Типовые вычислительные структуры и программное обеспечение

Типичным представителем мультипроцессорной системы является представленная компанией AMD в начале 2002 МПВС на базе новых процессора Athlon MP и логики AMD-760MPX (MultiProcessor eXtended – мультипроцессорное расширение). Построенная компанией AMD система представляет собой двухпроцессорную МПВС и является основой для построения высокопроизводительных рабочих станций и серверов, нацеленных на обработку больших массивов данных, аудио- и видеопотоков в реальном времени, многозадачность, а также повышенные вычисления с плавающей запятой. На рисунке 23. представленная структура МПВС.

Рис. 23. Структура МПВС AMD-760MPX (Шина LPC используется для подключения КВВ и BIOS)

Рассматриваемая система представляет собой типичную SMP-систему, т.е. (Symmetric Multiprocessing) систему с симметричной многопроцессорной обработкой. При построении таких систем особое значение для производительности приобретает способ передачи данных от ЦП по системной шине и оптимизация работы системной памяти. В AMD-760MPX эта проблема решается принципу «точка-точка», т.е. каждый из процессоров может напрямую обмениваться данными с северным мостом системной логики (микросхема AMD-762 System Controller). В отличие от схемы с разделяемой шиной, узкое место которой – шина ОЗУ, данное решение минимизирует периоды ожидания в работе системы и исключает простои одного из процессоров, тогда как другой, перегруженный вычислениями, занимает под обмен данными всю полосу пропускания системной шины.

Повышению производительности в немалой степени способствует применяемая память DDR SDRAM, общий объем которой может достигать 4 Гбайт, использование которой совместно с 266 МГц системной шиной позволило значительно повысить общую пропускную способность на участке ЦП – северный мост AMD-762. Скорость обмена информацией участке «процессор-память» может достигать максимальной скорости 2,1 Гбайт/c.

Использование БИС AMD-768 (Peripheral Bus Controller), позволяет работать с семью устройствами PCI, включая интегрированные Ethernet- и SCSI-контроллеры. Эта же микросхема управляет AC’97-аудиоконтроллером, а также арбитром шины, допуская подключение через соответствующий EIDE-контроллер до восьми внешних устройств с интерфейсом UDMA 33/66/100.

Лекция 12

Вычислительные (информационные) сети

Следующим за ММВС и МПВС уровнем комплексирования вычислительных систем является построение информационно-вычислительных сетей (ИВС).

Структура сети

Информационной сетью называется система соединений между компьютерами, позволяющая им взаимодействовать друг с другом и совместно использовать ресурсы.

Любая система создается для выполнения ею прикладных процессов. Последние подразделяются на прикладные процессы пользователей и специальные прикладные процессы (рисунок 24). Пользователями здесь и далее называются лица, для которых системы выполняют обработку информации.

Рис. 24. Классификация прикладных процессов.

Прикладные процессы пользователей делятся на две группы, К первой из них относятся программные прикладные процессы. Каждый такой процесс определяется одной прикладной программой либо группой взаимосвязанных прикладных программ. Ко второй группе следует отнести человеко-аппаратные прикладные процессы. Здесь обработка информации ведется не программой, а человека и для взаимодействия с системой человек использует один либо группу терминалов. При помощи последних осуществляется ввод и вывод необходимой информации.

Специальные прикладные процессы являются вспомогательными. Они необходимы лишь для оказания помощи в выполнении прикладных процессов пользователей. Специальными являются процессы управления системой, диагностики работы системы, обеспечения безопасности информации и т.д.

В зависимости от выполняемых задач системы делятся на три класса: абонентские, административные и ассоциативные. Основной задачей систем первого класса является выполнение прикладных процессов для нужд пользователей. Два других класса предназначены для обеспечения взаимодействия абонентских систем. Административные системы управляют процессами этого взаимодействия, а ассоциативные системы совместно с каналами передачи данных обеспечивают прокладку трактов, соединяющих прикладные процессы абонентских систем.

Рис. 25. Абонентская система.

Абонентская система (см. рис. 25) состоит из двух основных частей: прикладных процессов, для выполнения которых эта система создается, и области взаимодействия. Назначение последней является обеспечение связи прикладных процессов друг с другом, передачи информации во внешнюю для системы физическую среду, прием системой информации из этой среды. Взаимодействие осуществляется через вход-выход системы.

Коммуникационная подсеть

Информационная сеть является ассоциацией абонентских систем, взаимодействующих друг с другом через коммуникационную подсеть. Последняя образуется совокупностью физической среды, передающей сигналы, а также программных и технических средств, обеспечивающих передачу блоков информации по адресам их назначения. Задачами коммуникационной подсети является разрешение взаимодействия абонентских систем без учета информации об их местонахождении и о расстояниях их разделяющих.

Каждый комплекс физических средств соединения состоит из одного или группы параллельно прокладываемых каналов передачи данных. Кроме того, физические средства соединения имеют несложные оконечные устройства, образующие интерфейсы для подключения к этим средствам систем.

Через один канал может работать две или более систем. Поэтому каждый канал имеет, соответственно, два либо более оконечных устройств. Физические средства соединения нередко содержат также специальные устройства, выполняющие специфические функции, например смеситель световых сигналов. В качестве физической среды, в каналах физических средств соединения используются эфир, оптические волокна и металлические нити.

Любая коммуникационная подсеть передает от абонентской системы-отправителя к абонентской системе-получателю информацию, содержащуюся в блоках данных. Каждый такой блок содержит определенную порцию информации и дополнительные сведения, необходимые для передачи через коммуникационную подсеть, например адрес назначения блока, проверочную последовательность битов, необходимую для определения появляющихся ошибок.

Как правило, передаваемая информация не помещается в один блок данных. Поэтому абонентская система делит предназначенную для передачи порцию информации на множество блоков, а система, их принимающая, из блоков восстанавливает полученную порцию в исходном виде. Данные передаются через коммуникационную подсеть либо в виде одного блока, либо в виде последовательности определенного числа блоков.

Коммуникационные подсети характеризуются многими свойствами. Важнейшими из них являются те, которые определяют способы поставки информации конкретным адресатам. В этом отношении коммуникационные подсети делятся на два класса (рис. 26):

· коммуникационные подсети с селекцией информации,

· коммуникационные подсети с маршрутизацией информации.

Рис. 26. Классификация коммуникационных подсетей.

В коммуникационных подсетях первого класса любой блок данных передается от одной абонентской системы-отправителя всем абонентским системам. Системы, получив очередной блок данных, проверяют адрес его назначения и в случае совпадения с собственным принимают, иначе – отвергают. Подсети с селекцией информации делятся на две группы: моноканальные и циклические. Они различаются тем, что в подсети первой группы каждый посланный блок данных попадает ко всем абонентским системам практически одновременно, а в подсети второй группы каждый передаваемый блок доставляется всем абонентским системам последовательно (по очереди), проходя мимо каждой из них.

Моноканал (см. рис. 27), моноканал строится на основе общего канала, к которому через специальные устройства подключаются все абонентские системы сети.

Рисунок 27 - Структура моноканала.

Циклическая коммуникационная подсеть (циклическое кольцо) (рис. 28) – это канал, имеющий кольцевую форму. В это кольцо врезаются абонентские системы, деля его на сегменты.

Рис. 28 Циклическое кольцо и узловая подсеть.

В коммуникационных подсетях второго класса передача данных осуществляется от одной абонентской системы-отправителя к другой абонентской системе-получателю. Для обеспечения такой доставки информации в коммуникационной подсети используются один либо более узлов коммутации. Поэтому рассматриваемую подсеть далее будем именовать узловой.

Пример узловой подсети приведен на рис. 4.5. Подсеть состоит из трех узлов коммутации, а также каналов, соединяющих узлы друг с другом и с четырьмя абонентскими системами (А—Г). Каждый узел коммутации принимает блоки данных и передает далее по различным направлениям в зависимости от адресов иx назначения. Благодаря этому в подсети осуществляется маршрутизация информации — прокладка через (сквозь) коммуникационную подсеть трактов, связывающих абонентские системы.

Топология сетей

ВС могут иметь следующую структуру (см. рис. 29):

· радиальную;

· радиально - узловую;

· по принципу соединения "каждый с каждым";

· петлевую;

· радиально - петлевую;

· распределенную.

Радиальная структура (рис. 29.a) предусматривает соединение любых узлов (У) сети между собой через центральный узел (ЦУ). Узел сети представляет собой совокупность оконечного оборудования каналов связи, которые включают средства концентрации и коммутации, а также линейное оборудование канала.

Радиальная структура очень экономна с точки зрения использования каналов (относительно малая длина абонентских линий) и может быть достаточно просто реализована на телефонной и телеграфной сети общего пользования.

Применяется при небольшом количестве узлов и на небольшой территории.

Недостаток: зависимость от центрального узла.

 

Рис. 29 Топология сетей

Радиально - узловая структура (рис. 29. b)реализует два уровня радиального построения:

1. уровень - ЦУ - ГУ (групповой узел);

2. уровень - ГУ - У.

Применяется на большой территории с большим количеством узлов и низкой интенсивности обмена данными между узлами.

Недостаток: имеет низкую надежность, так как для соединения любых двух узлов существует только один путь состоящий из нескольких каналов и узлов.

Структура по принципу "каждый с каждым" (рис. 29. c) обладает наивысшей надежностью.

Недостаток: большое число каналов связи между узлами обуславливает высокую стоимость сети такой структуры.

Петлевая структура (рис. 29. d) предусматривает последовательное соединение узлов в замкнутую петлю (кольцо).

Недостаток: в такой сети повреждение одного канала или узла ЭВМ приводит к потере работоспособности такой сети.

Радиально - петлевая структура (рис. 29. e) представляет собой комбинацию имеющихся, обладает высокой надежностью и гибкостью.

В сетях с распределенной структурой каждый узел соединен не менее чем с двумя другими узлами. Структура является надежной и мобильной, так как обеспечивает многовариантность маршрутов передачи данных.

Лекция 13

Локальные ВС

По размерам и структуре ЛВС занимают промежуточное положение между глобальными сетями, неограниченными по охватываемой территории, и общими шинами ВС.

Общая классификация сетей передачи данных насчитывает около 80 типов ЛВС.

Таблица 1 - Классификация ЛВС по некоторым признакам

Критерии	Виды ЛВС
Степень стандартизации оборудования	· индивидуальные · стандартные · смешанные
Топология	· звезда · шина · кольцо · смешанная
Способ управления	· централизованная · частично - децентрализованная · децентрализованная
Тип передачи данных	· широкополосная · однополосная
Тип передаваемых данных	· цифровые · аналоговые · D&A
Тип линии связи	· витая пара · коаксиальный кабель с дискретной сигнализацией · коаксиальный кабель с аналоговой сигнализацией · оптоволоконный кабель · смешанный
Пропускная способность	· низкоскоростные (2 Кбит/c -1Mбит/с) · среднескоростные (1 - 20Mбит/с) · высокоскоростные (20 - 50Mбит/с) · сверхскоростные (свыше 100Mбит/с)

Топология ЛВС

Наибольшее распространение получили шинная, петлевая и радиальная (звездообразная) топология.

Рис. 30. а- общая шина; б - кольцо; в - звезда

ОБЩАЯ ШИНА. В системах с подобной топологией сетевые адаптеры подключены параллельно к единственному каналу связи (рис. 30. а). Управление шиной может быть как централизованное, так и распределенное. При централизованном управлении к шине подключается специальная станция-арбитр (ЦУ), которая регулирует право передачи информации в канал. При распределенном управлении все подключенные станции считаются равноправными и разделяют канал с помощью специальной процедуры - метода множественного доступа. Одной из самых известных сетей с общей шиной является Ethernet фирмы Xerox. Общешинная топология может использоваться при выделенных каналах связи между парами станций и при коммутации каналов.

КОЛЬЦО. Для кольцевых (петлевых) систем характерно наличие однонаправленного замкнутого канала связи, который разрывается сетевыми устройствами доступа (интерфейсами, рис. 30. б). Посланное одним интерфейсом сообщение последовательно проходит по кольцу от одного узла к другому, пока не доберется до узла-получателя пли не вернется к своему отправителю. В разных сетях удаление такого сообщения происходит на разных стадиях: кадр может удаляться своим отправителем либо получателем либо этим может заниматься специальную станцию-монитор. Классификация кольцевых систем основывается на применении разных методов множественного доступа. Наиболее ярким примером может служить петля с жезловым управлением (петля Ньюхолла), в которой от одного сетевого интерфейса к другому передается управляющий символ - жезл, или маркер, который дает право на передачу кадра в канал. Все остальные станции могут лишь принимать сообщения (Token Ring фирмы IBM).

ЗВЕЗДА. Звездообразная топология обеспечивается использованием концентраторов. Концентратор — это многопортовый повторитель сети с автосегментацией. Все порты концентратора равноправны. Получив сигнал от одной из подключенных к нему станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты. При этом если на каком-либо, из портов обнаружена неисправность, этот порт автоматически отключается (сегментируется), а после ее устранения снова делается активным. Обработка коллизий при такой схеме может осуществляться самим концентратором. В качестве примера подобных сетей можно привести сеть Fibronet на оптоволокне. Такая топология идеальна для ситуаций, когда требуется доступ многих абонентов к одному обслуживающему центру, обеспечивает высокий уровень защиты данных.

Открытые сети

Информационную систему, удовлетворяющую требованиям стандартов ISO, именуют открытой. Важнейшей проблемой, решаемой на основе Базовой эталонной модели, является взаимодействие открытых систем. Под последним понимается абстрактное описание совместного функционирования прикладных процессов, расположенных в различных удаленных друг от друга открытых системах сети.

Рисунок 31 - Область взаимодействия открытых систем.

Сложность области взаимодействия открытых систем привела к тому, что в соответствии со Стандартом 7489 она разделена на семь расположенных друг над другом уровней (см. рис. 31.).

Каждый из семи уровней обеспечивает сервис для уровня, расположенного над ним. Благодаря этому верхний, прикладной уровень предоставляет прикладным процессам весь сервис, обеспечиваемый семью уровнями, т. е. всей областью взаимодействия. Нижний уровень опирается на физические средства соединения,  являющиеся фундаментом коммуникационной подсети.

Ниже приведено назначение каждого из семи уровней модели OSI, а также сервис, предоставляемый для смежных уровней.

1. Физический уровень направляет неструктурированный поток битов данных через физическую среду передачи (сетевой кабель). Физический уровень связывает электрический/оптический, механический и функциональный интерфейс с кабелем.

2. Канальный уровень осуществляет упаковку неструктурированных битов данных с физического уровня во фреймы данных, которые представляют собой логически упорядоченные, структурированные пакеты данных. Формат фрейма зависит от топологии сети. Канальный уровень отвечает за обеспечение безошибочной передачи фреймов с одного компьютера на другой через физический уровень. Фреймы содержат исходный адрес и адрес назначения, что позволяет компьютеру, отправляющему данные, и компьютеру, который их принимает, распознавать и извлекать по сети свои фреймы.

3. Сетевой уровень отвечает за адресацию сообщений и преобразование логических адресов и имен в физические адреса. Кроме того, на этом уровне определяется маршрут от передающего к принимающему компьютеру. Сетевой уровень определяет путь прохождения данных в зависимости от сетевых условий, приоритета сервиса и других факторов. Сетевой уровень объединяет небольшие фреймы данных для передачи по сети. Кроме того, он переструктурирует большие фреймы в более мелкие пакеты. На принимающем компьютере сетевой уровень производит преобразование пакетов данных к исходной структуре фрейма.

4. Транспортный уровень отвечает за распознавание и коррекцию ошибок. Кроме того, он гарантирует надежную доставку сообщений, создаваемых на уровне приложений. Аналогично тому, как сетевой уровень производит обработку фреймов данных, этот уровень производит переупаковку сообщений, разрезая длинные сообщения на несколько пакетов, и объединяя по несколько коротких сообщений в один пакет. Такая процедура обеспечивает эффективную передачу данных по сети. На принимающем компьютере транспортный уровень осуществляет распаковку сообщений, сборку исходных сообщений и отправляет уведомление о приеме.

5. Сеансовый уровень позволяет двум приложениям на разных компьютерах установить, использовать, и завершить соединение, которое называется сеансом. Этот уровень осуществляет распознавание имен, а также обеспечивает функции, необходимые для того, чтобы позволить двум приложениям взаимодействовать через сеть, например, функции безопасности.

6. Уровень представления определяет форму, используемую для обмена данными между компьютерами, объединенными в сеть. Уровень представления можно назвать сетевым транслятором. На компьютере, отправляющем данные, этот уровень осуществляет преобразование данных из формата, полученного с уровня приложений, в повсеместно распознаваемый промежуточный формат. На принимающем компьютере, этот уровень переводит данные из промежуточного формата в формат, распознаваемый уровнем приложения принимающего компьютера. Кроме того, на этом уровне осуществляется управление защитой данных и сжатие данных.

7. Уровень приложений позволяет прикладным процессам получать доступ к сетевому сервису. Этот уровень предоставляет сервис, непосредственно поддерживающий пользовательские приложения, такие, как программное обеспечение для передачи файлов, доступ к базам данных и электронная почта.

Каждый уровень взаимодействия открытых систем определяется группой стандартизующих его документов, которые всегда включают две спецификации:

· протокол

· сервис, обеспечиваемый этим протоколом для вышерасположенного уровня.

Протокол - это свод правил и форматов, определяющих взаимодействие объектов, которые расположены на одном уровне. Протокол определяет:

· процедуры передачи управляющей информации и данных между взаимодействующими объектами;

· механизм выбора указанных процедур из списка возможных;

· структуру и способ кодирования протокольных блоков данных.

Лекция 14