ЭВМ II семестр

При обслуживании устройств, использующих bus master DMA (рис. 45 б), контроллер ПДП, как таковой, отсутствует, и централизованно выполняется только арбитраж магистрали. Устройства магистрали активны, поэтому их обязательными компонентами являются запросчик и блок средств управления магистралью (СУМ). После захвата магистраль управляется блоком СУМ конкретного устройства, ведущего обмен. Линии разрешения передачи данных (ЛРПД), присутствующие в системе bus master DMA, предназначены для передачи сигнала разрешения передачи данных (РПД), позволяющего активному устройству захватить магистраль. В системе bus master DMA обязательно присутствуют линии подтверждения запроса (ЛПЗ), сигналы которых информируют арбитр о захвате магистрали устройством. Сигнал подтверждения запроса всегда выставляет master и удерживает его на линии все время, пока осуществляет обмен (управляет магистралью), поэтому сигнал всегда представлен потенциалом.

В системах радиальной структуры контроллер ПДП может поддерживать как систему slave DMA, так и систему bus master DMA. Запросы передачи данных в обеих системах DMA могут быть представлены как уровнем потенциала, так и фронтом сигнала, поскольку поступают в контроллер или арбитр по отдельным линиям. Представление запроса потенциалом более предпочтительно, поскольку система DMA становится более устойчивой к помехам и сбоям аппаратуры. Это существенно снижает вероятность пропуска запроса передачи данных.

Основным преимуществом радиальной структуры является упрощение аппаратуры арбитра магистрали, поскольку каждый источник запроса передачи данных имеет собственную линию запроса. Кроме того, несколько упрощается аппаратура источника запроса и конструкция слота даже в случае bus master DMA, поскольку все активные устройства магистрали имеют отдельную шину арбитража. Это удешевляет радиальную систему по сравнению с цепочечной.

Упрощенный вариант обобщенной структуры системы ПДП цепочечного типа представлен на рис. 46. В цепочечной структуре множество активных устройств магистрали (ИЗПД), обязательными компонентами которых являются блок СУМ и запросчик, подключены к одной или нескольким шинам арбитража (ШАр). После захвата магистраль управляется блоком СУМ конкретного устройства, ведущего обмен (master). Контроллер ПДП отсутствует, и централизованно выполняется только арбитраж магистрали. Арбитраж может осуществлять как отдельное устройство, так и процессор (один из процессоров). Каждая ШАр соответствует одному входу в арбитр и обладает собственным уровнем приоритета. Таким образом, ИЗПД, подключенные к разным ШАр, обладают различным приоритетом. Пассивные устройства магистрали (slave) к ШАр не подключены. Приоритет устройств, подключенных к одной ШАр, определяется их положением в цепи распространения сигнала разрешения прямого доступа (РПД).

81

Рис. 46. Обобщенная цепочечная структура системы Bus Master DMA

ШАр в такой системе содержит, как минимум, четыре линии – ЛЗПД, ЛРПД, ЛПЗ и ЛБПД. В отличие от радиальной структуры, ИЗПД магистрали подключены к трем линиям ШАр (ЛЗПД, ЛПЗ и ЛБПД) параллельно, поэтому запросы от ИЗПД (сигналы ЗПД) всегда представлены уровнем потенциала. Выходные каскады аппаратных средств формирования запросов в каждом ИЗПД объединены по схеме ИЛИ. Это позволяет исключить потерю запросов, одновременно выставленных запросчиками разных ИЗПД на одну ЛЗПД.

Линия ЛБПД, общая для всех Шар, предназначена для передачи от арбитра сигнала блокировки прямого доступа (БПД), который запрещает bus mastering всем устройствам магистрали. Необходимость в этом может возникнуть при появлении запроса на линии ЛЗПД ШАр более высокого приоритета (при наличии нескольких ШАр) или в случае удержания магистрали одним устройством недопустимо долгое время.

Системы цепочечной структуры работают только в режиме bus master DMA, поскольку арбитр магистрали может идентифицировать только ЛЗПД, с которой поступил запрос, и определить его приоритет. При реализации режима slave DMA контроллеру DMA необходимо будет идентифицировать конкретное ИЗПД на данной линии. Такую операцию контроллер может выполнить только путем последовательного опроса устройств линии, что существенно увеличит время арбитража и усложнит аппаратуру устройств.

Основным преимуществом цепочечной структуры является практически неограниченное количество ИЗПД, подключаемых к одному входу арбитра (одной ШАр) без снижения быстродействия. Однако сложность и объем аппаратуры поддержки системы bus mastering в каждом ИЗПД увеличиваются, что ведет к увеличению стоимости системы.

82

Телекоммуникации и компьютерные сети

Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) – система связи компьютеров и компьютерного оборудования (серверы, маршрутизаторы и другое оборудование).

По назначению компьютерные сети различают вычислительные, информационные и смешанные. Вычислительные сети предназначены для решения заданий пользователей с обменом данными между их абонентами. Информационные сети ориентированы в основном на предоставление информационных услуг пользователям. Смешанные сети совмещают функции первых двух.

Компьютеры в локальной сети подразделяются на рабочие станции и серверы. На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, делают расчёты). Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всем узлам сети, в том числе и рабочим станциям.

Телекоммуникационная вычислительная сеть – это сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи.

Телекоммуникационная система включает физическую среду передачи информации, аппаратные и программные средства, обеспечивающие взаимодействие абонентских линий. Важнейшими функциями при этом являются синхронизация взаимодействия абонентских систем при обмене информацией, коммутация соединений, маршрутизация сообщений.

По территориальной распространенности различают:

∙системные сети SAN (System Area Network) – стандарт промышленной сети, ориентированный на объединение в единую сеть до нескольких сотен узлов с длиной связей до 100 м;

∙локальные сети LAN (Local Area Network) – имеют замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг, локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью;

∙региональные сети MAN (Metropolitan Area Network) – сети между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей;

∙глобальные сети WAN (Wide Area Network) – сети, покрывающие большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства, глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

По типу функционального взаимодействия различают сети:

∙клиент-сервер (англ. client-server) – вычислительная или сетевая архитектура, в которой задания или сетевая нагрузка распределены между

83

поставщиками услуг (сервисов), называемыми серверами, и заказчиками услуг, называемыми клиентами, клиенты и серверы взаимодействуют через компьютерную сеть и могут быть как различными физическими устройствами, так и программным обеспечением;

∙одноранговая, децентрализованная или пиринговая (от англ. peer-to-peer, P2P – равный к равному) сеть – это оверлейная компьютерная сеть, основанная на равноправии участников, в такой сети отсутствуют выделенные серверы, а каждый узел (peer) является как клиентом, так и сервером, в отличие от архитектуры клиент-сервера, такая организация позволяет сохранять работоспособность сети при любом количестве и любом сочетании доступных узлов, участники сети называются пирами;

∙многоранговые сети – структурированы на подсети, принадлежащие разным отделам, которые могут быть объединены в домен, принадлежащий одной крупной организации, сети могут иметь как физическую, так и

логическую структуризацию, осуществляемую с помощью маршрутизаторов, репитеров, мостов и устройств беспроводной связи.

По типу среды передачи выделяют:

∙проводные (телефонный провод, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель);

∙беспроводные (передачей информации по радиоволнам в определенном

частотном диапазоне).

По скорости передач выделяют

∙низкоскоростные (до 10 Мбит/с);

∙среднескоростные (до 100 Мбит/с);

∙высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).

Взависимости от используемой коммуникационной среды сети делятся на сети с моноканалом, иерархические, полнсвязные сети и сети со смешанной топологией.

Всетях с моноканалом данные могут следовать только по одному пути, в них доступ абонентов к информации осуществляется на основе выбора передаваемых кадров или пакетов данных по адресной части. Все пакеты доступны всем пользователям сети, но «вскрыть» пакет может только тот абонент, чей адрес указан в пакете.

Иерархические, полносвязные и сети со смешанной топологией в процессе передачи данных требуют маршрутизации последней, т. е. выбора в каждом узле пути дальнейшего движения информации. Альтернативная маршрутизация выполняется только в сетях, имеющих замкнутые контуры каналов связи.

Управление процессом передачи и обработки данных в разветвленной сети требует формализации и стандартизации процедур:

∙выделения и освобождения ресурсов компьютеров и систем телекоммуникации;

∙установления и разъединения соединений;

∙маршрутизации, согласования, преобразования и передачи данных;

84

∙контроля правильности передачи;

∙исправления ошибок и т.д.

Указанные задачи решаются с помощью протоколов и стандартов, регламентирующих нормализованные процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных.

Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standardization) разработана система стандартных протоколов,

получившая название модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection – OSI).

Открытая система – это система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Модель OSI состоит из семи уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции (таблица 5).

Прикладной уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы (удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты) и отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример протоколов: HTTP, POP3, SMTP, FTP, XMPP, OSCAR, Modbus, SIP, TELNET.

Уровень представления отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и

85

преобразование кода и выполняет перевод из одного формата данных в другой. Стандарты уровня представлений определяют способы представления графических изображений (PICT – формат изображений, применяемый для передачи графики между программами для компьютеров Macintosh и PowerPC, TIFF – используется для растровых изображений с высоким разрешением, JPEG (Joint Photographic Expert Group) – стандарт для графических изображений, MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – стандарт представления звука и т. д.).

Сеансовый уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием и завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия. Пример: RTCP (Real-time Transport Control Protocol), SMPP (Short Message Peer-to-Peer).

Транспортный уровень модели предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. Блоки данных он разделяет на фрагменты (UDP-датаграмма, TCPсегмент), размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Пример: TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сетевой уровень модели предназначен для определения пути передачи данных, отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. На этом уровне работает маршрутизатор (роутер). Пример: IP (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), CLNP (сетевой протокол без организации соединений), RIP (Routing Information Protocol),

Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля ошибок. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно, исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

86

IEEE 802 – группа стандартов семейства IEEE, касающихся локальных вычислительных сетей (LAN) и сетей мегаполисов (MAN). В частности, стандарты IEEE 802, ограничены сетями с пакетами переменной длины. Службы и протоколы, указанные в IEEE 802 находятся на двух нижних уровнях (канальном и физическом) сетевой модели OSI. Фактически, IEEE 802 разделяет канальный уровень модели OSI на два подуровня:

∙Media Access Control (MAC) – регулирует доступ к разделяемой физической среде;

∙Logical Link Control (LLC) – обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

Примеры протоколов: Controller Area Network (CAN), Ethernet, IEEE 802.2,

IEEE 802.11 wireless LAN, Point-to-Point Protocol (PPP).

Физический уровень модели предназначен для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов, таким образом осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. Определяемые на данном уровне параметры: тип передающей среды, тип модуляции сигнала, уровни логических «0» и «1» и т. д. На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы. Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет виды среды передачи данных: оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RS-485, RJ-11, RJ-45.

Коммутация и маршрутизация в компьютерных сетях

Для эффективного взаимодействия компьютеров в сетях используется сетевое оборудование.

Сетевой адаптер (сетевая карта) – это плата расширения, включаемая в разъем шины PCI, и выполняющая функции физического и канального уровней. Сетевой адаптер для сервера может также выполнять функции сетевого и транспортного уровней.

Коммутатор – устройство, осуществляющее поочередное подключение нескольких входных каналов связи на один выходной канал без изменения скорости передачи. Благодаря предоставлению общего доступа к информации и распределению ресурсов коммутаторы повышают производительность.

Существует два основных типа коммутаторов: управляемые и неуправляемые. Неуправляемые коммутаторы работают по стандартной схеме и не позволяют вносить изменения в эту схему. В оборудовании для домашних сетей зачастую используются неуправляемые коммутаторы.

87

Управляемый коммутатор предоставляет доступ для его программирования. Это обеспечивает большую гибкость, поскольку коммутатор можно контролировать и настраивать локально или удаленно для управления передачей трафика по сети и доступом к сети.

Концентратор (хаб, hub) – устройство, осуществляющее переключение потока данных из одного или нескольких каналов на другой (другие). Обычно концентраторы переключают потоки данных от нескольких низкоскоростных каналов на меньшее число более скоростных каналов с использованием функций физического уровня.

Повторитель (repeater) – усилитель, восстанавливающий амплитуду и форму сигнала при передачах на большие расстояния. Он регенерирует пакеты данных, обеспечивая электрическую независимость сопрягаемых сетей и защиту от действия помех.

Мост (bridge) – устройство, предназначенное для соединения идентичных сетей. Работа моста соответствует протоколам сетевого уровня. Соединяемые мостом сети могут иметь различия на физическом и канальном уровнях, но должны иметь одинаковые протоколы на сетевом уровне и выше. Мост выполняет фильтрацию сетевых пакетов в соответствии с адресами получателей.

Шлюз (gateway) – устройство, позволяющее объединять различные сети. Шлюз выполняет протокольные преобразования всех уровней модели взаимодействия открытых систем.

Маршрутизатор (router) – устройство, выполняющее соединение на транспортном уровне, обеспечивает соединение логически не связанных сетей, имеющих одинаковые протоколы на сеансовом уровне и выше, создает нужный логический канал и передает сообщение по назначению. Маршрутизаторы могут соединять сети с различными методами доступа, перераспределять нагрузки в линиях связи, выбирая наилучшие маршруты, выполнять буферизацию данных.

Маршрутизация (routing) – процесс определения маршрута следования информации в сетях связи. Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты).

Статическими маршрутами могут быть:

∙маршруты, не изменяющиеся во времени;

∙маршруты, изменяющиеся по расписанию;

∙маршруты, изменяющиеся по ситуации – административно в момент возникновения стандартной ситуации.

Для обмена информацией между компьютерами сети необходимо установление соединений, проходящий через узлы и каналы связи. Характеристики передачи данных зависят от пропускной способности линий связи, производительности узлов, способов организации каналов связи и способов передачи данных по каналам связи.

Возможны три способа коммутации при передаче данных: коммутация каналов, сообщений и пакетов.

88

Коммутация каналов предполагает создание физического канала, обеспечивающего прямую передачу данных между абонентами сети.

Коммутация сообщений производится передачей сообщения по маршруту, определяемому узлами сети с использованием информации, содержащейся в заголовке сообщения. Сообщение, создаваемое отправителем ai, принимается узлом A и хранится в памяти узла. Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут сообщения, ведущий к узлу В. Узел В принимает сообщение, помещает его в память, обрабатывает заголовок и передает сообщение следующему узлу. Процесс обработки заголовка и передачи сообщения повторяется последовательно между всеми узлами на маршруте от ai к aj.

Коммутация пакетов отличается от коммутации сообщений учетом ограничений на максимальную длину пакета. При этом длинное сообщение разделяется на несколько пакетов с ограниченной длиной. Коммутация пакетов является основным способом передачи данных в вычислительных сетях.

В сетях с коммутацией пакетов используются два способа передачи данных: дейтаграммный и виртуальный канал.

Дейтаграммой называют пакет, заголовок которого содержит адрес получателя и необходимые служебные маршрутные признаки. Совокупность процедур управления передачей таких пакетов называют также дейтаграммной службой. Дейтаграммную сеть называют также бесконтактной, поскольку нет непосредственного контакта между отправителем и получателем пакета.

Виртуальный канал – это способ, при котором сначала устанавливается маршрут передачи всего сообщения с помощью специального служебного пакета – запроса на соединение. Для этого пакета выбирается маршрут, который при согласии получателя на соединение закрепляется для всего последующего трафика и получает номер определенного виртуального канала для использования его другими пакетами того же сообщения, направляемыми в тот же адрес. Сеть с установлением виртуальных каналов называется контактной.

Локальная вычислительная сеть Ethernet

Локальные вычислительные сети часто используются для управления и другого информационного обслуживания в технических системах, оборудование которых распределено в пространстве. В таких системах часто возникает необходимость передачи больших объемов информации на небольшие расстояния. Основная отличительная особенность локальных вычислительных сетей – наличие единого для всех абонентов сети высокоскоростного канала передачи данных. При этом вычислительная сеть обеспечивает более дешевый способ комплексирования оборудования, чем глобальная сеть.

Наиболее важными характеристиками локальной вычислительной сети являются:

∙тип передающей физической среды;

∙тип передачи данных (синхронный или асинхронный);

∙метод доступа к среде (каналу связи), топология;

∙типы компьютеров в узлах сети;

89

∙число узлов;

∙тип управления в сети (одноранговая или двухранговая);

∙типы протоколов, регламентирующих форматы и процедуры обмена информацией.

Влокальных вычислительных сетях используют несколько типов каналов связи (передающих сред): витую пару, коаксиальный кабель, волоконнооптический кабель. Реже используют инфракрасный и микроволновый каналы. От среды зависит ряд характеристик сети. Наиболее распространенным является построение каналов связи с использованием витой пары. В случаях, когда требуется обеспечить высокую помехозащищенность, либо требуется наиболее высокая скорость передачи сигналов, используют волоконно-оптические линии связи. Волоконно-оптические каналы сопрягаются с приемопередатчиками, фото-

исветодиодами через специальные оптические разъемы.

На выбор метода передачи данных существенно влияют два основных требования: уплотнение канала и обеспечение надежной передачи данных. Небольшая протяженность линий связи в локальной сети позволяет использовать в них немодулированные сигналы, что, в свою очередь, позволяет удешевить аппаратуру для передачи и приема сигналов. При организации обмена важной задачей является синхронизация процессов передающей и принимающей стороны. Приемник и передатчик сигналов в сети представляют собой синхронные конечные автоматы, для организации взаимодействия которых необходима синхронизация.

В локальной вычислительной сети используются различные топологии (рис. 47).

«Звезда»

монитор

абонентская станция

повторитель

«Дерево»

Рис. 47. Топологии локальной сети

90