1. Предпосылки возникновения сетей. Краткая история развития ЭВМ и методов доступа к ним. Кто, как и для чего использует сеть ЭВМ. Организация вычислительных сетей. Классификация сетей ЭВМ. Организация программного обеспечения сетей ЭВМ

1. Появление технически сложных систем.

Новые способы получения энергии открыли новые горизонты в развитии промышленности. Однако создание технически сложных систем, в свою очередь, стало требовать принципиально новых технологий проектирования. Так, например, технически сложную систему не всегда можно представить «в натуральную величину», например самолет, космический корабль, спутниковую систему. Требуется моделирование, специальные методы борьбы со сложностью. Например, увеличение числа взаимодействующих компонентов системы ведет к усложнению конструкции самих компонентов, а следовательно к снижению их надежности.

1. Необходимость быстрого получения информации.

Помимо технических предпосылок, определяющую роль в развитии информационных технологий сыграли предпосылки социальные. В обществе XX века налицо были следующие тенденции:

1. Демографический рост.

2. Территориальная децентрализация населения.

3. Рост числа людей, вовлекаемых в процесс принятия решений.

При развитии данных тенденций отсутствие эффективных методов коммуникации, распределенного доступа к информации, ее автоматического сбора, обработки и хранения тормозили развитие экономики - как на внутригосударственном, так и на межгосударственном уровне. Таким образом, в XX веке стало ясно: развитие информационных технологий напрямую связано с конкурентоспособностью - как отдельного предприятия, так и государства в целом. Как следствие первой названной нами причины совершенствуются методы обработки информации: от механических арифмометров, табуляторов с управлением от перфокарт (1928) до ЭВМ.  Возможности компьютеров, их размеры, технические характеристики растут с фантастической скоростью. Появляются устройства памяти объемом в несколько терабайт. Вторая причина обуславливает изменение технологий сбора и передачи информации. Появляются телефонные сети всемирного масштаба, теле- и радиосети, спутники связи.

Способы доступа к вычислительным установкам

• Однопользовательские ЭВМ

• Системы пакетной обработки

• Системы с разделением времени и многотерминальные системы

Виды вычислительных установок

• Карманные персональные компьютеры (КПК)

• Персональные компьютеры (ПК)

• Вычислительные комплексы

• Встроенные системы

• Сети ЭВМ

• Распределенные системы (GRID)

Приведем основные преимущества, которые получают организации, используя сети.

• управление ресурсами

• повышение надежности функционирования предприятия за счет оперативности управления и использования имеющихся  ресурсов.

• сокращение затрат на функционирование предприятия – оптимизация бизнес-процессов.

• повышение экономической эффективности за счет гибкой организации работы информационных систем (отсутствие складов, принятие решений)

• средство общения и связи (телеконсультации и конференции, оперативность принятия решений)

• офис в кармане – позволяет сотрудникам получить доступ ко всем устройствам, файлам, базам данных и т.п. вне зависимости от их физического местоположения

• удобства при подготовке персонала (в некоторых крупных западных фирмах стоимость подготовки вновь принятого сотрудника достигает 50 000 долларов).

• управление производством и стратегией развития (ERP-системы ЦБ РФ, FedExp, GM склад, Газпром)

Сети для индивидуальных пользователей

Преимущества использования сетей для индивидуальных пользователей:

• доступ к информации (Интернет)

• общение с другими людьми (новости, электронная почта, видеоконференции)

• обучение

• развлечение

• получение услуг (взаимодействие с предприятиями, государственными структурами)

• средство исследования

Организация вычислительных сетей.

Все оборудование сети можно разделить на абонентские машины и транспортную среду или транспортную подсеть, которую иногда называют просто подсеть. Однако здесь надо быть осторожным, так как у термина подсеть есть и второй смысл, связанный с адресацией в сети Интернет. О подсети в этом смысле мы поговорим позже.

Машины, на которых работают приложения, называют абонентскими или хост-машинами (host). Абонентские машины обеспечивают интерфейс пользователей и работу приложений в сети. Хосты подсоединены к транспортной среде. Назначение транспортной среды обеспечить передачу данных от одного хоста к другому.

Транспортная среда состоит из системы передачи данных и коммуникационных машин (далее К-машины или для краткости КМ). Коммуникационные машины - это специализированные компьютеры, соединяющие две и более систем передачи данных. Примером К-машины является маршрутизатор - компьютер, который выбирает маршрут, по которому должны следовать данные между абонентскими машинами в сети. На рисунке 1-1 абонентские машины (далее А-машины или кратко АМ) показаны в виде прямоугольников, коммутирующие элементы - в виде кружков, а сплошными линиями - системы передачи данных.

Системы передачи данных

Система передачи данных обеспечивает передачу данных между машинами в сети. Эти машины не обязательно абонентские. Система передачи данных состоит из каналов, каналообразующей аппаратуры, коммутирующих элементов (например, коммутаторов). Каналы передачи данных – это линии связи самой различной природы и каналообразующая аппаратура. Каналы соединяют две или более коммуникационных машины, либо коммутатора. Каналообразующая аппаратура обеспечивает интерфейс между линией связи и оконечным устройством, например, А-машиной, К-машиной или коммутатором. На сегодня отсутствует общепринятая классификация систем передачи данных. Для них, как и для сетей, есть три общепризнанных критерия, по которому их различают, это:

• Способ коммутации потоков данных

• Тип каналов

• Топология системы

Выделяют два основных способа коммутации потоков данных – коммутацию каналов и коммутацию пакетов. Коммутация каналов – метод управления потоком данных в реальном времени, для которого характерно следующее:

• Темп передачи данных определяется передатчиком.

• Канал передачи создается до начала передачи (установление соединения) и фиксируется на все время передачи.

• Сохраняет порядок передаваемых данных.

• Имеется большой опыт его создания.

• Есть хорошо развитая инфраструктура.

В то же время этот способ управления потоками данных отличается от других способов рядом недостатков:

• неэффективным использованием ресурсов

• низкой надежностью

• медленным установлением соединения

Коммутация пакетов - способ управления передачей, отличающийся следующими особенностями:

• Высокая скорость установления соединения (передатчик сразу начинает передачу и не ждет физического установления соединения).

• Низкий уровень ошибок в канале.

• Надежность.

• Рациональное использование ресурсов.

• Сильная зависимость времени передачи от загрузки сети.

В общем случае, все каналы по типу можно разделить на:

• Каналы «точка-точка». Они соединяют между собой только две машины. Все потоки данных, протекающие по каналу этого типа, доступны лишь этим двум машинам.

• Каналы с множественным доступом. Образуют линию передачи данных, общую для нескольких машин.

СПД с каналами с множественным доступом можно разделить по методам выделения канала на динамические и статические:

• Статические - временное разделение (time-shearing) канала между машинами; канал простаивает, если машине нечего передавать.

• Динамические - централизованные и распределенные механизмы выделения канала по запросу.

Топология соединения маршрутизаторов - важный фактор конструкции транспортной среды. От нее зависит время задержки данных при передаче, перегрузки и многие другие параметры функционирования сети. На рисунке 1-2 показаны типичные топологии, встречающиеся при организации транспортных сред.

Абонентские машины Абонентские машины обеспечивают работу приложений.

Сопряжение транспортных сред

Необходимость в сопряжении транспортных сред возникает, когда нужно обеспечить взаимодействие приложений, расположенных в разных сетях.

• Мост соединяет две однородные ТС.

• Шлюз – две разные по архитектуре ТС.

Классификация сетей ЭВМ.

Есть два общепризнанных фактора для их различения: технология передачи данных и масштаб. Технология передачи определяется системой СПД.

Масштаб сети - другой критерий для классификации сетей (таблица 1-4).

• многомашинный комплекс (система)

• локальная сеть (комната, здание, комплекс)

• городская сеть (город)

• региональная сеть (страна, континент)

• Интернет (планета)

Локальная сеть

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) отличается от остальных по следующим характеристикам:

• Размер: комната, корпус, группа корпусов (отсюда известна максимальная задержка при передаче)

• Система передачи данных: как правило, канал с множественным доступом (вещание, скорость передачи от 10 Мбит/сек. до нескольких Гбит/сек., Ethernet)

• топология ТС ЛВС (рисунок 1-5)

  • линейная

  • кольцо

  • дерево

Городская сеть

Городская вычислительная сеть (MAN - Metropolitan Area Network) охватывает несколько зданий в пределах одного города либо город целиком. Как правило, она поддерживает передачу как данных, так и голоса и иногда объединяется с кабельной телевизионной сетью. Не имеет коммутаторов, базируется на одном или двух кабелях. Основная причина выделения этой категории сетей состоит в том, что для них был создан специальный стандарт IEEE 802.6 - DQDB - двойная магистраль с распределенной очередью (Distributed Queue Dual Bus).

Региональная сеть

Региональная вычислительная сеть (WAN - Wide Area Network) охватывает крупные географические области, такие как страны, континенты. Транспортная среда таких сетей строится на основе коммутации пакетов с помощью каналов типа «точка-точка». Часто в качестве СПД в таких сетях используют уже существующие системы связи, например, телефонные сети, спутниковые и радиосистемы.

Программное обеспечение сетей ЭВМ.

программное обеспечение определяет функционирование транспортной среды, системы передачи данных, взаимодействие абонентских машин с транспортной средой.

Иерархия протоколов

Сеть является сложной инженерно-технической системой. В целях борьбы с ее сложностью программное обеспечение сети, как правило, строго структурировано и организовано в виде иерархии слоев, или уровней. В разных сетях число уровней, их название, состав и функции могут быть разными. Однако во всех сетях назначение каждого уровня состоит в следующем:

• обеспечить определенный сервис верхним уровням

• сделать независимыми верхние уровни от деталей реализаций сервиса на нижних уровнях

Программное обеспечение уровня n на одной машине обеспечивает связь с программным обеспечением уровня n на другой машине. Правила и соглашения по установлению такой связи и ее поддержанию называются протоколом.

Основные понятия

Между каждой парой уровней есть интерфейс. Интерфейс определяет, какие услуги (сервис) нижележащий уровень должен обеспечивать для верхнего уровня, и с помощью каких примитивов - элементарных операций – верхний уровень может получить доступ к этим услугам. Интерфейс обеспечивает вышележащему уровню доступ к сервису нижележащего уровня. Например, как президент может подключить (отключить), если он на это имеет право, переводчика к его разговору с другим президентом.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. Конкретный набор протоколов, используемый на конкретной машине, называется стеком протоколов.

Основные вопросы организации уровней

Все функции организации и функционирования сети распределены между уровнями. В сетях с разной архитектурой это распределение между уровнями разное. Однако на каждом уровне необходимо решать следующие вопросы:

• адресация отправителя и получателя на уровне: на каждом уровне нужен механизм для адресации отправителей и получателей

• правила установления соединения с одноименным уровнем

• правила передачи данных

  • только в одном направлении - simplex, поочередно в обоих направлениях - half-duplex или в оба направления одновременно - duplex

  • допустимо ли совмещать виртуальные соединения вышележащего уровня через одно и то же соединение на нижележащем уровне; каково максимальное число совмещаемых так виртуальных соединений, каковы приоритеты в их обслуживании;

  • мультиплексирование и демультиплексирование виртуальных каналов

• обнаружение и исправление ошибок при передаче

• сохранение исходной последовательности данных при передаче

• на каждом уровне нужен механизм, предотвращающий ситуацию, когда одноименный уровень получателя начинает «захлебываться», т.е. когда отправитель отправляет пакеты с большей скоростью, чем получатель успевает их обрабатывать

• выбор маршрута при передаче: когда между получателем и отправителем есть несколько маршрутов, то какой из них выбрать?

• не все процессы на любом уровне могут работать с сообщениями произвольной длины, поэтому при передаче необходимо осуществлять:

  • разбиение, передачу и сборку сообщений

  • выбирать оптимальную длину фрагмента при разбиении или, наоборот, соединение нескольких коротких сообщений в одно более длинное (например, как быть, если процесс работает со столь короткими сообщениями, что их раздельная пересылка не эффективна?)

Интерфейсы и сервис

Как уже было сказано, одно из главных предназначений каждого уровня - обеспечить надлежащий сервис для вышележащего уровня.