Лекции по операционным системам (1114738), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Теперь рассмотрим проблемы сетевого взаимодействия.

1.2.8Терминальные комплексы (ТК)

Терминальный комплекс — это многомашинная ассоциация, предназначенная для организации массового доступа удаленных и локальных пользователей к ресурсам некоторой вычислительной системы.

Суть ТК заключается в следующем. Пусть имеется некая вычислительная система. Ставится задача организовать массовый доступ к ее ресурсам. Под ресурсами в данном случае могут пониматься, например, высокая производительность рассматриваемой системы или же информационный ресурс (информационное наполнение, интересное для массового пользователя, такое, как электронная библиотека).

1. Терминальные комплексы.

Терминальные комплексы предполагают в своем составе следующие компоненты:

• основная вычислительная система (к которой делается доступ);

• локальные мультиплексоры;

• локальные терминалы;

• модемы;

• удаленные терминалы;

• удаленные мультиплексоры.

Считается, что пользователь может использовать терминальное устройство (алфавитно-цифровой терминал, т.е. дисплей с клавиатурой), печатающее устройство, внешнее запоминающее устройство (например, магнитная лента).

Терминальные комплексы можно разделить на локальные и удаленные. Локальные терминальные ТК имеют либо непосредственное подключение к ВС по локальному каналу связи, либо подключение через мультиплексор (устройство, позволяющее свести N каналов в один). Удаленные ТК подключаются к ВС через коммуникационную среду. Изначально этой средой являлись обычные телефонные сети, которые исторически основывались на аналоговом способе передачи информации; компьютерные сети основаны на цифровом (дискретном) способе передачи данных. Для передачи цифровой информации через аналоговые сети необходимы аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (модем — модулятор-демодулятор). Таким образом, для удаленного соединения необходимы, как минимум, два модема.

Линии связи/каналы. Существуют три критерия, по которым можно делить каналы. Во-первых, все каналы можно поделить на коммутируемые и выделенные.

Коммутируемый канал — это канал, выделяемый на весь сеанс работ терминального устройства. Примером здесь может служить телефонный разговор.

Выделенный канал обеспечивает связь терминального устройства с ВС на постоянной основе. И здесь существуют два подхода: с одной стороны, можно протянуть между терминальным устройством и ВС физический провод (это дорого, но это наилучший способ обеспечить выделенный канал), а с другой стороны, можно взять один из коммутируемых маршрутов телефонной сети (этот подход несколько дешевле предыдущего, но он особенно плох тем, что уменьшает количество коммутируемых маршрутов в телефонной сети, что, в конечном счете, негативно сказывается на качестве ее работы «по прямому назначению» — на обеспечении телефонной связи).

Во-вторых, все каналы можно поделить по количеству участников общения:

• канал точка-точка — общение двух устройств;

• многоточечный канал — общение многих устройств (например, при мультиплексировании).

И, наконец, каналы можно делить по направлению движения информации в канале:

• симплексный — канал работает в одном направлении (например, репродуктор громкой связи на вокзале или в организациях);

• дуплексный — двунаправленный канал (например, телефон);

• полудуплексный — канал работает в двух направлениях, но в каждый момент времени возможна передача информации лишь в одном направлении (например, рация).

1.2.9Компьютерные сети

Развитие терминальных комплексов положило основу развития компьютерных сетей. И следующим шагом стала замена терминальных устройств компьютерами.

Компьютерная сеть — это объединение компьютеров (или вычислительных систем), взаимодействующих через коммуникационную среду (Рис. 57.).

Коммуникационная среда — каналы и средства передачи данных.

Можно выделить следующие свойства компьютерных сетей. Во-первых, сеть может состоять из значительного числа связанных между собой автономных компьютеров. Два компьютера называются связанными между собой, если они могут обмениваться информацией. Требование автономности используется, чтобы исключить из рассмотрения компьютерные системы, в которых один компьютер может принудительно запустить, остановить другой компьютер или управлять его работой.

1. Компьютерные сети.

Во-вторых, компьютерная сеть предполагает возможность распределенной обработки информации, когда пользователь компьютерной сети может получать в качестве результата может получать данные, обработанные за счет интеграции этапов обработки данных на разных компьютерах сети.

Следующее свойство — расширяемость. Компьютерная сеть должна обеспечивать возможность развития по протяженности, по расширению пропускной способности канала, по составу и производительности компонентов сети.

И, наконец, возможность применения симметричных интерфейсов обмена информацией между компьютерами сети, позволяющих произвольным способом распределять функции сети.

Будем говорить, что логически компьютеры, составляющие сеть, состоят из абонентских машин (или основных компьютеров — хостов) и коммуникационных (или вспомогательных) компьютеров (шлюзы, маршрутизаторы и пр.). Последние выполняют фиксированные функции по обеспечению функционирования сети. Это деление логическое. На практике может оказаться, что одна машина выполняет роль как абонентской машины, так и коммуникационной.

Традиционно для функционирования компьютерных сетей используются 3 модели организации каналов, или 3 модели сетей, — это сети коммутации каналов, сети коммутации сообщений и сети коммутации пакетов. Сразу отметим, что большинство современных сетей являются комбинациями этих основных моделей сетей.

В сети коммутации каналов 2 абонента сети взаимодействуют при помощи сеанса связи, любой из которых является обменом сообщениями. Под сообщением будем понимать логически целостный набор данных произвольного размера. Коммутация каналов происходит на весь сеанс связи.

К достоинствам данных сетей можно отнести следующие свойства:

• канал находится всегда в состоянии готовности;

• требования к коммуникационному оборудованию минимальны: по сути, нет требований к обеспечению буферизации;

• обмены происходят порциями данных произвольной длины — сообщениями — что ведет к уменьшению накладных расходов по передаче информации;

• детерминированная пропускная способность сети.

Среди недостатков данной модели можно отметить следующие:

• дороговизна: любой выделенный канал требует больших материальных затрат;

• наличие высокой избыточности в сети: должно быть либо много каналов, чтобы не было коллизий, либо в сети будут коллизии. При этом период ожидания свободного канала недетерминирован;

• неэффективность использования коммутационного канала: в отдельно взятом сеансе может быть низкая интенсивность обменов сообщениями;

• при отказах и сбоях повторение переданной информации является сложной задачей.

Сети коммутации сообщений — это сети, которые оперируют термином «передача сообщения», а не «сеанс связи», т.е. один абонент другому отправляет сообщение. Выделение канала для передачи каждого сообщения происходит поэтапно от одного узла к другому. На каждом узле на пути следования принимается решение, свободен ли канал к следующему узлу. Если свободен, то сообщение передается далее, иначе происходит ожидание освобождения канала. К достоинствам и недостаткам данной модели можно отнести:

• отсутствие выделенного канала и, соответственно, занятости ресурса коммутируемого канала на неопределенный промежуток времени, т.е. устранена деградация системы, возникающая при организации сетей коммутации каналов;

• в связи с тем, что сообщения могут быть произвольного размера, возникает необходимость наличия в коммутационных узлах средств буферизации (в общем случае неизвестно, какой мощности, поскольку сообщение имеет произвольную длину). Таким образом, данная сеть имеет недетерминированные характеристики;

• обеспечение буферизации требует дорогостоящего коммутационного оборудования;

• необходимость повторения сообщения в случае сбоя при передаче, что само по себе является сложной задачей, хотя менее трудоемкой, чем для сетей коммутации каналов.

Модель сети коммутации пакетов строится на предположении, что в основе лежит сеть, использующая ненадежные средства связи. Функционирования данной сети состоит в следующем: любое сообщение дробится на блоки фиксированной длины, которые называются пакетами. Соответственно, на стороне отправителя происходит разбиение сообщения на пакеты, а на стороне получателя — сборка. Любой пакет помимо непосредственно самого сообщения (или его части) имеет служебную информацию (которая обычно представлена в заголовке пакета), обеспечивающую внутреннюю целостность пакета (контрольная сумма пакета и пр.), адресную составляющую (данные об отправителе и адресате), а также информацию для сборки.

При передаче пакета используется следующая стратегия: любой узел, получив пакет, пытается сразу от него избавиться. Поскольку любая сеть имеет фиксированную топологию, а также фиксированные количество и расположение абонентов, то возможно просчитать ее характеристики и предъявить требования к коммуникационным узлам. Данная модель допускает буферизацию в узлах передачи: пакет, придя на узел, может быть послан несколько позже, если все необходимые выходные каналы заняты. Но период занятости канала при известной стратегии обработки буфера предопределен, поэтому можно оценить предельный размер буфера, а также предельные периоды ожидания пакетов при передаче их по сети. Таким образом, если известна стратегия передачи, пропускная способность является детерминированной величиной.

Среди положительных свойств данной системы можно отметить ее детерминированность (детерминированность перемещений, детерминированность требований к коммуникационному оборудованию), а также то, что при сбое достаточно заново послать потерянные пакеты, а не все сообщение целиком.

К недостаткам модели можно отнести то, что по сети перемещается накладная информация, которая прибавляется к каждому пакету при разбиении сообщения. Еще одной проблемой, связанной с разбиением сообщения на пакеты, является их сборка — это аккумуляция пакетов, а также сама сборка (необходимо обеспечить наличие всех переданных пакетов и их правильный порядок).

1.2.10Организация сетевого взаимодействия. Эталонная модель ISO/OSI

Теперь речь пойдет об одном аспекте сетевого взаимодействия, который во многом является ключевым, причем важность этого аспекта прослеживается очень давно — с момента появления компьютерных сетей и их массового распространения. Этот аспект связан со стандартизацией, применяемой в вычислительной технике.

На сегодняшний день почти все производственные или технологические процессы, которыми пользуется человек, строятся на достаточно глубокой эшелонированной стандартизации. Стандартизация позволяет современным производствам и организациям производственных процессов быть развиваемыми, ремонтоспособными, обслуживаемыми.

Аналогичная картина и в вычислительной технике. Была введена стандартизация на компьютерные комплектующие, а также на программные интерфейсы. Стандартизация интерфейсов дает возможность взаимозаменяемости компонентов и их работоспособности.

Изначально компьютерные сети развивались на основе терминальных комплексов, которые строились по внутрикорпоративным правилам. Это означает, что коммуникационное программное обеспечение, аппаратура сопряжения и пр. были «своими», и при необходимости модернизации этой сети возникали сложные физические и технологические проблемы.

Развитие сетей определило массовость их использования. Возникла необходимость создания сетей, которые могли бы достаточно прочно расширяться без привлечения существенных переделок, модернизироваться, в которых могли бы меняться ПО, добавляться новые службы. В связи с этим появился целый спектр моделей организации сетей (т.н. «открытых» сетей), в основе которых используется модель системы открытых интерфейсов (OSI — Open Systems Interconnection), предложенная Международной организацией по стандартизации (ISO — International Organization for Standardization). Эта модель ISO/OSI рассматривает сеть и взаимодействие компьютеров в сети в виде семи функциональных уровней. Стоит отметить, что данная модель является рекомендацией, а не стандартом: ISO выделила их на основе анализа исторического развития компьютерных сетей (Рис. 58.).

1. Модель организации взаимодействия в сети ISO/OSI.

Сначала более детально рассмотрим назначение каждого уровня, а затем сформулируем основные понятия.

Физический уровень. На этом уровне происходит непосредственно передача неструктурированной двоичной информации. Для передачи используется конкретная физическая среда (кабель, радиоволны и т.п.). На данном уровне обеспечивается стандартизация сигналов и соединений.

Канальный уровень (или уровень передачи данных). На этом уровне решаются задачи обеспечения передачи данных по физической линии, обеспечения доступности физической линии, обеспечение синхронизации (например, передающего и принимающего узлов), а также задачи по борьбе с ошибками. Канальный уровень манипулирует порциями данных, которые называются кадрами. В кадрах присутствует избыточная информация для фиксации и устранения ошибок.

Характеристики

Список файлов лекций