1.2.9Компьютерные сети
Развитие терминальных комплексов положило основу развития компьютерных сетей. И следующим шагом стала замена терминальных устройств компьютерами.
Компьютерная сеть — это объединение компьютеров (или вычислительных систем), взаимодействующих через коммуникационную среду (Рис. 57.).
Коммуникационная среда — каналы и средства передачи данных.
Можно выделить следующие свойства компьютерных сетей. Во-первых, сеть может состоять из значительного числа связанных между собой автономных компьютеров. Два компьютера называются связанными между собой, если они могут обмениваться информацией. Требование автономности используется, чтобы исключить из рассмотрения компьютерные системы, в которых один компьютер может принудительно запустить, остановить другой компьютер или управлять его работой.
Компьютерные сети.
Во-вторых, компьютерная сеть предполагает возможность распределенной обработки информации, когда пользователь компьютерной сети может получать в качестве результата может получать данные, обработанные за счет интеграции этапов обработки данных на разных компьютерах сети.
Следующее свойство — расширяемость. Компьютерная сеть должна обеспечивать возможность развития по протяженности, по расширению пропускной способности канала, по составу и производительности компонентов сети.
И, наконец, возможность применения симметричных интерфейсов обмена информацией между компьютерами сети, позволяющих произвольным способом распределять функции сети.
Будем говорить, что логически компьютеры, составляющие сеть, состоят из абонентских машин (или основных компьютеров — хостов) и коммуникационных (или вспомогательных) компьютеров (шлюзы, маршрутизаторы и пр.). Последние выполняют фиксированные функции по обеспечению функционирования сети. Это деление логическое. На практике может оказаться, что одна машина выполняет роль как абонентской машины, так и коммуникационной.
Традиционно для функционирования компьютерных сетей используются 3 модели организации каналов, или 3 модели сетей, — это сети коммутации каналов, сети коммутации сообщений и сети коммутации пакетов. Сразу отметим, что большинство современных сетей являются комбинациями этих основных моделей сетей.
В сети коммутации каналов 2 абонента сети взаимодействуют при помощи сеанса связи, любой из которых является обменом сообщениями. Под сообщением будем понимать логически целостный набор данных произвольного размера. Коммутация каналов происходит на весь сеанс связи.
К достоинствам данных сетей можно отнести следующие свойства:
канал находится всегда в состоянии готовности;
требования к коммуникационному оборудованию минимальны: по сути, нет требований к обеспечению буферизации;
обмены происходят порциями данных произвольной длины — сообщениями — что ведет к уменьшению накладных расходов по передаче информации;
детерминированная пропускная способность сети.
Среди недостатков данной модели можно отметить следующие:
дороговизна: любой выделенный канал требует больших материальных затрат;
наличие высокой избыточности в сети: должно быть либо много каналов, чтобы не было коллизий, либо в сети будут коллизии. При этом период ожидания свободного канала недетерминирован;
неэффективность использования коммутационного канала: в отдельно взятом сеансе может быть низкая интенсивность обменов сообщениями;
при отказах и сбоях повторение переданной информации является сложной задачей.
Сети коммутации сообщений — это сети, которые оперируют термином «передача сообщения», а не «сеанс связи», т.е. один абонент другому отправляет сообщение. Выделение канала для передачи каждого сообщения происходит поэтапно от одного узла к другому. На каждом узле на пути следования принимается решение, свободен ли канал к следующему узлу. Если свободен, то сообщение передается далее, иначе происходит ожидание освобождения канала. К достоинствам и недостаткам данной модели можно отнести:
отсутствие выделенного канала и, соответственно, занятости ресурса коммутируемого канала на неопределенный промежуток времени, т.е. устранена деградация системы, возникающая при организации сетей коммутации каналов;
в связи с тем, что сообщения могут быть произвольного размера, возникает необходимость наличия в коммутационных узлах средств буферизации (в общем случае неизвестно, какой мощности, поскольку сообщение имеет произвольную длину). Таким образом, данная сеть имеет недетерминированные характеристики;
обеспечение буферизации требует дорогостоящего коммутационного оборудования;
необходимость повторения сообщения в случае сбоя при передаче, что само по себе является сложной задачей, хотя менее трудоемкой, чем для сетей коммутации каналов.
Модель сети коммутации пакетов строится на предположении, что в основе лежит сеть, использующая ненадежные средства связи. Функционирования данной сети состоит в следующем: любое сообщение дробится на блоки фиксированной длины, которые называются пакетами. Соответственно, на стороне отправителя происходит разбиение сообщения на пакеты, а на стороне получателя — сборка. Любой пакет помимо непосредственно самого сообщения (или его части) имеет служебную информацию (которая обычно представлена в заголовке пакета), обеспечивающую внутреннюю целостность пакета (контрольная сумма пакета и пр.), адресную составляющую (данные об отправителе и адресате), а также информацию для сборки.
При передаче пакета используется следующая стратегия: любой узел, получив пакет, пытается сразу от него избавиться. Поскольку любая сеть имеет фиксированную топологию, а также фиксированные количество и расположение абонентов, то возможно просчитать ее характеристики и предъявить требования к коммуникационным узлам. Данная модель допускает буферизацию в узлах передачи: пакет, придя на узел, может быть послан несколько позже, если все необходимые выходные каналы заняты. Но период занятости канала при известной стратегии обработки буфера предопределен, поэтому можно оценить предельный размер буфера, а также предельные периоды ожидания пакетов при передаче их по сети. Таким образом, если известна стратегия передачи, пропускная способность является детерминированной величиной.
Среди положительных свойств данной системы можно отметить ее детерминированность (детерминированность перемещений, детерминированность требований к коммуникационному оборудованию), а также то, что при сбое достаточно заново послать потерянные пакеты, а не все сообщение целиком.
К недостаткам модели можно отнести то, что по сети перемещается накладная информация, которая прибавляется к каждому пакету при разбиении сообщения. Еще одной проблемой, связанной с разбиением сообщения на пакеты, является их сборка — это аккумуляция пакетов, а также сама сборка (необходимо обеспечить наличие всех переданных пакетов и их правильный порядок).