Лекции. 1. информационные сети. Основные понятия становление информационных сетей
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
Протокол – Формализованные правила, определяющие последова- тельность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компо- ненты, лежащие на одном уровне в разных взаимодействующих узлах [5]. 15 кол» и «интерфейс», по сути, отражают одно и то же, но для раз- ных областей действия, традиционно закрепленных за ними в се- тях: протоколы устанавливают правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – модулей соседних уровней в одном узле [5]. Средства каждого уровня реализуют, во-первых, свой соб- ственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровня- ми. Иерархически организованный набор протоколов, обеспечи- вающий организацию взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы реализуются как программ- но, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней обычно реали- зуются комбинацией аппаратных и программных (в том числе, драйверы устройств) средств, а протоколы верхних уровней – как правило, чисто программными средствами. Протокол может иметь несколько возможных программных реализаций. При сравнении протоколов, реализующих одинаковые или схожие функции, учитывается не только логика их работы, но и качество программных решений. На эффективность взаимодей- ствия устройств в сети влияет качество всей совокупности прото- колов, составляющих стек, в частности, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо организованы интерфейсы между ними. Сетевые протоколы реализуются не только компьютерами узлов, но и коммуникационными устройствами – коммутаторами, маршрутизаторами и т.п., поскольку, как правило, связь компью- теров в сети осуществляется не напрямую, а через различное коммуникационное оборудование. В зависимости от типа устрой- ства в нем должны быть встроены средства, реализующие тот или иной набор протоколов. 2.3. Концептуальная модель информационной сети Концептуальная модель построения ИС может быть пред- ставлена в виде многоуровневой функциональной архитектуры. 16 На каждом уровне описываются функции, реализуемые элемен- тами сети в процессе взаимосвязи пользователей её конечных уз- лов. В [2] предложена трехуровневая функциональная архитекту- ра, устанавливающая иерархическую связь функций элементов ИС в ходе сетевого взаимодействия (рис.2.2). Рис.2.2. Трехуровневая функциональная архитектура ИС Эта архитектура включает в себя: Центральный уровень реализуется транспортной сетью. Он описывает функции и правила, взаимосвязи при передаче раз- 17 личных видов информации через физические каналы связи (сеть электросвязи) между территориально удаленными абонентскими системами 3 . Транспортная сеть представляет собою распреде- ленную коммуникационную систему, состоящую из коммутаци- онных узлов, соединенных каналами (линиями) сети связи, обес- печивающую передачу информации между удаленными абонент- скими системами. Второй уровень – описывает функции и правила обмена информацией в интересах взаимосвязи прикладных процессов 4 (приложений пользователей) различных абонентских систем. Он реализуется телекоммуникационной сетью, представляющей собою единую инфраструктуру обмена различными видами ин- формации между пользователями сети. Телекоммуникационная сеть обеспечивает взаимодействие прикладных процессов в ИС. Она реализует функции всех уровней функциональной архитек- туры сети и включает физическую среду передачи сигналов дан- ных, несущих информацию. Третий уровень – образуется всей совокупностью при- кладных процессов (приложений пользователей), размещенных в территориально удаленных абонентских системах, являющихся потребителями информации и выполняющих ее содержательную обработку. Этот уровень описывает функции, реализуемые в це- лом информационной сетью. Чтобы сетевое взаимодействие приложений конечных узлов 3 Абонентская система представляет собою комплекс программно- аппаратных средств, реализующих как функции содержательной обработ- ки информации посредством прикладных процессов пользователей (при- ложений), так и функции взаимосвязи потребителей информации, обеспе- чивая доступ приложений пользователей к транспортной сети в интересах этой взаимосвязи [2]. 4 Прикладной процесс в модели ИС – тип информационного про- цесса, ориентированного на выполнение функций содержательной обра- ботки информации в узлах сети в контексте решаемой задачи или другого конкретного применения [2]. 18 оказалось возможным, необходимо обеспечить кодонезависи- мую, своевременную, целостную и достоверную передачу ин- формационных сообщений, а при необходимости и обеспечить их фрагментацию и дефрагментацию. Для этого телекоммуникаци- онная сеть должна реализовывать ряд функций. Во-первых, необходима реализация функции преобразова- ния синтаксиса представления в синтаксис передачи. В общем случае для формализованного представления информационных сообщений в виде данных во взаимодействующих абонентских системах могут использоваться разные кодовые алфавиты. Чтобы разные приложения однозначно идентифицировали передавае- мые и принимаемые информационные сообщения, возникает необходимость использования единого для всех пользователей сети синтаксиса передачи. Реализация функции распределения информационных пото- ков в транспортной сети связана с необходимостью повышения эффективности совместного использования всеми пользователь- скими приложениями сети множества каналов (линий) связи, об- разующих единую среду взаимосвязи и не закрепляемых жестко за отдельными абонентскими системами. Наличие и возможность использования для взаимосвязи ка- налов связи разной физической природы (проводных, оптоволо- конных, радио), использующих различные принципы передачи сигналов (дискретных и аналоговых) и образуемых различными типами коммуникационной аппаратуры, обуславливает требова- ние реализации функций согласования параметров взаимосвязи и параметров среды, а также формирования соответствующих сиг- налов определенной физической природы. Для различных телекоммуникационных сетей, создававших- ся в разное время различными производителями, группирование описанных выше функций не одинаково: отличается количество выделяемых этапов и функций процесса взаимосвязи, объединя- емых в рамках той или иной функциональной архитектуры сети в отдельные уровни. 3. ТИПОВЫЕ СЕТЕВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ 19 При всём многообразии конкретных реализаций современ- ных информационных сетей, абсолютное большинство из них имеет в своей основе ту или иную типовую архитектуру. На сегодняшний день принято определять пять типовых ар- хитектур построения информационных сетей: архитектура терминал-главный компьютер; одноранговая архитектура; архитектура клиент-сервер; архитектура компьютер-сеть; архитектура интеллектуальной сети. Следует отметить, что в рамках каждой из типовых архитек- тур существует определённое разнообразие подходов к реализа- ции сетевой архитектуры, но в основе своей все они укладывают- ся в границы той или иной базовой концепции построения ин- формационной сети, из числа упомянутых выше. 3.1. Архитектура «терминал-главный компьютер» Архитектура «терминал-главный компьютер» (terminal-host computer architecture, англ.) – концепция построения информаци- онной сети, в которой вся обработка данных осуществляется в одном либо группе главных компьютеров. Эта архитектура определяет два типа оконечного сетевого оборудования (Data Terminal Equipment – DTE 5 ). Первый из них осуществляет хранение данных, их обработку, маршрутизацию в сети, управление сетью. Этот тип представлен так называе- мыми главными (центральными) компьютерами. Главные ком- 5 Оконечное оборудование [данных] – DTE, представляет собою тип сете- вых устройств, генерирующих или принимающих данные в соответствии с принятыми протоколами, выполняющих их обработку и хранение и функ- ционирующих под управлением прикладного процесса [1]. Наряду с оборудованием DTE, в сетях широко используется еще один тип оборудования – DCE (Data Communication Equipment, англ. – комму- никационное оборудование), не являющегося источником или конечным получателем данных. 20 пьютеры в общем случае через мультиплексоры 6 - демультиплексоры 7 взаимодействуют со вторым типом оконеч- ного оборудования – терминалами 8 (рис.3.1). Рис.3.1. Архитектура «терминал – главный компьютер» Задачами терминалов являются: передача главному компьютеру, иногда называемому также мэйнфреймом 9 (mainframe, англ.), команд на организацию 6 Мультиплексор – устройство, создающее из нескольких отдельных ин- формационных потоков общий агрегированный поток, который можно пе- редавать по одному физическому каналу связи. 7 Демультиплексор – устройство, разделяющее суммарный агрегирован- ный поток на несколько составляющих потоков. 8 Терминал – устройство для оперативного ввода и вывода информации, используемое при взаимодействии удалённого пользователя с вычисли- тельной машиной или сетью. 9 Термин «мэйнфрейм» в общем случае имеет два толкования: 1. Большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значи- 21 сеансов и выполнение заданий; ввод в мэйнфрейм данных, необходимых для выполнения заданий; получение от мэйнфрейма результатов проведенных рас- четов. Главный компьютер с группой терминалов образуют цен- трализованный комплекс обработки данных. Здесь функции вза- имодействия партнеров (мэйнфрейма и терминалов) резко асим- метричны. Во время появления рассматриваемой архитектуры Персо- нальных Компьютеров (ПК) ещё не было. Поэтому, неравнопра- вие партнёров определялось сложностью и дороговизной выпус- кавшихся базовых компьютеров, а также стремлением упростить оборудование, находящееся на рабочих местах специалистов, сделать его малогабаритным и экономически выгодным. В сети используется один тип ОС, на котором работает мэйнфрейм. Мэйнфрейм – типичный пример централизации вычисле- ний, поскольку в едином комплексе сконцентрированы все ин- формационные и вычислительные ресурсы, хранение и обработка огромных массивов данных. Основные достоинства централизованной архитектуры «терминал-главный компьютер» обусловлены простотой админи- стрирования и защиты информации. Все терминалы были одно- типными, а, следовательно, устройства на рабочих местах поль- зователей вели себя предсказуемо и в любой момент могли быть заменены. Затраты на обслуживание терминалов и линий связи легко прогнозировались. Классическим примером архитектуры сети с центральным компьютером является известная сеть ALOHA (привет, гавай- ский яз.), представляющая собою сеть Гавайского университета. Сеть начала работать в 1970г. Она обеспечивала связь между тельным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и вы- полнения интенсивных вычислительных работ. 2. Компьютер с архитекту- рой IBM System/360, 370, 390, zSeries. 22 центральной вычислительной машиной, расположенной в Гоно- лулу, и терминалами, расположенными на всех островах Гавай- ского архипелага. Сеть ALOHA не использовала мультиплексо- ры-демультиплексоры. Вместо них для связи были выделены два радиочастотных канала: один отводился для передачи сообщений от мэйнфрейма к терминалам, второй – в обратном направлении. Разделение второго канала между терминалами осуществлялось по методу случайного доступа. В сетях рассматриваемой архитектуры постепенно терминалы заменялись ПК. Вследствие этого, часть функций обработки дан- ных, ранее выполнявшихся мэйнфреймами, переходила на ПК. По- мимо этого, с центральных компьютеров также снимались задачи коммутации и маршрутизации, которые передавались узлам ком- мутации. Вместо мультиплексоров-демультиплексоров стало ис- пользоваться специальное коммуникационное оборудование (DCE). В результате, постепенно архитектура «терминал-главный компьютер» в её чистом виде была преимущественно вытеснена другими архитектурами и, прежде всего, архитектурой «клиент- сервер». 3.2. Одноранговая архитектура сети Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – кон- цепция информационной сети, в которой каждая рабочая станция может предоставлять и потреблять ресурсы. Иногда такую сеть (архитектуру) называют пиринговой. 10 Архитектура одноранговой сети характеризуется тем, что в ней все рабочие станции (компьютеры) равноправны (рис.3.2) и их обращение к ресурсам друг друга является симметричным. Благодаря этому, пользователь может выполнять распределенную обработку данных, работать с прикладными программами, внеш- ними устройствами, а также файлами, находящимися в любых системах. Одноранговая архитектура обеспечивает: подключение одноранговой сети в качестве единого кли- ента к большой локальной сети, основанной на архитектуре кли- 10 Пиринговая – от английского peer-to-peer – равный с равным. 23 ент-сервер; облегченную организацию телеконференций. Роль, которую играет каждый компьютер во взаимодействи- ях с другими компьютерами сети при предоставлении некоторого сервиса, не фиксируется, как это имеет место, например, в архи- тектуре «клиент-сервер», а зависит от контекста выполняемой операции и от характеристик текущей ситуации. В одних случаях компьютер может быть сервером, в других – клиентом. Рис.3.2. Архитектура одноранговой сети Эта архитектура характеризуется простотой организации се- ти и легко расширяется. Основными преимуществами одноранговой архитектуры перед архитектурами «терминал-главный компьютер» и «клиент- сервер» выступают низкая стоимость, простота эксплуатации и хорошее отражение реального процесса работы групп пользова- телей. Именно здесь предоставляются удобные формы передачи данных друг другу и извлечения необходимых программ и дан- ных из всех компьютеров сети. 24 Использование одноранговой архитектуры не исключает применение в этой же сети также элементов архитектур других типов. В таком случае принято говорить об интегральной архи- тектуре, при использовании которой одни виды взаимодействия происходят при выполнении симметричных, а другие – несим- метричных (относительно объектов сети) протоколов. На этапе раннего развития персональных компьютеров од- норанговая сеть с равноправными узлами была общепринятым способом совместного использования файлов и периферийных устройств. Одноранговые сети потребляют достаточно мало ре- сурсов компьютера, однако интенсивная работа в сети существен- но замедляет непосредственную работу пользователя на сервере. Основные ограничения для одноранговых сетей следующие: Количество компьютеров в одноранговой сети должно быть в пределах 10 – 30, в зависимости от интенсивности обмена информационными сообщениями в сети. Не принято использовать рабочие станции, связанные од- норанговой сетью, в качестве серверов приложений. 11 Эти сети предназначены для разделения таких ресурсов, как файлы, мно- гопользовательские базы данных, периферийное оборудование (принтеры, сканеры и др.). Работа приложений на компьютере, служащем сервером в одноранговой сети, ухудшается, когда ресурсы этого компьютера используются другими. Можно управлять степенью ухудшения производительности, назначая более высокие приоритеты локаль- ным задачам, однако при этом замедляется доступ других пользова- телей сети к её разделяемым аппаратным и программным ресурсам. Проблемой одноранговой сети является ситуация, когда ра- бочая станция (станции) отключается от сети. В этих случаях из сети исчезают те виды сервиса, которые предоставляла отклю- ченная станция. Поэтому возникает потребность осуществлять мониторинг состояния компонентов сети, которые могут незави- 11 Сервер приложений – компьютер, позволяющий другим компьютерам запускать операционную систему и приложения с него, а не со своих ло- кальных дисков. 25 симо отключаться от нее в любое время. Усложняется решение проблем безопасности и обеспечения целостности данных. Одноранговая архитектура эффективна в небольших ло- кальных сетях. В крупных сетях (с большим числом станций), в том числе локальных, она уступает место архитектуре клиент-сервер. Одной из первых одноранговых сетевых систем была систе- ма PC LAN фирмы IBM, разработанная в кооперации с Microsoft. PC LAN была проста в установке и управлении, не требовала привлечения администратора сети для поддержания ее работо- способности. Однако когда количество соединенных в такую сеть компьютеров приближалось к сотне, характеристики системы резко ухудшались. Изначально на одноранговой архитектуре основывалась и ведомственная сеть ARPANet (см. раздел 5 настоящего пособия), впоследствии ставшая стартовым ядром Internet. В 90-х годах прошлого столетия одноранговая архитектура, в силу присущих ей ограничений, сдала позиции в пользу других сетевых архитектур. Однако в настоящее время вновь оживился интерес к этой сетевой концепции. Наглядным подтверждением этому являются файлообменные одноранговые сети, приобрет- шие в настоящее время большую популярность. Не в последнюю очередь, это связано с резко возросшими показателями произво- дительности рабочих станций. Появились исследовательские проекты, системные прототипы и программные продукты, по- священные этой проблематике. Продолжается поиск и новых технических решений. Вполне можно предположить, что многие распределенные системы нового поколения станут базироваться на одноранговой архитектуре. |