Структура и характеристики вычислительных сетей

Вычислительная сеть - множество сосредоточенных вычислительных центров, между кот. сущ. информационный обмен и к кот. возможен множественный доступ терминалов пользователей.

Обобщенная структура такой системы имеет 3 оболочки в аппаратном отношении:

• БСПД,
• ТЭВМ и ГЭВМ,
• терминалы пользователей

УК – узел коммутации

БСПД – базовая система передачи данных - совокупность средств для передачи данных между ЭВМ

ГЭВМ – главная ЭВМ, здесь – сосредоточенный выч центр, это все то, чем пользователь терминала может воспользоваться

ТЭВМ – терминальная ЭВМ, предназначена для обслуживания терминалов пользователей

Т – старт-стопный терминал пользователя

Доступ пользователей к вычислительному центру осуществляется по последовательному каналу связи. Внутри центра взаимодействие идет по параллельным каналам обмена.

Число узлов и каналов должно быть таким, чтобы при отказе одного из них не было краха системы, то есть должен быть резервный путь.

Любая из машин может быть главной - может представлять собой банк информации, предоставлять вычислительную мощность. Другие машины обеспечивают подключение терминалов – терминальные ЭВМ.

Магистральные каналы (между УК) обычно специализированные, но м.б. использована одна из уже существующих систем связи, например телефонная.

 

Цели создания ВС.

1. Обеспечение простой и наименее затратный способ доступа к выч. маш. 2-ой оболочки.

2. Решение задачи аппаратной и программной совместимости ВС. ВС, в которых любые пользователи могут иметь доступ к любому ресурсу, которые программно, аппаратно и информационно несовместимы, называются открытыми.

3. Придание системе гибкости управления вычислительными ресурсами. Например, «переброс»задачи пользователя «на ночную сторону» (туда, где все спят и мощности простаивают), при этом для пользователя это должно быть прозрачно

4. Обеспечение информационной и аппаратной надежности. Например, выход из строя одного терминала пользователя не должен нарушить работу других пользователей. Информационная надежность – при выходе из строя одного элемента автоматически программно подключается другой. Аппаратная надежность – самодиагностика, дублирование, защита от зависаний.

 

Основные характеристики ВС – операционные возможности, время доставки сообщении, производительность и стоимость обработки данных.

Операционные возможности сети – перечень основных действий по обработке данных. Главные ЭВМ, входящие в состав сети, обеспечивают пользователей всеми традиционными видами обслуживании, средствами автоматизации программирования, доступом к пакетам прикладных программ, базами данных и т. д. Наряду с этим вычислительная сеть может предоставлять пользователям следующие дополнительные виды услуг:

1) удаленный ввод заданий – выполнение заданий, поступающих с любых терминалов, на любой главной ЭВМ в пакетном или диалоговом режиме;

2) передачу файлов (наборов данных) между ЭВМ сети;

3) доступ к удаленным файлам – обработку файлов, хранимых в удаленных ЭВМ;

4) защиту данных и ресурсов от несанкционированною доступа;

5) передачу текстовых и, возможно, речевых сообщений между терминалами (пользователями);

6) выдачу, справок об информационных и программных ресурсах;

7) распределенные базы данных, размещаемые в нескольких ЭВМ;

8) распределенную обработку – параллельное выполнение задачи несколькими ЭВМ.

Как минимум в сетях реализуются первые шесть видов дополнительных услуг. Работа с распределенными базами данных и распределенная обработка обеспечиваются только в наиболее развитых вычислительных сетях.

Производительность сети представляет собой суммарную производительность главных ЭВМ. При этом обычно производительность главных ЭВМ означает номинальную производительность их процессоров.

Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее времени от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом.

Цена обработки данных формируется с учетом стоимости средств, используемых для ввода – вывода, передачи, хранения и обработки данных. На основе цен рассчитывается стоимость обработки данных, которая зависит от объема используемых ресурсов вычислительной сети (количество передаваемых данных, процессорное время), а также режима передачи и обработки данных.

Эталонная логическая модель ВС (OSI– Open System Interconnection), определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Следует четко различать модель OSI и стек OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкретных спецификаций протоколов.

Практически не реализована нигде, но для каждого вида сети сущ отображение на эту модель. Имеет 7 логических уровней

A,B – главные(терминальные) машины

 

Эталонная модель строится на межуровневых интерфейсах и внутриуровневых протоколах. В каждом уровне может быть не один протокол. Чем выше уровень протокола, тем выше аппаратные и программные затраты на его реализацию

Протоколы 1-3 уровней одинаковы в ТЭВМ(ГЭВМ) и БСПД. В реальных сетях количество уровней может быть не семь.

1. Физический. Самый нижний уровень, отвечает за передачу сигналов по каналу связи. Отвечает за надежность, но только на физ уровне.

Имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

2. Канальный. Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней, узлу назначения, адрес которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра, а также сопровождая кадр контрольной суммой. Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией

связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.

Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа «точка-точка» глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как это имеет место в сетях Ethernet и Х.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня.

3. Сетевой. Верхний уровень в системе передачи данных, присутствует как в ТЭВМ, так и В ГЭВМ. Глав ф-ция – отвечает за прокладку пути (маршрутизация). Также повышает надежность на сетевом уровне. Работает с пакетами.

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно разные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей.

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда характер структуры связей между составляющими сетями отличается от принятого в протоколах канального уровня. Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие «номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из старшей части – номера сети и младшей – номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть» на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть – это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровде определяются два вида протоколов. Первый вид – сетевые протоколы (routed protocols) – реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routingprotocols]. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP). Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

4. Транспортный. Последний уровень, отвечающий за повышение надежности передачи. Работает с более крупными единицами инф-и – сообщениями. Кроме установления соединения на транспортном уровне, отвечает за разделение сообщения на цепочку

пакетов и за сборку пакетов.

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное – способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов. Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транс-

портировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного – сетевым, канальным и физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства нижних уровней изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок, включая предварительное установление логического соединения, контроль доставки сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов, установление тайм-аутов доставки и т. п.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети – компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Оставшиеся три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

 

Сервисные уровни

5. Сеансовый. Обеспечивает управление взаимодействием: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

 

6. Представительный. Имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Преодоление различий в форме представления информации в разл машинах. Например, открытая сеть может содержать физ несовместимые терминалы => протокол вирт терминала.

7. Прикладной. Это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, по протоколу электронной почты.