Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

ВВЕДЕНИЕ

Телекоммуникация и сетевые технологии являются в настоящее время той движущей силой, которая обеспечивает развитие мировой Щ1вилизащ1и. Прак­ тически нет области производственных и общественных отношений, которая не использовала бы возможности современных информацион1п>1Х технологий на базе телекоммуникащ1Й.

Приступая к написанию данного учебного пособия, авторы исходили из того, что в данной динамически развивающейся области знаний уже существует много различных электронных публикащш на сайтах сети Интернет и печатных изда­ ний, в том числе учебно-методической литературы. Поэтому в книгу включен только материал, который отработан на протяжении последних нескольких лет в учебном процессе кафедры «Системы обработки информации и управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана при чтении курсов «Вычислительные комплексы и сети», «Сети ЭВМ и телекоммуникации», «Сетевое программное обеспече­ ние».

Информация, которой оперируют компьютеры, называется данными, а тер­ риториально распределенные и соединенные линиями связи компьютеры, зани­ мающиеся обработкой данных, в общем случае представляют собой распре­ деленную систему обработки данных или сеть ЭВМ. Линия связи - это либо телефонная линия, либо другая среда передачи данных: витая пара, волоконнооптическая линия связи, коаксиальный кабель, радиолиния и т.п. Совокупность различных линий связи и каналообразующей аппаратуры представляется как телекоммуникационная среда, обеспечивающая удаленное взаимодействие компьютеров.

Основываясь на понятии архитектуры распределенных систем обработки данных, авторами в пособии сделана попытка изложить описание базовой мо­ дели взаимодействия открытых систем с позиций объектно-ориентированного подхода. Материал представлен в соответствии с уровнями эталонной модели, начиная с форм представления сигналов физических каналов связи.

Вопросы достоверности передаваемой информации в системах телеком­ муникаций играют важную роль, поэтому им уделено значительное внимание. Подробно рассмотрены и проиллюстрированы примерами математические аспекты логического кодирования.

11

Введение

В качестве технических средств телекоммуникаций в учебном пособии пред­ ставлены модемы, которые продолжают оставаться широко распространен­ ными средствами удаленного взаимодействия и доступа к сети Интернет. Кроме того, модемы, пожалуй, единственные технические средства, которые доступ­ ны в настоящее время большинству вузов в качестве оборудования, обеспечи­ вающего лабораторный практикум по соответствующим учебным курсам.

Рассмотрение сетевых технологий умьпплено построено с нарушением хро­ нологического порядка развития сетей ЭВМ. Как известно, глобальные сети и связаршые с ними технологии появились раньше, чем локальные. Однако бур­ ный рост локальных сетей и совершенствование их технологий за последние несколько лет определили в значительной степени это решение. Кроме того, авторы, не претендуя на оригинальность, посчитали методически правильным рассмотреть сначала методы построения локальных сетей и их технологий, тем более, что современные технологии, такие, как ATM и FDDI, стирают грани между понятиями «глобальный» и «локальный».

Представление о предмете бьшо бы неполным без рассмотрения сетевых операщюнных систем. В связи с этим в книге даны понятия, определено назна­ чение и рассмотрены основные характеристики и возможности сетевой операщюнной системы NetWare фирмы Novell.

Авторы надеются, что читатель приобретет некоторые практические на­ выки построения сетей на базе различных технологий, прочитав заключитель­ ную главу настоящего учебного пособия.

12

1. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Рассмотрены основные понятия и полоэ/сенияраспределенной обработки данных. Описана архитектурараспределенных систем как совокупность логической, физической и программной структур. Взаимодействие открытых системрассмотрено с точки зрения объектно-ориентированного подхода. Достаточно подробно описаны принципы построения эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI и функциональное назначениеуровней этой модели. Кроме модели OSIприведены сведения об альтернативных профилях стандартов открытых систем.

1.1. Архитектура распределенных систем

Основные понятия распределенной обработки данных

Распределенная система обработки данных (РСОД) - любая система, по­ зволяющая организовать взаимодействие независимых, но связанных между собой ЭВМ. Эти системы предназначены для автоматизации таких объектов, которые характеризуются территориальной распределенностью пунктов воз­ никновения и потребления информации. Концептуально распределенная обра­ ботка подразумевает тот или иной вид организации сети связи и децентрали­ зацию трех категорий ресурсов:

•аппаратных вычислительных средств и собственно вычислительной мощ­ ности;

•баз данных;

•управление системой.

В распределенных системах обработки данных в той или иной степени осу­ ществляется реализация следующих основных функций:

•доступ к ресурсам (вычислительным мощностям, программам, данным и

т.п.) с терминалов и из пользовательских программ в режиме «файл-сервер»;

13

1.Распределенные системы обработки данных

•выполнение заданий и интерактивное общение пользователей с запущен­ ными по их требованию программами в режиме «клиент-сервер»;

•сбор статистики о функционировании системы;

•обеспечение надежности и живучести системы в целом.

В настоящее время применяют различные подходы к классификации рас­ пределенных систем обработки данных по разным критериям.

По степени однородности различают:

•полностью неоднородные РСОД;

•частично неоднородные РСОД;

•однородные РСОД.

Полностью неоднородные РСОД характеризуются тем, что в них объеди­ нены ЭВМ, построенные на основе различных архитектур и функционирующие под управлением разных операционных систем (ОС). Как правило, РСОД этого типа в качестве коммуникационной службы используют глобальные сети, ба­ зирующиеся на протоколах Х.25, Frame relay, ATM, Intemet-технология.

Частично неоднородные РСОД строят на базе однотипных ЭВМ, работаю­ щих под управлением различных ОС, либо они включают в себя компьютеры различных типов, работающие под управлением одной ОС. Например, ЮМ PC компьютеры управляются различными ОС: MS DOS, OS/2, Windows 95, Windows NT.

Однородные распределенные системы строятся на однотипных вычисли­ тельных средствах, оснащенных одинаковыми операщюнными системами.

По архитектурным особенностям выделяют:

•РСОД на основе систем телеобработки;

•РСОД на основе сетевой технологии.

Под сетевой технологией понимается такая форма взаимодействия ЭВМ, при которой любой из процессов одной из машин по своей инищ1ативе может установить логическую связь с любым процессом в любой другой ЭВМ.

В отличие от таких систем РСОД на основе систем телеобработки не обес­ печивают полного, симметричного и независимого взаимодействия процессов.

По степени распределенности с позиций пользователя РСОД делятся на 2 группы: региональные и локальные.

К региональным РСОД будем относить распределенные конфигурации, ха­ рактеризующиеся следующими основными параметрами:

неограниченной географической распределенностью; наличием тех или иных механизмов маршрутизации;

каждые два узла связаны собственным каналом, и отсутствует проблема его разделения;

широким диапазоном скоростей передачи - 10\.. 10^ бит/с; произвольной топологией.

В них можно вьщелить несколько способов организации взаимодействия между ЭВМ:

коммутация каналов;

14

1.1. Архитектурараспределенных систем

Информационно-вычислительная | служба (ИВС)

Административная

служба

Рис. 1.1. Логическая структура РСОД

коммутащм сообщений; коммутащ1я пакетов;

коммутащ1я фреймов - Frame relay; коммутащм ячеек - АТМ-технология.

Основу локальных РСОД составляют локальные сети со следующими ха­ рактеристиками:

небольшая географическая распределенность; использование единой коммуникащюнной среды и, следовательно, физичес­

кая полносвязность всех узлов сети, приводящая к замене маршрутизации адресащ1ей;

высокие и очень высокие скорости обмена - 10^... 10^ бит/с; применение спещ1альных методов и алгоритмов доступа к единой среде для

обеспечения высокой скорости передачи при одновременном использовании среды всеми узлами коммуникащюнной службы;

ограниченность возможных топологий.

Под архитектурой РСОД будем понимать взаимосвязь ее логической, физи­ ческой и программной структур.

Логическая структура РСОД отражает состав сетевых служб и связи между ними (рис. 1.1). В данной структуре информационно-вычислительная служба предназначена для решения задач пользователей сети. Терминальная служба обеспечивает взаимодействие терминалов с сетью. Сюда входит пре­ образование форматов и кодов, управление разнотипными терминалами, обра­ ботка процедур обмена информацией между терминалами и сетью и т. д. Транс­ портная служба предназначена для решения всех задач, связанных с передачей сообщений в сети. Она управляет маршрутами, потоками и данными, декомпо­ зицией сообщений на пакеты и рядом других функций. Интерфейсная служба решает задачи обеспечения взаимодействий разнотипных ЭВМ, функциониру­ ющих под управлением различных ОС, имеющих разную архитектуру, длину слова, форматы представления данных и др. Кроме того, служба управления

15

/. Распределенные системы обработки данных

интерфейсами осуществляет взаимодействие ЭВМ, входящих в состав раз­ личных сетей. Административная служба управляет сетью, реализует проце­ дуры реконфигурации и восстановления, собирает статистику о функциониро­ вании сети, осуществляет ее тестирование. Разумеется, приведенный полный состав элементов логической структуры не является обязательным для всех реальных систем. Так, в однородных сетях отпадает необходимость в интер­ фейсной службе, в простейших сетях может отсутствовать административная служба и т. д. Информационно-вычислительная и терминальная службы обра­ зуют абонентскую слуэ/сбу, а интерфейсная и транспортная - коммуникаци­ онную. Из этого следует, что административная служба не осуществляет не­ посредственно какие-либо функции, связанные с сетевым обслуживанием пользователей, и может рассматриваться как механизм обслуживания самой сети. Распределение элементов логической структуры по различным ЭВМ за­ дает физическую структуру РСОД (рис. 1.2).

Элементами такой структуры являются ЭВМ, связанные между собой и с терминалами. В зависимости от реализации в ЭВМ той или иной сетевой служ­ бы в физической структуре можно вьщелить:

главные ЭВМ; коммуникационные ЭВМ; интерфейсные ЭВМ; терминальные ЭВМ; административные ЭВМ.

В одной ЭВМ могут реализовываться несколько служб.

Программная структура РСОД отражает состав компонентов сетевого программного обеспечения (ПО) и связи между ними. Очевидно, что состав сетевого ПО определяется логической структурой, т. е. функциями, выполняе­ мыми ее службами. В то же время связи между компонентами ПО во многом зависят от физической структуры.

Рис. 1.2. Физическая структура РСОД

16

1.2. Концепция открытых систем

Сетевое ПО имеет многоуровневую иерархическую организацию. Что обус­ ловлено двумя факторами:

•необходимостью минимизации затрат на модификацию сетевого ПО при изменении состава используемого оборудования;

•любые осуществляемые в сети изменения не должны отражаться на поль­ зовательских программах, использующих сетевые возможности.

Для иерархической организации необходимы правила взаимодействия про­ грамм, вьшолняемых в одной ЭВМ и находящихся на различных уровнях, и программ, находящихся на одном уровне, но расположенных в различных ЭВМ,

т.е. четкое описание интерфейсов и протоколов.

Стремление создать единую, универсальную и открытую к изменениям ло­ гической и физической структур сетевую архитектуру обусловило стандарти­ зацию уровней иерархии ПО сетей ЭВМ. Международная организация по стан­ дартизации (ISO - International Standard Organization) предложила концепцию архитектуры открытых систем, в которой определена эталонная модель, ис­ пользуемая как базовая при разработке международных стандартов.

1.2.Концепция открытых систем

Всоответствии с эталонной моделью вычислительная сеть представляет­ ся как распределенная информационно-вычислительная среда, реализуемая больышм числом разнообразных аппаратных и программных средств. Эта среда по вертикали делится на ряд логических уровней, каждый из которых выполня­ ет одну из основных задач информационно-вычислительной среды. По гори­ зонтали она делится на локальные части , называемые открытыми системами, каждая из которых удовлетворяет требованиям и стандартам архитектуры от­ крытых систем ISO (рис. 1.3). Термин «взаимодействие открытых систем»

во е (OSI - Open System Interconnection) относится к процедурам передачи данных между системами, которые «открыты» друг другу благодаря совместтному использованию ими соответствующих стандартов.

Рис. 1.3. Область взаимодействия открытых систем

17

1. Распределенные системы обработки данных

Сложность функций области взаимодействия привела к тому, что они в со­ ответствии с базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем поделены на семь расположенных друг над другом слоев, называемых уров­ нями. Их иерархия в зависимости от вьшолняемых функций делится на две части - прикладную и транспортную платформы.

Часть открытой системы, реализующая некоторую функцию и входящая в состав того или иного уровня, называется объектом. Набор правил взаимо­ действия объектов одного и того же Л^-го уровня называется Л^-протоко- лом. Связь между объектами соседних уровней определяется интерфейсом (например, связь между объектами N-H(N- 1)-ГО уровней определяется (N - 1)-м интерфейсом.

Общие свойства открытых систем обычно формируются следующим об­ разом:

•расширяемость/масштабируемость - extensibility/scalability,

•мобильность (переносимость) -portalility,

•интероперабельность (способность к взаимодействию с другими систе­ мами) - interoperability,

•дружественность к пользователю, в том числе легкая управляемость - driveability.

Эти свойства, взятые по отдельности, были характерны и предыдущим по­ колениям информационных систем и средств вычислительной техники. Новый взгляд на открытые системы определяется тем, что эти свойства рассматри­ ваются в совокупности, как взаимосвязанные, и реализуются в комплексе.

Взаимодействие открытых систем стало основной концепцией архитектуры информационных сетей.

Понятие «система» носит двойствеьшый характер. С одной стороны, по об­ щему определершю, система - это совокупность взаимодействующих элемен­ тов (компонентов), аппаратных и/или программных. С другой стороны, систе­ ма может выступать в качестве компонента другой, более сложной системы, которая, в свою очередь, может быть компонентом системы следующего уров­ ня. В связи с этим нужно уточнить представление об архитектуре систем и средств как внешнем их описании (reference model) с точки зрения того, кто ими пользуется. Архитектура открытой системы, таким образом, оказывается иерархическим описанием ее внешнего облика и каждого компонента с точки зрения:

•пользователя (пользовательский интерфейс);

•проектировщика системы (среда проектирования);

•прикладного программиста (системы и инструментальные средства /сре­ ды программирования);

•системного программиста (архитектура ЭВМ);

•разработчика аппаратуры (интерфейсы оборудования).

18

1.2. Концепция открытых систем

Для примера рассмотрим архитектурное представлеьше системы обработ­ ки данных, состоящей из четырех компонентов: пользовательского интерфейса (соответственно точкам зрения всех указанных выше групп), средств обра­ ботки данных, средств представления и хранения данных, средств коммуника- иуж. Для этого представления необходимо три уровня описаний: среды, которая представляется системой, операционной среды (системы), на которую опира­ ются прикладные компоненты, и оборудования. Каждый из этих уровней для удобства разделен на два подуровня (табл. 1.1).

Уровень среды для конечного пользователя (user environment) характеризу­ ется входными и выходными описаниями (генераторы форм и отчетов), языка­ ми проектирования информационной модели предметной области (язьпси 4GL), функциями утилит и библиотечных программ и прикладным уровнем среды коммуникаций, когда необходимы услуги дистанционного обмена информаци­ ей. На этом же уровне определена среда (инструментарий) прикладного про­ граммирования (application environment): языки и системы программирования, командные языки (оболочки ОС), язьпси запросов систем управления базами данных (СУБД), уровни сессий и представительный среды коммуникаций.

Таблица 1.1.

19