Вычислительных сетей 12 Характеристика телекоммуникационных вычислительных сетей Телекоммуникационная вычислительная сеть (твс)
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
1 12. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 12.1. Характеристика телекоммуникационных вычислительных сетей Телекоммуникационная вычислительная сеть (ТВС) — это сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи; средства передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов — аппаратных, информационных, программных. Абонентская система (АС) — это совокупность ЭВМ, программного обеспечения, периферийного оборудования, средств связи с коммуникационной подсетью вычислительной сети, выполняющих прикладные процессы. Коммуникационная подсеть, или телекоммуникационная система (ТКС), представляет собой совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие АС. Прикладной процесс — это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами. С появлением ТВС удалось разрешить две очень важные проблемы: обеспечение в принципе неограниченного доступа к ЭВМ пользователей независимо от их территориального расположения и возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния, позволяющая своевременно получать данные для принятия тех или иных решений. Для ТВС принципиальное значение имеют следующие обстоятельства: • ЭВМ, находящиеся в составе разных абонентских систем одной и той же сети или различных взаимодействующих сетей, связываются между собой автоматически (в этом заключается сущность протекающих в сети процессов); • каждая ЭВМ сети должна быть приспособлена как для работы в автономном режиме под управлением своей операционной системы (ОС), так и для работы в качестве составного звена сети. ТВС могут работать в различных режимах: обмена данными между АС, запроса и выдачи информации, сбора информации, пакетной обработки данных по запросам пользователей с удаленных терминалов, в диалоговых режимах. По сравнению с адекватной по вычислительной мощности совокупностью автономно работающих ЭВМ сеть имеет ряд преимуществ: • обеспечение распределенной обработки данных и параллельной обработки многими ЭВМ; • возможность создания распределенной базы данных (РБД), размещаемой в памяти различных ЭВМ; • возможность обмена большими массивами информации между ЭВМ, удаленными друг от друга на значительные расстояния; • коллективное использование дорогостоящих ресурсов: прикладных программных продуктов (ППП), баз данных (БД), баз знаний (БЗ), запоминающих устройств (ЗУ), печатающих устройств; 2 • предоставление большего перечня услуг, в том числе таких, как электронная почта (ЭП), телеконференции, электронные доски объявлений (ЭДО), дистанционное обучение; • повышение эффективности использования средств вычислительной техники и информатики (СВТИ) за счет более интенсивной и равномерной их загрузки, а также надежности обслуживания запросов пользователей; • возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей, а также резервирования этих мощностей и средств передачи данных на случай выхода из строя отдельных элементов сети; • сокращение расходов на приобретение и эксплуатацию СВТИ (за счет коллективного их использования); • облегчение работ по совершенствованию технических, программных и информационных средств. Характеризуя возможности той или иной ТВС, следует оценивать ее аппаратное, информационное и программное обеспечение. Аппаратное обеспечение составляют ЭВМ различных типов, средства связи, оборудование абонентских систем, оборудование узлов связи, аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней. Основные требования к ЭВМ сетей — это универсальность, т.е. возможность выполнения практически неограниченного круга задач пользователей, и модульность, обеспечивающая возможность изменения конфигурации ЭВМ. В сетях в зависимости от их назначения используются ЭВМ в широком диапазоне по своим характеристикам: от суперЭВМ до ПЭВМ. ЭВМ могут размещаться либо в непосредственной близости от пользователей (например, ПЭВМ в составе абонентской системы, т.е. на рабочем месте пользователя), либо в центре обработки информации (ЦОИ), который является звеном сети и к которому пользователи обращаются с запросами со своих АС. Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий массивы данных общего применения, доступные для всех пользователей (абонентов) сети, и массивы индивидуального пользования, предназначенные для отдельных абонентов. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, автоматизированные базы данных — локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения. Программное обеспечение (ПО) вычислительных сетей отличается большим многообразием как по своему составу, так и по выполняемым функциям. Оно автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к телекоммуникационным, вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов с целью повыше- ния оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей и т.д. Выделяются следующие группы ПО сетей: • общесетевое ПО, образуемое распределенной операционной системой (РОС) сети и программными средствами, входящими в состав КПТО — комплект программ технического обслуживания сети (это контролирующие 3 тест-программы для контроля работоспособности элементов и звеньев сети и ее ТКС и диагностические тест-программы для локализации неисправностей в сети); • специальное ПО, представленное прикладными программными средствами: функциональными и интегрированными пакетами прикладных программ и прикладными программами сети, библиотеками стандартных программ, а также прикладными программами, отражающими специфику предметной области пользователей при реализации своих задач; • базовое программное обеспечение ЭВМ абонентских систем, включающее операционные системы ЭВМ, системы автоматизации программирования, контролирующие и диагностические тест-программы. Распределенная операционная система сети управляет работой сети во всех ее режимах, обеспечивает реализацию запросов пользователей, координирует функционирование звеньев сети. Она имеет иерархическую структуру, соответствующую стандартной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем. РОС представляет собой систему программных средств, реализующих процессы взаимодействия АС и объединенных общей архитектурой и коммуника- ционными протоколами. Взаимодействие асинхронных параллельных процессов в сети, обеспечиваемое РОС, сопровождается применением средств передачи сообщений между одновременно реализуемыми процессами и средств синхронизации этих процессов. Набор управляющих и обслуживающих программ РОС обеспечивает: • удовлетворение запросов пользователей по использованию общесетевых ресурсов, т.е. обеспечение доступа отдельных прикладных программ к ресурсам сети; • организацию связи между отдельными прикладными программами комплекса пользовательских программ, реализуемыми в различных АС сети, т.е. обеспечение межпрограммных методов доступа; • синхронизацию работы пользовательских программ при их одновременном обращении к одному и тому же общесетевому ресурсу; • удаленный ввод заданий с любой АС сети и их выполнение в любой другой АС сети в пакетном или оперативном режиме; • обмен файлами между АС сети, доступ к файлам, хранимым в удаленных ЭВМ, и их обработку; • передачу текстовых сообщений пользователям в порядке реализации функций службы электронной почты, телеконференций, электронных досок объявлений, дистанционного обучения; • защиту информации и ресурсов сети от несанкционированного доступа, т.е. реализацию функций служб безопасности сети; • выдачу справок, характеризующих состояние и использование аппаратных, информационных и программных ресурсов сети. С помощью РОС осуществляется планирование использования общесетевых ресурсов: планирование сроков и очередности получения и выдачи информации пользователям, распределение решаемых задач по ЭВМ сети, распределение информационных ресурсов для этих задач, присвоение приоритетов задачам и выходным сообщениям, изменение конфигурации сети и т.д. В ТВС 4 применяются различные методы планирования, которые классифицируются по ряду признаков, основные из них: качество решения задачи планирования (по этому признаку различают методы, позволяющие получить оптимальный в отношении выбранного критерия план, и методы составления приближенных планов), степень связности решаемых задач (составление планов реализации связанных задач обычно сложнее, чем в случае несвязанных задач), степень адаптивности процесса планирования к возмущающим факторам, воздействующим на вычислительный процесс (методы адаптивного и неадаптивного планирования). Кроме того, различают статическое и динамическое планирование. Статическое планирование осуществляется заранее, до начала решения поступившей в систему к данному времени группы задач. Оно целесообразно, когда перечень задач стабилен и ограничен, для каждой задачи известны потребности в ресурсах сети и частота решения, а надобность в выполнении этих задач возникает неоднократно. Затраты на статическое планирование могут быть большими, зато сами планы — оптимальными в заданном смысле. Динамическое планирование производится в процессе функционирования сети непосредственно перед началом решения групп задач. С поступлением в систему каждой новой задачи составленный план обычно корректируется с учетом складывающейся ситуации по свободным и занятым ресурсам сети, наличию очередей задач и т.д. Для динамического планирования, как правило, используются методы получения приближенных планов, что объясняется недостатком ин- формации о характеристиках решаемых задач и ограниченностью ресурсов, выделяемых на цели планирования. Основным показателем эффективности организации вычислительного процесса в сети, планирования использования общесетевых ресурсов является время решения комплекса задач. Оперативное управление процессами удовлетворения запросов пользователей и обработки информации с помощью РОС сети дает возможность организовать учет выполнения запросов и заданий, выдачу справок об их прохождении в сети, сбор данных о выполняемых в сети работах. Создание ТВС — сложная комплексная задача, требующая согласованного решения ряда вопросов: выбора рациональной структуры сети, соответствующей ее назначению и удовлетворяющей определенным требованиям (определяется состав элементов и звеньев сети, их расположение, способы соединения); выбора типа линий и каналов связи между звеньями сети и оценки их пропускной способности; обеспечения способности доступа пользователей к общесетевым ресурсам, в частности, за счет оптимального решения задач маршрутизации; распределения аппаратных, информационных и программных ресурсов по звеньям сети; защиты информации, циркулирующей в сети, от несанкционированного доступа и др. Все эти вопросы решаются с учетом требований, предъявляемых к сети по главным показателям: временным — для оценки оперативности удовлетворения запросов пользователей; надежностным — для оценки надежности своевременного удовлетворения этих запросов; экономическим — для оценки капитальных вложений на создание и внедрение сети и текущих затрат при эксплуатации и использовании. 5 В основу классификации ТВС положены наиболее характерные функциональные, информационные и структурные признаки. По степени территориальной рассредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные и локальные вычислительные сети. Глобальная вычислительная сеть (ГВС) объединяет абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающей различные страны и континенты. ГВС решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним. Взаимодействие АС осуществляется на базе различных территориальных сетей связи, в которых используются телефонные линии связи, радиосвязь, системы спутниковой связи. Региональная вычислительная сеть (РВС) объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстоянии: в пределах отдельной страны, региона, большого города. Локальная вычислительная сеть (ЛВС) связывает абонентские системы, расположенные в пределах небольшой территории. К классу ЛВС относятся сети предприятий, фирм, банков, офисов, учебных заведений и т.д. Протяженность ЛВС ограничивается несколькими километрами. Отдельный класс составляют корпоративные вычислительные сети (КВС). Корпоративная сеть является технической базой корпорации. Ей принадлежит ведущая роль в реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации. Объединение локальных, региональных, корпоративных и глобальных сетей позволяет создавать сложные многосетевые иерархии. По способу управления ТВС делятся на сети с централизованным (в сети имеется один или несколько управляющих органов), децентрализованным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления (например, под централизованным управлением решаются только задачи с высшим приоритетом, связанные с обработкой больших объемов информации). По организации передачи информации сети делятся на сети с селекцией информации и маршрутизацией информации. В сетях с селекцией информации, строящихся на основе моноканала, взаимодействие АС производится выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров): всем АС сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только АС, которым они предназначены. В сетях с маршрутизацией информации для передачи кадров от отправителя к получателю может использоваться несколько маршрутов. Поэтому с помощью коммуникационных систем сети решается задача выбора оптимального (например, кратчайшего по времени доставки кадра адресату) маршрута. По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией цепей (каналов), коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. В эксплуатации находятся сети, в которых используются смешанные системы передачи данных. По топологии, т.е. конфигурации элементов в ТВС, сети могут делиться на два класса: широковещательные (рис. 12.1) и последовательные (рис. 12.2). 6 Широковещательные конфигурации и значительная часть последовательных конфигураций (кольцо, звезда с «интеллектуальным центром», иерархическая) характерны для ЛВС. Для глобальных и региональных сетей наиболее распространенной является произвольная (ячеистая) топология. Нашли применение также иерархическая конфигурация и звезда. Рис. 12.1. Широковещательные конфигурации сетей: а — общая шина; б — дерево; в — звезда с пассивным центром В широковещательных конфигурациях в любой момент времени на передачу кадра может работать только одна рабочая станция (абонентная система). Остальные рабочие станции (PC) сети могут принимать этот кадр, т.е. такие конфигурации характерны для ЛВС с селекцией информации. Основные типы широковещательной конфигурации — общая шина, дерево, звезда с пассивным центром. Главные достоинства ЛВС с общей шиной — простота расширения сети, простота используемых методов управления, минимальный расход кабеля. ЛВС с топологией типа дерево — это более развитый вариант сети с шинной топологией. Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или пассивными размножителями («хабами»), каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных. В ЛВС с топологией типа звезда в центре находится пассивный соединитель или активный повторитель — достаточно простые и надежные устройства. Для защиты от нарушений в кабеле используется центральное реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи. 7 Рис. 12.2. Последовательные конфигурации сетей: а — произвольная (ячеистая); б — иерархическая; в — кольцо; г — цепочка; I д — звезда с «интеллектуальным» центром В последовательных конфигурациях, характерных для сетей с маршрутизацией информации, передача данных осуществляется последовательно от одной PC к соседней, причем на различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях. К последовательным конфигурациям относятся произвольная (ячеистая), иерархическая, кольцо, цепочка, звезда с «интеллектуальным центром». В ЛВС наибольшее распространение получили общая шина, кольцо и звезда, а также смешанные конфигурации — звездно-кольцевая, звездно-шинная. В ЛВС с кольцевой топологией сигналы передаются только в одном направлении, обычно против часовой стрелки. Каждая PC имеет память объемом до целого кадра. При перемещении кадра по кольцу каждая PC принимает кадр, анализирует его адресное поле, снимает копию кадра, если он адресован данной PC, ретранслирует кадр. Естественно, что все это замедляет передачу данных в кольце, 8 причем длительность задержки определяется числом PC. Удаление кадра из кольца производится обычно станцией-отправителем. В этом случае кадр совершает по кольцу полный круг и возвращается к станции-отправителю, которая воспринимает его как квитанцию-подтверждение получения кадра адресатом. Удаление кадра из кольца может осуществляться и станцией-получателем, тогда кадр не совершает полного круга, а станция-отправитель не получает квитанции-подтверждения. Кольцевая структура обеспечивает довольно широкие функциональные возможности ЛВС при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простоте методов управления, возможности контроля работоспособности моноканала. В широковещательных и большинстве последовательных конфигураций (за исключением кольца) каждый сегмент кабеля должен обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях, что достигается: в полудуплексных сетях связи — использованием одного кабеля для поочередной передачи в двух направлениях; в дуплексных сетях — с помощью двух однонаправленных кабелей; в широкополосных системах — применением различной несущей частоты для одновременной передачи сигналов в двух направлениях. Глобальные и региональные сети, как и локальные, в принципе могут быть однородными (гомогенными), в которых применяются программно-совместимые ЭВМ, и неоднородными (гетерогенными), включающими программно- несовместимые ЭВМ. Однако, учитывая протяженность ГВС и РВС и большое количество используемых в них ЭВМ, такие сети чаще бывают неоднородными. |