Общий Принцип работы вычислительной сети

ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Распределенные системы обработки данных

 

К распределенным системам обработки данных относят вычислительные системы, функции которых состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода. Примерами таких вычислительных систем являются системы для решения научных, инженерно-технических, планово-экономических задач, а также в качестве автоматизированных систем управления предприятиями, технологического оборудования и техническими объектами.

Поскольку основным признаком распределенных вычислительных систем является наличие нескольких центров обработки данных, то к ним относят многомашинные вычислительные комплексы, мультипроцессорные вычислительные системы и вычислительные сети.

Многомашинный вычислительный комплекс - это несколько связанных между собой компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Мультипроцессорные системы – это компьютеры, в которых имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою программу. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется через оперативную паять.

Вычислительные сети – это совокупность связанных между собой нескольких компьютеров, разнесенных в пространстве. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств – сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к ресурсам другого компьютера. Такими ресурсами могут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства – принтеры, модемы и др. Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между пользователями сети – основная цель создания вычислительной сети.

 

 

Эффект сетевой обработки данных

 

Основной эффект от объединения ЭВМ в вычислительную сеть - это полная доступность ресурсов сети для пользователей. Пользователи, подключенные к сети, имеют доступ ко всем главным ЭВМ, входящим в сеть. Пользователям доступно программное обеспечение, имеющееся в сети, и базы данных, размещенные в ЭВМ сети, что позволяет оперативно использовать программы и базы данных. Информационные связи между пользователями позволяют решать задачи моделирования сложных систем, выполнять проектные работы, опирающиеся на распределенные между многими ЭВМ программное обеспечение и базы данных. Вычислительные сети позволяют повысить уровень ЭВМ, программного обеспечения и баз данных. Во-первых, вычислительная сеть обслуживает большое количество пользователей-профессионалов, обращающихся к базам данных типа Autocad, PCAD, LabViJ…, и непрофессионалов, обращающихся к гуманитарным базам данных (экономика, политика, общение, маркетинг, реклама, творчество и т.д.). Во-вторых, с точки зрения загрузки оборудования вычислительной сети, создаваемой всеми пользователями сети, значительно снижается стоимость обработки данных, по сравнению с одним пользователем, имеющим полный комплект оборудования.

 

Кольцевая топология

При кольцевой топологии сеть не имеет явно выраженного центрального узла (сервера), а рабочие станции связаны одна с другой по кругу (см. рис. 4). Сообщения в подобной топологии циркулируют по кругу в строго заданном направлении. Рабочая станция посылает сообщение заданному адресату, предварительно получив из кольца запрос (маркер). Пересылка сообщений в подобной топологии является эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять "в дорогу" по каналу связи одно за другим.

Каждая рабочая станция может выполнять функции сервера, а банки данных могут быть распределены между станциями.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко. Подключение новой рабочей станции требует выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто.

 

 

                                          Рис. 3

Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов    (англ. Hub - концентратор).

 В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы ("хабы"). Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

 

 

                                             Рис. 4

 

Шинная топология

 

В сетях с шинной топологией все рабочие станции подключаются к одному каналу связи (коммуникационному пути) с помощью премопередатчиков (см. рис. 5).

Рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети, и могут быть подключены или отключены без нарушения функционирования всей вычислительной сети. Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминаторами, которые поглощают передаваемые сигналы, поскольку по своей природе передача в такой сети является широковещательной (длинные линии – из курса теоретические основы электротехники).

Каждая рабочая станция подключается к шине непосредственно к соединителям кабельных секций (тройниковые соединители) либо с помощью специальной врезки, которая просто прокалывает коаксиальный кабель до контакта с центральным проводником.

 

 

 

 

Рис. 5

 

Поскольку один общий канал связи (шина) разделяется между всеми абонентами сети, такие сети называются также моноканальными.

Пропускная способность и задержка в шинных сетях определяется большим числом параметров: методом доступа, полосой пропускания канала связи, числом узлов связи, длиной сообщений и др.

В данной топологии банки данных, также как и в сетях с кольцевой топологией, могут распределяться между рабочими станциями (станции ресурсов).

 

Деревовидная топология

В локальной сети такого типа используется комбинация ранее рассмотренных типов топологий: “кольцо-звезда” либо “шина-звезда”. Сеть типа “кольцо-звезда” представлена на рис. 6.

Сервера подключены к шине сети через контроллер, а к каждому серверу подсоединены звездно рабочие станции. Сети такого типа применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Сети такой топологии обладают преимуществом каждой в отдельности типом сети («кольцо» и «звезда»). И дополнительно удобны при административном управлении сетью.

Недостаток такого типа в том, что выход из строя участка канала связи сети парализует работу группы абонентов этого участка.

Сравнительные характеристики различных топологий локальных сетей представлены в табл. 1.

Рис. 6

                                                                                                               Таблица 1

Характеристики	Топология
	Звезда	Кольцо	шина	дерево
Сложность интерфейса	малая	малая	малая/  средняя	средняя
Наращиваемость	малая	средняя	высокая	высокая
Надежность	средне/ высокая	высокая	высокая	высокая
Стоимость подключения	высокая	средняя	низкая	низкая
Работа в реальном времени	очень хорошая	хорошая	плохая	средняя
Разводка кабеля	хорошая	удовлетворительная	хорошая	хорошая

 

Структура сообщения

Многоуровневая организация управления процессами прием/передачи информации в сети порождает необходимость строить сообщения таким образом, чтобы формат и содержание его соответствовало последовательности уровней, на которых выполняются соответствующие функции. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т.д. Данная процедура аналогична процессам работы почтовой службы. Информация в виде письменного сообщения, отраженная на бумаге, помещается в конверт, на котором указывается адрес получателя письма (код города, почтового отделения), адрес отправителя, приоритет доставки сообщения (спецпочта, авиа, простое). Отличие состоит в форме представления информации - традиционный текстовый вид либо код в двоичном представлении. Пример структуры сообщения для сети приведен на рис. 8.

 

Код начала сообщения

Адрес получателя

Адрес источника

Команды управления в сети

Данные

Контольная сумма

Код конца сообщения

 

Рис. 8

 

Интерфейсы и протоколы сети

Интерфейсы

  Для реализации функций управления передачей данных используются технические и программные средства. Как правило, уровни 1-й и 2-й реализуются в основном техническими средствами: на уровне 1 используются электронные схемы, а на уровне 2 - программируемые контроллеры или микропроцессоры. На уровнях 3 - 7 используются программные средства, образующие сетевую операционную систему вычислительной сети. Взаимодействие между уровнями одной системы производится на основе соглашения - интерфейса, определяющего структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями. Уровни управления 1 и 2 связываются между собой и с уровнем 3 посредством схемных интерфейсов - интерфейсных шин. Порядок взаимодействия между уровнями управления 3 - 7 определяется программными интерфейсами - совокупностью процедур

 

F1(U1), …., FN (UN),

где F1,…., FN - наименования процедур, реализуемых J-м уровнем управления, и U1,…, UN - множество формальных параметров соответствующих процедур.

 

Протоколы

Гибкость организации и простота реализации сетей достигается за счет того, что обмен сообщениями допускается только между процессами одного уровня (процесс - это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных).

Процедура взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями называется протоколом. Для процессов каждого уровня используется свой протокол.

Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфейсов:

1) параллелизм взаимодействующих процессов;

2) взаимную неопределенность состояния процессов, связанную с отсутствием у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса;

3) отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями, выполняемыми при их наступлении;

4) отсутствие полной гарантии доставки сообщений.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики. Логическая характеристика протокола - структура (формат) и содержание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называются процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

Таким образом, логика организации вычислительной сети в наибольшей степени определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки - реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений.

Число уровней управления и типы используемых протоколов определяют архитектуру вычислительной сети.

 

Физический уровень

 

Физический уровень обеспечивает перенос потока двоичных сигналов {Xi}, в виде которых представляются передаваемые данные, через физическую среду, соединяющие компьютеры сети. В качестве физической среды, как правило, используются проводные каналы связи (телефонный кабель, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель) и радиоканалы.

При передаче данных в аналоговой форме по тем же каналам связи последовательность бит {Xi} на входе канала преобразуется в устройствах модуляции/демодуляции (модемах) в аналоговые сигналы Si(t), параметры которых согласованы с параметрами физической среды (физического канала). Принимаемые на выходе аналогового канала сигналы преобразуются в последовательность бит {Yi}, которая может отличаться от передаваемой последовательности из-за взаимодействия помех  {Pi}. Модемы в совокупности с физическим каналом образуют дискретный канал связи

(рис. 12).

В случае использования цифровых каналов связи преобразование последовательностей бит в аналоговые сигналы не производится. При этом вместо модемов используют линейные контроллеры, обеспечивающие сопряжение компьютера с физическим каналом.

Понятие физического уровня, его назначение и выполняемые функции определены в рекомендации МККТТ Х.200 и стандарте ISO 7498. В соответствии с ними физический уровень выполняет сервисные функции для канального уровня. Его назначением является обеспечение механических, электрических, функциональных и процедурных средств для установления, поддержания и разъединения физических соединений с целью передачи последовательности бит между объектами канального уровня. Физический уровень  также определяет особенности схем приема/передачи сигналов (оптический, электрический или радиосигнал), частоты и уровни напряжения сигналов, технику модуляции, виды кодирования и декодирования сигналов.

		Рис.12

 

 

Физический уровень предоставляет канальному уровню следующие услуги:

- физические соединения;

- физические блоки данных службы;

- оконечные точки физических соединений;

- организацию передачи последовательностей бит;

- оповещение о неисправности физического уровня;

- определение качества представляемых услуг.

Рассмотрим предоставляемые физическим уровнем услуги и выполняемые функции подробнее. На рис. 13 представлена схема подключения компьютеров в локальной сети.

                        

 

Рис. 13

Компьютеры подключены к среде передачи с помощью двунаправленных блоков доступа – приемопередатчиков (трансиверов). Упрощенная структурная схема трансивера представлена на рис. 14.

Приемопередатчики располагаются в непосредственной близости от основного кабеля, причем с адаптером имеется гальваническая развязка (5-8- элементы гальванической развязки). Это необходимо в случае выхода из строя адаптера, чтобы не замкнуть на землю кабель сети. В качестве развязки используется трансформатор, конденсатор или оптрон.

Управление соединением физических каналов передачи данных является услугой, предоставляемой объектам канального уровня, и может предоставляться по их запросу. Также по требованию канального уровня устанавливаются и разъединяются физические соединения.

Физический уровень обеспечивает перенос физического блока данных от объекта до потребителя, сохраняя при этом идентичность данных как в дуплексном, так и полудуплексном режиме синхронной или асинхронной передачи.

На физическом уровне можно выделить два вида физических соединений: двухточечное и многоточечное. Двухточечное соединение обеспечивает связь только двух объектов сети, может иметь две оконечные точки физического соединения (к примеру, два абонента осуществляют взаимосвязь по городской телефонной связи с использованием модемов). Многоточечное соединение связывает более двух абонентов, т.е. это локальная вычислительная сеть.

На физическом уровне обеспечивается доставка бит в том же порядке, в котором они были получены.

В случае возникновения неисправности внутри физического уровня последний сообщает об этом объекту канального уровня.

В качестве параметров качества физического уровня используются следующие характеристики:

- частота появления ошибок;

-  доступность услуги;

- скорость передачи;

- транзитная задержка.

Объектами стандартизации на физическом уровне являются четыре группы характеристик: механические; электрические; функциональные; процедурные.

Механические характеристики

 

Механические характеристики физического уровня определяют организацию сопряжения (интерфейса) ООД (оконечное оборудование данных) с АКД (аппаратура канала данных), т.е. с физическими средствами соединения (реальной физической средой). Непосредственное сопряжение устанавливается при помощи соединителей различных типов, к которым подключается кабель, обеспечивающий гальваническую связь ООД с АКД.

В части механических характеристик протоколов физического уровня определяются: конструктивное исполнение соединителей; тип крепления; способы фиксации и крепления соединителей; схемы расположения контактов; соответствие цепей обмена контактам соединителя (разъема). К примеру, стандарт ISO 4903 “Передача данных. 15 – контактный разъем стыка между ООД и АКД и расположение номеров их контактов”, который соответствует рекомендациям X.21, X.22.

 

ООД