Назначение и принципы функционирования сетей ЭВМ

Оглавление

Понятие о сетях ЭВМ

Сеть ЭВМ - это совокупность компьютеров, коммутационно-распределительного оборудования, объединенных каналами связи, и программного обеспечения.
Основное назначение сетей ЭВМ – обеспечение коллективного использования аппаратных и информационных ресурсов ЭВМ, включенных в сеть, посредством создания на их базе различного рода распределенных информационных и вычислительных систем.

ЭВМ, включенные в сеть, выполняют различные функции. Это могут быть машины, предоставляющие свои ресурсы удаленным пользователям, их называют серверами. Другие машины являются потребителями сервиса, предоставляемого машинами-серверами. Их называют машинами–клиентами или рабочими станциями. Некоторые ЭВМ могут выполнять и те и другие функции одновременно. Подключенные к глобальной сети ЭВМ называют "Host" - Главными Машинами сети (ГВМ).

Задачи, возлагаемые на сеть ЭВМ, решаются на основе обеспечения обмена информационными сообщениями между удаленными ЭВМ. Именно эта возможность является основой построения принципиально новых по своим функциональным возможностям компьютерных распределенных систем. С помощью сообщений одна ЭВМ запрашивает доступ к ресурсам других ЭВМ ,включенных в сеть, получая возможность использования их памяти, периферийных устройств, производительности. ЭВМ, объединенные в сеть, позволяют организовать распределенные базы данных, удаленные и распределенные вычисления.

В чем состоит отличие между понятиями «Сеть ЭВМ» и «Распределенная вычислительная система» или «Распределенная информационная система»? Сетью ЭВМ можно считать систему, в которой отсутствует прикладное программное обеспечение. Она является базой для создания различного рода распределенных систем. Устанавливая прикладное программное обеспечение на сети ЭВМ можно реализовать какой-либо прикладной процесс, который определяет функциональное назначение распределенной системы, построенной на базе сети ЭВМ. Это может быть:
- Информационная система (например система WWW - распределенная система гипертекстовых баз данных в сети Интернет)
- Любая АСУ (АСУ отрасли, предприятия, АСУ технологическими процессами) и другие системы.

Назначение сетей

Обеспечение коллективного доступа к аппаратным и информационным ресурсам сети. К аппаратным ресурсам относится вычислительная производительность (решение задач на удаленном компьютере), периферийные устройства (принтер, жесткий, гибкий, CD диски, и др.)
Передача любого вида информации (организация телеконференций, обмен видео, аудиоинформацией и др.), обмен неформализованной информацией между пользователями (электронная почта).
Создание распределенных баз данных и организация удаленного доступа пользователей к ним с ЭВМ сети.
Создание АСУ различных типов.

Разделение сетей по признаку охвата территории

Сети делятся на три группы:

Локальные сети
Глобальные сети
Городские сети

К локальным сетям – Local Area Networks (LAN) – относят сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно недорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 1Гбит/с и более. В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме online.

Глобальные сети – Wide Area Networks (WAN) – объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Для устойчивой передачи дискретных данных по линиям связи применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных, так как передача данных по длинным каналам связи связана с возможными искажениями сигналов и потерей сообщений. Тип комьютера и используемая операционная система значения не имеют.

Городские сети - Metropolitan Area Networks (MAN) – являются менее распространённым типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно. Они предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для коллективного доступа к ресурсам на коротких расстояниях, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, но с ограниченной скоростью, сети мегаполисов занимают некоторое промежуточное положение. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто волоконно-оптические, и предназначены для связи локальных сетей с глобальными. Эти сети поддерживают такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста.

Сети могут объединяться с помощью специализированных устройств - шлюзов (gate way). Соединение сетей обладает громадными возможностями. Интернет как сеть, объединяющая сети, предоставляет в распоряжение своих пользователей множество сервисов, например:

Электронная почта
World-Wide-Web
Телеконференции
Служба передачи файлов FTP
Взаимодействие с удаленным компьютером с помощью Telnet и другие.

Принципы функционирования сетей ЭВМ

Для решения задач сеть должна обеспечивать взаимодействие любых компьютеров, включенных в сеть.

Обмен информационными сообщениями между двумя ЭВМ осуществляется по каналам передачи данных. На рис.1 представлены несколько пар ЭВМ, соединеных каналами передачи данных.

Рис.1

Является ли эта совокупность сетью ЭВМ? Нет, поскольку обмен информационными сообщениями здесь возможен только между парами ЭВМ. Для обеспечения обмена информацией между любыми из представленных ЭВМ необходимо дополнить представленную структуру устройствами и алгоритмами, обеспечивающими перемещение информационных сообщений от любой ЭВМ-источника к любой ЭВМ-потребителю.

Сообщения и процессы

Пары ЭВМ в сети обмениваются сообщениями, содержащими данные пользовательского процесса, т.е. информацию. Сообщения формируются прикладными процессами (ПП). "Процесс" - это динамический объект, представляющий собой целенаправленный акт обработки данных. Прикладные процессы обеспечивают обработку данных пользователя, т.е., по сути дела, реализуют основное назначение сети ЭВМ. Наряду с пользовательскими в сети ЭВМ различают и системные процессы, задачей которых является обеспечение обмена сообщениями в сети.

Сообщение представляет собой функционально законченный сетевой блок данных, включающий заголовок, поле данных и концевик. В заголовке размещается информация об адресе отправителя, адресе получателя, времени получения сообщения и другая служебная информация, необходимая для передачи сообщения через сеть.

Аотп - адрес ЭВМ-отправителя
Апп.отп - адрес ПП-отправителя
Апол - адрес ЭВМ-получателя
Апп.пол - адрес ПП-получателя
t_созд - время создания сообщения

Рис.2

Прикладные и системные процессы реализуются программным обеспечением - сетевым и прикладным. Структура ПО сети показана на рис.3.

Рис.3

Системные процессы реализуются сетевым ПО. Его задачей является обеспечение движения сообщений в сети и надежная доставка процессу-адресату в целостном виде.
Сетевое ПО является сервисным и обеспечивает передачу сообщений по сети от узла к узлу, от компьютера к компьютеру, от прикладного процесса к прикладному процессу с заданными характеристиками. Сетевое ПО реализует функции передачи сигналов по каналам связи, защиту от ошибок, организацию логических и виртуальных каналов. Сетевое ПО делится на:

Сетезависимое ПО - определяется типом каналов сети и методами распределения потоков сообщений в сети и является различным для разных типов сетей.
Транспортное ПО - является промежуточным, оно имеет стандартный интерфейс с ППО и экранирует от него функции сети, выполняемые сетезависимым ПО. Другой задачей транспортного ПО является обеспечение целостности доставки сообщений прикладному процессу.
Сетевое административное ПО предназначено для управления функционированием сети. По своему положению оно является сетевым прикладным процессом.

Прикладное ПО (ППО) всегда строится как сетенезависимое, что обеспечивает его работу с любым типом сети.

Иммено тип ПП определяет функциональное предназначение сети. Пользователи получают доступ к ПП через сеть передачи данных (СПД), работая на ЭВМ или терминалах. Прикладные процессы, размещенные в удаленных ЭВМ, взаимодействуют через СПД. Функционирование СПД обеспечивается сетезависимым ПО.

Методы коммутации в сетях

Любая сеть представляет собой в общем случае каналы связи с подключенными к ним узлами сети - абонентами с помощью коммутационного оборудования.

Абонентами сети могут быть локальные сети, удаленные компьютеры, факс-аппараты или просто люди, которые общаются с помощью телефонных аппаратов.

Чем больше абонентов в сети, тем сложнее предоставить каждому из них отдельный канал связи, по которому они могли бы взаимодействовать монопольно в течение длительного времени. Очевидно, что рано или поздно возникнет задача определенным образом распределить все сеансы связи между абонентами этой сети. Другими словами возникнет необходимость в определенном способе коммутации абонентских линий в сети.

В процессе развития технологии коммутации выделись три основных метода коммутации:

Коммутация каналов
Коммутация сообщений
Коммутация пакетов

Коммутация каналов - самый простой и самый "старый" способ, впервые он начал применяться в телефонных сетях.
Коммутация каналов подразумевает образование составного физического канала из последовательно соединенных отдельных участков для передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Такой канал называют коммутируемым.

При коммутации сообщений устройства, называемые коммутаторами и выполненные на базе универсальных или специализированных компьютеров, позволяют накапливать (буферизировать) сообщения и посылать их в соответствии с заданной системой приоритетности и принципами маршрутизации другим узлам сети. Использование коммутации сообщений может увеличить время доставки сообщений по сравнению с коммутацией каналов, однако при этом сглаживаются пиковые нагрузки в сети и повышается живучесть сети.

Коммутация пакетов производится путем разделения сообщения на пакеты - элементы сообщения, снабженные заголовком, имеющие фиксированную максимальную длину, и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последовательность пакетов 1, 2, ..., длина которых ограничена.

В вычислительных сетях коммутация пакетов - основной способ передачи данных. Это обусловлено тем, что коммутация пакетов приводит к малым задержкам при передаче данных через СПД, а также следующими обстоятельствами:

Во-первых, способ коммутации каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация сообщений и пакетов позволяет передавать данные по каналам связи, с любой пропускной способностью.
Во-вторых, представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных — разделения времени работы канала для одновременной передачи нескольких потоков данных. Экономичность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных, характерных для вычислительных сетей.
В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Кроме того, использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных.

Т.о. метод коммутации пакетов объединяет наиболее востребованные свойства методов КК и КС, что и объясняет его широкое использование в сетях ЭВМ.

Выбор длины пакетов производится исходя из размера сообщений с учетом влияния длины пакетов на время доставки данных, пропускную способность линий связи, емкость памяти и загрузку ЭВМ.

Методы распределения потоков сообщений в сетях

Применительно к методу коммутации пакетов в настоящее время в сетях ЭВМ используются два метода распределения потоков информации:

Метод коммутации и маршрутизации пакетов в соответствии с их адресной частью.
Широковещательная передача и селекция информации в соответствии с адресной частью пакетов.

Рассмотрим первый метод. Вернемся к рисунку 1. Для объединения нескольких пар ЭВМ, связанных каналами передачи данных, в сеть необходимо их подключить к коммутационно-распределительному устройству (КРУ) так, как показано на рис.4

ПП - прикладной процесс
M-M - модем

Рис.4

Коммутационно-распределительное устройство, называемое также центром коммутации пакетов (ЦКП), получает пакеты от ЭВМ и направляет их в нужный канал передачи данных другой ЭВМ в соответствии с адресом, указанным в адресной части. Этот процесс называется маршрутизацией. Поэтому ЦКП часто называют маршрутизаторами.

При реализации широковещательного метода передачи с селекцией пакетов по адресу получателя сеть строится таким образом, чтобы сообщения (пакеты), передаваемые любой ЭВМ, включенной в сеть, были доступны всем остальным. Каждая ЭВМ, получая пакет данных, анализирует его адресную часть и принимает только те пакеты, у которых адрес получателя совпадает с ее собственным. Простейшая реализация этого метода на основе моноканала показана на рисунке 5

ПП - прикладной процесс
УД - устройство доступа к среде передачи

Рис.5

Совершенно очевидно, что второй метод является более простым с точки зрения реализации, но неэффективно использует пропускную способность канала. Поэтому он нашел применение в локальных сетях, где расстояния между ЭВМ ограничены, каналы короткие и обеспечивают высокую скорость передачи информации. В глобальных сетях всегда используют метод коммутации пакетов.

Устройством доступа к среде передачи в локальной сети является сетевой адаптер, который выполняет прием и выдачу в канал связи информационных битов, их кодирование и декодирование, синхронизирует передачу сигналов и т.д. Связь между компьютерами в глобальной сети может осуществляться с помощью модемов (подробнее ).

Типовые структуры сетей ЭВМ

На рис.6 представлена типовая структура глобальной сети. Выделенное "облачко" представляет собой сеть передачи данных (СПД). Она содержит территориально разнесенные коммутаторы пакетов (К), связанные между собой каналами связи первичной сети с высокой пропускной способностью через модемы. К центрам коммутации подключаются отдельные ЭВМ или локальные сети, а также шлюзы - устройства сопряжения с другими сетями.

Структура глобальной сети ЭВМ показана на рисунке 6:

Рис.6 Структура глобальной сети ЭВМ

Функционирование сети осуществляется следующим образом:

Сообщение формируется прикладной пользовательской программой и отправляется в сеть. СПД доставляет сообщение компьютеру по адресу, указанному в заголовке, и соответствующему ПП. Если ПП-отправитель направил запрос ПП - базе данных, то последний сформирует ответ на полученный запрос. Сетевое ПО добавит к полученному сообщению-ответу необходимые для передачи атрибуты и отправит процессу-отправителю. На этом цикл обмена сообщениями заканчивается, он носит название сессии.

Сети широковещательного типа строятся иным образом. Кроме структуры сети на базе моноканала (Рис.5), могут использоваться древовидные структуры сетей (Рис.7.а) и кольцевые (Рис.7.б) Древовидные структуры сетей строятся на основе повторителей (Repeater или Hub) или коммутаторов. Отличие коммутаторов локальных сетей, от коммутаторов, используемых в глобальных сетях, состоит в том, что, первые не имеют функций маршрутизации. В кольцевых сетях передача пакетов нужному адресату осуществляется путем обхода кольцевого канала, к которому подключены ЭВМ, выбирающие из поступающих сообщений те, чей адрес совпадает с собственным адресом ЭВМ.

HUB - концентратор (повторитель).

Рис.7

Следующий