Лекция 6

6. Понятие о сетях ЭВМ, информационных технологиях на сетях. Основы телекоммуникаций и распределенной обработки информации.

6.1. Основы телекоммуникаций и распределенной обработки информации.

6.2. Вычислительные сети. Принципы построение и классификация.

6.3. Программное обеспечение вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети.

Создание высокоэффективных крупных систем обработки данных связано с объединением средств вычислительной техники, обслуживающей отдельные предприятия, организации и их подразделения, с помощью средств связи в единую распределенную вычислительную систему.

Такое комплексирование средств вычислительной техники позволяет повысить эффективность систем обработки информации за счет снижения затрат, повышения надежности и производительности эксплуатируемых ЭВМ, рационального сочетания преимуществ централизованной и децентрализованной обработки информации благодаря приближению средств сбора исходной и выдачи результатной информации непосредственно к местам ее возникновения и потребления, а также комплексного использования единых мощных вычислительных и информационных ресурсов.

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 до 6,3 Мбит/с, заменяя до 96 телефонных каналов, а система F400M — передачу до 400 Мбит/с информации, заменяя 5760 телефонных каналов.

Расширение состава и совершенствование аппаратуры приема-передачи, а также резкое снижение стоимости ВТ привели к использованию в качестве абонентских пунктов систем телеобработки данных интеллектуальных терминалов, создаваемых на базе микропроцессоров и микроЭВМ и обеспечивающих частичную обработку информации (главным образом предварительную обработку исходной информации в виде ее логического контроля, агрегирования и т.д.) непосредственно до ее передачи по каналам связи. Использование интеллектуальных терминалов сближает функциональные возможности систем телеобработки данных и вычислительных сетей. В настоящее время вычислительные сети представляют собой высшую организационную форму применения ЭВМ.

Для современных вычислительных сетей характерно:

Ø объединение многих достаточно удаленных друг от друга ЭВМ и (или) отдельных вычислительных систем в единую распределенную систему обработки данных;

Ø применение средств приема-передачи данных и каналов связи для организации обмена информацией в процессе взаимодействия средств ВТ;

Ø наличие широкого спектра периферийного оборудования, используемого в виде абонентских пунктов и терминалов пользователей, подключаемых к узлам сети передачи данных;

Ø использование унифицированных способов сопряжения технических средств и каналов связи, облегчающих процедуру наращивания и замену оборудования;

Ø наличие операционной системы, обеспечивающей надежное и эффективное применение технических и программных средств в процессе решения задач пользователей вычислительной сети.

Особенностью эксплуатации вычислительных сетей является не только приближение аппаратных средств непосредственно к местам возникновения и использования данных, но и разделение функций обработки и управления на отдельные составляющие с целью их эффективного распределения между несколькими ЭВМ, а также обеспечение надежного и быстрого доступа пользователей к вычислительным и информационным ресурсам и организация коллективного использования этих ресурсов.

Вычислительные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техническим снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.

Возможность концентрации в вычислительных сетях 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.

В условиях вычислительной сети предусмотрена возможность:

Ø организовать параллельную обработку данных многими ЭВМ;

Ø создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных ЭВМ;

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

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

Ø резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;

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

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

Ø сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, режимах «запрос-ответ», а также сбора, передачи и обмена информацией.

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

Вычислительные сети классифицируются по различным признакам. Сети, состоящие из программно-совместимых ЭВМ, являются однородными или гомогенными. Если ЭВМ, входящие в сеть, программно несовместимы, то такая сеть называется неоднородной или гетерогенной.

По типу организации передачи данных различают сети: с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений, с коммутацией пакетов. Имеются сети, использующие смешанные системы передачи данных.

По характеру реализуемых функций сети подразделяются на:

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

Ø информационные, предназначенные для получения справочных данных по запросу пользователей;

Ø смешанные, в которых реализуются вычислительные и информационные функции.

По способу управления вычислительные сети делятся на сети с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением. В первом случае каждая ЭВМ, входящая в состав сети, включает полный 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 структуре построения (топологии) сети подразделяются на одноузловые и многоузловые, одноканальные и 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. 7.2.1).

Рис. 7.2.1. Основные типы структур сетей ЭВМ:

радиальная (звездообразная) (а); кольцевая (б); многосвязная (в); иерархическая (г); «общая шина» (д);

- узел коммутации; - ЭВМ

СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования вычислительных сетей заключается 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 вычислительных сетей 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. В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

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, обеспечиваются 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 которых 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: каналов, сообщений и пакетов (рис. 7.2.2).

 

 

Рис.7.2.2. Схема организации передачи данных в коммутируемых сетях

Коммутация каналов. Способ коммутации каналов 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.

Такой 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.

К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:

Ø гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;

Ø высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;

Ø невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).

Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести двусторонний непрерывный обмен информацией между двумя абонентами.

Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:

Ø увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;

Ø потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования — в узле-приемнике.

Наконец, сокращение потоков информации ниже пропускной способности аппаратной части и каналов связи ведет к недогрузке канала, а в период пиковой нагрузки может вызвать определенные потери вызовов.

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. В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии, с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений — обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае 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.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:

Ø использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщении (того или иного способа коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

Ø организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутации сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов. В последние годы появился еще один способ коммутации абонентов сети — так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов 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 метод близок методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи 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 методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:

Ø в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;

Ø в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализи­ровав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

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, разделяются на три вида: параллельные, последовательные, связные.

Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде 8—128 разрядных слов). Параллельный интерфейс обладает большой пропускной способностью: порядка 10⁴—10⁵ бод (бит/с). Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины интерфейса (обычно от нескольких метров до десятков (очень редко до сотни) 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 передачи данных, 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). Применение связных интерфейсов 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.

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.

6.1. Программное обеспечение вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети.