Архитектуры вычислительных систем.

 

Плюсы сетей:

1. охват больших территорий.
2. высокая отказоустойчивость.
3. возможность использовать совместно данные и устройства.
4. способность выполнять параллельные вычисления.

Минусы:

1. сложность транспортировки данных.
2. сложность сетевых ОС и сетевых прикладных программ.
3. актуальность безопасности.

По функциональному назначению сети подразделяются на вычислительные, информационные и информационно-вычислительные сети. Информационные сети предоставляют пользователю исключительно информационные услуги. К таким сетям относится сети научно-технической и справочной информации. Сюда же входят сети спецслужб. Вычислительные сети отличаются от предыдущих наличием мощных вычислительных средств, устройств повышенной емкости и перераспределения ресурсов.

По размещению основных элементов сети подразделяются на:

1. сети с разделением информационных массивов
2. сети с неполным разделением.

По степени территориального рассредоточения компонентов сети делятся на:

1. глобальные – охватывают территорию, как минимум, одной страны или нескольких стран
2. локальные – охватывают небольшую территорию.

По типу используемых вычислительных средств сети могут быть: однородными – ЭВМ всех абонентов этой сети аппаратно и программно совместимы; неоднородными – ЭВМ не совместимы. Локальные – однородные, глобальные – неоднородные.

По методу передачи данных:

1. сети с коммутацией сообщений
2. с коммутацией пакетов (современная)
3. каналов
4. со смешанной коммутацией.

Топология – структура связи между элементами сети. Топология оказывает существенное влияние на пропускную способность, на устойчивость к отказам, на качество обслуживания, на логические возможности, на стоимость.

Топологии: кольцо, звезда, шина, дерево (иерархия), полносвязная, ячеистая, смешанная.

Сети могут быть разбиты на 4 категории, связанные с физической удаленностью устройств:

1. миниатюрные – размер < 5 см, обеспечивают взаимодействие большого количества вычислительных элементов, расположенной в одной ИС.
2. малые – размер до 50 см, обеспечивают взаимодействие многих вычислительных узлов, расположенных на одной плате.
3. средние – обычно до 1 км, обеспечивают взаимодействие отдельных вычислительных узлов, распределенных на достаточно локальной территории (локальные).
4. большие – размер >10 км, обеспечивают взаимодействие отдельных вычислительных узлов, расположенных на широкой территории (глобальные).

В случаях 1 и 2 из-за небольшой физической удаленности друг от друга все данные обычно передаются параллельно, т.е. целыми словами при помощи проводов. Такие сети часто называют тесно связанными системами. В случаях 3 и 4 сообщения передаются последовательно по одной и той же паре проводников (свободно связанные системы). Тесно связанные системы используются для обмена сообщениями между однородными вычислительными элементами. Основная цель – минимизация времени передачи данных. Обычно это достигается применением общей или совместно используемой памяти, доступной всем элементам системы. При этом вместо передачи сообщений между элементами выполняется обмен их адресными указателями. В свободно связанной системе производится передача между неоднородными элементами и на большие расстояния. Следовательно, повышается вероятность ошибки, поэтому основные проблемы – это обеспечение надежности передачи сообщений и сохранение одного и того же значения переданного сообщения.

Характеристики сетей:

1. операционные возможности
2. время доставки сообщений
3. производительность обработки данных
4. стоимость обработки.

Операционные возможности – перечень основных действий по обработке данных. Главная ЭВМ обеспечивает пользователей традиционными видами обслуживания:

1. удаленный ввод заданий – выполнение заданий, поступающих с любых терминалов на любую главную ЭВМ пакетным и диалоговым решением.
2. передача файлов между ЭВМ сети.
3. доступ к удаленным файлам.
4. защита данных и ресурсов от несанкционированного доступа
5. передача любых форм или видов сообщений между пользователями.
6. выдача справок об информационных и программных ресурсах.
7. распределение БД, размещенных на нескольких ЭВМ.
8. распределенная обработка – параллельное выполнение одной задачи несколькими ЭВМ.

Производительность сетей представляет собой суммарную производительность главных ЭВМ (номинальная). Существует ещё системная производительность.

Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее время от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом.

Цена обработки данных формируется с учетом стоимости всех средств ввода/вывода, передачи, хранения, объема ресурсов, режима передачи.

Принципы протоколов Интернета:

1. инкапсуляция пакетов
2. фрагментация/дефрагментация
3. динамическая маршрутизация путей доставки данных.

ПП – прикладной процесс

ООД – оконечное оборудование данных: ЭВМ и терминал. В ряде случаев его называют абонентом. ООД и АКД называется рабочей станцией.

АКД – аппаратура канала данных.

Сплошные – физическая связь.

Пунктирная – логическая связь.

Основная функция – обеспечение ООД доступа к ресурсам. Основа логической связи – запрос, а система должна организовать физическую связь. Средства коммуникации: проводные и беспроводные. Проводная – материалы, физика которых может передавать сигналы. Информационно-вычислительная сеть.

С физической точки зрения 2 способа соединения: точка-точка (один с одним), точка-многоточие (один со многими).

К основным характеристикам сетей также относятся пропускная способность сети или отдельного канала связи, а также достоверность передачи данных и надежность.

Пропускная способность – это максимально возможное количество данных, которое может быть передано за единицу времени (бит/с). Достоверность – это вероятность искажения каждого передаваемого бита. Для проводных линий эта вероятность равна 10^–3, для кабельных – 10^-5, для оптоволокна – 10^–8. Надежность – это свойство коммуникационной среды сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность сети выполнять требуемые функции в заданных условиях применения.

Вычислительные средства – ЭВМ, вычислительные комплексы и системы и их ПО являются основными функциональными элементами сетей, выполняющих обработку данных. Их главная задача состоит в реализации следующих функций – представления, потребления и распределения ресурсов сети, а потому вычислительные средства, реализующие весь комплекс перечисленных функций относятся к универсальным и составляют основу универсальных абонентских систем (одноранговые). Вычислительные средства, специализированные на предоставлении ресурсов, называются серверами и составляют основу сервисных абонентских систем. Специализированные на потреблении называют клиентами и составляют основу клиентских абонентских систем. Специализированные на управлении вычислительной сетью называются административными и составляют основу административных абонентских систем.

Стандарты.

Если не выполнять и не соблюдать стандарты, то можно передавать данные только между компьютерами поставляемые одним и тем же производителем. Глобальные сети вынуждены подсоединять компьютеры разных производителей. Поэтому нужно разработать и применить стандарты.

ЕСМА ITU ISO

EIA CCITT

IEEE ANSI

ПК-> ПТКА-> ПК+ПТКА-> ISO = OSI

ECMA – ассоциация европейских производителей вычислительной техники.

EIA – ассоциация производителей электротехники.

IEEE – институт инженеров по электротехнике и электронике.

ПК – персональный компьютер.

ITU – международный союз электросвязи.

CCITT – международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии.

ANSI – американский институт национальных стандартов.

ПТКА – производство телекоммуникационной аппаратуры.

ISO – международная организация по стандартам.

OSI – взаимосвязь открытых систем.

Цифровые сети с интеграцией услуг, коммутируемые сети общего пользования, ISO8571/1-4, X.25, T60, I440.

Понятие открытая система.

ИВС – это соединение различного оборудования, а, следовательно, проблема совместимости является чрезвычайно острой.

Сетевая декомпозиция – станция, разделенная на 7 уровней, должна подсоединяться к другой такой же станцией. При передаче сообщений 2 рабочие станции должны принять определенные соглашения. Они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщения, договориться о методах контроля достоверности, таким образом соглашения должны быть приняты для всех уровней. Процедура взаимодействия двух узлов может быть описана в виде набора правил. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевыми компоненты, лежащие на одном уровне, но в различных узлах, называются протоколом. С другой стороны модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизированных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему. В сущности протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие – правило, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия. Протоколы определяют взаимодействие модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – модулей соседних уровней в одном узле. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов, которые могут быть реализованы как аппаратно, так и программно. Обычно первый уровень – аппаратно, второй – обычно аппаратно, третий – аппаратно-программно, четвертый – программно. Программный модуль, реализующий протокол, иногда называется протоколом. Протоколы реализуются не только рабочими станциями, но и промежуточными агрегатами.

Модель взаимосвязи открытых систем.

Седьмой уровень – прикладной.

Шестой – представительный.

Пятый – сеансовый.

Четвертый – транспортный.

Третий – сетевой.

Второй – канальный.

Первый – физический.

Седьмой, шестой и пятый работают с понятием информация. Четвертый и третий информация – в пакет. Второй – пакеты становятся кадрами (фреймами). Первый – сигнал. В модели OSI различаются 2 протокола: протокол с предварительным установлением соединения и без установления соединения. При предварительном установлении отправитель и получатель собирают схему. Возможно выбрать некоторые параметры для протокола и только после этого приступить к обмену данными. После обмена связь нужно разрывать. Стандартный телефон – пример предварительного установления соединения. Протокол без предварительного установления соединения – отправитель просто передает сообщение.

IPX/SPX – стек фирмы Novell. 65% систем были захвачены этой фирмой, потому что их системы приспосабливались к персональным станциям. Уровни:

С седьмого по пятый – SAP NCP.

Четвертый – SPX.

Третий – IPX RIP NLSP.

На физическом и канальном уровнях в фирмах Novell используются все популярные протоколы этих уровней. На сетевом уровне работает протокол IPX, а также RIP, NLSP. IPX – это протокол, занимающийся вопросами адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell. Маршрутные решения основаны на адресных полях в заголовке пакета, а также на информации, поступающей от протоколов обмена маршрутной информации. Протокол IPX поддерживает только дельтаграмный способ обмена сообщениями, за счет чего экономно потребляет вычислительные ресурсы, т.о. IPX выполняет 3 функции: задание адреса, установление маршрута и рассылка дельтаграмм. Транспортному уровню соответствует протокол SPX, который осуществляет передачу сообщений с предварительным установлением соединений. На верхних уровнях работают NCP – является протоколом взаимодействия сервера Net Ware и оболочки рабочей станции, этот протокол реализует архитектуру клиент-сервер, с помощью него рабочая станция–клиент подключается к серверу, отображает каталоги сервера, просматривает ФС сервера, копирует файлы, изменяет атрибуты, разделяет сетевой принтер между станциями. SAP – протокол объявления о сервисе, чем-то похож на RIP, то есть протокол дает возможность сетевым устройствам обмениваться информацией об имеющихся сервисах. протокол позволяет сетевым устройствам корректировать данные о том, какие сервисные услуги имеются в сети на данный момент времени, то есть при старте сервисы используют этот протокол для оповещения, когда работа завершается, он использует протокол, чтобы известить сеть о прекращении. Основная задача маршрутизаторов – это фильтрация трафика SAP и RIP-пакетов.

Net BIOS – стек фирм Microsoft и IBM.

Седьмой, шестой – SMB.

Пятый–третий – Net BIOS.

Net BIOS содержит множество сетевых функций, однако с его помощью невозможна маршрутизация, т.к. не вводилось подобных понятий. Это ограничивало употребление протокола исключительно локальными сетями. Поддерживает оба способа передачи данных. Протокол SMB соответствует прикладному и представительскому уровню. Обычно в SMB входят функции:

1. управление сессиями, создание и разрыв логического канала между станцией и ресурсом
2. файловый доступ – рабочая станция может обратиться к файл-серверу со стандартным запросом.
3. сервис печати – обычно рабочая станция может ставить свои файлы в некую очередь.
4. сервис сообщений – SMB поддерживает простую передачу сообщений со следующими функциями: послать простое сообщение, широкоформатное сообщение, послать начало, текст, окончания блока сообщения, отменить пересылку, получить имя машины.

Из–за большого количества приложений, которые используют функции API, предоставляемые Net BIOS во многих сетевых ОС эти функции реализованы в виде интерфейса к своим транспортным протоколам. Например, в Net Ware для этого существует программа-эмулятор.

В одноранговых сетях все машины имеют одинаковый статус, с выделенным сервером – одна или несколько машин – сервер, остальные – клиенты. Если к одноранговой сети добавлять компьютеры, то её производительность будет снижаться, а потом разрушится. Одноранговых сетей меньше, чем сетей с выделенным сервером. При работе сети, при её росте и увеличения объема сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач между серверами гарантирует, что каждая задача будет выполняться наиболее эффективно. Круг задач, которые должен выполнять сервер, многообразен, какие-то проще, какие-то сложнее. Обычно серверы делают специализированными.

Почтовые серверы – электронная почта, серверы факсов, факсимильные сообщения, коммуникационные серверы, серверы служб каталога – получение данных о структуре сети.

37–73–59 Чистов А.А.

Для моделей OSI центральными становятся 3 понятия: сервис (функция), интерфейс, протокол. Порты находятся между 6 и 5 уровнем. Порты бывают стандартными. У порта есть номер. Сервис определяет, что делает уровень, но ничего не говорит, как он это делает. Интерфейс уровня определяет для выше лежащего уровня доступ к сервису. Протокол определяет реализацию сервиса. Основная цель создания модели OSI – это предоставить производителям аппаратуры и ПО стандарты, которые позволили бы им производить взаимно-совместимые сетевые компоненты.

Физический уровень – это передача данных по сетевому кабелю или через беспроводное соединение, определяет все параметры кабелей и разъемов, число контактов и сигналы по каждому контакту, временные характеристики сигнала и представление сигналов.

Канальный уровень обычно принимает сигналы и начинает их структурировать, формат кадра зависит от сетевой технологии, управляет методом доступа, обеспечивает свободный от ошибок обмен данными между узлами, то есть организует повторную передачу, если что-то не так. В целом отправитель должен ждать подтверждения от получателя, в каком виде приняты данные. Есть отрицательное подтверждение и положительное. Для этого уровня необходимо вычисление циклически избыточного кода. Как минимум, используется понятие – контроль на избыточность. Первоначально использовался агрегат – эхоплекс. Уровень оказался очень сложным, произошло разбиение, то есть появились 2 подуровня: LLC, MAC. LLC называется подуровень управления логическим каналом, то есть здесь проходят пакеты с данными для прикладных программ. МАС – это подуровень управления доступом к среде, отвечает за обработку пакетов сообщений, которыми сетевые адаптеры самостоятельно обмениваются для выполнения функций контроля и управления работой логического кольца, адрес сетевого адаптера – это и есть адрес подуровня МАС (физический адрес адаптера).

Сетевой уровень – адресация передаваемых данных и трансляция логических адресов в физические имена, определяет маршрут для данных от отправителя к получателю, оперирует понятиями «пакет». Крупные пакеты нуждаются в преобразовании в последовательность меньших кадров, прежде чем сетевой уровень отправит его канальному уровню, добавляет в заголовок информацию для выбора маршрута, она может быть статическая и динамическая.

Транспортный уровень – уровень разделения сетезависимой части от сетенезависимой части. Транспортный уровень обеспечивает доставку всех пакетов наиболее эффективным способом без ошибок и в правильной последовательности. С помощью подтверждений и средств исправления ошибок уровень обеспечивает надежную передачу данных «из конца в конец», похож на канальный уровень, где осуществляется доставка «из узла к узлу». С транспортного уровня модель начинает походить на ИВС.

Сеансовый уровень позволяет приложениям, выполняемым на двух различных узлах установить соединение, именуемое сеансом, осуществить обмен данными, а затем завершить сеанс. Уровень управляет диалогом между двумя процессами, следит за доставкой сообщений в нужной последовательности, уровень вводит контрольные точки, то есть один процесс информирует другой, что он принял и обработал отправленные данные до определенного момента диалога. Также обработка транзакций осуществляется на сеансовом уровне. Транзакции – последовательность команд, которая должна быть выполнена полностью. Этот же уровень занимается вопросами безопасности, то есть проверка прав на установку и использование соединений или введение или выведение на экран окна для ввода пароля.

Уровень представления (представительский (трансформирующий (транслирующий))) управляет форматами, используемыми для обмена информации между узлами сети. Узел-отправитель транслирует данные конкретного приложения в общепринятую форму, узел-получатель преобразует данные из общепринятой формы в специфическую.

Прикладной уровень (уровень приложений) предоставляет окно для доступа прикладных процессов к сетевым возможностям, например, ПО для передачи файлов по сети или доступ к распределенным БД. Уровень управляет общим доступом к сети, а также потоком данных и обработкой ошибок.

Уровень	Ключевое слово	Ответственность
Прикладной	Разделение	Представляет сетевой сервис
Представления	Форматирование	Трансляция данных, шифрование, сжатие
Сеансовый	Диалог	Управление сессией, контроль ошибок, обработка транзакций, поддержка вызовов удаленных процедур
Транспортный	Надежность	Надежность передачи, гарантированная доставка, мультиплексирование сессий верхнего уровня
Сетевой	Дельтаграмма	Маршрутизация логических адресов, создание и ведение таблиц маршрутизации, фрагментация и сборка данных, неориентированная на соединение
Канальный	Кадр	Окончательная доставка по физическому адресу устройства, синхронизация кадров, доступ к среде передачи
Физический	Биты	Синхронизация битов, сигнализация аналоговая или цифровая, электрическая и механическая спецификации

 

Серверы – стандартные компьютеры, чьи ресурсы доступны сетевым пользователям (клиентам). Клиент – тоже компьютер, который осуществляет доступ к сетевым ресурсам. Общим является понятие – среда передачи – способ соединения компьютеров. Совместно используемые данные в форме файлов, совместно используемые периферийные устройства. Основа одноранговых сетей – универсальные абонентские системы, способные как потреблять сетевые ресурсы, то есть формировать запросы к внешним серверам, так и предоставлять свои ресурсы.

Сети типа «клиент–сервер» строятся на основе клиентских и сервисных абонентских систем. Они ориентированы на потребление чужих ресурсов или предоставление своих ресурсов. Основные достоинства одноранговых сетей:

1. простота и малые затраты при развертывании и настройки эксплуатации.
2. функциональные возможности отдельных сетевых абонентских систем не зависят друг от друга.
3. не требуют централизованного администрирования.
4. пользователи имеют возможность индивидуальной настройки и конфигурации.

К недостаткам относят следующее:

1. резкое снижение эффективности функционирования сети при увеличении до 20 и более числа абонентских систем.
2. при интенсивном обращении к разделяемым ресурсам возникают временные задержки в обслуживании запросов.
3. при отключении от сети отдельных систем теряются их аппаратно-программные ресурсы.
4. отсутствие централизованного управления усложняет конфигурирование сетевых ресурсов и организацию безопасности ресурсов.

Достоинства клиент-серверных сетей:

1. серверная часть должна поддерживаться мощными аппаратными платформами (использование мультипроцессорных систем).
2. поддержка большого числа одновременного выполняемых процессов и сетевых соединений.
3. наличие в составе ОС компонентов централизованного администрирования сетей.
4. широкий набор сетевых служб.
5. позволяют организовать сети с большим числом абонентских систем.
6. обеспечивают централизованное управление учетными записями пользователей, а также безопасностью и доступом.
7. эффективный доступ к ресурсам.
8. пользователю нужен пароль для входа в сеть и для получения доступа к ресурсам, на которые распространяются его права.

Недостатки:

1. неисправность сервера может сделать неработоспособной всю сеть или привести к отключению ресурса.
2. требуется квалифицированный персонал для администрирования.
3. имеют более высокую стоимость сетей и сетевого оборудования.

Сетевые службы (сетевой сервис) – это совокупность программно реализованных модулей сетевой ОС или специализированных утилит, предоставляющих сетевым администраторам возможности эффективного управления сетью, а конечным пользователям возможности эффективной работы с информационными ресурсами сети. Все сетевые службы реализованы на основе принципа клиент-сервер. К наиболее широко распространяемым относятся:

• Служба каталогов обеспечивают поиск и идентификацию и управление сетевыми ресурсами.
• Служба удаленного доступа позволяет удаленным пользователям подключаться к сетевым ресурсам по выделенной или коммутируемой системе связи.
• Файловая служба обеспечивает доступ к распределенным файловым ресурсам.
• Служба сценариев поддерживает исполнение сценариев автоматизированного администрирования и мониторинга сетевых ресурсов.
• Служба терминалов предоставляет доступ клиентам к приложениям, которые выполняются на сетевых серверах.
• Служба безопасности обеспечивает присвоение и управление правами доступа пользователей к ресурсам.
• Служба групповой политики обеспечивает возможность сетевым администраторам объединять пользователей в группы по определенным признакам и организовывать корректную совместную работу.
• Служба репликации обеспечивает непротиворечивости нескольких копий данных.
• Служба вызова удаленных процедур организует выполнение задачи несколькими абонентскими системами.

Вспомогательные системы: служба БД, служба факсимильной связи, служба передачи голоса – реализуются в виде системных сетевых приложений или утилит. Главный показатель сетевых служб – удобство их использования. Данный показатель является субъективным, для одного ресурса может быть разработано несколько служб. При определении степени удобства употребляют степень – прозрачность. Прозрачный доступ – это доступ при котором пользователь работает с ресурсами собственной абонентской системы.

Режим связи.

Три режима:

1. симплексный – передача только в одном направлении.
2. полудуплексный
3. дуплексный.