Характеристика телекоммуникационных вычислительных сетей

Лекция 12 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

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;

• 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 повыше­ния 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 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 коммуника­ционными 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 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 ин­формации 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.

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). 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.

 

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, 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.

 

1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: