Конспект лекций. Лекция История развития систем и сетей передачи данных Цель и задачи дисциплины, её место в направлении обучения и связь с другими дисциплинами. Цель преподавания дисциплины
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Лекция № 2. Основные понятия и терминология К сожалению, для вычислительной техники характерна терминологическая неоднозначность и неопределённость, что проявляется в различном толковании в разных литературных источниках одного и того же термина (например «вычислительная система» или «вычислительный комплекс»), либо в использовании разных терминов для обозначения одного и того же понятия (например «вычислительная сеть», «сеть ЭВМ», «компьютерная сеть»). Всё это зачастую усложняет восприятие и усвоение материала. Целью излагаемого в данном разделе материала является устранение терминологической неоднозначности и уточнение используемых ниже терминов и понятий. Предлагаемая классификация различных систем и объектов вычислительной техники направлена на выявление классов систем, характеризующихся одинаковыми или близкими свойствами, что позволяет унифицировать процесс изучения и исследования вычислительных систем и сетей. Понятие сети ЭВМ Сеть ЭВМ (рис. 1.1) - совокупность средств вычислительной техники (СВТ), представляющих собой множество ЭВМ, объединённых с помощью средств телекоммуникаций (СТК). Сеть ЭВМ реализует две основные функции: • обработку данных; • передачу данных.  Наряду с термином «сеть ЭВМ» широко используются близкие по смыслу термины «компьютерная сеть» и «вычислительная сеть», которые обычно рассматриваются как синонимы. Однако некоторые незначительные различия между указанными терминами мы будем иметь в виду при дальнейшем изложении материала. Из данного выше определения (рис. 1.1) следует, что «сеть ЭВМ» представляет собой множество ЭВМ (компьютеров), объединённых в единую сеть с помощью средств телекоммуникаций, образующих базовую сеть передачи данных (СПД).Другими словами, «сеть ЭВМ» или «компьютерная сеть» - это объединение ЭВМ (компьютеров), в отличие, например, от телефонной сети, объединяющей автоматические телефонные станции (АТС). Поэтому эти два термина будем рассматривать и использовать ниже как эквивалентные. Термин же «вычислительная сеть» скорее характеризует назначение сети -выполнение вычислений, что отличает её, например, от «информационной сети», предоставляющей информационные услуги, или от «телекоммуникационной сети», предназначенной для передачи данных. Отдельные сети ЭВМ могут объединяться между собой, образуя большие компьютерные сети, которые в свою очередь могут объединяться и образовывать сверхбольшие глобальные сети. Такое объединение сетей приводит к иерархической структуре, в которой небольшие сети являются подсетями сетей более высокого ранга. Итак, сеть ЭВМ реализует передачу и обработку данных. Однако часто можно услышать или прочитать, что в сети передаётся и обрабатывается информация. Так что же на самом деле передаётся и обрабатывается в сети: данные или информация? Для ответа на этот вопрос необходимо определить понятия «данные» и «информация». Существуют различные подходы к определению понятий «данные» и «информация» в разных областях человеческой деятельности: в биологии, в кибернетике, в философии и т.д. Создана даже специальная научная дисциплина «Теория информации». Среди всех существующих определений понятий «данные» и «информация» воспользуемся общепринятыми традиционными определениями, для чего обратимся к «Словарю русского языка» С.И.Ожегова, и попытаемся сформулировать разницу между этими двумя терминами. Данные и информация «Данные - сведения, необходимые для какого-нибудь вывода, решения. Информация - сведения, осведомляющие о положении дел, о состоянии чего-нибудь». (Ожегов СИ. Словарь русского языка). Из этих определений следует, что данные — это любое множество сведений, а информация — это сведения, полученные с некоторой целью и несущие в себе новые знания для того, кто эту информацию получает. Например, телефонная книга содержит данные в виде множества телефонных номеров различных организаций. Извлекая же номер некоторой конкретной организации, в которую мы хотим позвонить, мы получаем информацию в виде телефонного номера (или нескольких телефонных номеров) этой организации. По этой же причине мы говорим «база данных» (а не «база информации»), но, формируя запрос к базе данных, мы получаем информацию в виде сведений, представляющих для нас определённый интерес. «Информация» - понятие субъективное. Сведения, которые являются информацией для одного человека, могут не быть информацией для другого. Например, сведения типа «Париж - столица Франции, а Лондон - столица Англии» являются информацией для школьника, который впервые узнал об этом, и не являются информацией (чем-то новым и ранее не известным) для взрослого человека. Следует также иметь в виду, что количественной мерой данных является объём- количество единиц данных, измеренных в байтах, словах, страницах, количестве телефонных номеров в телефонной книге и т.п. В то же время, количественной мерой информации является энтропия- мера неопределенности информации. Чем больше энтропия, тем более ценной является информация. Таким образом, можно сказать, что в компьютерной сети передаются и данные, и информация. Взаимосвязь понятий «данные» и «информация» в рассматриваемом контексте иллюстрируется рис. 1.2, показывающим, что информация извлекается из множества данных в результате некоторых манипуляций (обработки данных).
Средства вычислительной техники (СВТ) реализуют обработку данных и представляют собой совокупность ЭВМ, вычислительных комплексов и вычислительных систем различных классов. Определим смысловое значение каждого из упомянутых терминов -«ЭВМ», «вычислительный комплекс», «вычислительная система» - и покажем существующую между ними разницу. ЭВМ (электронная вычислительная машина, компьютер) -совокупность технических средств, предназначенных для организации ввода, хранения, автоматической обработки по заданной программе и вывода данных (информации). К техническим средствам относятся (рис. 1.3): • центральный процессор (ЦП); • оперативная (основная) память (ОП); • внешние устройства (ВУ), включающие устройства ввода-вывода (УВВ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ); • процессоры (каналы) ввода-вывода (ПВВ, КВВ).
Вычислительный комплекс (ВК) - совокупность технических средств, содержащая несколько центральных процессоров и представляющая собой одну ЭВМ с несколькими ЦП (МПВК -многопроцессорный ВК)или объединение нескольких однопроцессорных ЭВМ (ММВК -многомашинный ВК)(рис. 1.4).  Основной целью построения ВК является обеспечение высокой надежности и/или производительности, не достижимой для однопроцессорных ЭВМ. Вычислительная система (ВС) - совокупность технических и программных средств, ориентированных на решение определенной совокупности задач. К программным средствам относятся (рис. 1.5): • системное программное обеспечение, представляющее собой совокупность стандартных программных средств, обеспечивающих функционирование ВС и включающих операционную систему (ОС), основными составляющими которой для организации эффективного функционирования ВС, являются управляющие программы (УП), а также трансляторы с алгоритмических языков и библиотеки математических и служебных программ; • прикладное программное обеспечение в виде множества прикладных программ (ПП), обеспечивающих ориентацию ВС на решение задач конкретной области применения.  Понятие «вычислительная система» в рассматриваемом контексте полностью согласуется с понятием «система», сформулированным в общей теории систем, в соответствии с которым система должна обладать структурной и функциональной организацией, а также фундаментальными свойствами: целостностью, связностью, организованностью и интегративностъю. Последнее означает, что система обладает свойствами (функциями), которые не присущи ни одному из элементов, входящих в состав системы. Именно программные средства обеспечивают функциональную организацию ВС, реализуемую управляющими программами операционной системы и прикладными программами. Свойство интегративности в значительной степени обеспечивается прикладными программами. Действительно, элементы (устройства) ЭВМ обеспечивают функции обработки данных (ЦП), хранения данных (ОП, ВЗУ), ввода и вывода данных (УВВ). В то же время вычислительная система с соответствующим программным обеспечением может выполнять функции перевода с одного языка на другой, играть в шахматы и другие игры, воспроизводить звук, фото- и видеоизображения и т.д., то есть ВС обладает функциями, не присущими отдельным устройствам ЭВМ. Таким образом, многопроцессорный (многомашинный) ВК, рассматриваемый в совокупности с программным обеспечением, можно называть многопроцессорной (многомашинной) вычислительной системой - МПВС (ММВС), а супер ЭВМ с программным обеспечением -высокопроизводительной ВС (ВПВС). Ещё одной отличительной особенностью ЭВМ от ВС является единица измерения производительности. Производительность ЭВМ измеряется в MIPS (миллион инструкций, команд или операций в секунду) или в FLOPS (операций с плавающей точкой в секунду - для суперЭВМ), а производительность ВС - в количестве задач, выполняемых системой за единицу времени, называемой системной производительностью. Очевидно, что системная производительность зависит как от параметров технических средств ВС, так и от параметров программных средств, в частности, прикладных программ. Ясно, что количество «коротких» задач, выполняемых системой за единицу времени в ВС, всегда будет больше, чем «длинных» задач. На системном уровне в качестве основной единицы работы ВС рассматривается задача, представляющая совокупность определенной прикладной программы с определенным набором данных (рис. 1.6). Причиной инициализации задачи может быть задание (команда, запрос, транзакция). Выполнение задач в ВС называется вычислительным процессом. Определенный порядок (последовательность) прохождения задач через систему, то есть управление вычислительным процессом, осуществляется управляющими программами ОС.  К программным средствам ВС тесно примыкают базы данных и системы управления базами данных, которые можно рассматривать как самостоятельную составляющую ВС - информационное обеспечение (рис. 1.7).  База данных (БД) - упорядоченные наборы данных (файлы), имеющие определенную структуру. Системы управления базами данных (СУБД) - специальные программные средства, предназначенные для формирования, модификации и выборки данных. Часто термин "вычислительная система" используется в качестве обобщенного понятия. При этом предполагается, что ВС может быть построена на базе однопроцессорной ЭВМ, многомашинного или многопроцессорного вычислительного комплекса, а компьютерная сеть, представляющая собой объединение нескольких ВС, может рассматриваться как система более высокого уровня. Компьютерная сеть кроме функций ввода, хранения, обработки и вывода данных реализует функции по передаче данных на значительные расстояния между абонентами сети, в качестве которых выступают ВС и пользователи сети, имеющие доступ к ресурсам сети с помощью удаленных терминалов. Лекция 3. Средства телекоммуникаций Средства телекоммуникаций (СТК) реализуют передачу данных и образуют телекоммуникационную сеть (сеть связи, сеть передачи данных), состоящую из узлов связи (УС), объединенных каналами связи (КС) для передачи данных (рис. 1.8). Способ объединения УС и КС определяет топологию (конфигурацию) телекоммуникационной сети.  Канал связи (КС) включает в себя линию связи (ЛС) и каналообразующее оборудование. Линия связи (ЛС) представляет собой физическую среду передачи, по которой передаются сигналы, вместе с аппаратурой передачи данных (АПД), формирующей сигналы, соответствующие типу ЛС (рис. 1.9).  Аппаратура передачи данных (АПД) осуществляет преобразование сигналов в соответствии с типом среды передачи (линии связи). К АПД относятся различного типа модемы (модуляторы-демодуляторы), используемые в телефонных и высокочастотных КС: телефонные, кабельные, радиомодемы, xDSL-модемы, адаптеры и т.д. Каналообразующее оборудование (КО) предназначено для формирования канала передачи данных между двумя взаимодействующими абонентами, при этом в одной и той же линии связи одновременно может быть сформировано несколько каналов за счет использования различных методов уплотнения. Технология уплотнения и формирования многоканальных систем передачи данных в компьютерных сетях называется мультиплексированием и реализуется мультиплексорами и демультиплексорами. Обычно каналообразующее оборудование входит в состав узлов телекоммуникационной сети. Основными функциями узлов связи являются: • маршрутизация, заключающаяся в выборе направления передачи (маршрута) данных; • коммутация, заключающаяся в установлении физического или логического соединения между входными и выходными портами узла; • мультиплексирование, заключающееся в объединении нескольких входящих в узел потоков данных в один выходящий из узла поток; • демультиплексирование, заключающееся в разделении одного входящего в узел потока данных на несколько выходящих из узла потоков. В качестве узлов связи в вычислительных сетях используются специализированные сетевые устройства: концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы. В качестве оконечного оборудования данных (00Д) (рис. 1.9) могут выступать компьютеры и сетевое оборудование (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы), находящееся в узлах сети. Состав ЭВМ, вычислительного комплекса, системы и сети, а также взаимосвязь между рассмотренными понятиями иллюстрируется рис.1.10. Состав и типы компьютерных сетей Состав компьютерной сети. В широком смысле под архитектурой компьютерной сети будем понимать множество технических и инженерных решений по структурной и функциональной организации сети, обеспечивающих определенную совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемую с точки зрения пользователя сети и отличающую данную конкретную сеть от любой другой сети. Под технологией компьютерной сети (сетевой технологией) будем понимать совокупность способов организации (реализации) передачи и обработки данных, обеспечивающих достижение определенных целей, формулируемых в виде требований к качеству (эффективности) обработки и передачи данных.  Концептуально компьютерную сеть можно представить как совокупность взаимосвязанных узлов (рис.1.11). Узел сети- совокупность средств, объединенных каналами связи и реализующих функции:
• выбора направления и организации передачи данных (средства коммутации и маршрутизации); такие узлы называются узлами связи (узлами коммутации, узлами передачи данных); • обработки данных (средства обработки данных); такие узлы называются узлами (центрами) обработки данных. В качестве узлов связи могут использоваться коммутаторы и маршрутизаторы, а в качестве узлов обработки данных - компьютеры, предоставляющие свои информационные и вычислительные ресурсы пользователям сети и называемые пост-машинами или просто хостами (host). В сети Internet термин "хост-машина" трактуется более широко: хост-машиной называется любой пользовательский компьютер, подключенный к сети. Совокупность средств коммуникаций (связи) для передачи данных, состоящая из каналов связи и узлов связи, образует сеть связи, называемую также телекоммуникационной сетью или сетью передачи данных (СПД). Следует иметь в виду, что понятие «сеть передачи данных» имеет более узкий смысл по сравнению с понятием «сеть связи». СПД предназначена для передачи компьютерных (цифровых) данных, в то время как в сети связи (или, что то же самое, телекоммуникационной сети) могут передаваться как цифровые (дискретные), так и непрерывные (аналоговые) данные, к которым относятся мультимедийные данные -речь, аудио и видео.
Два узла, связанные каналом связи, образуют звено передачи данных (рис.1.12). Данные в компьютерной сети передаются в виде сообщений. Сообщение представляет собой единицу данных, передаваемую между пользователями сети как единое целое и имеющую определённый смысл. В качестве сообщений могут выступать программные файлы, электронные письма, неподвижные изображения, видеофильмы и т.п. Сообщение представляется в определённом формате (рис. 1.13), содержащем в общем случае заголовок и концевик. В заголовке указывается адрес получателя данного сообщения и адрес отправителя, а также дополнительная служебная информация (тип и длина сообщения, приоритет и т.д.), необходимая для эффективной передачи сообщения в сети. Концевик обычно содержит контрольную сумму, используемую для обнаружения ошибок, которые могут появиться при передаче сообщения по сети.  Сообщение при передаче через телекоммуникационную сеть может быть разбито на несколько блоков данных, каждый из которых представляется в формате, аналогичном сообщению (рис.1.13). Такой блок данных отличается от сообщения тем, что имеет ограниченную длину, в то время как длина сообщения в принципе не ограничена. Так, например, сообщение, представляющее собой видеофильм длиной в несколько гигабайт, при передаче через телекоммуникационную сеть может быть разбито на множество блоков данных, длина которых не будет превышать 1000 байт, причём каждый такой блок данных будет иметь заголовок с одинаковыми адресами отправителя и получателя. |
