其主機磁碟機稱為直接存取儲存裝置（DASD），並使用「柱面」一詞代替「扇區」。

為了存取資料，磁碟機使用致動器移動到特定扇區的位置。由於每個扇區都有記憶體位址，因此可以精確存取資料。為了提高存取速度，主機開發者尋求減少磁碟機存取次數的方法。DASD 透過陣列連線到主機，並使用快取技術加速存取。

批次處理與線上交易處理

早期的大型主機主要採用批次處理方式，例如在營業時間內輸入資料，然後在夜間處理所有資料。另一種常見的應用是薪資處理，在一段時間內收集資料，然後在期末進行處理。

批次處理對於管理大量資料是一種成本效益高的解決方案，但在某些情況下，需要即時處理交易，這就是線上交易處理（OLTP）。例如，Sabre 平台用於處理航空公司預訂，CICS 系統用於即時交易處理，能夠處理高達一億筆交易，並與 Db2 等資料函式庫連線。

大型主機趨勢

根據 BMC Software 的年度調查，大型主機行業前景看好。超過一半的受訪者表示其組織的交易量增加，47% 的受訪者報告資料量增加。調查結果還顯示：

  • 90% 的受訪者認為大型主機將是未來增長和長期應用的關鍵平台。
  • 大約三分之二的大型組織有一半以上的資料存放在大型主機環境中。
  • 合規性和安全性已成為最重要的考慮因素。
  • 約 56% 的受訪者正在大型主機上使用某種形式的 DevOps。

大型主機「店鋪」

管理大型主機系統的 IT 組織被稱為「店鋪」。每個店鋪都有其自己的方法、策略、標準和要求，但某些角色是共通的。主要角色包括：

  • 系統程式設計師：負責大型主機和 z/OS 的工程和行政工作，包括安裝、組態、培訓和維護。
  • 系統管理員：在某些組織中，這個角色與系統程式設計師相似，但在大型公司中，角色更為專門化。系統管理員通常花更多時間處理日常管理工作。

內容解密：

本章節詳細介紹了大型主機的 LPAR 技術、sysplex 技術、磁碟儲存技術、批次處理與線上交易處理，以及大型主機的趨勢和「店鋪」中的主要角色。透過瞭解這些技術和趨勢，可以更好地掌握大型主機的工作原理和應用場景。

主機開發環境介紹

主機（Mainframe）開發環境與現代的開發環境有著顯著的不同。由於主機通常涉及關鍵業務資料，因此其開發和維護需要特殊的工具和流程。

存取主機系統

要存取主機系統，首先需要由僱主提供必要的登入憑證。由於主機包含關鍵資料，因此通常會有嚴格的安全檢查，甚至需要進行背景調查。常見的存取方式包括：

  • TN3270 模擬器：最常見的存取方式，可以直接連線到主機。
  • 檔案傳輸協定（FTP）：用於管理主機上的檔案。
  • Secure Shell（SSH）客戶端：例如 PuTTY，可以建立一個 Unix 系統會話。

當你第一次登入主機時，需要輸入使用者 ID 和密碼。登入後，z/OS 會發出許多訊息，如果訊息過多無法在一頁顯示完畢，會在底部顯示三個星號（*），此時按下 Enter 鍵即可檢視下一頁。

TSO 與 ISPF 簡介

TSO（Time Sharing Option）

TSO 是根據命令列的系統，沒有圖形介面。它提供了對 z/OS 的原生存取能力，是其他技術（如 ISPF）的基礎。雖然許多主機開發者不常直接使用 TSO，但瞭解 TSO 仍然很重要。你可以在 ISPF 中按下 X 鍵離開程式並進入 TSO 模式。

TSO 提供了多種命令，例如：

profile
time
send 'test message' user(tt25)
listc
rename 'tt103.invoices.data' 'tt104.invoices.data'
edit 'myfile.jcl.new' cobol

內容解密：

  • profile：顯示使用者的基本資訊。
  • time：顯示目前時間。
  • send 'test message' user(tt25)：向使用者 tt25 傳送訊息。
  • listc：列出目前 TSO 會話中可用的資料集。
  • rename：重新命名資料集。
  • edit 'myfile.jcl.new' cobol：編輯資料集並使用 COBOL 語法。

ISPF（Interactive System Productivity Facility）

ISPF 是一個根據選單的系統，由不同的面板組成，可以視為類別似網頁的介面。儘管 ISPF 看起來有些過時，但它非常快速和高效。大部分的主機開發工作都會在 ISPF 的主要選項選單中進行。

主機開發

儘管主機開發環境看似傳統，但其對於許多大型企業來說仍然是不可或缺的一部分。隨著技術的發展，主機系統也在不斷進化，提供更多現代化的工具和介面來提高開發效率。

圖表說明

以下是一個簡單的流程圖，展示了存取主機系統的一般步驟：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title IBM大型主機作業系統特性與多樣性

package "安全架構" {
    package "網路安全" {
        component [防火牆] as firewall
        component [WAF] as waf
        component [DDoS 防護] as ddos
    }

    package "身份認證" {
        component [OAuth 2.0] as oauth
        component [JWT Token] as jwt
        component [MFA] as mfa
    }

    package "資料安全" {
        component [加密傳輸 TLS] as tls
        component [資料加密] as encrypt
        component [金鑰管理] as kms
    }

    package "監控審計" {
        component [日誌收集] as log
        component [威脅偵測] as threat
        component [合規審計] as audit
    }
}

firewall --> waf : 過濾流量
waf --> oauth : 驗證身份
oauth --> jwt : 簽發憑證
jwt --> tls : 加密傳輸
tls --> encrypt : 資料保護
log --> threat : 異常分析
threat --> audit : 報告生成

@enduml

此圖示展示了從開始登入到進行開發或管理工作的流程。透過這個流程圖，可以更清楚地瞭解存取主機系統的基本步驟。

ISPF 基本操作與資料集介紹

ISPF（Interactive System Productivity Facility）是大型主機上常用的互動式操作環境，提供多種功能幫助開發者與管理者進行工作。瞭解 ISPF 的基本操作與資料集管理，是使用大型主機的重要基礎。

ISPF 基本操作

在 ISPF 中，使用者可以透過滑鼠、方向鍵或 Tab 鍵在畫面上的不同輸入欄位之間移動。若要切換到不同的面板，可以在 Option ===> 提示符號後輸入對應的選單編號。若需要傳回前一個面板，按 End 鍵即可。

ISPF 的畫面可以根據使用者的需求進行客製化，因此本文中的範例畫面可能與讀者在系統上看到的畫面不完全相同。不過，大多數大型主機開發環境都會保留許多相同的功能。

自訂 ISPF 環境

例如，若要進入 Settings 面板，可以輸入 0 並按下 Enter 鍵。這將帶您到一個可以自訂 ISPF 環境的畫面，如變更命令提示符的位置，或是為彈出視窗提供更詳細的描述。

設定 ISPF 環境的步驟
  1. 在主選單中輸入 0 進入 Settings 面板。
  2. 根據需求調整相關設定，例如命令提示符的位置。
  3. 按下 Enter 鍵儲存變更。

PF 鍵功能介紹

ISPF 提供了一組可自訂的程式功能鍵（PF 鍵），這些鍵可以簡化操作流程。以下是一些常見的 PF 鍵及其功能：

PF 鍵功能描述
F1顯示幫助資訊
F2分割螢幕
F3離開或傳回上一層
F7向上翻頁
F8向下翻頁
F10向右導航資料
F11向左導航資料
PA1 或 Program Action 鍵（Alt-Insert 或 Esc）停止目前的處理或任務

使用 PF 鍵提高效率

瞭解並善用這些 PF 鍵，可以大幅提高在 ISPF 中的操作效率。例如，使用 F7 和 F8 可以快速在長列表中導航，而 F3 則可以方便地傳回上一層選單。

資料集（Datasets）基礎

在大型主機中，資料是以記錄（records）的形式儲存，而不是像 PC 上那樣以連續的位元組流表示。資料集是大型主機上用於儲存資料的基本單位，需要在建立時指定多種引數，如卷標序號（Volume serial）、裝置型別（Device type）、組織方式（Organization）、記錄格式（Record format）等。

資料集的主要引數

  • 卷標序號（Volume serial）：指定儲存資料集的 DASD（直接存取儲存裝置）名稱，最多六個字元。
  • 裝置型別（Device type）：指定使用的磁碟裝置型別。
  • 組織方式（Organization）：定義資料的處理方式，如順序（Sequential）、隨機（Random）、VSAM 等。
  • 記錄格式（Record format）：記錄可以是固定長度或變長的。
  • 記錄長度（Record length）：每個記錄的字元數。
  • 空間（Space）：為資料集保留的儲存空間，以磁碟上的磁軌或柱面等單位表示。

主要資料集型別介紹

大型主機上有多種資料集型別，包括順序檔案（Sequential file）、分割資料集（Partitioned dataset, PDS）、虛擬存取法（Virtual Storage Access Method, VSAM）等。

順序檔案（Sequential File）

順序檔案是最簡單的資料集型別，記錄按照順序儲存在磁碟上。新的記錄會附加在檔案末尾。這種資料集通常使用 JCL（Job Control Language）定義。

分割資料集（Partitioned Dataset, PDS）

PDS 類別似於 PC 上的資料夾概念，可以包含多個成員，每個成員都有一個位址，可以直接存取。PDS 的成員名稱按字母順序排列，並且可以使用 JCL 或 ISPF 建立。

PDS 的優缺點

優點：

  • 可以將相關檔案組織在一起，方便管理。
  • 可以在單一磁軌上儲存多個成員，提高儲存效率。

缺點：

  • 當 PDS 被替換時，指向檔案的指標會被刪除，導致空間無法有效重複使用，需要定期清理。
  • 目錄大小固定，若需要更多空間，需建立新的 PDS。
  • 當 PDS 變大時，可能會導致磁碟活動增加，影響處理速度。

虛擬存取法（VSAM）

VSAM 是 IBM 在 1970 年代開發的一種結合資料集與存取方法的技術，提供了強大的檔案處理能力。VSAM 特別適用於 COBOL 和 CICS 開發，能夠簡化檔案處理流程。

VSAM 的優勢
  • 提供高效能的檔案存取能力。
  • 支援複雜的資料結構和存取需求。
  • 經過多年的發展和最佳化，已成為大型主機環境中重要的資料存取技術。

程式碼範例與解析

以下是一個簡單的 JCL 範例，用於建立一個順序資料集：

//JOBNAME JOB (9999),'CREATE DATASET',CLASS=A,MSGCLASS=A,MSGLEVEL=(1,1)
//STEP01   EXEC PGM=IEFBR14
//DD01     DD   DSN=YOUR.DATASET.NAME,
//              DISP=(NEW,CATLG),
//              UNIT=SYSALLDA,
//              SPACE=(TRK,(1,1)),
//              DCB=(RECFM=FB,LRECL=80,BLKSIZE=800)

內容解密：

  1. //JOBNAME JOB：定義了一個 JCL 作業，JOBNAME 是作業名稱，後面的引數指定了作業的屬性，如優先順序、訊息級別等。
  2. //STEP01 EXEC PGM=IEFBR14：定義了一個作業步驟，執行程式 IEFBR14，這是一個用於分配資料集的工具程式。
  3. //DD01 DD DSN=YOUR.DATASET.NAME：定義了一個資料定義（DD）名稱為 DD01，並指定了要建立的資料集名稱 YOUR.DATASET.NAME。
  4. DISP=(NEW,CATLG)：指定資料集的處理方式為新建並編目。
  5. UNIT=SYSALLDA：指定資料集儲存的裝置型別。
  6. SPACE=(TRK,(1,1))：指定為資料集分配的空間大小，以磁軌為單位，初始分配 1 個磁軌，最多可擴充套件到 1 個磁軌。
  7. DCB=(RECFM=FB,LRECL=80,BLKSIZE=800)：定義了資料控制塊（DCB）的引數，包括記錄格式（固定區塊）、記錄長度（80 字元）和區塊大小（800 字元）。

主機資料集管理與ISPF操作

在大型主機系統中，資料的管理至關重要。z/OS作業系統利用VSAM（虛擬存取方法）系統進行高效的資料儲存與檢索。本文將探討VSAM資料集的特性、分類別以及如何使用ISPF（互動式系統生產力工具）進行資料集的管理。

VSAM資料集概述

VSAM是一種高效能的資料存取方法，內建密碼保護功能，提供高安全性。VSAM資料集支援順序或隨機讀取記錄，共有四種型別：

  1. 鍵順序資料集（KSDS）：最常用的VSAM資料集型別，提供隨機存取和變長記錄，並按鍵欄位排序。
  2. 進入順序資料集（ESDS）：類別似於順序檔案組織，記錄由實體位址識別，不支援刪除，可包含重複記錄。
  3. 相對記錄資料集（RRDS）：與ESDS相似，但使用相對記錄編號（RRN）進行存取，記錄長度固定，支援刪除。
  4. 線性資料集（LDS）：根據位元組流的資料集結構，類別似於作業系統檔案，但較少用於應用程式開發。

VSAM的優缺點

VSAM具有高效率和安全性，但也存在一些限制：

  • 僅適用於DASD（直接存取儲存裝置），不支援磁帶機。
  • 需要較高的儲存需求，因為其功能需要更多的系統開銷。
  • 主要用於大型主機開發，不適用於模組、JCL和原始程式等。
  • VSAM資料集是專有的，無法被其他存取方法讀取。

目錄管理

z/OS使用目錄系統和VTOC（磁碟區內容表）來追蹤資料集的位置。VSAM檔案會自動被編目，使得在JCL中使用更加方便。

ISPF與資料集管理

ISPF提供了一系列工具來管理和操作資料集。其中，選項3.4可用於列出系統中的資料集，並進行相關操作。

資料集命名規則

資料集的命名需要遵循特定的規則：

  • 名稱必須唯一。
  • 名稱由多個部分組成，以句點分隔。
  • 第一部分稱為高階限定詞（HLQ），通常與使用者名稱或安全系統相關。
  • 名稱的第一個字元必須是大寫字母或特殊字元（#、@、$），後續字元可以是字母、數字、特殊字元或連字號。

常見的資料集命名慣例包括：

  • 原始碼使用語言名稱，如COBOL、PL/I、C、JAVA等。
  • 可執行檔使用LOAD、LOADLIB或LINKLIB等名稱。
  • JCL檔案通常包含JCL、CNTL或JOB等字樣。

使用ISPF建立資料集

  1. 在主畫面中選擇3（Utilities）。
  2. 選擇2（Data Set）以開始分配資料集。
  3. 在Data Set Utility畫面中指定資料集的名稱和其他屬性。