60

Вычислительные сети - частный случай распределенных систем.

Основной признак распределенных систем - наличие нескольких центров обработки данных. Здесь же - мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы.

Мультипроцессорные компьютеры:

• несколько процессоров, работающих относительно независимо;

• общая операционная система, распределяющая нагрузку между процессорами;

• простейший способ взаимодействия - общая оперативная память;

• общие периферийные устройства;

• все процессорные блоки - в одном или нескольких близких конструктивах.

Достоинства - высокая производительность, отказоустойчивость.

Многомашинная система:

это вычислительный комплекс, включающий в себя несколько компьютеров под управлением собственных операционных систем, а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу комплекса как единого целого.

• более слабые аппаратные и программные связи, по сравнению с мультипроцессорными системами;

• возможности распараллеливания задач снижаются;

• основной обмен данными - через общие многовходовые периферийные устройства.

Вычислительные сети.

• программные и аппаратные связи являются наиболее слабыми;

• наибольшая автономность обрабатывающих блоков - отдельные компьютеры;

• связь между компьютерами осуществляется с помощью сетевых адаптеров и достаточно протяженных каналов связи.

Основная цель создания вычислительной сети - разделение локальных ресурсов каждого компьютера между всеми пользователями сети (данные, хранящиеся на диске, разнообразные периферийные устройства).

Доступ к ресурсам сетевых компьютеров осуществляется с помощью технологии "клиент-сервер". Технологию обеспечивают и операционная система, и прикладное программное обеспечение. "Клиент" и "сервер" могут обозначать не только программные модули, но и компьютеры.

Сетевые службы - это распределенные программы, состоящие из нескольких взаимодействующих частей, расположенных, как правило, на разных компьютерах сети (сетевые приложения).

Преимущества сетей как распределенных систем:

• возможность выполнять параллельные вычисления (производительность системы может быть выше производительности любого отдельного процессора)

• лучшее соотношение производительность-стоимость

• высокая отказоустойчивость (благодаря избыточности)

• соответствие распределенному характеру прикладных задач, возможность совместного использования данных и устройств, оперативный доступ к обширной корпоративной информации.

Основные проблемы построения сетей:

• связь компьютера с периферийными устройствами и между собой;

• физическая передача данных по линиям связи (кодирование, синхронизация)

• способы объединения компьютеров (физические связи (топология - полносвязная, ячеистая, общая шина, звезда, кольцо, смешанная топология);

• организация совместного использования линий связи;

• адресация компьютеров (аппаратные, символьные, числовые сотавные);

• структуризация сетей физическая и логическая

• реализация сетевых служб (прозрачный доступ)

Проблемы стандартизации

Организация взаимодействия между сетевыми устройствами - сложная задача, для решения которой применяется декомпозиция - разбиение на несколько простых подзадач. При этом применяют многоуровневый подход:

Уровень 3

интерфейс 2-3

Уровень 2

интерфейс 1-2

Уровень 1

Это общая модель. Для сетевого взаимодействия важно согласовать действия узлов сети на всех уровнях.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на оюном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Правила взаимодействия модулей, реализующих протоколы соседних уровней в одном узле, называются интерфейсом.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы и аппаратно (протоколы нижних уровней), и программно (протоколы верхних уровней).

Модель osi

Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection) - определяется различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

Разработана рядом международных организаций по стандартизации - International Organization for Standardization или International Standards Organization, ISO, International Telecommunications Union, ITU, ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-T - на основе обобщения опыта создания глобальных компьютерных сетей.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, но не включает средства взаимодействия приложений. С другой стороны, приложение может взять на себя часть функций некоторых верхних уровней модели OSI.

Открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, аппаратные средства), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.

Примеры: открытость UNIX заключается, например, в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями (переносимость); частичная открытость Novell NetWare - применение открытого интерфейса Open Driver Interface (ODI).

Сеть Internet развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам, - в разработке стандартов принимали участие тысячи специалистов. Request For Comments (RFC).

Преимущества использования принципов открытости:

• возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;

• возможность замены отдельных компонентов сети более совершенными - минимальность затрат;

• возможность легкого сопряжения одной сети с другой;

• простота обслуживания сети.

Уровни модели OSI:

Прикладной

Представительный

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Сообщение передается сверху вниз по стеку. Каждый уровень снабжает сообщение предыдущего уровня необходимой информацией.

Сообщение 3-го уровня

Заголовок 3 Поле данных 3 Концевик 3

Сообщение 2-го уровня

Заголовок 2 Заголовок 3 Поле данных 3 Концевик 3 Концевик 2

Поле данных 2

Сообщение 1-го уровня

Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Поле данных 3 Концевик 3 Концевик 2 Концевик 1

Поле данных 1

Протокольный блок данных - Protocol Data Unit, PDU.

Два основных типа протоколов - с установлением соединения (connection-oriented), без предварительного установления соединения или дейтаграммные (connectionless).

Физический уровень (Physical layer)

Имеет дело с передачей битов на физическом уровне по одной из сред передачи. На этом уровне стандартизируются:

• характеристики физических сред (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление);

• характеристики электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока, тип кодирования, скорость передачи сигналов);

• типы разъемов и назначение каждого контакта

Функции физического уровня реализуются, например, адаптерами и портами.

Канальный уровень (Data Link layer)

Проверка доступности среды передачи, реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок (не во всех протоколах канального уровня). Для этого на канальном уровне биты группируются в кадры. Стандартизируются:

• специальная последовательность бит в начале и конце кадра для его выделения;

• способ вычисления контрольной суммы;

• алгоритм обнаружения и коррекции ошибок путем повторной передачи кадра;

• структура связей между компьютерами (топология) и их адресация.

В локальных сетях протоколы канального уровня реализуются сетевыми адаптерами и их драйверами, а также мостами, коммутаторами и маршрутизаторами.

Протоколы канального уровня - мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами. Иногда они допускают работу поверх них сразу протоколов прикладного уровня или приложений, без привлечения средств промежуточных протоколов.

Сетевой уровень (Network layer)

Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами сообщений между узлами и произвольной структурой связей, так как протоколы канального уровня ориентированны на конкретную топологию.

Сетевой уровень занимается доставкой данных между сетями и поддерживает возможность правильного выбора маршрута между сетями. Маршрутизация – проблема выбора наилучшего пути. Задача решается с помощью маршрутизатора – устройства, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Кроме маршрутизации протоколы сетевого уровня решают:

0. задачи согласования разных технологий;

0. упрощения адресации в крупных сетях;

0. защита от нежелательного трафика.

Сообщения сетевого уровня называются пакетами.

Существует два вида протоколов:

0. сетевые протоколы (routed protocols) – реализуют продвижение пакетов через сеть;

0. протоколы маршрутизации (routing protocols) – с их помощью маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений;

0. протоколы разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) – осуществляют отображения адреса, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес. Иногда их относят к канальному уровню.

Пример протоколов сетевого уровня – IP, IPX.

Транспортный уровень (Transport layer)

Обеспечивает приложениям или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем, различающиеся качеством услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличия средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети – компонентами из сетевых операционных систем.

Примеры – TCP и UDP, SPX.

Протоколы нижних четырех уровней называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой. Три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень (Session layer)

Обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации (контрольные точки для возврата и повтора). Функции этого протокола часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень (Presentation layer)

Имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет этого информация прикладного уровня одной системы всегда понятна прикладному уровню другой системы ( синтаксически различия, шифрование).

Прикладной уровень (Application layer)

Это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам. Единица данных прикладного уровня – сообщение (message).

Физический, канальный и сетевой – сетезависимые протоколы (зависят от технической реализации и используемого коммуникационного оборудования).

Три верхних уровня ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети.

Транспортный уровень – промежуточный, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних.

Модель OSI – очень важная, но только один из многих моделей коммуникаций. Модели и связанные и ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, службами, поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

Канальный уровень – повторитель.

Сетевой уровень - мост, коммутатор, сетевой адаптер.

Транспортный – маршрутизатор.

Источники стандартов

Виды стандартов:

0. стандарты отдельных фирм;

0. стандарты специальных комитетов и организаций (технология АТМ – ATM Forum, 100 организаций, технология 100 Мб Ethernet – Fast Ethernet Alliance);

0. национальные стандарты (FDDI - Американский национальный институт стандартов, ANSI);

0. международные стандарты (ISO, ITU).

Стандарты, непрерывно развиваясь, переходят из одной категории в другую.

Организации:

1. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO, International Standard Organization) – ассоциация ведущих национальных организаций по стандартизации разных стран – стандарт OSI.

2. Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) – специализированный орган ООН.

3. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) – Национальная организация США, определяющая сетевые стандарты. 1981 г., рабочая группа 802 сформулировала основные требования к локальным вычислительным сетям. Самые известные стандарты 802.1, 802.2, 802.3, 802.5 – описывают общие понятия в области локальных сетей и стандарты на два нижних уровня сетей Ethernet Token Ring.

4. Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association, EIA) – национальная коммерческая организация США – провода, коннекторы, RS-232C.

5. Министерство оборони США (Department of Defence, DoD) - TCP/IP.

6. Американский институт стандартов (American National Standarts Institute, ANSI) – представляет США в ISO. FDDI, стандарты на языки программирования.

Internet – стандарты становятся международными официальными “дефакто” после утверждения одной из выше перечисленных организаций (ISO, ITU-T).

Internet Society, ISOC – подразделение, занимающееся общими вопросами эволюции и роста Интернет как глобальной коммуникационной структуры. Под управлением ISOC работает Internet Architecture Board, IAB – технический контроль и координация работ для Internet, координирует направление исследований и новых разработок стека TCP/IP и является конечной инстанцией пр определении новых стандартов Internet.

В IAB входят две группы Internet Engineering Task Force, IETF – занимается решением технических проблем, Internet Research Task Force, IRTF – координирует долгосрочные исследовательские проекты по протоколам TCP/IP.

Процедура разработки стандартов Internet.

0. IETF представляет рабочий проект в виде, доступном для комментариев, который публикуется в Internet. После внесения всеми исправлений фиксируется содержание документа и присваивается номер RFC;

0. После присвоения номера документ приобретает статус предлагаемого стандарта. В течение 6 месяцев предлагаемый стандарт проходит проверку практикой, в результате в него вносятся изменения.

0. Если практические исследования показывают эффективность предлагаемого стандарта, то ему, вместе со всеми внесенными изменениями , присваивается статус проекта стандарта. Далее следуют не менее чем 4-х месячные испытания с созданием не менее двух программных реализаций.

0. Если на предыдущем этапе не было внесено изменений, то проекту присваивается статус официального стандарта.

Все стандарты Internet носят название RFC с соответствующим номером, но не все RFC имеют отношение к Internet.

Стандартные стеки протоколов

Наиболее популярные стеки протоколов: TCP/IP, IPX/SPX, NetBios/SMB, DECnet, SNA, OSI. Все они, кроме SNA, на нижних уровнях поддерживают одни и же хорошо стандартизированные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI. На верхних уровнях имеются отличия от модели OSI.

Модель OSI	IBM/Microsoft				TCP/IP		Novell		Стек OSI
Прикладной			SMB		Telnet FTP SNMP		NCP		X.400 X.500 FTAM
Представительный					SMTP WWW		SAP		Представительный протокол OSI
Сеансовый			NetBios		TCP				Сеансовый протокол OSI
Транспортный							SPX		Транспортный протокол OSI
Сетевой					IP RIP OSPF		IPX RIP NLSP		ES-ES IS-IS
Канальный			802.3 (Ethernet), 802.5 (Token Ring), FDDI, Fast Ethernet, SLIP, 100VG-Any-LAN, X.25, ATM, LAP-B, LAP-D, PPP
Физический			Коаксиал, экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно, радиоволны

Local Area Network (LAN) - локальные сети.

Wide Area Network (WAN) - глобальные сети.

Metropolitan Area Network - городские сети.

В последние годы наблюдается тенденция к сближению локлаьных и глобальных сетей.

Характеристики вычислительных систем

Характеристики производительности.

1. Время реакции - интегральная характеристика производительности сети с точки зрения пользователя. Складывается из времени подготовки запроса на клиентском компьютере, времени передачи запросов между клиентом сервером через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование, времени обработки запроса на сервере, времени передачи ответов клиенту и времени обработки ответов на клиентском компьютере.

2. Пропускная способность - объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени, измеряется в битах в секунду или пакетах в секунду.

• средняя пропускная способность - отношение общего объема переданных данных на время их передачи (час, неделя, месяц);

• Мгновенная пропускная способность - отношения общего объема переданных данных на время их передачи за малый промежуток (10 мс, 1с);

• Максимальная пропускная способность - это наибольшая пропускная способность, зафиксированная за время наблюдения.

3. Задержка передачи - задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства.

Характеристики надежности

1. Готовность или коэффициент готовности (availability) - доля времени, в течение которого система может быть использована. Готовность достигается избыточностью. Для высокой надежности необходима еще сохранность данных и их согласованность.

Различные вероятности - вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений, вероятность потери пакета, вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, отношение потярянных пакетов к доставленным.

2. Безопасность (security) - способность системы защитить данные от несанкционированного доступа.

3. Отказоустойчивость (fault tolerance) - способность истемы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов.

Расширяемость и масштабируемость

1. Расширяемость (extensibility) - возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры.

2. Масштабируемость (scalability) означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

Прозрачность (transparency) - сеть представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая традиционная вычислительная машина с системой разделения времени.

Поддержка разных видов трафика, например, компьютерного и мультимедийного.

Управляемость - возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Совместимость или интегрируемость - сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.

ЛИНИИ СВЯЗИ

Типы линий связи:

0. проводные (воздушные) – провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток (телефонные или телеграфные сигналы).

0. кабельные линии (коаксиальный кабель, витая пара экранированная и неэкранированная, волоконно-оптический кабель)

0. радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Характеристики линий связи:

0. амплитудно-частотная характеристика;

0. полоса пропускания;

0. затухание;

0. помехоустойчивость;

0. перекрестные наводки на ближнем конце линии;

0. пропускная способность;

0. достоверность передачи данных;

0. удельная стоимость.