DAY20 (Старые версии Машбука или нечто подобное)

4

Лекция №20

Лекция №20

На прошлой лекции мы поставили основную задачу - обеспечить массовый доступ к ресурсом некоторого вычислительного комплекса. Мы рассмотрели решение этой задачи за счет терминальных комплексов. Мы обсудили структуру терминального комплекса. Поговорили о модемах, о среде связи - телефонной сети. Мы также поговорили о многомашинных вычислительных комплексах (ММВК). Замечу, что топология ММВК не ограничивается только конвейерами:

ММВК может выглядеть и так:

Подчеркну, что в ММВК общий ресурс является общим не только для всех ВС, но и для групп ВС, благодаря этому мы можем организовывать ММВК сложной структуры, необходимой для решения конкретной проблемы (Например, ММВК для продажи авиабилетов и ММВК для параллельного проведения какого-нибудь сложного научного расчета). Мы также обсудили тот факт, что в ММВК на каждой из машин работает своя операционная система. Отсюда вытекает, что все проблемы взаимодействия должны решаться на уровне взаимодействия ОС. Система, аналогичная ММВК, но в которой работает одна ОС, - многопроцессорная ВС. Существуют задачи, для которых не хватает средств, предоставляемых терминальными комплексами. Это, например, проблема организации больших баз данных. В этом случае используют ММВК.

В ММВК имеется проблема синхронизации доступа к разделяемым ресурсом. Разделяемыми ресурсами могут быть устройства внешней памяти, ОЗУ, каналы связи, соединенные двумя или более компонентами вычислительного комплекса. Рассмотрим такой пример. У нас есть ММВК, состоящий из двух ВС. Разделяемый ресурс - жесткий диск. Проблема в данном случае явно формулируется так: «Нужно научить две ВС синхронизированно обмениваться с HDD.» Т. е. если программа одной ВС что-то пишет на HDD, то область данных, в которую она пишет или весь HDD должны быть заблокированы для другой ВС (Проблема напоминает проблему семафоров). Одно из решений - коммутатор HDD, некий контроллер, который имеет команду, блокирующую HDD. При начале обмена одной вычислительной системы доступ к HDD заблокирован для других ВС. А эта ВС в монопольном режиме использует HDD. Если другая ВС попытается начать обмен с HDD возможны два решения:

1. синхронное ожидание;

2. асинхронное ожидание (система не будет простаивать, она временно остановит процесс, подавший заказ на обмен и активизирует другой процесс).

На самом деле коммутаторы, конечно, более интеллектуальны. Они, например, устанавливают блокировку не на весь HDD, а только на некоторые его блоки.

Приведенное выше решение привлекает своей технической простотой как с аппаратной точки зрения, так и с точки зрения программной реализации (нет сложных взаимосвязей), но оно имеет существенный недостаток. ВС может заблокировать HDD и после этого зациклиться. Для борьбы с такими ситуациями можно использовать различные устройства, отличные от коммутатора HDD, позволяющие послать сигнал от одной ВС к другой. Это может быть, например, низкоскоростной канал связи (скорость передачи нам здесь не нужна).

Это, наверное, все, что касается первых двух типов многомашинных ассоциаций.

Вычислительные сети

И терминальные комплексы, и ММВК можно считать частным случаем вычислительных сетей, однако хронология развития многомашинных ассоциаций была именно такой - сначала появились терминальные комплексы, потом ММВК, потом вычислительные сети.

Предположим у нас есть некоторая группа вычислительных машин, которые мы будем называть абонентскими машинами (АМ). Абонентские машины могут осуществлять взаимодействие друг с другом через т. н. коммутационную среду. Коммутационная среда включает в себя каналы передачи данных, обеспечивающие взаимодействие между машинами и специальные вычислительные машины, которые мы будем называть коммутационными машинами. Итак, абонентские машины могут осуществлять взаимодействие друг с другом через коммутационную среду, в рамках которой используются каналы передачи данных и коммутационные машины. Это есть некоторое общее определение сети.

При этом традиционно имеется классификация сетей, основанная на разделении всех сетей на следующие группы:

Сеть коммутации каналов. Суть ее заключается в том, что если надо связать АМ2 с АМ3, то происходит соединение каналов и коммутационных машин между этими АМ. Это соединение будет существовать до конца взаимодействия АМ2 и АМ3. Перед соединением осуществляется поиск пути в сети, по которому будет происходить соединение (при наличии нескольких путей выбирается какой-то один из них, на том, по какому именно критерию выбирается путь в случае альтернативы, мы останавливаться не будем). На время сеанса связи найденный путь считается монопольно выделенным для этих двух машин. Достоинства такого вида сети - простота реализации и эффективность работы в случае успешной коммутации, т. к. скорость взаимодействия между машинами равна скорости самого медленного компонента сети, участвующего в связи (это максимально возможная скорость). Главный недостаток заключается в том, что такая связь может блокировать другие соединения (в данном случае АМ1 и АМ4 не свяжутся до конца связи между АМ2 и АМ3). Уйти от этой проблемы можно потребовав от коммутационной среды большой избыточности, т.е. организовать дополнительные (дублирующие) каналы.

Сеть коммутации сообщений. Если коммутация каналов - это коммутация на время всего сеанса связи, то коммутация сообщений - это связь, при которой весь сеанс разделяется на передачу сообщений (сообщение - некоторая, логически завершенная, порция данных), и коммутация происходит на период передачи сообщения. В такой сети на коммуникационные машины ложатся большие нагрузки, они должны обладать возможностью буферизации сообщений в связи с неравномерной скоростью передачи на разных участках сети. Достоинства - простота логическая и физическая, снижение монопольного фактора по сравнению с сетью коммутации каналов, недостатки - снижение скорости работы в сети, и потери, связанные с буферизацией, кроме того, частично остается проблема монополизации сети.

Сеть коммутации пакетов. Сеанс разбивается на сообщения, сообщения, в свою очередь, разбиваются на порции данных одинакового объема - пакеты. По сети перемещаются не сообщения, а пакеты. Здесь действует принцип горячей картошки: основное действие коммутационной машины - как можно быстрее избавиться от пакета, определив кому его дальше можно перекинуть. Т.к. все пакеты одинакового объема, не возникает проблем с буферизацией, потому что мы всегда можем рассчитать необходимую буферную способность коммутационных машин. Логически происходит достаточно быстрое соединение, потому что сеть коммутации пакетов практически не имеет ситуаций, когда какие-то каналы заблокированы. За счет того, что происходит дробление сеанса на пакеты, имеется возможность оптимизации обработки ошибок при передаче данных. Если мы получаем ошибку в режиме коммутации каналов, то надо повторить весь сеанс, если в режиме коммутации сообщений, то надо повторить сообщение, здесь же достаточно повторить передачу пакета, в котором обнаружена ошибка. За все хорошее нужно платить: при использовании сети коммутации пакетов появляются накладные расходы - пакет должен состоять из двух частей: пользовательской информации и дополнительной служебной информации, которая включает в себя, например, адрес, контрольную сумму, номер, время отсылки пакета и т. д.

В реальных системах используются многоуровневые сети, которые в каких-то режимах работают в режиме коммутации каналов, в каких-то режимах работают в режиме коммутации сообщений и т.д. На сегодняшний день можно сказать, что сетей, принадлежащих чисто к одному из вышеперечисленных типов, нет, а используется их суперпозиция, которая достаточно эффективно решает все возникающие проблемы.

Стандарт ISO/OSI

Развитие многомашинных ассоциаций вообще, и сетей ЭВМ в частности, определило возникновение необходимости стандартизации взаимодействия, происходящего в сети. Развитие любого технического новшества всегда испытывает трудности в связи с отсутствием единого стандарта. Яркий пример - наши, американские и «евро» розетки. Поэтому в конце 70-х начале 80-х годов ISO (International Standard Organization) предложила т.н. стандарт взаимодействия открытых систем ISO/OSI (Open System Interface).

Была предложена семиуровневая модель организации взаимодействия компьютеров со средой передачи данных, с программами, функционирующими на разных компьютерах, и в общем случае организация взаимодействия в сети. Чуть позже было также предложено вести разработку стандартов для каждого из семи нижеперечисленных уровней:

VII	Прикладной уровень
VI	Представительский уровень
V	Сеансовый уровень
IV	Транспортный уровень
III	Сетевой уровень
II	Канальный уровень
I	Физический уровень