Вычислительных сетей 12 Характеристика телекоммуникационных вычислительных сетей Телекоммуникационная вычислительная сеть (твс)
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
12.2. Управление взаимодействием прикладных процессов Реализация рассредоточенных и взаимодействующих процессов в сетях осуществляется на основе двух концепций, одна из которых устанавливает связи между процессами без функциональной среды между ними, а другая определяет связь только через функциональную среду. В первом случае правильность понимания действий, происходящих в рамках соединяемых процессов взаимодействующих АС, обеспечивается соответствующими средствами теледоступа в составе сетевых операционных систем (СОС). Однако предусмотреть такие средства на все случаи соединения процессов нереально. Поэтому взаимодействующие процессы в сетях соединяются с помощью функциональной среды, обеспечивающей выполнение определенного свода правил — протоколов связи процессов. Обычно эти протоколы реализуются с учетом принципа пакетной коммутации, в соответствии с которым перед передачей сообщение разбивается на блоки — пакеты определенной длины. Каждый пакет представляет собой независи- мую единицу передачи информации, содержащую, кроме собственно данных, служебную информацию (адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информацию для контроля правильности принятых данных). Практика создания и развития ТВС привела к необходимости разработки стандартов по всему комплексу вопросов организации сетевых систем. В 1978 г. Международная организация по стандартизации (МОС) предложила семиуровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС), которая получила широкое распространение и признание. Она создает основу для анализа существующих ТВС и определения новых сетей и стандартов. 9 В соответствии с эталонной моделью ВОС абонентская система представляется прикладными процессами и процессами взаимодействия АС (рис. 12.3). Последние разбиваются на семь функциональных уровней. Функции и процедуры, выполняемые в рамках одного функционального уровня, составляют соответствующий уровневый протокол. Нумерация уровневых протоколов идет снизу вверх, а их названия указаны на рис. 12.3. Функциональные уровни взаимодействуют на строго иерархической основе: каждый уровень пользуется услугами нижнего уровня и, в свою очередь, обслуживает уровень, расположенный выше. Стандартизация распространяется на протоколы связи одноименных уровней взаимодействующих АС. Создание ТВС в соответствии с эталонной моделью ВОС открывает возможность использования сети ЭВМ различных классов и типов. Поэтому сеть, удовлетворяющая требованиям эталонной модели, называется открытой. Рис.12.3. Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем Функциональные уровни рассматриваются как составные независимые части процессов взаимодействия АС. Основные функции, реализуемые в рамках уровневых протоколов, состоят в следующем. Физический уровень непосредственно связан с каналом передачи данных, обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию. На этом уровне осуществляется установление, поддержка и расторжение соединения с физическим каналом, определение электрических и функциональных параметров взаимодействия ЭВМ с коммуникационной подсетью. Канальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами связи. Главные его функции: управление передачей данных по информационному каналу (генерация стартового сигнала и организация 10 начала передачи информации, передача информации по каналу, проверка получаемой информации и исправление ошибок, отключение канала при его неисправности и восстановление передачи после ремонта, генерация сигнала окончания передачи и перевода канала в пассивное состояние) и управление доступом к передающей среде, т.е. реализация выбранного метода доступа к обще- сетевым ресурсам. Физический и канальный уровни определяют характеристики физического канала и процедуру передачи по нему кадров, являющихся контейнерами, в которых транспортируются пакеты. Сетевой уровень реализует функции буферизации и маршрутизации, т.е. прокладывает путь между отправителем информации и адресатом через всю сеть. Основная задача сетевого протокола — прокладка в каждом физическом канале совокупности логических каналов. Два пользователя, соединенные логическим каналом, работают так, как будто только в их распоряжении имеется физический канал. Транспортный уровень занимает центральное место в иерархии уровней сети. Он обеспечивает связь между коммуникационной подсетью и верхними тремя уровнями, отделяет пользователя от физических и функциональных аспектов сети. Главная его задача — управление трафиком (данными пользователя) в сети. При этом выполняются такие функции, как деление длинных сообщений, поступающих от верхних уровней, на пакеты данных (при передаче информации) и формирование первоначальных сообщений из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни, исключая их потери или смещение (при приеме информации). Транспортный уровень есть граница, ниже которой пакет данных является единицей информации, управляемой сетью. Выше этой границы в качестве единицы инфор- мации рассматривается только сообщение. Транспортный уровень обеспечивает также сквозную отчетность в сети. Сеансовый уровень предназначен для организации и управления сеансами взаимодействия прикладных процессов пользователей (сеанс создается по запросу процесса пользователя, переданному через прикладной и представительный уровни). Основные функции: управление очередностью передачи данных и их приоритетом, синхронизация отдельных событий, выбор формы диалога пользователей (полудуплексная, дуплексная передача). Представительный уровень (уровень представления данных) преобразует информацию к виду, который требуют прикладные процессы пользователей (например, прием данных в коде ASCII и выдача их на экран дисплея в виде страницы текста с заданным числом и длиной строк). Представительный уровень занимается синтаксисом данных. Выше этого уровня поля данных имеют явную смысловую форму, а ниже его поля рассматриваются как передаточный груз, и их смысловое значение не влияет на обработку. Прикладной уровень занимается поддержкой прикладного процесса пользователя и имеет дело с семантикой данных. Он является границей между процессами сети и прикладными (пользовательскими) процессами. На этом уровне выполняются вычислительные, информационно-поисковые и справочные работы, осуществляется логическое преобразование данных пользователя. Работы по совершенствованию эталонной модели ВОС для ЛВС привели к декомпозиции уровней 1 и 2. Канальный уровень разделен на два подуровня: 11 подуровень управления логическим каналом (передача кадров между PC, включая исправление ошибок, диагностика работоспособности узлов сети) и подуровень управления доступом к передающей среде (реализация алгоритма доступа к среде и адресация станций сети). Физический уровень делится на три подуровня: передачи физических сигналов, интерфейса с устройством доступа и подключения к физической среде. В ЛВС процедуры управления на физическом, канальном и транспортном уровнях не отличаются сложностью, в связи с чем эти уровни управления реализуются в основном техническими средствами, называемыми станциями локальной сети (СЛС) и адаптерами ЛВС. По существу, адаптер вместе с физическим каналом образует информационный моноканал, к которому подключаются системы сети, выступающие в качестве абонентов моноканала. 12.3. Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде Существуют различные процедуры обмена данными между рабочими станциями абонентских систем сети, реализующие при этом те или иные методы доступа к передающей среде. Эти процедуры называются протоколами передачи данных (ППД). Речь идет о ППД, которые относятся к категории линейных (канальных) протоколов, или протоколов управления каналом. Такое название они получили потому, что управляют потоками трафика (данных пользователя) между станциями на одном физическом канале связи. Это также протоколы нижнего уровня, так как их реализация осуществляется на нижних уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС. Между понятиями «протокол передачи данных нижнего уровня» и «метод доступа к передающей среде» существуют определенные различия и связь. Метод доступа — это способ «захвата» передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Но так же называется и набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, и один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование. Протокол в общем виде — это набор правил для связи между рабочими станциями (компьютерами) сети, которые управляют форматом сообщений, временными интервалами, последовательностью работы и контролем ошибок. Протокол передачи данных нижнего уровня (протокол управления каналом) — это совокупность процедур, выполняемых на нижних уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС по управлению потоками данных между рабочими станциями сети на одном физическом канале связи. Методы доступа к передающей среде, определяющие правила ее «захвата», могут быть разделены на следующие классы [26]: • селективные методы, при реализации которых с помощью соот- ветствующего ППД рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое либо направляется каждой PC по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется циклическим опросом), либо передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера); 12 • методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы «состязаний» абонентов), когда каждая PC пытается «захватить» передающую среду. При этом могут использоваться несколько способов передачи данных: базовый асинхронный, синхронизация режима работы канала путем тактирования моментов передачи кадров, прослушивание канала перед началом передачи данных по правилу «слушай, прежде чем говорить», прослушивание канала во время передачи данных по правилу «слушай, пока говоришь». Эти способы используются вместе или раздельно, обеспечивая различные варианты загруженности канала и стоимости сети; • методы, основанные на резервировании времени, принадлежат к числу наиболее ранних и простых. Любая PC осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов АС, когда некоторые PC за фиксированный интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом АС, так как канал используется неэффективно; • кольцевые методы предназначены специально для ЛВС с кольцевой топологией (хотя большинство указанных методов могут использоваться в таких сетях). К ним относятся два метода — вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов). При реализации метода вставки регистра рабочая станция содержит регистр (буфер), подключаемый параллельно к кольцу. В регистр записывается кадр для передачи, и станция ожидает межкадрового промежутка в моноканале. С его появлением регистр включается в кольцо (до этого он был отключен от кольца) и содержимое регистра передается в линию. Если во время передачи станция получает кадр, он записывается в буфер и передается вслед за кадром, передаваемым этой станцией. Такой метод допускает «подсадку» в кольцо нескольких кадров. При использовании в ЛВС с кольцевой топологией сегментированной передачи временные сегменты формируются управляющей станцией сети. Они имеют одинаковую протяженность и циркулируют по кольцу. Каждая станция, периодически обращаясь в сеть, может дождаться временного сегмента, помеченного меткой «свободный». В этот сегмент станция помещает свой кадр фиксированной длины, при этом в сегменте метка «свободный» заменяется меткой «занятый». После доставки кадра адресату сегмент вновь освобождается. Важным преимуществом такого метода является возможность одновременной передачи кадров несколькими PC. Однако передача допускается только кадрами фиксированной длины. Используется и другая классификационная структура, предложенная в [3]. Все ППД делятся на два класса: ППД типа первичный/вторичный и равноранговые ППД. При реализации ППД первого класса в сети выделяется первичный (главный) узел, который управляет всеми остальными (вторичными) узлами, подключенными к каналу, и определяет, когда и какие узлы могут производить обмен данными. В сетях, где реализуются равноранговые (одноуровневые, одноранговые) протоколы, 13 все узлы имеют одинаковый статус. Однако если предварительно узлам присвоить разные приоритеты, то для них устанавливается неравноправный доступ в сеть. Рассмотрим более подробно ППД в соответствии с их классификационной структурой, приведенной на рис. 12.4. Рис. 12.4. Классификация ППД нижнего уровня Один из широко распространенных подходов к управлению каналом связи основан на использовании протокола типа «первичный/вторичный» или «главный/подчиненный», когда первичный (главный) узел системы определяет для всех других узлов (вторичных, подчиненных), подключенных к каналу, порядок (очередность) обмена данными. ППД типа «первичный/вторичный» могут быть реализованы на основе нескольких технологий, образующих две группы: с опросом и без опроса. В сетях с опросом распространение получили протоколы, которые называются «опрос с остановкой и ожиданием» и «непрерывный автоматический запрос на повторение». Оба протокола относятся к классу ППД, реализующих селективные методы доступа к передающей среде. Технология доступа к передающей среде хорошо известна по применению в многоточечных линиях глобальных сетей. Суть ее заключается в том, что первичный узел последовательно предлагает вторичным узлам подключиться к общему каналу передачи. В ответ на такой запрос вторичный узел, имея подготовленные данные, осуществляет передачу. Если подготовленных данных нет, выдается короткий пакет данных типа «данных нет», 14 хотя в современных системах, как правило, реакцией в таких случаях является «молчание». Наиболее распространенный способ организации запроса — циклический опрос, т.е. последовательное обращение к каждому вторичному узлу в порядке очередности, определяемой списком опроса. Цикл завершается после опроса всех вторичных узлов из списка. Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неактивных вторичных узлов (т.е. узлов, по той или иной причине не готовых к передаче данных), применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные вторичные узлы опрашиваются несколько раз в течение цикла; наименее активные узлы — один раз в течение нескольких циклов; частота, с которой опрашиваются отдельные узлы, меняется динамически в соответствии с изменением активности узлов. В сетях с многоточечными линиями применяется также опрос по принципу «готов — вперед». В каждой многоточечной линии опрос начинается с самого удаленного вторичного узла к другому, пока не достигнет узла, ближайшего к опрашивающему органу. Реализация такого принципа позволяет сократить время на распространение сигнала опроса от первичного узла к вторичным, однако это достигается за счет усложнения системы. Основные преимущества систем с опросом — простота реализации ППД и невысокая стоимость используемого оборудования. Недостатки таких систем: • простаивание вторичного узла, имеющего готовые для передачи данные, в ожидании поступления сигнала «опрос»; • неэффективное потребление дорогостоящих ресурсов канала, связанное с передачей служебной информации (сигналов опроса, сигналов ответной реакции); • наличие узкого места по надежности (отказ первичного узла приводит к отказу всей сети) и по пропускной способности, так как обмен данными между вторичными звеньями осуществляется только через первичный узел. Одной из простейших модификаций ППД типа «первичный/вторичный» с опросом является протокол «опрос с остановкой и ожиданием». В системах с таким протоколом узел после передачи кадра ожидает от адресата подтверждения в правильности его пересылки, что сопряжено с дополнительными затратами времени. Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных в дуплексных системах (точнее, в системах передачи данных с решающей обратной связью), которые допускают передачу данных в обоих направлениях между узлами, поддерживающими связь. В системах с таким протоколом (он называется также протоколом ARQ) узел связи может автоматически запрашивать другой узел и повторно производить передачу данных. В системах с протоколом ARQ на передающей и принимающей станциях устанавливаются так называемые передающие и принимающие окна. При установке окна выделяется время на непрерывную передачу (прием) фиксированного числа кадров и резервируются необходимые для такого протокола ресурсы. Кадры, принадлежащие данному окну, передаются без периодических подтверждений со стороны адресата о приеме очередного кадра. Подтверждение передается после получения всех кадров окна, что обеспечивает экономию времени 15 на передачу фиксированного объема информации по сравнению с предыдущим протоколом. Однако приемник должен иметь достаточный объем зарезервированного буферного ЗУ для обработки непрерывно поступающего трафика. В системах ARQ важное значение имеет размер окна (количество кадров в окне). Чем больше окно, тем большее число кадров может быть передано без ответной реакции со стороны приемника и, следовательно, тем большая экономия времени достигается за счет сокращения передачи служебной информации. Но увеличение размера окна сопровождается выделением больших ресурсов и буферной памяти для обработки поступающих сообщений. Кроме того, это отражается на эффективности реализуемых способов защиты от ошибок. В настоя- щее время в сетях, где используется протокол ARQ, предусматриваются семикадровые окна, т.е. передатчик может посылать семь кадров без получения ответного подтверждения после каждого кадра. Концепция скользящих окон, реализованная в протоколе ARQ, является достаточно простой. Сложность заключается лишь в том, что первичный узел, связанный с десятками и даже сотнями вторичных узлов, должен поддерживать окно с каждым из них, обеспечивая эффективность передачи данных, управление потоками данных. |