ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ ЛЕКЦИЯ 2 АГТУ КАФЕДРА «СВЯЗЬ» Ст. преподаватель ГОЛОВАЧЁВ Д.Н.

2 Параллельные и распределенные системы. Параллельные системы – многопроцессорные ЭВМ с общей памятью. Распределенная система - совокупность независимых компьютеров, которая представляется пользователю единым компьютером (metacomputer), использование которого не намного сложнее, чем использование персональной ЭВМ.

3 Многопроцессорные системы с общей памятью (мультипроцессоры) Достоинства: Производительность Надежность Недостатки: ПО (приложения, языки, ОС) сложнее, чем для однопроцессорных ЭВМ Ограниченность при наращивании (физ. размеры - близость к памяти, 64 процессора - максимально достигнутое).

4 Распределенные системы Распределенная система - совокупность независимых компьютеров, которая представляется пользователю единым компьютером. Примеры: сеть рабочих станций (выбор процессора для выполнения программы, единая файловая система), роботизированный завод (роботы связаны с разными компьютерами, но действуют как внешние устройства единого компьютера, банк со множеством филиалов, система резервирования авиабилетов. Почему создаются распределенные системы? В чем их преимущества перед централизованными ЭВМ?

5 1-ая причина - экономическая. Закон Гроша (Herb Grosh, 25 лет назад)- быстродействие процессора пропорциональна квадрату его стоимости. С появлением микропроцессоров закон перестал действовать - за двойную цену можно получить тот же процессор с несколько большей частотой. 2-ая причина - можно достичь такой высокой производительности путем объединения микропроцессоров, которая недостижима в централизованном компьютере. 3-я причина - естественная распределенность (банк, поддержка совместной работы группы пользователей ).

6 4-ая причина - надежность (выход из строя нескольких узлов незначительно снизит производительность). 5-я причина - наращиваемость производительности. В будущем главной причиной будет наличие огромного количества персональных компьютеров и необходимость совместной работы без ощущения неудобства от географического и физического распределения людей, данных и машин.

7 Почему нужно объединять PC в сети? Необходимость разделять данные. Преимущество разделения дорогих периферийных устройств, уникальных информационных и программных ресурсов. Достижение развитых коммуникаций между людьми. Электронная почта во многих случаях удобнее писем, телефонов и факсов. Гибкость использования различных ЭВМ, распределение нагрузки. Упрощение постепенной модернизации посредством замены компьютеров.

8 Недостатки распределенных систем: Проблемы ПО (приложения, языки, ОС). Проблемы коммуникационной сети (потери информации, перегрузка, развитие и замена). Секретность.

9 Виды операционных систем Сетевые ОС - машины обладают высокой степенью автономности, общесистемных требований мало. Можно вести диалог с другой ЭВМ, вводить задания в ее очередь пакетных заданий, иметь доступ к удаленным файлам, хотя иерархия директорий может быть разной для разных клиентов. Пример - серверы файлов (многие WS могут не иметь дисков вообще). Распределенные ОС - единый глобальный межпроцессный коммуникационный механизм, глобальная схема контроля доступа, одинаковое видение файловой системы. Вообще - иллюзия единой ЭВМ. ОС мультипроцессорных ЭВМ - единая очередь процессов, ожидающих выполнения, одна файловая система.

10 Принципы построения распределенных ОС 1) Прозрачность (для пользователя и программы). Прозрачность расположения Пользователь не должен знать, где расположены ресурсы Прозрачность миграции Ресурсы могут перемещаться без изменения их имен Прозрачность размножения Пользователь не должен знать, сколько копий существует Прозрачность конкуренции Множество пользователей разделяет ресурсы автоматически Прозрачность параллелизма Работа может выполняться параллельно без участия пользователя

11 (2) Гибкость (не все еще ясно - потребуется менять решения). Использование монолитного ядра ОС или микроядра. (3) Надежность. Доступность, устойчивость к ошибкам (fault tolerance). Секретность.

12 (4) Производительность. Грануллированность. Мелкозернистый и крупнозернистый параллелизм (fine-grained parallelism, coarse-grained parallelism). Устойчивость к ошибкам требует дополнительных накладных расходов. (5) Масштабируемость. Плохие решения: централизованные компоненты (один почтовый- сервер); централизованные таблицы (один телефонный справочник); централизованные алгоритмы (маршрутизатор на основе полной информации)

13 Только децентрализованные алгоритмы со следующими чертами: ни одна машина не имеет полной информации о состоянии системы; машины принимают решения на основе только локальной информации; выход из строя одной машины не должен приводить к отказу алгоритма; не должно быть неявного предположения о существовании глобальных часов.

14 Эталонные модели взаимодействия открытых систем Перемещение информации между компьютерами различных схем является чрезвычайно сложной задачей. В начале 1980 гг. Международная Организация по стандартизации (International Standart Organization – ISO) признала необходимость в создании модели сети, которая могла бы помочь поставщикам создавать реализации взаимодействующих сетей. Эту потребность удовлетворила эталонная модель «Взаимодействие Открытых систем» (Open System interconnection – OSI), выпущенная в 1984 году.

15 В OSI информационная сеть рассматривается как совокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями. Это позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники. Эталонная модель OSI делит проблему перемещения информации между компьютерами через среду сети на семь менее крупных (семь уровней).

16 Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем

17 Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Следует также иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI. В этом случае приложение, выполняя доступ к удаленным ресурсам, не использует системную файловую службу; оно обходит верхние уровни модели OSI и обращается напрямую к системным средствам, ответственным за транспортировку сообщений по сети, которые располагаются на нижних уровнях модели OSI.

18 7-й уровень - прикладной (Application): включает средства управления прикладными процессами конечных пользователей. Эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обмениваться между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети.

19 6-й уровень - представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов. Он гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе.

20 Например, согласует формы представления информации, (изображение, текст ) чтобы машины с разной кодировкой (ASCII, Unicode) могли взаимодействовать, структуры данных определяются специальным абстрактным способом, не зависящим от кодировки, используемой при передаче. 6-ой уровень преобразует структуры данных в абстрактной форме во внутреннюю для конкретной машины и из внутреннего, машинного представления в стандартное представление для передачи по сети.

21 5-й уровень - сеансовый (Session): предназначен для организации и синхронизации сеанса связи между двумя абонентами сети, управления диалогом. Потоки данных могут быть разрешены в обоих направлениях одновременно, либо поочередно в одном направлении (дуплекс или полудуплекс). Сервис на этом уровне управляет направлением передачи, определяет начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами партнеров.

22 4-й уровень - транспортный (Transport): предназначен для управления логическими каналами в сети передачи данных. Основная функция транспортного уровня это: принять данные с предыдущего уровня, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата.

23 На этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (чаще всего точка-точка). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи).

24 3-й уровень - сетевой (Network): Сетевой уровень отвечает за функционирование подсети. Основной проблемой здесь является как маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю. На этом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты.

25 3-й уровень - сетевой (Network): этот уровень отвечает за маршрутизацию пакетов в сети и за связи между сетями. Маршруты могут быть определены заранее и прописаны в статической таблице, могут определяться в момент установления соединения, могут строиться динамически в зависимости от загрузка сети. Важной функцией сетевого уровня является контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок. Если в подсети циркулирует слишком много пакетов, то они могут использовать одни и те же маршруты, что приведет к заторам. За использование подсети предполагается оплата, поэтому имеются функции учета: как много байт, символов послал или получил абонент сети.

26 2-й уровень - канальный (Link, уровень звена данных): Основная задача - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. Эта задача решается разбиением данных отправителя на кадры (фреймы) (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч байтов), передачей фреймов последовательно и обработкой фреймов уведомления, поступающих от получателя.

27 Задача определения границы кадра решается введением специальной последовательности битов, которая добавляется в начало и в конец кадра и всегда интерпретируется как его границы. Помехи на линии могут разрушить кадр. В этом случае он должен быть передан повторно. Он будет повторен также и в том случае если будет потерян. На канальном уровне решаются вопросы: как бороться с дубликатами кадра, потерями или искажениями кадров.

28 1-й уровень - физический (Physical): отвечает за передачу последовательности битов через канал связи, предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды. На физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.

29 Пример обработки сообщения по уровням модели OSI

30 Каждый уровень добавляет к данным свой заголовок служебную информацию, которая необходима для адресации сообщений и для некоторых контрольных функций.

31 Канальный уровень кроме заголовка добавляет в конец контрольную последовательность, которая используется для проверки правильности приема сообщения в вычислительной сети. Физический уровень никаких заголовков не добавляет.

32 Сообщение, обрамленное заголовками и контрольной последовательностью поступает в сеть и передается получателю. Каждая ЭВМ, принявшая это сообщение, дешифрует адреса и определяет предназначено ли ей это сообщение. В этой ЭВМ происходит обратный процесс - чтение и отсечение заголовков уровнями модели OSI. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок

33 В простых (неразветвленных) ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней. В то же время сложность функций канального уровня делает целесообразным его разделение в ЛВС на два подуровня: управление доступом к каналу (МАС - Medium Access Control) и управление логическим каналом (LLC - Logical Link Control). Подуровень LLC выполняет функции собственно канального уровня, не связанные с особенностями передающей среды. Подуровень MAC обеспечивает управление доступом к среде. Особенности 7-уровневой модели для ЛВС

34 Главное достоинство семиуровневой модели OSI упрощение процесса модернизации системы. Изменение одного уровня не влечет за собой изменение другого уровня, т.е. существует независимость уровней друг от друга. Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре (адаптеры, мультиплексоры, сетевые платы и др.). Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей - драйверов.

35 Понятие «открытая система» В широком смысле открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями. Под термином «спецификация» (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик.

36 В свою очередь, под открытыми спецификациями понимают опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами. Используя при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам разрабатывать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программноаппаратные комплексы из продуктов разных производителей. Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом.

37 Модель OSI касается только одного аспекта открытости, а именно открытости средств взаимодействия устройств, связанных в вычислительную сеть. Здесь под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.

38 Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества: 1. Возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта. 2. Возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами. 3. Возможность легкого сопровождения одной сети с другой. 4. Простота освоения и обслуживания сети. Ярким примером открытой системы является международная сеть INTERNET.