Вычислительные сети – распределенные системы

Слово сеть имеет много значений: система линий, путей или каналов, система связи (телесеть), система независимых персональных компьютеров (ПК), связанных друг с другом, с целью совместного использования данных и периферийных устройств, (например, жестких дисков и принтеров). Ключевое слово в последнем определении – это «совместное использование».

Самая простая сеть (network) состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных между собой кабелем. Все сети (независимо от сложности) основаны именно на этом простом принципе.

Рождение компьютерных сетей вызвано практической потребностью в совместном использовании данных. Когда не было сетей, приходилось распечатывать каждый документ или копировать информацию на дискету, чтобы другие пользователи могли работать с информацией. При редактировании копий документа несколькими пользователями было очень трудно собрать все изменения в одном документе. Подобная схема работы называется работой в автономной среде. Копирование файлов на другой компьютер с помощью дискет раньше называли «переносной» сетью. Группа соединённых компьютеров и других устройств (например, принтеры) называется сетью, а концепция соединённых и совместно использующих ресурсы компьютеров – сетевым взаимодействием.

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, периферийного оборудования, средств связи с коммуникационной подсетью вычислительной сети, выполняющих прикладные программы.

Коммуникационная подсеть (телекоммуникационная система – ТКС), представляет собой совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие АС.

Эффективность труда и снижение затрат при работе в сети достигается за счёт:

§ совместного использования информации (данных);

§ совместного использования оборудования и программного обеспечения;

§ централизованного администрирования и обслуживания.

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно работать с документами, сообщениями электронной почты, текстовыми процессорами, программами по управлению проектами, иллюстрациями и фотографиями, видео- и аудио- файлами, принтерами, факсимильными аппаратами, модемами, приводами CD-ROM и другими съёмными носителями (например, дисководами ZIP и JAZZ), жесткими дисками и многими другими устройствами. Возможности сетей постоянно расширяются, поскольку появляются новые способы обмена данными с помощью компьютеров. Компьютерные сети относятся к распределенным (или децентрализованным) вычислительным системам, являясь, частным случаем распределенных систем.

Основным признаком распределенной вычислительной системы является наличие нескольких центров обработки данных. Наряду с компьютерными сетями к распределенным системам относятся также мультипроцессорные компьютеры и многомашинные комплексы.

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый, из которых относительно независимо от остальных может выполнять свою программу. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система (ОС), которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие процессоров осуществляется через общую оперативную память. Все периферийные устройства также являются общими для всех процессоров мультипроцессорной системы. Все блоки мультипроцессора располагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивах, т.е. мультипроцессор не поддерживает территориальную распределенность. Основное достоинство мультипроцессора: а) его высокая производительность, которая достигается за счет параллельной работы нескольких процессоров, (взаимодействие процессоров быстрое за счет общей памяти); б) отказоустойчивость – способность к продолжению работы при отказах некоторых элементов, например процессоров или блоков памяти.

Многомашинные системы – есть вычислительный комплекс, включающий в себя несколько компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной ОС), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого. В состав средств связи входят программные модули, которые занимаются распределением вычислительной нагрузки, синхронизацией вычислений и реконфигурацией системы. При отказе одного из компьютеров комплекса происходит автоматическое переназначение и выполнение его задач другим компьютером. Высокая отказоустойчивость, параллельные вычисления позволяют достичь высокой производительности. В отличие от мультипроцессоров, где используются сильные программные и аппаратные связи, в многомашинных системах эти связи между обрабатывающими устройствами являются более слабыми.

В компьютерных сетях (КС) программные и аппаратные связи являются еще более слабыми, а автономность обрабатывающих блоков проявляется в наибольшей степени – основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имеющих ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств – сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы. [ Сетевой адаптер − базовое сетевое устройство, преобразующее параллельные сигналы компьютера в последовательные, передаваемые в сетевой кабель. Связь между адаптерами и операционной системой выполняют драйверы − обычно прилагаются к сетевой плате].

Изначально основная цель создания сети – разделение локальных ресурсов каждого компьютера между всеми пользователями сети. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавить модули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих из сети от других компьютеров. Обычно такие модули называются программными серверами, так как их главная задача – обслуживать (server) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера. На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули называются клиентами. Пара модулей «клиент-сервер» обеспечивают совместный доступ пользователей к определенному типу ресурсов, например, к файлам, т.е. пользователь имеет дело с файловой службой (service). Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб – файловую, печати, электронной почты, удаленного доступа и т.п. [В технической литературе термин «service» обычно переводится как «служба», «сервис» или «услуга»].

Адаптеры и каналы связи передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем. [Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если потребляет их – клиентом].

Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Пример сети на основе выделенного сервера (упрощенный вариант) приведен на рис.26.

 

Рис.26. Сеть на основе выделенного сервера

 

При росте размеров сети и объема сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач между несколькими серверами гарантирует, что каждая задача будет выполняться наиболее эффективно.

Иногда компьютер (ПК) может играть роли и сервера, и клиента. Примером могут служить одноранговые сети. В этой сети все компьютеры равноправные (нет иерархии среди ПК и нет выделенного сервера). Каждый компьютер такой сети обычно функционирует и как клиент, и как сервер – т.е. нет ПК, ответственного за всю сеть. Пользователи сами решают, какие данные на своем компьютере сделать доступными в сети. Одноранговые сети чаще всего объединяют не более 10 компьютеров. Отсюда другое название - рабочая группа (workgroup), т.е. небольшой коллектив пользователей. Пример одноранговой сети приведен на рис.27.

 

Сетевые службы всегда представляют собой распределенные программы. Распределенная программа – это программа, которая состоит из нескольких взаимодействующих частей (на рис.28 обозначены две части), причем каждая часть выполняется на отдельном компьютере сети.

 

 

В сети помимо распределенных системных программ могут выполняться и распределенные пользовательские программы – приложения, которые также состоят из нескольких частей, каждая из которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению прикладной задачи. Например, одна часть приложения может поддерживать специализированный графический интерфейс, вторая – работать на мощном выделенном компьютере и заниматься статистической обработкой введенных данных, а третья – заносить полученные результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной системой управления базами данных (СУБД). Распределенные приложения используют возможности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, поэтому часто называются сетевыми приложениями.

Не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует много популярных приложений, которые не являются распределенными и выполняются на одном компьютере сети. Однако и такие приложения могут использовать преимущества сети за счет встроенных в ОС систему сетевых служб. [Например, при работе с СУБД dBase файлы базы данных располагались на файловом сервере, сама же СУБД хранилась на каждом клиентском компьютере в виде единого программного модуля].

Взаимодействие двух компьютеров (простейшая сеть) может быть реализовано с помощью тех же средств, которые используются при взаимодействии ПК с периферийным оборудованием, например, через последовательный интерфейс RS-232С.

[Примерами интерфейсов, используемых в компьютерах, являются параллельный интерфейс Centronics, предназначенный, как правило, для подключения принтеров; последовательный интерфейс RS-232С, через который подключается модем и много др. устройств, универсальный интерфейс USB].

Интерфейс реализуется со стороны персонального компьютера совокупностью аппаратных и программных средств – контроллером периферийного устройства и специальной программой, управляющей этим контроллером, которую называют драйвером соответствующего периферийного устройства.

Со стороны периферийного устройства интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления, хотя встречаются и программно-управляемые. Программа, выполняемая процессором, может обмениваться данными с помощью команд ввода-вывода с любыми модулями, подключенными к внутренней шине ПК, в том числе и контроллером периферийного устройства (ПУ). Контроллеры ПУ принимают команды и данные от процессора в свой внутренний буфер, который часто называют регистром или портом, затем выполняют необходимые преобразования этих данных и команд в соответствии с форматами, принятыми ПУ и выдают их на внешний интерфейс. Распределение обязанностей между контроллером и драйвером ПУ может быть разным, но обычно контроллер выполняет набор простых команд по управлению ПУ, а драйвер использует эти команды, чтобы заставить устройство совершать более сложные действия по некоторому алгоритму. Например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как печать символа, перевод строки, возврат каретки и т.п., а драйвер принтера с помощью этих команд организует печать строк символов, разделение документа на страницы и др. более высокоуровневые операции. [Для одного и того же контроллера можно разработать различные драйверы, которые будут управлять данным ПУ по-разному].

 

 

Примеры.

1. Рассмотрим алгоритм передачи одного байта информации от прикладной программы на периферийное устройство. Программа, которой потребовалось выполнить обмен данными с ПУ, обращается к драйверу этого устройства, сообщая ему в качестве параметра адрес байта памяти, который нужно передать. Драйвер загружает значение этого байта в буфер контроллера ПУ, который начинает последовательно передавать биты в линию связи, представляя каждый бит соответствующим электрическим сигналом. Чтобы устройству управления ПУ стало понятным, что начинается передача байта, перед передачей первого бита информации контроллер ПУ формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита – стоповый сигнал. Эти сигналы синхронизируют передачу байта.

2. Взаимодействие двух компьютеров. Предположим, что они связаны по кабелю связи через последовательные порты (COM порты), которые реализуют интерфейс RS-232С (нуль-модемное соединение). Рассмотрим случай, когда пользователю, работающему с текстовым редактором на ПК А, нужно прочитать часть некоторого файла, расположенного на диске ПК В. Приложение А должно сформировать сообщение-запрос для приложения В. В запросе необходимо указать имя файла, тип операции (в данном случае - чтение), смещение и размер области файла, содержащей нужные данные. Чтобы передать это сообщение компьютеру В, приложение А обращается к драйверу COM порта, сообщая ему адрес в оперативной памяти, по которому драйвер находит сообщение и затем передает его байт за байтом приложению В. Приложение В, приняв запрос, выполняет его, т.е. считывает требуемую область файла с диска с помощью средств локальной ОС в буферную область своей оперативной памяти, а далее с помощью драйвера COM-порта передает считанные данные по каналу связи в ПК А, где они попадают к приложению А.

Таким образом, вычислительная сеть – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов: а) компьютеров, б) коммуникационного оборудования, в) операционных систем, г) сетевых приложений.

Физическая и логическая структуризация сети

В сетях с небольшим количеством компьютеров (10-30) чаще всего используется одна из типовых топологий: общая шина, кольцо, звезда. При построении больших сетей использование типовых структур порождает ограничения: а) на длину связи между узлами; б) на количество узлов в сети; в) на интенсивность трафика. Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее (коммуникационное) оборудование – повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы.

Простейшим коммуникационным устройством является повторитель (repeator), который используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной вычислительной сети (ЛВС) с целью увеличения общей длины сети. В отличие от соединителя-кабеля, который также может быть использован при наращивании длины сети, повторитель улучшает качество передаваемого сигнала, восстанавливает его мощность и амплитуду. Повторитель передает сигнал, приходящий из одного сегмента сети, в другие ее сегменты.

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором или хабом (hub). Эти названия (hub – основа центр деятельности) отражают тот факт, что в данном устройстве сосредотачиваются все связи между сегментами сети. Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. В работе концентраторов любых технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию. [ Порт - точка логического соединения].

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов не только позволяет увеличить расстояние между узлами сети, но и повысить ее надежность. Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической – конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.

Логическая структуризация сети. Путем физической структуризации сети не решается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. На рис.29 отображена физическая структуризация сети с помощью концентраторов.

Пусть компьютер А, находящийся в одной подсети с компьютером В, посылает ему данные. Несмотря на разветвленную физическую структуру сети, концентраторы распространяют любой кадр по всем ее сегментам. Поэтому кадр, посылаемый компьютером А компьютеру В, хотя и не нужен компьютерам отделов 2 и 3, в соответствии с логикой работы концентраторов поступает на эти сегменты тоже. Пока компьютер В не получит адресованный ему кадр, ни один из компьютеров этой сети не сможет передавать данные.

В рассмотренном примере желательно сделать так, чтобы кадры, которые передают компьютеры отдела 1, выходили бы за пределы этой части сети только в том случае, если эти кадры направлены какому-либо компьютеру из других отделов. При этом существенно повысится производительность сети, так как компьютеры одного отдела не будут простаивать в то время, когда обмениваются данными компьютеры других отделов.

 

 

Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента, называется локализацией трафика. Логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы. Например, при установке моста вместо концентратора С, пакеты данных из отделов 1, 2 будут передаваться в отдел 3, 4 только в том случае, когда кадры адресованы отделам 3, 4 в противном случае передача с «левого берега» на «правый» мостом осуществляться не будет.

Мост (bridge) делит сеть на части (логические сегменты), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Таким образом, мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Мосты используют для локализации трафика аппаратные адреса компьютеров. Мост запоминает, через какой порт на него поступил кадр данных от каждого компьютера сети, и в дальнейшем передает кадры, предназначенные для этого компьютера, на соответствующий порт. Точной топологии связей между логическими сегментами мост не знает. Поэтому в сети, где применяют мосты не должно быть замкнутых контуров.

Коммутатор (switch) по принципу обработки кадров ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. Можно сказать, что коммутаторы – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме.

Ограничения, связанные с применением мостов и коммутаторов, например по топологии связи, привели к новому типу оборудования – маршрутизатор (router). Маршрутизаторы более надежно и эффективно, чем мосты изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Они образуют логические сегменты посредством явной адресации, так как используют не аппаратные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаковое, принадлежат к одному сегменту, называемому подсетью (subnet).

Кроме локализации трафика маршрутизаторы осуществляют выбор наиболее рационального маршрута передачи данных, связывают в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий, например Ethernet и X.25.

Кроме перечисленных устройств отдельные части сети может соединять шлюз (gateway). Основной причиной, по которой в сети используют шлюз, является необходимость объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения, а также он обеспечивает и локализацию трафика.

Крупные сети практически никогда не строятся без логической структуризации.