информатика_книги / Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А, Полякова И.В_2008 -608с

Дистанционная передача информации постоянно развивается и совершенствуется. Особое значение этот способ имеет в многоуровневых межотраслевых системах, где его применение значительно ускоряет прохождение информации с одного уровня управления на другой и сокращает общее время обработки данных.

Появление сетей ЭВМ, по сути, произвело своего рода техническую революцию, так как состоялось объединение технологии сбора, хранения, обработки и передачи информации на ЭВМ с техникой связи. Первые вычислительные сети (ВС) ЭВМ были разработаны в 1960-х гг. в США и СССР и объединяли большие ЭВМ и вычислительные центры (ВЦ). В США это была сеть АRPА, объединявшая 50 университетов и фирм, а в СССР — сеть Академии наук в Ленинграде.

Передача информации между территориально удаленными компонентами подобных распределенных систем осуществляется в основном с помощью стандартных телефонных и телеграфных каналов, а также витых пар проводов и коаксиальных кабелей связи. Современный прогресс в области оптоволоконной техники (использование световодов) позволяет резко повысить пропускную способность линий связи. Так, система F6M обеспечивает передачу информации объемом до 6,3 Мбит/с, заменяя до 96 каналов, а система Р400М — передачу информации объемом до 400 Мбит/с, заменяя 5760 телефонных каналов.

Классифицируют коммуникации (каналы передачи данных), обеспечивающие движение информации между элементами сети, по способу связи. В проводных технологиях в каче- стве физической среды в каналах используются:

—плоский двухжильный кабель;

—витая пара проводов;

—коаксиальный кабель;

—световод.

Беспроводные сетевые технологии, использующие частотные каналы передачи данных (средой является эфир), представляют разумную альтернативу обычным проводным сетям и становятся все более привлекательными. Самое большое преимущество беспроводных технологий — это возможности, предоставляемые пользователям портативных компьютеров. Однако скорость передачи данных, достигаемая в беспровод-

271

ных технологиях, не может пока сравниться с пропускной способностью кабеля, хотя она в последнее время и значительно выросла (табл. 4.3). Важно, что для перехода к беспроводной технологии не нужно менять уже имеющиеся сети. Аппаратное обеспечение локальных беспроводных сетей теперь может работать с NetWare — семейством сетевых ОС, разработанных компанией Novell Inc, и другими популярными сетевыми операционными системами, а беспроводные рабочие станции можно добавлять к обычной кабельной сети.

В спутниковых технологиях физической средой передачи данных является эфир. Использование спутников оправданно в случае значительного удаления абонентов друг от друга при чрезмерном ослаблении посылаемых электромагнитных сигналов с большими посторонними шумами. Чтобы сигналы, направленные отправителем, не смешивались с сигналами к получателю, при работе со спутником прокладываются два частотных канала — для отправителя и получателя. Это позволяет избежать ошибок при передаче информации.

272

4.7.2. Компьютерные телекоммуникации: назначение, структура, ресурсы

Основным средством компьютерных телекоммуникаций являются вычислительные сети. Вычислительная сеть (ВС) — это комплекс ЭВМ, вспомогательного оборудования, каналов связи и специального программного обеспечения для передачи данных между элементами сети. Под сетью обычно понимается структура организации технических средств, данных и программ.

Каналы связи — это технические устройства и физическая среда, обеспечивающие передачу данных. Они бывают аналоговые и цифровые, телефонные и телеграфные, радиочастотные и телевизионные, инфракрасные и оптические, а также выделенные и коммутируемые. Основная характеристика канала связи — его пропускная способность.

Дуплексный канал связи — канал, по которому передача данных происходит в оба направления одновременно.

Симплексный канал — канал, по которому передача данных

âкаждый момент времени происходит только в одном направлении.

Вычислительные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техниче- ским снабжением в масштабе отдельных регионов и страны

âцелом.

Возможность концентрации в ВС больших объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки и высокая надежность их функционирования — все это позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения ВТ.

Назначение ВС:

—организовывать параллельную обработку данных многими ЭВМ;

—создавать распределенные БД, размещаемые в памяти личных ЭВМ;

—специализировать отдельные ЭВМ (группы ЭВМ) для эффективного решения определенных классов задач;

—автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными ЭВМ и пользователями сети;

273

—резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных с целью быстрого восстановления нормальной работы сети в случае выхода из строя некоторых из них;

—перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;

—стабилизировать и повышать уровень загрузки ЭВМ и дорогостоящего периферийного оборудования;

—сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, в режимах «запрос — ответ», сбора, передачи

èобмена информацией.

Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных, лучшей загрузки ресурсов и повышения надежности функционирования системы в целом стоимость обработки данных в ВС не менее чем в полтора раза ниже, по сравнению с обработкой аналогичных данных на автономных ЭВМ.

Вычислительные и информационные сети классифицируют по различным признакам. Сети, состоящие из программносовместимых ЭВМ, являются однородными, èëè гомогенными. Если ЭВМ, входящие в сеть, программно несовместимы, то такая сеть является неоднородной, èëè гетерогенной.

По т и п у о р г а н и з а ц и и п е р е д а ч и д а н н ы х различают сети с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений, с коммутацией пакетов. Имеются сети, использующие смешанные системы передачи данных.

По х а р а к т е р у р е а л и з у е м ы х ф у н к ц и й сети подразделяют на:

—вычислительные, предназначенные для решения задач управления на основе вычислительной обработки исходной информации;

—информационные, предназначенные для получения справочных данных по запросу пользователей (чисто информационные сети используются редко);

—смешанные, в которых реализуются вычислительные и информационные функции (в настоящее время это основной вид ВС).

По с п о с о б у у п р а в л е н и я вычислительные и информационные сети подразделяют на сети с децентрализованным, централизованным è смешанным управлением. В первом случае каждая ЭВМ, входящая в состав сети, включает полный

274

набор программных средств для координации выполняемых сетевых операций. Сети такого типа сложны и достаточно дороги, так как операционные системы отдельных ЭВМ разрабатываются с ориентацией на коллективный доступ к общему полю памяти сети. При этом в каждый конкретный момент времени доступ к общему полю памяти предоставляется только для одной ЭВМ. А координация работы ЭВМ осуществляется под управлением единой операционной системы сети.

В условиях смешанных сетей под централизованным управлением ведется решение задач, обладающих высшим приоритетом и, как правило, связанных с обработкой больших объемов информации.

По с т р у к т у р е п о с т р о е н и я (топологии) сети подразделяют одноузловые è многоузловые, одноканальные è многоканальные. Топология вычислительной сети во многом определяется структурой сети связи, т. е. способом соединения абонентов друг с другом и ЭВМ. Известны такие структуры сетей: радиальная (звездообразная), кольцевая, многосвязная («каждый с каждым»), иерархическая, «общая шина» и др. (рис. 4.5) (подробное описание этих структур см. в 4.7.3).

Основные функции систем передачи данных в условиях функционирования ВС заключаются в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее десятилетие произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется главным образом тем, что затраты на техническое обеспечение ВС сократились за этот период примерно в десять раз, тогда как затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только в два раза.

Важнейшая характеристика сетей передачи данных — время доставки информации — зависит от структуры сети передачи данных, пропускной способности линий связи, а также от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. Различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

275

При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, т. е. находятся в режиме on-line. В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечи- ваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и как следствие — достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации (т. е. нормальным режимом для них является режим off-line) принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: коммутация каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналов. Этот способ заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи.

Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.

Коммутация каналов как способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.

277

Коммутация сообщений. При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо становится в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации.

Способ коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (в этом случае он может достигать 80—90 % от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

Коммутация пакетов. В последние годы появился еще один способ коммутации абонентов сети — так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ способов коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный способ близок к способу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связей и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т. е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при способе коммутации сообщений.

278

К недостаткам способа коммутации пакетов следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Сопряжение ЭВМ и устройств в сетях. Существенное влияние на организацию систем обработки данных оказывают технические возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования) ЭВМ и других устройств. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий число линий, используемых для передачи сигналов и данных, а также способ (алгоритм) передачи информации по линиям связи.

Все интерфейсы, используемые в ВТ и сетях, подразделяют на три вида: параллельные, последовательные, связные.

Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде &—12&-разрядных слов), и обладает большой пропускной способностью: порядка 104—105 бит/с. Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины интерфейса: обычно — от нескольких метров до десятков (очень редко — до ста) метров.

Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность последовательного интерфейса составляет 103—104 бит/с при длине линии интерфейса от десятков метров до километра.

Связные интерфейсы содержат каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой, повышающей (в основном с помощью специальных физических методов) достоверность передачи данных. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, однако с небольшой скоростью (в пределах 102—103 бит/с). Их применение экономически целесообразно на расстоянии не менее километра.

В многопроцессорных и многомашинных вычислительных системах используются в основном параллельные интерфейсы для сопряжения отдельных устройств в ЭВМ и только в отдельных случаях применяются последовательные интерфейсы для подключения периферийных устройств. Параллельные интерфейсы обеспечивают в первую очередь передачу сигналов прерывания, а также отдельных слов (команд) и блоков данных между сопрягаемыми ЭВМ и устройствами.

27'

В распределенных системах из-за значительных расстояний между устройствами применяются последовательные и связные интерфейсы, которые исключают возможность передачи отдельных сигналов прерывания между сопрягаемыми устройствами и требуют представления информации в виде операций ввода-вывода.

От организации интерфейсов между устройствами во многом зависит организация программного обеспечения. ПО ВС обеспечивает организацию коллективного доступа к вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение ресурсов сети с целью повышения оперативности обработки информации и максимальной загрузки аппаратных средств, а также в случае отказа и выхода из строя отдельных технических средств и т. д.

Программное обеспечение ВС включает три компонента:

—общее программное обеспечение, образуемое базовым ПО отдельных ЭВМ, входящих в состав сети;

—специальное программное обеспечение, образуемое прикладными программными средствами, отражающими специфику предметной области пользователей при реализации задач управления;

—системное сетевое программное обеспечение, представляющее собой комплекс программных средств, поддерживающих

èкоординирующих взаимодействие всех ресурсов вычислительной сети как единой системы.

Особая роль в программном обеспечении вычислительных сетей отводится системному сетевому ПО, функции которого реализуются в виде распределенной операционной системы сети, которая включает в себя набор управляющих и обслуживающих программ.

4.7.3. Локальные компьютерные сети

Прогресс в развитии микропроцессорной техники сделал ее доступной массовому потребителю, а высокая надежность, относительно низкая стоимость и простота общения с пользователем — не профессионалом в области вычислительной техники послужили основой для организации систем распределенной обработки данных, включающих от десятка до сотен ПЭВМ,

28