Вычислительные сети
Поиск наиболее эффективных путей использования средств вычислительной техники привел в конце 60 - х гг. к разработке вычислительных (компьютерных) сетей, представляющих собой территориально рассредоточенную систему ЭВМ и терминальных устройств, связанных между собой каналами передачи данных. Основой функционирования таких сетей является распределенная обработка данных, реализуемая на автономных, но связанных между собой ЭВМ.
Вычислительные сети являются высшей формой многомашинных систем (ассоциаций). Вместе с тем, вычислительные сети имеют определенные отличия от рассмотренных ранее многомашинных вычислительных систем и комплексов.
Первое отличие - размерность. В состав многомашинного вычислительного комплекса входят обычно две - три ЭВМ, расположенные преимущественно в одном помещении. Вычислительная сеть может состоять из десятков и даже сотен ЭВМ, расположенных на расстоянии друг от друга от нескольких метров до десятков, сотен и даже тысяч километров.
Второе отличие - разделение функций между ЭВМ. Если в многомашинном вычислительном комплексе функции обработки данных, передачи данных и управления системой могут быть реализованы в одной ЭВМ, то в вычислительных сетях эти функции распределены между различными ЭВМ.
Третье отличие - необходимость решения в сети задачи маршрутизации сообщений от одной ЭВМ к другой в зависимости от текущего состояния каналов связи, соединяющих ЭВМ друг с другом.
С появлением вычислительных сетей удалось в значительной степени разрешить две стратегически важные проблемы, стоящие на пути информатизации современного общества, а именно:
- - объединение и перемещение на любые расстояния гигантских объемов информации;
- - обеспечение доступа многочисленных пользователей, расположенных на практически неограниченной территории, к огромным вычислительным и информационным ресурсам.
По сравнению с централизованной обработкой данных распределенная сетевая обработка имеет также ряд других преимуществ:
- - дальнейшее углубление принципа параллелизма в организации функционирования вычислительных средств, что существенно улучшает их суммарные технические характеристики, в том числе производительность;
- - значительное снижение стоимости обработки данных за счет коллективного использования дорогостоящих технических и программных ресурсов вычислительной сети;
259
- - возможность создания обширных баз данных, размещенных в памяти многочисленных ЭВМ;
- - предоставление большого перечня услуг, в том числе таких, как электронная почта, телеконференции, электронные доски объявлений, дистанционное обучение;
- - возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей между пользовал елями сети в зависимости от их потребностей, а также резервирование этих мощностей и средств для повышения достоверности обработки данных;
- - повышение эффективности использования средств вычислительной техники за счет более интенсивной и равномерной их загрузки;
- - облегчение работ по развитию и совершенствованию технических, программных и информационных средств.
В обобщенном виде любую вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность многочисленных абонентских систем и передающей среды (телекоммуникационной системы), как показано на рис. 12.14.
Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, терминалы пользователей, генерирующие или потребляющие информацию в сети.
Любой абонент сети подключается к станции, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации. Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой (АС).
Рис. 12.14. Обобщенная структура вычислительной сети
Передача данных между абонентскими системами обеспечивается телекоммуникационной системой, выполняющей функции передающей среды.
Взаимодействие абонентских систем вычислительной сети носит в общем случае сложный многоуровневый характер. Такое взаимодействие устанавливается не только на уровне физического соединения абонентских систем, а главное - на уровне взаимодействия прикладных процессов, протекающих в этих системах.
При этом под прикладным процессом здесь понимается прикладная программа, инициированная пользователем, вместе с необходимыми наборами данных и выделенными ей ресурсами вычислительной сети.
260
Необходимое взаимодействие названных прикладных процессов обеспечивается, в свою очередь, реализацией целого ряда специальных процессов, например, процессов ввода сообщений, управления передачей, маршрутизации, интерпретации принятых сообщений и др.
Данное обстоятельство закономерно приводит к многоуровневости (иерархичности) функций, реализуемых различными техническими и программными средствами вычислительной сети.
В 1978 г. Международная организация по стандартизации (МОС) предложила 7 - уровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (БОС), которая стала для вычислительных сетей наиболее распространенной и признанной. Функциональные уровни, представленные в данной модели (рис. 12.15), рассматриваются как составные независимые части процессов взаимодействия абонентских систем. На каждом из этих уровней реализуются определенные функции, обеспечивающие необходимое взаимодействие.
Рис. 12.15. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем
Три верхних уровня данной модели отражают взаимодействие соответствующих процессов в абонентской системах и объединяются под общим названием - прикладные процессы. Предшествующие уровни 1 - 4 обеспечивают сетевой доступ к этим процессам. Точки, через которые осуществляется логическая связь с процессами, получили название портов (рис. 12.15).
Дадим краткую характеристику каждому уровню представленной модели взаимодействия.
Прикладной уровень обеспечивает поддержку прикладных программ пользователей в рамках реализации вычислительных, справочных, информационно - поисковых и других работ, которые для них выполняются.
261
Представительский уровень занимается синтаксисом данных, т.е. их представлением в кодах и форматах, принятых в данной системе, в ее прикладных процессах.
Сеансовый уровень устанавливает и поддерживает сеансы взаимодействия прикладных процессов (программ) пользователей через коммуникационную сеть. Он производит обмен данными по запросу процесса пользователя, переданному через прикладной и представительный уровни.
Транспортный уровень обеспечивает сопряжение (интерфейс) между прикладными процессами и коммуникационной сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и производит по этим каналам передачу пакетов данных. Логические каналы, устанавливаемые транспортным уровнем, называются транспортными каналами.
Сетевой уровень реализует функции буферизации и маршрутизации пакетов данных в коммуникационной сети. На этом уровне осуществляется прокладка в каждом физическом канале совокупности логических транспортных каналов.
Канальный уровень реализует процесс передачи данных в виде кадров, являющихся контейнерами, в которых транспортируются информационные пакеты. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде информационных кадров, устанавливает необходимый информационный канал между абонентскими системами, соединенными физическим каналом, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных.
Физический уровень непосредственно связан с каналом передачи данных, обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию.
Каждому из названных функциональных уровней в архитектуре вычислительной сети соответствуют определенные технические и (или) программные модули, реализующие необходимые виды обработки и передачи данных. Так, на уровнях 1 и 2 используются технические средства в виде программируемых контроллеров, мультиплексоров передачи данных, сетевых адаптеров и др. Остальным уровням соответствуют, главным образом, средства сетевого и прикладного программных обеспечений.
Функциональное взаимодействие 7 - уровневых абонентских систем А и В (рис. 12.16) сводится в конечном счете к взаимодействию соответствующих прикладных процессов.
При передаче информации от прикладного процесса абонентской системы А происходит ее обработка в соответствующих уровнях. Смысл этой обработки заключается в том, что каждый уровень добавляет к информации процесса свой заголовок - служебное обрамление, необходимое для адресации передаваемого сообщения. Сообщение, обрамленное заголовками, уходит в коммуникационную сеть и поступает в абонентские системы.
262
Каждая абонентская система, принявшая сообщение, дешифрирует адреса и определяет, предназначено ли ей данное сообщение. При этом в абонентской системе В (рис. 12.16) происходит обратный процесс - чтение и отсечение "а каждом уровне соответствующих заголовков.
Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Таким образом, перемещаясь по уровням, информация поступает в прикладной процесс, для которого она была предназначена.
Рис. 12.16. Взаимодействие абонентских систем сетина базе эталонной модели
Можно утверждать, что передача сообщений, обрамленных соответствующим заголовком, напоминает по своей процедуре вложение в конверт с адресными реквизитами почтовой корреспонденции.
Взаимодействие между соседними уровнями одной абонентской системы регламентируется межуровневыми интерфейсами. Они определяют структуру данных и правила обмена ими между соседними уровнями. Этим обеспечивается относительная независимость уровней друг от друга, при которой модернизация любого из уровней не влечет за собой необходимость внесения изменений в другие уровни. Вычислительная сеть как система становится открытой.
Организация взаимодействия между одноименными уровнями различных абонентских систем также выполняется по определенным правилам, которые определяются соответствующими протоколами П1, П2, ..., П7 (рис. 12.16).
263
Концепция открытых систем предусматривает разработку стандартов для протоколов различных уровней. Легче всего поддаются стандартизации протоколы трех нижних уровней рассмотренной ранее модели, так как они определяют действия и процедуры, свойственные вычислительным сетям любого класса.
Для протоколов физического уровня стандарты определены рекомендациями МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии). Цифровая передача предусматривает использование протоколов Х.21 и Х.21 - бис. Канальный уровень определяют протокол HDLC (High - level Data Link Control - высший уровень управления каналом связи) и его подмножества, а также протокол Х.25/3.
Труднее всего стандартизировать протоколы верхних уровней, особенно прикладного, из - за множественности прикладных задач и в ряде случаев их уникальности. Действительно, в зависимости от характера и сущности функциональных задач практически нет пределов, ограничивающих многообразие существующих вычислительных сетей.
Для систематизации таких сетей могут быть использованы различные классификационные признаки. Пожалуй, наиболее общей является классификация в зависимости от территориальной рассредоточенности элементов сети. По этому признаку вычислительные сети можно разделить на три основных класса:
- - локальные сети (LAN - Local Area Network);
- - региональные сети (MAN - Metropolitan Area Network);
- - глобальные сети (WAN - Wide Area Network). Дадим им краткую характеристику.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) объединяет абонентов, расположенных в пределах относительно небольшой территории (ограниченной примерно 2 - 3 км). К классу ЛВС обычно относятся вычислительные сети предприятий, фирм, банков, офисов и т.д.
Локальную вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций. При этом рабочей станцией является персональный компьютер, подключенный к сети, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам, а сервер - это компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определенными услугами.
Серверы и рабочие станции вычислительной сети часто называют просто узлами сети. Усредненная геометрическая схема соединения таких узлов определяет топологию сети. Для ЛВС типичными являются всего три типа топологий: кольцевая, шинная и звездообразная (рис. 12.17 - 12.19). Иногда для их упрощенного обозначения используются термины - кольцо, шина и звезда.
264
Рис. 12.17. Вычислительная сеть кольцевой топологии
Рис. 12.18. Вычислительная сеть шинной топологии
Рис. 12.19. Вычислительная сеть звездообразной топологии
Кольцевая топология (рис. 12.17) предусматривает последовательное соединение узлов сети замкнутым проводящим кабелем, в качестве которого используется либо витая пара из двух изолированных проводов, либо коаксиальный, либо оптоволоконный кабель. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. Последовательная дисциплина обслуживания
265
узлов снижает быстродействие сети, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца.
Шинная топология - одна из наиболее простых и наиболее распространенных в настоящее время (рис. 12.18). Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны, а принимает их только тот узел, которому они адресованы. Благодаря параллельному обслуживанию узлов, ЛВС с шинной топологией обладает высоким быстродействием. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.
Сети с кольцевой и шинной топологиями являются одноранговыми. В них нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Это усложняет управление сетью и затрудняет обновление и изменение программного обеспечения.
Иначе обстоит дело в ЛВС со звездообразной топологией (рис. 12.19), имеющей центральный узел, который выполняет функции выделенного сервера. В такой сети выделенный сервер обеспечивает хранение данных, предназначенных для использования всеми периферийными узлами (рабочими станциями). Взаимодействие между рабочими станциями сети осуществляется через сервер, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются общие для всех рабочих станций внешние устройства - жесткие диски, принтеры и др. Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, однако, ее работоспособность целиком зависит от центрального сервера.
Локальные вычислительные сети в последние годы получили широкое распространение в самых различных областях науки, образования, техники и производства. Для дальнейшего расширения их функциональных и информационных возможностей ЛВС могут быть объединены друг с другом или подключаться к сетям более высокого уровня - региональным или глобальным. Такое соединение осуществляет, как показано на рис. 12.20, специальное устройство, названное маршрутизатором, или роутером.
266
Рис. 12.20. Подключение ЛВС к другим сетям
Маршрутизатор с помощью двух адресов - адреса сети и адреса узла однозначно выбирает необходимую рабочую станцию пользователя. При этом он может выбрать наилучший путь для передачи сообщения абоненту, а также обеспечить балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи.
Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (десятки - сотни километров) внутри большого города, экономического региона или отдельной страны. Для организации постоянного обмена большими потоками информации используются постоянно действующие выделенные каналы (телефонные, оптические, спутниковые или радиоканалы). Региональная сеть организации, в которой создана специальная коммуникационная система обмена сообщениями (электронная почта, факс, совместная работа над документами), называется корпоративной. Доступ к таким сетям ограничен определенным кругом лиц, для которых этот доступ связан с выполнением их должностных обязанностей.
Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Такая сеть содержит гигантский объем разнообразной информации, доступной на коммерческой основе всем желающим. Наиболее известным представителем таких сетей является Интернет (Internet).
Интернет объединяет более 40 тыс. различных локальных сетей. Само ее название означает "между сетей", "сеть сетей". Каждая локальная
267
сеть, подключенная к Internet, называется сайтом, а юридическое лицо, обеспечивающее такое подключение, - провайдером. Сайт может содержать несколько серверов, каждый из которых предназначен для хранения информации определенного типа и в определенном формате. Каждый сайт и сервер на сайте имеют уникальные имена, посредством которых они идентифицируются в Internet.
С собственного компьютера любой абонент сети Internet может передавать сообщения в другой город, просматривать каталоги крупнейших библиотек, знакомиться с уникальными музейными экспонатами, участвовать в различных Международных конференциях и даже в играх с абонентами сети из различных стран.
С помощью Internet можно не только получать информационные услуги, но и совершать покупки и коммерческие сделки, оплачивать счета, заказывать билеты на различные виды транспорта, бронировать места в гостиницах и др.
На базе Internet организовано несколько информационных систем, предоставляющих в распоряжение своих пользователей множество всевозможных ресурсов. Отметим наиболее популярные из них.
Всемирная информационная паутина (WWW - World Wide Web) является наиболее развивающейся в настоящее время информационной системой. Информация в ней представлена так называемыми Web - страницами. Посредством WWW можно обращаться к разнообразным информационным источникам, смотреть видеофильмы, слушать музыку, играть в компьютерные игры и т.д.
Электронная почта (E - mail) выполняет функции обычной почты. Она позволяет пересылать и получать текстовые сообщения и двоичные файлы произвольного вида (в том числе графические и звуковые). Главным ее преимуществом является независимость от времени. Посланная абоненту информация приходит сразу же после ее отправления и хранится в его "почтовом ящике" на специальном почтовом сервере сайта, к которому подключен абонент.
Система телеконференций (UseNet Newsgroups) обеспечивает возможность перемещения новостей между компьютерами по всему миру. Эта система содержит совокупность документов (статей), сгруппированных по определенным темам. В настоящее время имеется более 15 тыс. таких групп по самым различным темам.
Система удаленного управления любым компьютером в сети (Telnet) дает возможность работать с удаленным компьютером, как со "своим", т.е. теоретически получать в свое распоряжение все ресурсы, если к ним разрешен доступ. Следует заметить, что из соображений безопасности намечается тенденция сокращения числа узлов Internet, позволяющих использовать Telnet для подключения к ним.
268
259 :: 260 :: 261 :: 262 :: 263 :: 264 :: 265 :: 266 :: 267 :: 268 :: Содержание
