Інформаційно-обчислювальні мережі (ІОМ) та їх характеристики

Інформаційно-обчислювальна мережа (ІОМ) – це територіально розосереджена система колективного використання засобів зв’язку та обчислювальних ресурсів. Мережа складається з вузлів, поєднаних лініями зв’язку; вузли мережі інакше називають абонентами, станціями чи хостами.

Абонентом (вузлом, хостом, станцією) є довільний підключений до мережі пристрій, який бере активну участь в інформаційному обміні. Найчастіше абонентом(вузлом) мережі є комп’ютер, хоча абонентом може бути, наприклад, і мережевий принтер чи інший периферійний пристрій, що має можливість безпосередньо підключатися до мережі. Абонент (вузол) мережі, який надає свої ресурси іншим абонентам, але сам не використовує ресурси останніх, називають сервером. Серверів в мережі може бути декілька, і їх головна функція – обслуговування мережі. Виділений (dedicated) сервер займається тільки мережевими завданнями. Невиділений сервер може окрім обслуговування мережі виконувати і інші завдання.

Клієнтом називається абонент мережі, який тільки використовує мережеві ресурси, але сам свої ресурси в мережу не віддає, тобто мережа його обслуговує, а він нею лише користується. Комп’ютер-клієнт також часто називають робочою станцією. В принципі кожен комп’ютер може бути одночасне як клієнтом, так і сервером. Під сервером і клієнтом часто розуміють також не самі комп’ютери, а програмні додатки, що працюють на них. В цьому випадку той додаток, яке тільки віддає ресурс в мережу, є сервером, а то додаток, який лише користується мережевими ресурсами — клієнтом.

У комп’ютерній мережі у вузлах мережевої структури знаходяться комп’ютери, з’єднані між собою за допомогою дротових чи волоконно–оптичних ліній або бездротовими засобами зв’язку. Обмін інформацією в мережах здійснюється на основі мережевих протоколів. Мережеві протоколи являють собою сукупність правил, які дозволяють комп’ютерам, що підключені до мережі, «розуміти» один одного та обмінюватися між собою даними. Існує багато типів мережевих протоколів, які розрізняються між собою функціональними можливостями.

У структурі мережі можна виділити комунікаційну і абонентську підмережі. Комунікаційна підмережа є ядром обчислювальної мережі, що зв'язує робочі станції і сервери мережі один з одним. Ланки комунікаційної підмережі (в даному випадку — вузли комутації) зв'язані між собою магістральними каналами зв'язку з високою пропускною здатністю. У великих мережах комунікаційну підмережу часто називають мережею передачі даних. Ланки абонентської підмережі (хост-комп'ютери, сервери, робочі станції) підключаються до вузлів комутації середньошвидкісними абонентськими каналами зв'язку

ІОМ є різновидом систем розподіленої обробки даних, головною функцією яких є забезпечення ефективного надання різних інформаційно-обчислювальних послуг користувачам мережі за допомогою організації зручного і надійного доступу до ресурсів, розподілених в цій мережі. Незважаючи на те, що ІОМ є різновидом багатомашинної обчислювальної системи, у якій обмін інформацією здійснюється за каналами зв’язку, використання для позначення ІОМ терміну «обчислювальна мережа» [5] не є коректним, оскільки втрачається інформаційна складова ІОМ. Водночас нині левова частка послуг, які надаються більшістю мереж, стосується саме сфери інформаційного обслуговування. Зокрема, інформаційні системи на базі ІОМ забезпечують виконання таких завдань, як: зберігання і обробка даних; організація доступу користувачів до даних; передача даних і результатів їх обробки користувачам.

Збільшення ефективності застосування комп’ютерів при об’єднанні у мережу досягається за рахунок, як сумісного використання ресурсів, під якими розуміють програмні та апаратні засоби компонентів мережі (наприклад, засоби швидкісного друку, диски великої місткості, backup-системи, інформаційні сховища, сервери), так і внаслідок надання доступу до програм, апаратних засобів і особливо до даних всім користувачам мережі незалежно від їх фізичного розташування та віддаленості від ресурсу. Об’єднання у мережу забезпечує суттєве зростання надійності роботи внаслідок наявності альтернативних джерел інформації. Так, на різних машинах можна створити репліки файлів, і таким чином забезпечити доступ до копій даних у випадку відмови однієї з машин, на якій вони зберігалися; окрім того, вихід з ладу одного з комп’ютерів може бути скомпенсований, хоча б частково, роботою інших.

Загалом застосування ІОМ, окрім спільного і віддаленого доступу до ресурсів та збільшення надійності інформаційних систем внаслідок резервування, забезпечує також:

· оптимізацію розподілу ресурсів завдяки перерозподілу завантаженості комп’ютерів та дорогого периферійного обладнання, управлінню ним;

· поділ даних, тобто можливість створювати розподілені бази даних, що розміщуються в пам’яті окремих комп’ютерів, і управляти ними з периферійних робочих місць;

· децентралізацію обчислювального процесу, можливість організувати паралельну обробку даних, використовуючи для обробки даних інші системи, що входять в мережу аж до створення розподілених обчислювальних систем (системи GRID);

· інформаційний обмін в інформаційних агенціях, пошукових системах, між пересічними людьми, розкиданими по всьому світу, в системах збирання і обробки наукових, метео- та геофізичних даних тощо;

· розподілене управління та телеприсутність;

· телероботу, тобто роботу співробітників вдома чи довільному іншому місці з наступною передачею результатів у офіс за мережею;

· не обмежене відстанню міжособове спілкування завдяки послугам всесвітніх і локальних мереж (пошта, IСQ, SMS и пр.).

Збільшення ефективності застосування комп’ютерів при об’єднанні у мережу досягається також за рахунок економії витрат при використанні клієнт-серверної архітектури мережі. Менш потужні персональні комп’ютери (ПК) мають набагато краще співвідношення продуктивність / ціна, аніж великі універсальні потужні обчислювальні машини (мейнфрейми), тому ПК використовуються в клієнт-серверній архітектурі як клієнти, а мейнфрейм – як файл-сервер, на якому розташовуються сховища даних.

Ще одною перевагою ІОМ є їх здатність до масштабування (scalability), тобто нарощування обчислювальної потужності простим збільшенням кількості процесорів.

Загалом ефективність використання ІОМ як основи інформаційних систем забезпечується: розподіленими в мережі апаратними, програмними і інформаційними ресурсами; дистанційним доступом користувача до будь-яких видів цих ресурсів; багатокористувацьким режимом роботи, можливою наявністю централізованої бази даних разом з розподіленими базами даних; високою надійністю функціонування системи, що забезпечується резервуванням її елементів; можливістю оперативного перерозподілу навантаження в пікові періоди; спеціалізацією окремих вузлів мережі на вирішенні задач певного класу; вирішенням складних задач спільними зусиллями декількох вузлів мережі; оперативним дистанційним інформаційним обслуговуванням клієнтів.

Проте мережі мають і досить істотні недоліки, а саме:

· мережа вимагає додаткових, іноді значних матеріальних витрат на купівлю мережевого устаткування та програмного забезпечення;

· мережа вимагає наявності фахівця (адміністратора мережі), який займатиметься контролем роботи мережі, її модернізацією, управлінням доступом до ресурсів, усуненням можливих несправностей, захистом інформації і резервним копіюванням;

· у дротових мережах мережа обмежує можливості переміщення комп'ютерів, підключених до неї, оскільки при цьому може знадобитися перекладання кабелів.

· мережі є чудовим середовищем для поширення комп'ютерних вірусів, що актуалізує питання захисту від них;

· мережа різко підвищує небезпеку несанкціонованого доступу до інформації з метою її крадіжки або знищення. Інформаційний захист вимагає проведення цілого комплексу технічних і організаційних заходів.

Як наслідок, при прийнятті організаційно-технічних рішень слід провести ґрунтовний аналіз того, чи варто підключати до мережі всі комп'ютери компанії, або частину з них краще залишити автономними. Можливо, що мережа взагалі не потрібна, оскільки породить більше проблем, чим дасть змогу вирішити.

Головною характеристикою мережі є її здатність виконувати функції щодо забезпечення користувачам потенційної можливості доступу до ресурсів мережі та їх спільного використання. Всі інші характеристики – повнота виконуваних функцій, продуктивність, надійність, сумісність, керованість, захищеність, розширюваність і масштабованість пов’язані з рівнем досягнення цього показника. Ці характеристики водночас розглядаються і як показники якості ІОМ.

Повнота виконуваних функцій – це ступінь виконання мережею всіх передбачених для неї функцій, як щодо доступу до всіх ресурсів, так і щодо спільної роботи вузлів, реалізації всіх протоколів і стандартів роботи.

Продуктивність — це середня кількість запитів користувачів мережі, які виконуються за одиницю часу. Продуктивність мережі може бути охарактеризована через такі параметри, як: час реакції (системи на запит користувача); пропускна здатність мережі; затримка передачі і варіація затримки передачі.

Час реакції мережі загалом оцінюється інтервалом часу між виникненням запиту користувача до певної мережевої служби і отриманням відповіді на цей запит і є інтегральною характеристикою продуктивності мережі з точки зору користувача. Значення цього показника залежить від: типу служби, до якої звертається користувач; від того, який користувач і до якого сервера звертається, а також від поточного стану та завантаженості елементів мережі, через які проходить запит. Внаслідок цього застосовують також середньозважену оцінку часу реакції мережі, усереднюючи цей показник по користувачах, серверах і часові дня, від якого значною мірою залежить завантаження мережі.

Час реакції мережі можна поділити на кілька складових: час підготовки запиту на комп'ютері користувача; час передачі запиту від користувача до вузла мережі, відповідального за виконання запиту (наприклад, від клієнта до сервера через сегменти мережі і проміжне комунікаційне обладнання); час виконання запиту цим вузлом (наприклад, час обробки запитів сервером), час передачі користувачу відповіді на запит (наприклад, час передачі відповіді від сервера клієнту); час обробки отриманої відповіді користувачем.

Пропускна здатність визначається об'ємом даних, передаваних мережею або її частиною (ланкою, сегментом) в одиницю часу; вимірюється або в бітах за секунду, або пакетах за секунду. Розрізняють миттєву, максимальну і середню пропускну здатність мережі. Середня пропускна здатність обчислюється діленням загального об'єму переданих даних на час їх передачі за умови достатньої тривалості цього проміжку часу (година, день, тиждень тощо); миттєва відрізняється від середньої тим, що для усереднення вибирається дуже маленький проміжок часу наприклад, 10мс або 1с; а максимальна - це найбільша миттєва пропускна здатність, зафіксована протягом періоду спостереження. Пропускна здатність сама по собі мало що говорить користувачу, оскільки вона характеризує швидкість виконання мережею операцій передачі пакетів даних між своїми вузлами через різні комунікаційні пристрої, проте вона безпосередньо характеризує якість виконання основної функції мережі з транспортування повідомлень і тому частіше використовується при аналізі продуктивності мережі.

Частіше за все розробники та адміністратори мереж оперують такими показниками, як середня і максимальна пропускні здатності. Середня пропускна здатність окремого елемента або всієї мережі дозволяє оцінити роботу мережі на великому проміжку часу, для якого коливання інтенсивності трафіка взаємно компенсуються. Максимальна пропускна здатність дає змогу оцінити спроможність мережі впоратися з піковими навантаженнями, характерними для особливих періодів її роботи.

Важливо зазначити, що внаслідок послідовного характеру передачі пакетів різними елементами мережі, пропускна спроможність мережі будь-якого маршруту буде рівна мінімальній з пропускних спроможностей складових елементів маршруту. Для підвищення пропускної спроможності складового шляху необхідно, насамперед, звернути увагу на самі повільні елементи, якими, швидше за все, будуть маршрутизатори.

Затримка передачі визначається, як затримка між моментом надходження пакету на вхід мережевого пристрою або частини мережі і моментом появи його на виході цього пристрою. Цей параметр продуктивності характеризує лише мережеві етапи обробки даних без затримок обробки комп'ютерами мережі. Зазвичай якість мережі характеризують величинами максимальної затримки передачі і варіацією затримки. Вплив цього параметру на якість мережі залежить від типу даних, які по ній транспортуються; найбільшим цей вплив є у разі голосових даних та відеозображення.

Затримка передачі та пропускна здатність є незалежними параметрами: мережа може мати високу пропускну здатність, але значні затримки, як це має місце при передаванні інформації геостаціонарним супутником внаслідок великої довжини каналу (72 000 км).

Надійність — це властивість системи «штатно» функціонувати в часі. Надійність технічних пристроїв найчастіше характеризується середнім часом напрацювання на відмову, інтенсивністю чи ймовірністю відмов. Однак ці показники передбачають знаходження системи лише в двох станах: працездатна або непрацездатна. Складні системи, такі, як ІОМ, що складаються з багатьох елементів, крім станів працездатності і непрацездатності, можуть мати ще інші проміжні стани, які ці характеристики не враховують. У зв'язку з цим для оцінки надійності ІОМ застосовуються ще інші характеристики: готовність (доступність для використання), коефіцієнт технічного використання, коефіцієнт збереження ефективності, ймовірність доставки / втрати даних, достовірність інформації тощо.

Готовність або коефіцієнт готовності (availability) ІОМ визначається часткою часу її існування, упродовж якого система може бути використана за призначенням. Коефіцієнт готовності (К_Г) показує ймовірність того, що система опиниться в працездатному стані в довільний момент часу, за винятком періодів, упродовж яких застосування системи за призначенням не передбачається. К_Г задається відношенням часу перебування системи у працездатному стані Т_Е до суми часу перебування системи в працездатному стані Т_Е та часу простоїв, обумовлених технічним обслуговуванням Т₀:

(6.1)

Цей показник може бути поліпшений шляхом введення надмірності (резервування) в структуру системи: ключові елементи системи повинні існувати в декількох примірниках, щоб при відмові одного з них функціонування системи забезпечували інші.

Коефіцієнт технічного використання — відношення математичного очікування часу перебування системи в працездатному стані за деякий період експлуатації до суми математичних очікувань часу перебування системи в працездатному стані, часу обумовленого технічним обслуговуванням простоїв та часу ремонтів за той же період експлуатації.

Коефіцієнт збереження ефективності — відношення значення показника ефективності за певний період експлуатації до номінального значення цього показника, обчисленого за умови, що відмови в системі протягом того ж періоду експлуатації не виникають. Коефіцієнт збереження ефективності характеризує ступінь впливу відмов в системі на ефективність її застосування за призначенням.

Надійність ІОМ також передбачає збереження даних, захист їх від спотворень та можливість їх відновлення. Крім цього, повинна підтримуватися узгодженість (несуперечність) даних. Наприклад, якщо для підвищення надійності на декількох файлових серверах зберігається декілька однакових списків чи баз даних, то треба постійно забезпечувати їх ідентичність.

Для користувачів складних інформаційних систем їх надійність найбільше сприймається через коефіцієнт готовності системи КТ, тобто за відношенням часу перебування системи у працездатному стані до часу її незапланованого простою. Для типового сучасного сервера К_Г = 0,99, що означає приблизно 3,5 діб простою в рік. Класифікація інформаційних систем за рівнем надійності наведена нижче, у табл.6.1.

 

Таблиця 6.1