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.
|
|
Простота структурной организации и стоимость. По количеству каналов связи наиболее простой топологией компьютерной сети является топология «общая шина», которая содержит один канал связи, объединяющий все компьютеры сети. Простота такой сети обусловлена также отсутствием каких-либо специальных сетевых устройств, таких как маршрутизаторы, коммутаторы и т.п. Единственным необходимым устройством для подключения к общей шине служит сравнительно простое устройство - сетевой адаптер (сетевая карта). Еще одним фактором, обусловливающим простоту этой топологии, является простота подключения новых компьютеров к общей шине. Естественно, что простота структурной организации топологии «общая шина» определяет и её низкую стоимость. К сравнительно простым и дешёвым топологиям можно отнести топологии «дерево» и «звезда», что обусловлено небольшим количеством связей (каналов) NKмежду узлами сети, которое на единицу меньше количества узлов  Топология «кольцо» по показателю «простота» занимает следующую позицию после рассмотренных топологий. Легко убедиться, что для этой топологии количество связей (каналов) между узлами сети равно количеству узлов:  Полносвязная топология является наиболее сложной, поскольку имеет максимально возможное количество связей (каналов) в сети, равное  Следствием этого является высокая стоимость сети, что делает нецелесообразным применение такой топологии при построении компьютерных сетей, особенно с большим числом узлов. При построении глобальных сетей наибольшее распространение получили топологии многосвязные (ячеистые) и смешанные, занимающие промежуточное положение между простыми и дешёвыми топологиями «звезда» и «кольцо» и полносвязной топологией. Надёжность. По показателю надёжности наилучшей, естественно, является полносвязная топология, которая характеризуется отсутствием «узких мест» с точки зрения надёжности и наличием максимально возможного количества альтернативных путей для передачи данных, которые могут быть задействованы при отказах одного или даже нескольких каналов и узлов сети. При этом сеть продолжает функционировать и передавать данные, правда, с более низким качеством. Наименее надёжными топологиями являются топологии «общая шина», «звезда» и «дерево», имеющие «узкие места» соответственно в виде общей шины, центрального и корневого узла сети, при отказе которых сеть перестает функционировать. Несколько выше надежность топологии «кольцо» за счёт наличия альтернативного пути, обратного по отношению к основному пути передачи данных, что позволяет при отказах канала или узла сети передавать сообщения в противоположном направлении. Многосвязные (ячеистые) и смешанные топологии за счёт наличия, в общем случае, нескольких альтернативных путей для передачи данных, обладают более высокой надёжностью, чем топология «кольцо», приближаясь по этому показателю к полносвязной топологии. Производительность сети. Под производительностью сети передачи данных будем понимать количество пакетов, передаваемых в сети за единицу времени. Очевидно, что производительность сети зависит от количества пакетов, одновременно находящихся в сети: чем больше пакетов в сети, тем выше её производительность. Производительность сети растёт до некоторого предельного значения, называемого пропускной способностью сети передачи данных (СПД). Значение пропускной способности СПД определяется узким местом сети - наиболее загруженным узлом или каналом связи, загрузка которого близка к единице. Ясно, что пропускная способность СПД в значительной степени определяется пропускными способностями каналов связи, измеряемыми количеством бит, передаваемых по каналу за единицу времени, и количеством каналов связи в СПД, по которым одновременно могут передаваться пакеты, причем, чем больше каналов в СПД, тем выше производительность и пропускная способность сети. Таким образом, при условии, что все каналы связи сравниваемых топологий имеют одинаковые пропускные способности, можно сделать следующий вывод: наибольшей производительностью обладает полносвязная топология, а наименьшей -«общая шина», имеющая только один канал для передачи данных всех компьютеров. Следует также иметь в виду, что в общей шине могут возникать коллизии в результате столкновения данных, одновременно передаваемых от нескольких компьютеров, что ещё больше снижает пропускную способность общей шины. Остальные топологии занимают промежуточное положение между полносвязной топологией и топологией «общая шина». Время доставки. Как и ранее, положим, что все каналы связи сравниваемых топологий имеют одинаковые пропускные способности. В этом случае время доставки пакетов в сети удобно оценивать в хопах (hop) - количестве каналов на пути передачи пакетов между узлами сети. Очевидно, что наименьшее время доставки пакетов, равное одному хопу между любыми двумя узлами сети, обеспечивает полносвязная топология. В топологии «звезда» время доставки пакетов не более двух хопов - двух каналов связи между любыми двумя периферийными узлами, путь между которыми пролегает через центральный узел. В многосвязных и смешанных топологиях время доставки несколько больше, чем в топологии «звезда», и зависит от степени связности - количества каналов связи и, соответственно, количества альтернативных путей. Время доставки пакетов в сети с топологией «дерево» зависит от конфигурации связей и, при одном и том же количестве узлов Ny, может принимать различные максимальные значения: 2 - в случае конфигурации, совпадающей с топологией «звезда», и  - в случае линейнойконфигурации, когда все узлы сети, связанные последовательно друг с другом, образуют цепочку:  При достаточно большом количестве узлов наибольшее время доставки может оказаться у сети с топологией «кольцо». Поскольку в реальных сетях с кольцевой топологией пакеты обычно передаются в одном направлении, среднее время доставки, измеренное в хопах, будет равно  , где Ny- количество узлов и, соответственно, каналов связи в сети.Несколько сложнее оценить время доставки пакетов для сети с топологией «общая шина». Действительно, поскольку канал один - шина, то время доставки равно одному хопу. Однако следует учитывать, что пропускная способность общей шины делится между всеми компьютерами сети, вследствие чего реальное время доставки, измеренное в секундах, может оказаться во много раз больше, чем в канале полносвязной сети с такой же пропускной способностью. Кроме того, возникающие в общей шине коллизии в результате столкновений пакетов от разных компьютеров и необходимость их повторной передачи ещё больше увеличивают время доставки. Выполненный качественный анализ различных топологий позволяет сделать следующие выводы. Основным требованием, предъявляемым к локальным вычислительным сетям, объединяющим обычно недорогие персональные компьютеры, является низкая стоимость сетевого оборудования, что достигается использованием наиболее простых и, следовательно, дешевых топологий: «общая шина», «звезда» и «кольцо». Глобальные вычислительные сети строятся обычно на основе многосвязной или смешанной топологии. Представленные результаты сравнительного анализа различных сетевых топологий носят относительный характер, то есть показывают уровень того или иного показателя некоторой топологии относительно других топологий, и не могут служить количественной оценкой. Более того, при оценке этих показателей не учитывались значения количественных параметров структурной организации компьютерной сети, таких как пропускные способности и надёжность каналов связи, производительность узлов связи, стоимость компонент сети, эксплуатационные расходы и т.п. Учёт этих параметров в каждом конкретном случае может привести к ситуации, когда более простые топологии оказываются более производительными, а сложные топологии -более дешёвыми, чем простые топологии, например, потому что в них используются каналы связи с небольшой пропускной способностью. Существенное влияние на рассмотренные выше характеристики оказывает также функциональная организация компьютерной сети. Лекция 8. Принципы функциональной организации компьютерных сетей Функциональная организация компьютерной сети складывается из функциональной организации вычислительного процесса (обработки данных) и процесса передачи данных. Функциональная организация вычислительного процесса определяется режимами функционирования отдельных компьютеров сети и способом реализации обработки данных в компьютерной сети. Обработка данных в компьютерных сетях может быть реализована двумя способами: • распределённая обработка, при которой обработка данных распределяется между несколькими узлами (компьютерами) и выполняется параллельно; • централизованная обработка, при которой данные обрабатываются в одном центральном узле (компьютере), в качестве которого обычно выступает сервер, при этом другие компьютеры рассматриваются как клиенты (удалённые терминалы), формирующие запросы к центральному узлу. Функциональная организация процесса передачи данных в значительной степени определяется: • способом организации взаимодействия между абонентами сети - способом коммутации; • методами управления трафиком (потоками данных), реализуемыми на разных уровнях OSI-модели. Коммутация Передача данных в компьютерной сети предполагает организацию физического или логического соединения между взаимодействующими пользователями сети (конечными узлами). Организация взаимодействия между абонентами компьютерной сети называется коммутацией. Коммутация в сети может быть реализована разными способами (рис. 1.26), которые можно разбить на две группы: • способы коммутации без промежуточного хранения данных; • способы коммутации с хранением данных в промежуточных узлах. В качестве способа коммутации без промежуточного хранения данных в компьютерных сетях применяется коммутация каналов, используемая в традиционных телефонных сетях связи. Для передачи данных в компьютерных сетях был разработан новый способ коммутации - коммутация сообщений, предполагающая использование в качестве узлов связи специализированных средств вычислительной техники, что позволяло реализовать в промежуточных узлах хранение передаваемых данных, обеспечивающее ряд преимуществ по сравнению с коммутацией каналов. Дальнейшее развитие способов коммутаций было направлено на усовершенствование коммутации сообщений для обеспечения определенного качества передачи данных.  Рассмотрим перечисленные способы коммутации и в процессе сравнительного анализа выявим присущие им достоинства и недостатки. Коммутация каналов Коммутация каналов основана на формировании единого физического соединения (канала) между взаимодействующими абонентами для непосредственной передачи данных из конца в конец так же, как это реализуется в традиционных телефонных сетях (рис. 1.27).  Если абонент А1 хочет передать данные абоненту А2, то перед началом передачи он предварительно должен установить соединение с абонентом А2 путем посылки специального служебного сообщения «УС-установить соединение», которое «прокладывает» путь, формируя в каждом из промежуточных узлов непосредственное физическое (электрическое) соединение между входным и выходным портами узла. После того, как служебное сообщение достигнет абонента А2, последний формирует и посылает по созданному пути (маршруту) абоненту А1 новое служебное сообщение «ПС- подтвердить соединение», подтверждающее установление соединения между абонентами сети. Только после получения такого сообщения абонент А1 может начать передачу сообщения С абоненту А2 по установленному маршруту. Созданное физическое соединение обычно существует в течение времени передачи данных, называемого сеансом или сессией (session), по завершению которого это соединение может быть разрушено. Такой канал между двумя абонентами сети называется временным или коммутируемым, в отличие от некоммутируемого (выделенного) канала, который формируется единожды и существует постоянно или, по крайней мере, в течение длительного времени, независимо от того, передаются данные или же канал простаивает. В простейшем случае узел сети с коммутацией каналов можно рассматривать как переключатель, обеспечивающий в каждый момент времени электрическое соединение между двумя портами (точками входа и выхода) узла. В телефонной сети такими «переключателями» являются автоматические телефонные станции (АТС). К основным достоинствам коммутации каналов относятся: • возможность использования существующих и достаточно хорошо развитых телефонных сетей связи; • отсутствие необходимости в хранении передаваемых данных в промежуточных узлах сети; • высокая эффективность при передаче больших объемов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается незначительным. В то же время коммутация каналов обладает следующими серьёзными недостатками: • каналы связи на всем пути передачи данных должны иметь одинаковые пропускные способности и обеспечивать одинаковую скорость передачи данных, в противном случае, если пропускная способность некоторого канала связи окажется меньше пропускной способности предыдущего канала, произойдёт потеря передаваемых данных, поскольку в промежуточных узлах отсутствует возможность буферирования (временного хранения) данных; • большие накладные расходы на установление соединения на начальном этапе, что негативно сказывается при передаче небольших объёмов данных, поскольку в этом случае относительное значение накладных расходов на установление соединения оказывается существенным, что приводит к неэффективному использованию ресурсов (пропускной способности) каналов связи, что проявляется в значительном уменьшении реальной скорости передачи данных по отношению к максимально возможной скорости канала, называемой пропускной способностью; • телефонные каналы связи, ориентированные на передачу голоса, имеют сравнительно низкое качество и обеспечивают передачу компьютерных данных с невысокой скоростью, что не позволяет их использовать в высокоскоростных магистральных сетях. Альтернативой коммутации каналов, устраняющей присущие ей недостатки, является коммутация сообщений. Коммутация сообщений Коммутация сообщений, в отличие от коммутации каналов, предполагает хранение передаваемых сообщений в буферной памяти промежуточных узлов, находящихся на пути передачи, который прокладывается в каждом узле в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации (рис. 1.28). При этом не требуется предварительно устанавливать соединение между взаимодействующими абонентами.  Если абонент Ai желает передать сообщение С абоненту А2, то он, не устанавливая непосредственное соединение с А2, посылает сообщение к узлу связи, к которому он подключён. Там сообщение хранится в буфере узла в течение некоторого времени, необходимого для анализа заголовка, определения в соответствии с заданным алгоритмом маршрутизации следующего узла и, возможно, ожидания освобождения канала связи с этим узлом, если канал занят передачей ранее обработанного сообщения. Проходя таким образом через все узлы, находящиеся на пути передачи, сообщение достигает конечного абонента А2. Отметим ещё раз, что направление передачи сообщения, то есть его маршрут в сети, определяется только после поступления сообщения в тот или иной узел сети, а не устанавливается заранее, как это происходит при коммутации каналов. Благодаря такой организации передачи данных между взаимодействующими абонентами, коммутация сообщений обладает следующими достоинствами по сравнению с коммутацией каналов: • не требуется предварительное установление соединения, что существенно снижает накладные расходы, но не делает их нулевыми, поскольку имеются непроизводительные затраты времени в каждом узле на обработку заголовка и реализацию алгоритма маршрутизации; однако в целом эти затраты существенно меньше по сравнению с затратами на установление соединения при коммутации каналов; • каналы связи на всем пути передачи могут иметь разные пропускные способности, поскольку буферирование сообщений в узлах сети позволяет сгладить различие в пропускных способностях входного и выходного каналов узла. Недостатками коммутации сообщений являются: • необходимость хранения передаваемых сообщений в промежуточных узлах, что требует значительной ёмкости буферной памяти, которая рассчитывается как произведение ёмкости одного буфера на максимально возможное количество сообщений, которые одновременно могут находиться в узле; ёмкость одного буфера должна быть рассчитана на сообщения максимальной длины, которая, например, для видео файлов может составлять несколько гигабайт, что делает ёмкость буферной памяти узла неоправданно большой; при этом коэффициент использования (загрузки) буферной памяти оказывается незначительным, поскольку большинство сообщений, занимая один буфер, будут иметь длину много меньше, чем ёмкость буфера; • задержка в промежуточных узлах может оказаться значительной, особенно из-за большого времени ожидания освобождения выходного канала связи при большой загрузке сети, что приводит к увеличению времени доставки сообщений; • монополизация среды передачи (канала связи) на длительный промежуток времени при передаче длинных сообщений приводит к неоправданно большим задержкам коротких сообщений в связи с ожиданием освобождения канала, длительность которого может многократно превышать время непосредственной передачи этих сообщений. |