Программное обеспечение сетей ЭВМ и телекоммуникаций Презентация к курсу лекций Преподаватель: Шамшев Анатолий Борисович ICQ:446849975 Blog: anshamshev.wordpress.com. - презентация

1 Программное обеспечение сетей ЭВМ и телекоммуникаций Презентация к курсу лекций Преподаватель: Шамшев Анатолий Борисович ICQ: Blog: anshamshev.wordpress.com

2 Список литературы 1. В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 4-е издание. 2. Пятибратов A. M., Гудыно Л. П., Кириченко А. А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы: Учебно- практическое пособие 3. В. Ф. Мелехин, Е. Г. Павловский. Вычислительные машины, системы и сети : учебник для студ. высш. учеб. Заведений ПО: Packet Tracer 5

3 Закономерности развития ЭВМ весь период развития средств электронной вычислительной техники (ЭВТ) отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ (структуры фон Неймана), основанной на методах последовательных вычислений; основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств; совершенствование ЭВМ осуществлялось в комплексе (элементно-конструкторская база, структурно- аппаратурные решения, системно-программный и пользовательский, алгоритмический уровни);

4 Современное состояние ЭВМ Кризис классической структуры ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного счета Развитие: параллельность и многопроцессорность

5 Вычислительная система Под вычислительной системой (ВС) понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку

6 Цели создания ВС: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

7 Стоимость ЭВМ и ВС Стоимость ЭВМ (закон Гроша) Стоимость ВС

8 Критический порог сложности

9 Принципы создания ВС возможность работы в разных режимах; модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок; унификация и стандартизация технических и программных решений; иерархия в организации управления процессами; способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации; обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений

10 Структура ВС Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

11 Классификация ВС по назначению Универсальные: предназначаются для решения самых различных задач Специализированные. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами: во-первых, сама структура системы может быть ориентирована на определенные виды обработки информации. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач; во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

12 Классификация ВС по типу ЭВМ или процессоров Однородные (гомогенные) Разнородные (гетерогенные) – CPU+GPU (APU): AMD Fusion, Intel Sandy Bridge, Intel Larabee, Nvidia CUDA, ATI Fire Stream

13 Классификация ВС по степени территориальной разобщённости Совмещённые (сосредоточенные) Распределённые (разобщённые)

14 Классификация ВС по методам управления элементами Централизованные Децентрализованные Со смешанным управлением

15 Классификация ВС по принципу закрепления вычислительных функций С жёстким закреплением функций С плавающим закреплением функций

16 Классификация ВС по режиму работы Оперативный временной режим – системы реального времени Неоперативный временной режим

17 Комплексирование в ВС. Понятие совместимости Для построения вычислительных систем необходимо, чтобы элементы или модули, комплексируемые в систему, были совместимы. Понятие совместимости имеет три аспекта: аппаратурный, или технический программный информационный.

18 Условия технической совместимости подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные, унифицированные средства соединения: кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъемы, заглушки, адаптеры, платы и т.д.; параметры электрических сигналов, которыми обмениваются технические устройства, тоже должны соответствовать друг другу: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т.д.; алгоритмы взаимодействия (последовательности сигналов по отдельным проводам) не должны вступать в противоречие друг с другом

19 Программная совместимость Программная совместимость (Software) требует, чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое (между ЭВМ, процессорами, между процессорами и внешними устройствами), были правильно поняты и выполнены другим устройством.

20 Информационная совместимость Предполагается, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизованы алфавиты, разрядность, форматы, структура и разметка файлов, томов.

21 Организация функционирования ВС Управление вычислительными процессами в ВС осуществляют операционные системы, которые являются частью общего программного обеспечения. В состав ОС включают как программы централизованного управления ресурсами системы, так и программы автономного использования вычислительных модулей.

22 Основа построения многомашинной ОС Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот факт, что для каждой машины ВС другие играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение. Все обмены данными между ЭВМ должны предусматриваться пользователями путем включения в программы специальных операторов распараллеливания вычислений. По этим обращениям ОС ВС включает особые программы управления обменом. При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных заданий.

23 Программное обеспечение многомашинных ОС Программное обеспечение многопроцессорных ВС отличается большей сложностью. Это объясняется глубиной и сложностью всестороннего анализа процессов, формируемых в ВС, а также сложностью принятия решения в каждой конкретной ситуации.

24 Типовые схемы взаимодействия процессоров ведущий-ведомый; симметричная или однородная обработка во всех процессорах; раздельная независимая работа процессоров по обработке заданий

25 Телекоммуникационная вычислительная сеть (ТВС) 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.

26 Абонентская система (АС) Абонентская система (AC) - это совокупность ЭВМ, программного обеспечения, периферийного оборудования, средств связи с коммуникационной подсетью вычислительной сети, выполняющих прикладные процессы.

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

28 Прикладной процесс Прикладной процесс - это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами.

29 Задачи, решаемые ТВС обеспечение в принципе неограниченного доступа к ЭВМ пользователей независимо от их территориального расположения возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния, позволяющая своевременно получать данные для принятия тех или иных решений.

30 Принципиальные моменты для ТВС ЭВМ, находящиеся в составе разных абонентских систем одной и той же сети или различных взаимодействующих сетей, связываются между собой автоматически 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

31 Преимущества ВС 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: пакетов прикладных программ (ППП), баз данных (БД), баз знаний (БЗ), запоминающих, устройств (ЗУ), печатающих устройств (ПУ);

32 Преимущества ВС 2 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) возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей между пользователями сети сокращение расходов на приобретение и эксплуатацию СВТИ облегчение работ по совершенствованию технических, программных и информационных средств

33 Аппаратное 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

34 Основные требования в ЭВМ Универсальность Модульность

35 Информационное обеспечение 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

36 Программное обеспечение (ПО) 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

37 Группы ПО сетей Общесетевое ПО Специальное ПО базовое программное обеспечение ЭВМ абонентских систем

38 Распределенная операционная система (РОС) РОС 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.

39 РОС обеспечивает: удовлетворение запросов пользователей по использованию общесетевых ресурсов организацию связи между отдельными прикладными программами 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 обмен файлами между АС сети передачу текстовых сообщений пользователям защиту информации и ресурсов сети от несанкционированного доступа выдачу справок, характеризующих состояние и использование ресурсов сети

40 Планирование в сети Статическое Динамическое Основной показатель эффективности – время решения задач

41 Вопросы при создании ТВС выбора рациональной структуры сети выбора типа линий и каналов связи между звеньями сети обеспечения способности доступа пользователей к общесетевым ресурсам распределения ресурсов по звеньям сети защиты информации и так далее

42 Классы требований к ТВС Временные Надёжностные Экономические

43 Классификация ТВС по территориальной рассредоточенности Глобальные Региональные Локальные

44 По характеру реализуемых функций Вычислительные Информационные Смешанные

45 По способу управления Централизованные Децентрализованные Смешанные

46 По организации передачи информации С селекцией информации С маршрутизацией информации

47 По типу организации передачи данных Коммутация каналов Коммутация сообщений Коммутация пакетов

48 По топологии Широковещательные 1.Кольцо 2.Звезда с интеллектуальным центром 3.Иерархическая Последовательные 1.Произвольная 2.Звезда

49 Широковещательные конфигурации

50 Последовательные конфигурации сетей

51 Последовательные конфигурации сетей 2

52 Основная функция телекоммуникационных систем Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или систем передачи данных (СПД), в условиях функционирования ТВС заключается в организации оперативного и надежного обмена информацией между абонентами, а также сокращении затрат на передачу данных. Главный показатель эффективности ТКС - время доставки информации

53 Типы каналов связи в ТКС Симплексные Полудуплексные Дуплексные Коммутируемые Некоммутируемые (выделенные)

54 Типы передаваемых сигналов Аналоговые Цифровые

55 Три способа аналоговой модуляции Амплитудная Частотная Фазовая

56 Цифровое кодирование Цифровое кодирование цифровых данных выполняется напрямую, путем изменения уровней сигналов, несущих информацию.

57 Синхронизация элементов ТКС Синхронизация - это часть протокола связи. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение еще до его прихода поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных.

58 Типы передачи Синхронная Асинхронная С автоподстройкой

59 Цифровые сети связи (ЦСС) Причины распространения сетевой технологии: Цифровые устройства более надёжны и дёшевы Универсальность при передаче информации Отсутствие многих ограничений аналоговых технологий

60 Спутниковые сети связи Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи. В настоящее время спутники связи запускаются на геосинхронную (геостационарную) орбиту, плоскость которой параллельна плоскости экватора.

61 Управление передачей данных между землёй и спутником Обычное мультиплексирование Обычная дисциплина «первичный / вторичный» Дисциплина «первичный / вторичный» с реализацией множественного доступа Равноранговые дисциплины управления

62 Преимущество спутниковых сетей большая пропускная способность обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи

63 Недостатки спутниковых сетей необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных чужими станциями наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах подверженность сигналов на участках Земля спутник и спутник -Земля влиянию различных атмосферных явлений

64 Методы коммутации коммутация цепей (каналов); коммутация с промежуточным хранением коммутация сообщений коммутация пакетов

65 Коммутация цепей При коммутации цепей (каналов) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК)

66 Недостатки метода коммутации цепей большое время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков; необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала; отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации; возможность монополизации канала одним источником информации; наращивание функций и возможностей сети ограничено; не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны).

67 Преимущества метода коммутации цепей отработанность технологии коммутации цепей (первое коммутационное устройство появилось еще в конце ХIХ в.); возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени; обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами; довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов)

68 Коммутация с промежуточным хранением особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание

69 Коммутация сообщений Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в гг. и до сих пор широко используется в некоторых областях (в электронной почте, электронных новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа запомнить и послать. Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение главный - подчиненный. Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в центре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками.

70 Недостатки метода коммутации сообщений необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности; недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных; выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры главный- подчиненный); коммутатор сообщений является потенциально узким местом по пропускной способности; каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением

71 Преимущества метода коммутации сообщений отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между абонентами; возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью; реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов; возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок; отсутствие потерь запросов на обслуживание

72 Цели метода коммутации пакетов обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение критических компонентов (коммутаторов) сети

73 Коммутация пакетов При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией: коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм. Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами коммутации пакетов (ЦКП) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКК не предполагается, поэтому пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение

74 Возможности коммутации пакетов увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов; легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий связи; осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход поврежденных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей; существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов

75 Символьная коммутация Символьная коммутация (иначе - субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит информационные биты, принадлежащие различным пользователям

76 Маршрутизация пакетов Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях; где не только необходим, но и возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута. Речь идет прежде всего о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов.

77 Алгоритм маршрутизации Алгоритм маршрутизации - это правило назначения выходной линии связи данного узла связи ТКС для передачи пакета, базирующегося на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя), и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, ТКС в целом.

78 Цели маршрутизации Обеспечение: минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю; максимальной пропускной способности сети, что достигается, в частности, нивелировкой загрузки линий связи ТКС; максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации; надежности доставки пакета адресату; минимальной стоимости передачи пакета адресату.

79 Способы маршрутизации Централизованная маршрутизация реализуется обычно в сетях с централизованным управлением. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация выполняется главным образом в сетях с децентрализованным управлением. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация

80 Показатели эффективности алгоритмов маршрутизации время доставки пакетов адресату; нагрузка на сеть, которая при реализации данного алгоритма создается потоками пакетов, распределяемыми, по линиям и узлам сети. Количественная оценка нагрузки осуществляется длиной очередей пакетов в узлах; затраты ресурсов в узлах связи (временем работы коммуникационной ЭВМ, емкостью памяти).

81 Факторы, снижающие эффективность передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой; передача пакета в направлении, не приводящем к минимальному времени его доставки; создание на сеть дополнительной нагрузки за счет передачи служебной информации, необходимой для реализации алгоритма.

82 Методы маршрутизации Простая Случайная Лавинная Фиксированная Адаптивная Локальная адаптивная Распределённая адаптивная Централизованная адаптивная Гибридная адаптивная

83 Параметры методов защиты от ошибок используемым для их реализации средствам по затратам времени на их применение на передающем и приемном пунктах по затратам дополнительного времени на передачу фиксированного объема данных по степени обеспечения достоверности передачи информации

84 Причины возникновения ошибок сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных объективных событий в сети помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями

85 Группы методов защиты от ошибок Групповые методы Мажоритарный метод метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока Помехоустойчивое кодирование Методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью

86 Системы с решающей обратной связью

87 Эффективность ТВС эффективность ТВС - это характеристика, отражающая степень соответствия сети своему назначению, техническое совершенство и экономическую целесообразность. Понятие эффективности связано с получением некоторого полезного результата - эффекта использования ТВС. Эффект достигается ценой затрат определенных ресурсов, поэтому эффективность сети часто рассматривается в виде соотношения между эффектом (выигрышем) и затратами.

88 Эффективность ТВС В общем виде W=W(t,LП, LТП, LА, LД, LУ). где W - множество ПЭ сети; t - время; LП, LТП, LА, LД, LУ - множества параметров соответственно входящих потоков запросов на обслуживание пользователей (LП), технических и программных средств сети (LТП), алгоритмов обработки и передачи информации в сети (LА), деятельности пользователей (LД), условий функционирования сети (LУ).

89 Показатели целевой эффективности ТВС Выбор показателей целевой эффективности сети определяется ее назначением, в связи с чем имеет место большое многообразие показателей группы WЦ. С помощью этих показателей оценивается эффект (целевой результат), получаемый за счет решения тех или иных прикладных задач на ЭВМ сети (с использованием общесетевых ресурсов - аппаратных, программных, информационных), а не вручную (если эти задачи вообще могут быть решены вручную в приемлемые сроки) или с использованием других, малоэффективных средств. Для количественной оценки этого эффекта могут применяться самые различные единицы измерения.

90 Показатели технической эффективности ТВС С помощью этих показателей оценивается эффективность ТВС как сложной аппаратно-программно-информапионной кибернетической СЧМ при работе ее в различных режимах. При этом не принимается во внимание эффект, получаемый за счет реализации результатов решения задач (удовлетворения запросов) пользователей ТВС. Показатели группы WТ могут использоваться для количественной оценки эффективности всей сети, ее отдельных систем и подсистем, звеньев и узлов сети

91 Примеры показателей технической эффективности VПД - пропускная способность сети, т.е. средний поток данных, фактически передаваемых через сеть (измеряется в Мбит/с). Этот показатель может использоваться для оценки как многомагистральной ТВС, так и одномагистральной (например, локальной сети, где данные передаются по моноканалу). Следует отличать фактическую пропускную способность канала или линии связи от физической пропускной способности ТЗС - задержка в сети, вносимая в передачу данных пользователя, т.е. время доставки сообщения от отправителя к получателю; VФ - скорость передачи фреймов (коротких сообщений длиной бит), т.е. количество фреймов, передаваемых за единицу времени по сети. ТЗС =f(VПД) - зависимость времени задержки сообщения в сети от ее средней пропускной способности. Среднее время реакции звена сети на запрос пользователя Максимально возможное число активных абонентов Коэффициент задержки обслуживания абонентов

92 Показатели экономической эффективности ТВС ЭГ - годовой экономический эффект, руб; Э--г - среднегодовой экономический эффект, руб; ЭП - полный экономический эффект за расчетный период, руб; ЕЭ - коэффициент экономической эффективности капитальных вложений (или единовременных затрат, имеющих характер капитальных вложений) на создание и внедрение всей сети или отдельных ее элементов (звеньев) или на совершенствование и развитие сети, 1/год; ТОК - срок окупаемости этих капитальных вложений, год. Эти показатели могут быть как ожидаемыми (при априорной оценке), так и фактическими (при апостериорной оценке).

93 Цель оценки эффективности обоснования экономической целесообразности их внедрения (особенно тех средств и технологий, экономическая эффективность которых вызывает сомнение и которые вместе с тем не дают сколько-нибудь заметного целевого эффекта, ради которого можно было бы пожертвовать экономическим эффектом); определения влияния этих средств и технологий на интегральную экономическую эффективность; сравнения конкурирующих вариантов внедряемых средств и технологий по частным показателям

94 Методы оценки эффективности Эффективность ТВС оценивается на различных стадиях жизненного цикла сети - от этапа ее проектирования, когда выполняется априорная (доопытная) оценка с целью определения ожидаемой эффективности и решения вопроса о целесообразности реализации проекта, до этапа эксплуатации, когда проводится апостериорная (послеопытная), на основе конкретного опыта эксплуатации) оценка с целью определения фактической эффективности, подтверждающей или в какой-то степени опровергающей прогнозы.

95 Требования к математическим моделям модель должна отражать роль и место человека в системе, поскольку именно она является предметом исследований при оценке эффективности системы; модель должна адекватно отражать деятельность операторов системы (пользователей сети), в ней должны быть идентифицированы их различия и особенности; модель должна охватывать основной и вспомогательный процессы функционирования системы. Под основным процессом понимается совокупность операций, в результате выполнения которых достигается поставленная цель. Вспомогательные процессы - это процессы планирования и обеспечения; в модели системы должна быть предусмотрена возможность отражения параллельно протекающих процессов; в модели должны сочетаться свойства описательности и оцениваемости процессов функционирования; язык модели должен быть доступен человеку и ЭВМ, поскольку экспериментальное исследование модели проводится на ЭВМ; время, затрачиваемое на экспериментальное исследование математической модели системы, должно быть в пределах допустимого.

96 Цель аналитического моделирования системы получения информации, с помощью которой можно было бы определить целесообразное направление дальнейших исследований, проводимых методами имитационного моделирования, и тем самым уменьшить объем исследований; уменьшения объема имитационного моделирования за счет предварительного определения некоторых показателей и экстраполяции отдельных результатов моделирования.

97 Пути повышения эффективности использования ТВС Рациональное сочетание различных организационных форм использования средств вычислительной техники и информатики (СВТИ) в рамках ТВС. Совершенствование технологии предоставления информационно- вычислительных услуг в рамках распределенной формы использования СВТИ Увеличение объемов работ по выпуску новых программных средств (сетевых операционных систем, прикладного программного обеспечения), созданию баз данных и баз знаний, экспертных и других интеллектуальных систем. Совершенствование организационных форм технического обслуживания СВТИ, используемых в сетях.

98 Идеологическая основа стандартизации В компьютерных сетях идеологической основой стандартизации является мно­ гоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. Именно на основе этого подхода была разработана стандартная семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

99 Многоуровневый подход, декомпозиция

100 Многоуровневый подход – создание иерархии задач

101 Представление сетевого взаимодействия Средства сетевого взаимодействия, конечно, тоже могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. При этом модули нижне­го уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня. А на верхнем уровне работают модули, предоставляющие пользователям доступ к различным службам файловой, печати и т. п.

102 Многоуровневый подход к описанию сетевых функций

103 Модель взаимодействия двух узлов

104 Интерфейс Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы модулей соседних уровней в одном узле. Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

105 Стек коммуникационных протоколов Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней как правило, чисто программными средствами. Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют «протоколом». При этом соотношение между протоколом формально определенной процедурой и протоколом программным модулем, реали­зующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

106 Модель OSI В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации ISO, ITU-T и некоторые другие разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью OSI. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указы­вает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

107 Модель OSI

108 Заголовки различных уровней

109 Дополнительные термины Наряду с термином сообщение (message) существуют и другие термины, приме­няемые сетевыми специалистами для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных определенных уровней - часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейта­грамма (datagram), сегмент (segment).

110 Типы протоколов В протоколах с установлением соединения (connection- oriented) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать неко­торые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данными. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Вторая группа протоколов протоколы без предварительного установления соединения (connectionless). Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово.

111 Физический уровень Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих диск­ретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряже­ния или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

112 Канальный уровень Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпада­ют, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров.

113 Канальный уровень (слайд 2) В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологи­ей связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов при­кладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспорт­ного уровней

114 Сетевой уровень Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны

115 Маршрутизатор Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно со­ вершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от hop прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые про­ходит пакет

116 Пример составной сети

117 Протоколы сетевого уровня Первый вид -- сетевые протоколы (routed protocols) реализуют продвижение пакетов через сеть. протоколами маршрутизации (routing protocols). С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. протоколами разрешения адресов Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути

118 Транспортный уровень Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верх­ним уровням стека прикладному и сеансовому передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а глав­ное способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как Искажение, потеря и дублирование пакетов.

119 Сетевой транспорт Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым транспор­том или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы

120 Сеансовый уровень Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала.

121 Представительский уровень Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представле­ния передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечи­вается сразу для всех прикладных служб.

122 Прикладной уровень Прикладной уровень (Application layer) это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

123 Сетезависимые и сетенезависимые уровни Три нижних уровня физический, канальный и сетевой являются сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Три верхних уровня прикладной, представительный и сеансовый ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию.

124 Сетезависимые и сетенезависимые уровни

125 Соответствие устройств уровням модели

126 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» понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик.

127 Преимущества открытости возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта; возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами; возможность легкого сопряжения одной сети с другой; простота освоения и обслуживания сети

128 Модульность Модульность это одно из неотъемлемых и естественных свойств вычислительных сетей. Модульность проявляется не только в многоуровневом представлении коммуникационных протоколов в конечных узлах сети, хотя это, безусловно, важная и принципиальная особенность сетевой архитектуры. Сеть состоит из огромного числа различных модулей компьютеров, сетевых адаптеров, мостов, маршрутизаторов, модемов, операционных систем и модулей приложений. Разнообразные требования, предъявляемые предприятиями к компьютерным сетям, привели к такому же разнообразию выпускаемых для построения сети устройств и программ.

129 Стандартизация Так как все компоненты сети должны работать согласованно, совершенно необходимым оказалось принятие многочисленных стандартов, которые, если не во всех, то хотя бы в большинстве случаев, гарантировали бы совместимость оборудования и программ различных фирм-изготовителей. Модульный подход только тогда дает преимущества, когда он сопровождается следованием стандартам.

130 Источники стандартов стандарты отдельных фирм (например, стек протоколов DECnet фирмы Digital Equipment или графический интерфейс OPEN LOOK для Unix-систем фирмы Sun); стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых несколькими фирмами, например стандарты технологии ATM, разрабатываемые специально созданным объединением ATM Forum, насчитывающем около 100 коллектив­ных участников, или стандарты союза Fast Ethernet Alliance по разработке стан­дартов 100 Мбит Ethernet; национальные стандарты, например, стандарт FDDI, представляющий один из многочисленных стандартов, разработанных Американским национальным ин­ститутом стандартов (ANSI), или стандарты безопасности для операционных систем, разработанные Национальным центром компьютерной безопасности (NCSC) Министерства обороны США; международные стандарты, например, модель и стек коммуникационных протоколов Международной организации по стандартам (ISO), многочисленные стандарты Международного союза электросвязи (ITU), в том числе стандарты на сети с коммутацией пакетов Х.25, сети frame relay, ISDN, модемы и многие другие.

131 Организации, разрабатывающие стандарты Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO, Международный союз электросвязи (International Telecommunications Union, ITU) Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) Европейская ассоциация производителей компьютеров (European Computer Manufacturers Association, ECMA) Ассоциация производителей компьютеров и оргтехники (Computer and Business Equipment Manufacturers Association, СВЕМА) Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association, EIA) Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute, ANSI)

132 Стандарты Интернет Особую роль в выработке международных открытых стандартов играют стан­дарты Internet. Ввиду большой и постоянной растущей популярности Internet, эти стандарты становятся международными стандартами «де-факто», многие из которых затем приобретают статус официальных международных стандартов за счет их утверждения одной из вышеперечисленных организаций, в том числе ISO и ITU-T.

133 Организации – источники стандартов Интернет Существует несколько организационных подразделений, отвечающих за развитие Internet и, в частности, за стандартизацию средств Internet. Основным из них является Internet Society (ISOC) профессиональное сооб­щество, которое занимается общими вопросами эволюции и роста Internet как гло­ бальной коммуникационной инфраструктуры. Под управлением ISOC работает Internet Architecture Board (IAB) организация, в ведении которой находится технический контроль и координация работ для Internet. IAB координирует на­правление исследований и новых разработок для стека TCP/IP и является конеч­ной инстанцией при определении новых стандартов Internet.

134 Стандартные стеки коммуникационных протоколов В настоящее время в сетях используется большое количество стеков коммуникационных протоколов. Наибо­лее популярными являются стеки: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB, DECnet, SNA и OSI. Все эти стеки, кроме SNA на нижних уровнях физическом и канальном, используют одни и те же хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. Зато на верхних уровнях все стеки работают по своим собственным протоколам.

135 Стек OSI стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает спецификации протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях стек OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, протоколы глобальных сетей, X.25 и ISDN, то есть использует разработан­ные вне стека протоколы нижних уровней, как и все другие стеки. Протоколы сетевого, транспортного и сеансового уровней стека OSI специфицированы и реа­лизованы различными производителями, но распространены пока мало. Наиболее популярными протоколами стека OSI являются прикладные протоколы.

136 Стек TCP / IP Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPANET с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стандарты фи­зического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных протоколы работы на аналоговых коммутируемых и вы­деленных линиях SLIP, РРР, протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN. Сегодня стек TCP/IP представляет собой один из самых распространенных стеков транспортных протоколов вычислительных сетей.

137 Особенности стека TCP / IP Очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Другой особенностью технологии TCP/IP является гибкая система адресации, позволяющая более просто по сравнению с другими протоколами аналогич­ного назначения включать в интерсеть сети других технологий.

138 Стек IPX/SPX Этот стек является оригинальным стеком протоколов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной системы NetWare еще в начале 80-х годов. Прото­колы сетевого и сеансового уровней Internetwork Packet Exchange (IPX) и Sequenced Packet Exchange (SPX), которые дали название стеку, являются прямой адаптацией протоколов XNS фирмы Xerox, распространенных в гораздо меньшей степени, чем стек IPX/SPX. Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних версий ОС NetWare (до версии 4.0) на работу в локальных сетях небольших размеров, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами.

139 Стек NetBIOS / SMB Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 году как сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC Network фирмы IBM. В дальнейшем этот протокол был заменен так называемым протоколом расширенного пользова­тельского интерфейса NetBEUI NetBIOS Extended User Interface. Для обеспече­ния совместимости приложений в качестве интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен интерфейс NetBIOS. Протокол NetBEUI разрабатывался как эффектив­ный протокол, потребляющий немного ресурсов и предназначенный для сетей, насчитывающих не более 200 рабочих станций. Протокол SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, пред­ставительного и прикладного уровней. На основе SMB реализуется файловая служба, а также службы печати и передачи сообщений между приложениями.

140 Соответствие стеков протоколов модели OSI

141 Классы вычислительных сетей К локальным сетям Local Area Networks (LAN) относят сети компьютеров, со­средоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Глобальные сети Wide Area Networks (WAN) объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Городские сети (или сети мегаполисов) Metropolitan Area Networks (MAN) являются менее распространенным типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно. Они предназначены для обслуживания территории крупного города мегаполиса

142 Отличия локальных сетей от глобальных Протяженность, качество и способ прокладки линий связи Сложность методов передачи и оборудования Скорость обмена данными Разнообразие услуг Оперативность выполнения запросов Разделение каналов Использование метода коммутации пакетов Масштабируемость

143 Факторы сближения локальных и глобальных сетей Интеграция удалённых локальных сетей Повышение пропускной способности, скорости передачи данных, расширение набора и оперативности служб Таким образом, в мире локальных и глобальных сетей явно наметилось движение навстречу друг другу, которое уже сегодня привело к значительному взаимо­проникновению технологий локальных и глобальных сетей.

144 Сети большого города При достаточно больших расстояниях между узлами они об­ладают качественными линиями связи и высокими скоростями обмена, даже более высокими, чем в классических локальных сетях. Как и в случае локальных сетей, при построении MAN уже существующие линии связи не используются, а прокладываются заново. Сближение в методах передачи данных происходит на платформе оптической цифровой (немодулированной) передачи данных по оптоволоконным линиям связи. Из-за резкого улучшения качества каналов связи в глобальных сетях начали отказываться от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности передачи данных. Примером могут служить сети frame relay. В этих сетях предполагается, что искажение бит происходит настолько редко, что ошибочный пакет просто уничтожается, а все проблемы, связанные с его потерей, решаются программами прикладного уровня.

145 On-line технологии За счет новых сетевых технологий и, соответственно, нового оборудования, рассчитанного на более качественные линии связи, скорости передачи данных в уже существующих коммерческих глобальных сетях нового поколения приближаются к традиционным скоростям локальных сетей. В результате службы для режима on-line становятся обычными и в глобальных сетях. Наиболее яркий пример гипертекстовая информационная служба World Wide Web, ставшая основным поставщиком информации в сети Internet. Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин lntranet-технологии (intra внутренний), обозначаю­щий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних локальных.

146 Глобальные технологии в локальных сетях Локальные сети перенимают у глобальных сетей и транспортные технологии. Все новые скоростные технологии (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN) поддерживают работу по индивидуальным линиям связи наряду с традиционными для локальных сетей разделяемыми линиями. Для организации индивидуальных линий связи используется специальный тип коммуникационного оборудования коммутаторы В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных сетях. И наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология ATM, которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а также широковеща­тельных видеосетей, объединяя все существующие типы графика в одной транс­портной сети

147 Классификация сетей по масштабу подразделения Сети отделов Сети кампусов Корпоративные сети

148 Сети отделов Сети отделов это сети, которые используются сравнительно небольшой группой сотрудников, работающих в одном отделе предприятия. Эти сотрудники решают некоторые общие задачи, например ведут бухгалтерский учет или занимаются мар­кетингом. Считается, что отдел может насчитывать до сотрудников. Главной целью сети отдела является разделение локальных ресурсов, таких как приложения, данные, лазерные принтеры и модемы. Обычно сети отделов имеют один или два файловых сервера и не более тридцати пользователей. Сети отделов обычно не разделяются на подсети. В этих сетях локализуется большая часть графика предприятия. Сети отделов обычно создаются на основе какой-либо одной сетевой технологии. Для такой сети характерен один или, максимум, два типа операционных систем. Чаще всего это сеть с выделенным сервером, например NetWare или NT, хотя небольшое количество пользователей делает возможным использование одноранговых сетевых ОС, таких, например, как Windows 95.

149 Задачи управления сетью на уровне отдела Задачи управления сетью на уровне отдела относительно просты: добавление новых пользователей, устранение простых отказов, инсталляция новых узлов и установка новых версий программного обеспечения. Такой сетью может управлять сотрудник, посвящающий обязанностям администратора только часть своего времени. Чаще всего администратор сети отдела не имеет специальной подготовки, но является тем человеком в отделе, который лучше всех разбирается в компьютерах, и само собой получается так, что он занимается администрированием сети.

150 Сети рабочих групп К таким сетям относят совсем небольшие сети, включающие до компьюте­ров. Характеристики сетей рабочих групп практически не отличаются от описан­ных выше характеристик сетей отделов. Такие свойства, как простота сети и однородность, здесь проявляются в наибольшей степени, в то время как сети отде­лов могут приближаться в некоторых случаях к следующему по масштабу типу сетей сетям кампусов.

151 Сеть масштаба отдела

152 Сети кампусов Сети кампусов получили свое название от английского слова campus студенчес­кий городок. Именно на территории университетских городков часто возникала необходимость объединения нескольких мелких сетей в одну большую сеть. Сейчас это название не связывают со студенческими городками, а используют для обозначения сетей любых предприятий и организаций.

153 Особенности сети кампусов Сети этого типа объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах отдельного здания или в пределах одной территории, покрывающей пло­щадь в несколько квадратных километров. При этом глобальные соединения в сетях кампусов не используются. Службы такой сети включают взаимодействие между сетями отделов, доступ к общим базам данных предприятия, доступ к общим факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам. Важной службой, предоставляемой сетями кам­пусов, стал доступ к корпоративным базам данных независимо от того, на каких типах компьютеров они располагаются. Типы компьютеров, сетевых операционных систем, сетевого аппаратного обеспечения могут отличаться в каждом отделе. Отсюда вытекают сложности управления сетями кампусов. Администрато­ры должны быть в этом случае более квалифицированными, а средства оператив­ного управления сетью более совершенными

154 Сеть кампуса

155 Корпоративные сети Корпоративные сети называют также сетями масштаба предприятия. Сети масштаба предприятия (корпоративные сети) объединяют большое количество компьютеров на всех территориях отдельного предприятия. Они могут быть сложно связаны и по­крывать город, регион или даже континент. Число пользователей и компьютеров может измеряться тысячами, а число серверов сотнями, расстояния между сетями отдельных территорий могут оказаться такими, что становится необходимым использование глобальных связей

156 Гетерогенность корпоративных сетей Непременным атрибутом такой сложной и крупномасштабной сети является высокая степень гетерогенности нельзя удовлетворить потребности тысяч пользователей с помощью однотипных программных и аппаратных средств. В корпора­тивной сети обязательно будут использоваться различные типы компьютеров от мэйнфреймов до персоналок, несколько типов операционных систем и множество различных приложений. Неоднородные части корпоративной сети должны рабо­тать как единое целое, предоставляя пользователям по возможности прозрачный доступ ко всем необходимым ресурсам

157 Корпоративная сеть

158 Требования, предъявляемые к вычислительным сетям Главное требование - обеспечение пользователям потенциальной возможности доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть Дополнительные: Производительность Надежность Совместимость Управляемость Защищенность Расширяемость Масштабируемость

159 Два подхода к обеспечению качества обслуживания Первый подход состоит в том, что сеть (точнее, обслуживающий ее персонал) гарантирует пользователю соблюдение некото­рой числовой величины показателя качества обслуживания Второй подход состоит в том, что сеть обслуживает пользователей в соответствии с их приоритетами, то есть качество обслуживания зависит от степени привилегированности пользователя или группы пользователей, к которой он принадлежит.

160 Характеристики производительности сети время реакции; пропускная способность; задержка передачи и вариация задержки передачи

161 Время реакции сети Время реакции сети является интегральной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя. Именно эту характеристику имеет в виду пользователь, когда говорит: «Сегодня сеть работает медленно». В общем случае время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. Очевидно, что значение этого показателя зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов сети загруженности сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т. п.

162 Пропускная способность сети Пропускная способность отражает объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени. Пропускная способность уже не является пользовательской характеристикой, так как она говорит о скорости выполнения внутренних операций сети передачи пакетов данных между узлами сети через различные коммуникационные устройства. Зато она непосредственно характеризует качество выполнения основной функции сети транспортировки сообщений и поэтому чаще используется при анализе производительности сети, чем время реакции. Пропускная способность измеряется либо в битах в секунду, либо в пакетах в секунду. Пропускная способность может быть мгновенной, максимальной и средней. Иногда полезно оперировать с общей пропускной способностью сети, которая определяется как среднее количество информации, переданной между всеми узла­ми сети в единицу времени. Этот показатель характеризует качество сети в целом, не дифференцируя его по отдельным сегментам или устройствам

163 Задержка передачи Задержка передачи определяется как задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства. Этот параметр производительности по смыслу близок ко времени реакции сети, но отличается тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки компьютерами сети. Обычно качество сети характеризуют величинами максимальной задержки передачи и вариацией задержки. Пропускная способность и задержки передачи являются независимыми парамет­ рами, так что сеть может обладать, например, высокой пропускной способностью, но вносить значительные задержки при передаче каждого пакета. Пример такой ситуации дает канал связи, образованный геостационарным спутником. Пропускная способность этого канала может быть весьма высокой, например 2 Мбит/с, в то время как задержка передачи всегда составляет не менее 0,24 с, что определяется скоростью распространения сигнала (около км/с) и длиной канала ( км).

164 Надёжность и безопасность Одной из первоначальных целей создания распределенных систем, к которым относятся и вычислительные сети, являлось достижение большей надежности по сравнению с отдельными вычислительными машинами. Важно различать несколько аспектов надежности. Для технических устройств используются такие показатели надежности, как среднее время наработки на отказ, вероятность отказа, интенсивность отказов. Однако эти показатели пригодны для оценки надежности простых элементов и устройств, которые могут находиться только в двух состояниях работоспособном или неработоспособном. Сложные системы, состоящие из многих элементов, кроме состояний работоспособности и неработоспособности, могут иметь и другие промежуточные состояния, которые эти характеристики не учитывают. В связи с этим для оценки надежности слож­ных систем применяется другой набор характеристик.

165 Готовность Готовность или коэффициент готовности (availability) означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность может быть улучшена путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.

166 Вероятность доставки пакета Так как сеть работает на основе механизма передачи пакетов между конечными узлами, то одной из характерных характеристик надежности является вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений. Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели: вероятность потери пакета (по любой из причин из-за переполнения буфера маршрутизатора, из- за несовпадения контрольной суммы, из-за отсутствия работоспособного пути к узлу назначения и т. д.), вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, отношение потерянных пакетов к доставленным

167 Безопасность Другим аспектом общей надежности является безопасность (security), то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа. В распределенной системе это сделать гораздо сложнее, чем в централизованной. В сетях сообщения передаются по линиям связи, часто проходящим через общедоступные помещения, в которых могут быть установлены средства прослушивания линий. Другим уязвимым местом могут быть оставленные без присмотра персональные компьютеры. Кроме того, всегда имеется потенциальная угроза взлома зашиты сети от неавторизованных пользователей, если сеть имеет выходы в глобальные сети общего пользования.

168 Отказоустойчивость В сетях под отказоустойчивостью понимается способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если копии таблицы базы данных хранятся одновременно на нескольких файловых серверах, то пользователи могут просто не заметить отказ одного из них. В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы (деградации), а не к полному останову.

169 Расширяемость Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной. При этом принципиально важно, что легкость расширения системы иногда может обеспечиваться в некоторых весьма ограниченных пределах. Например, локальная сеть Ethernet, построенная на основе одного сегмента толстого ко­ аксиального кабеля, обладает хорошей расширяемостью, в том смысле, что позволяет легко подключать новые станции. Однако такая сеть имеет ограничение на число станций их число не должно превышать Хотя сеть допускает физическое подключение к сегменту и большего числа станций (до 100), но при этом чаще всего резко снижается производительность сети. Наличие такого ограничения и является признаком плохой масштабируемости системы при хорошей расширяемости.

170 Масштабируемость Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать ко­личество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом про­изводительность сети не ухудшается. Для обеспечения масштабируемости сети приходится применять дополнительное коммуникационное оборудование и спе­циальным образом структурировать сеть. Например, хорошей масштабируемостью обладает многосегментная сеть, построенная с использованием коммутаторов и маршрутизаторов и имеющая иерархическую структуру связей. Такая сеть может включать несколько тысяч компьютеров и при этом обеспечивать каждому пользователю сети нужное качество обслуживания.

171 Прозрачность Прозрачность (transparency) сети достигается в том случае, когда сеть представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая традиционная вычислительная машина с системой разделения времени. Прозрачность может быть достигнута на двух различных уровнях на уровне пользователя и на уровне программиста. На уровне пользователя прозрачность означает, что для работы с удаленными ресурсами он использует те же команды и привычные ему процедуры, что и для работы с локальными ресурсами. На программном уровне прозрачность заключается в том, что приложению для доступа к удаленным ресурсам требуются те же вызовы, что и для доступа к локальным ресурсам.

172 Поддержка разных видов трафика Компьютерные сети изначально предназначены для совместного доступа пользователя к ресурсам компьютеров: файлам, принтерам и т. п. Однако 90-е годы стали годами проникнове­ния в компьютерные сети графика мультимедийных данных, представляющих в цифровой форме речь и видеоизображение. Главной особенностью графика, образующегося при динамической передаче голоса или изображения, является наличие жестких требований к синхронности передаваемых сообщений. В то же время трафик компьютерных данных характеризуется крайне неравномерной интенсивностью поступления сообщений в сеть при отсутствии жестких требований к синхронности доставки этих сообщений. Особую сложность представляет совмещение в одной сети традиционного ком­ пьютерного и мультимедийного трофика. Передача исключительно мультимедийного графика компьютерной сетью хотя и связана с определенными сложностями, но вызывает меньшие трудности. А вот случай сосуществования двух типов трафика с противоположными требованиями к качеству обслуживания является намного более сложной задачей

173 Управляемость Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети. В идеале средства управления сетями представляют собой систему, осуществляющую наблюдение, контроль и управление каждым элементом сети от простейших до самых сложных устройств, при этом такая система рассматривает сеть как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных устройств. Хорошая система управления наблюдает за сетью и, обнаружив проблему, акти­ визирует определенное действие, исправляет ситуацию и уведомляет администратора о том, что произошло и какие шаги предприняты. Одновременно с этим система управления должна накапливать данные, на основании которых можно планиро­вать развитие сети. Наконец, система управления должна быть независима от про­изводителя и обладать удобным интерфейсом, позволяющим выполнять все действия с одной консоли.

174 Совместимость Совместимость или интегрируемость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение, то есть в ней могут сосуществовать различные операционные системы, поддерживающие разные стеки коммуникационных протоколов, и работать аппаратные средства и приложения от разных производителей. Сеть, состоящая из разнотипных элементов, называется неоднородной или гетерогенной, а если гетерогенная сеть работает без проблем, то она является интегрированной. Основной путь построения интегрированных се­тей использование модулей, выполненных в соответствии с открытыми стандартами и спецификациями

175 Структурированная кабельная система (СКС) СКС – основа работы любой сети, основа качества работы сети СКС это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. СКС создаётся заранее избыточной, что позволяет экономить средства в будущем СКС обладает иерархической структурой

176 Иерархия СКС

177 Элементы структуры СКС горизонтальные подсистемы (в пределах этажа); вертикальные подсистемы (внутри здания); подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями)

178 Подсистемы СКС Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Подсистема кампуса соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone).

179 Преимущества СКС Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети. Это позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия. Увеличение срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять лет. Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. При таком подходе все работы по добавлению или перемещению пользователя сводятся к подключению компьютера к уже имеющейся розетке. Возможность легкого расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко расширять. Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой. Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку производитель такой системы гарантирует не только качества ее отдельных компонентов, но и их совместимость.

180 Горизонтальная подсистема Горизонтальная подсистема характеризуется очень большим количеством ответвлений кабеля, так как его нужно провести к каждой пользовательской розетке, причем и в тех комнатах, где пока компьютеры в сеть не объединяются. Поэтому к кабелю, используемому в горизонтальной проводке, предъявляются повышенные требования к удобству выполнения ответвлений, а также удобству его прокладки в помещениях. На этаже обычно устанавливается кроссовая панель, которая позволяет с помощью коротких отрезков кабеля, оснащенного разъемами провести перекоммутацию соединений между пользовательским оборудованием и концентраторами/коммутаторами.

181 Горизонтальная подсистема

182 Параметры выбора кабеля для горизонтальной подсистемы полоса пропускания Расстояние физическая защищенность электромагнитная помехозащищенность стоимость Существующая кабельная система

183 Типы кабеля Экранированная витая пара STP Неэкранированная витая пара UTP Коаксиальный кабель Оптоволокно Беспроводная связь Преобладающим типом является UTP 5e, скорость до 1 Гб.

184 Типы кабеля для вертикальной подсистемы Оптоволокно Коаксиальный кабель Широкополосный телевизионный кабель

185 Использование оптоволокна Преимущества: расстояние, помехозащищённость, защита от несанкционированного доступа Недостатки: дороговизна как кабеля, так и работ по прокладке, низкая прочность, затраты на расширение

186 Выбор кабеля для подсистемы кампуса Оптоволоконный кабель является наилучшим выбором для подсистем нескольких зданий, расположенных в радиусе нескольких километров. Для этих подсистем также подходит толстый коаксиальный кабель. При выборе кабеля для кампуса нужно учитывать воздействие среды на кабель вне помещения. Для предотвращения поражения молнией лучше выбрать для внешней проводки неметаллический оптоволоконный кабель. По многим причинам внешний кабель производится в полиэтиленовой защитной оболочке высокой плотности. При подземной прокладке кабель должен иметь специальную влагозащитную оболочку (от дождя и подземной влаги), а также металлический защитный слой от грызунов и вандалов. Влагозащитный кабель имеет прослойку из инертного газа между диэлектриком, экраном и внешней оболочкой.

187 Сетевые адаптеры Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети компьютере. Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра

188 Классификация сетевых адаптеров 3 поколения адаптеров: Адаптеры первого поколения были выполнены на дискретных логических микросхемах, в результате чего обладали низкой надежностью. Они имели буферную память только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптера, так как все кадры передавались из компьютера в сеть или из сети в компьютер последовательно. В сетевых адаптерах второго поколения широко используются микросхемы с высокой степенью интеграции, что повышает надежность адаптеров. Кроме того, драйверы этих адаптеров основаны на стандартных спецификациях. В сетевых адаптерах третьего поколения осуществляется конвейерная схема обработки кадров. Она заключается в том, что процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени. Современные адаптеры – адаптеры четвёртого поколения. В эти адаптеры обязательно входит ASIC, выполняющая функции mac-уровня, а также большое количество высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга RMON, схема приоритезации кадров, функции дистанционного управления компьютером и т. п. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор.

189 Концентраторы Имеют несколько равноправных названий концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель (repeater). В зависимости от области применения этого устройства в значительной степени изменяется состав его функций и конструктивное исполнение. Неизменной остается только основная функция это повторение кадра либо на всех портах (как определено в стандарте Ethernet), либо только на некоторых портах, в соответствии с алгоритмом, определенным соответствующим стандартом. Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одним из рассмотренных протоколов локальных сетей. Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количество дополнительных функций, которые либо в стандарте вообще не определен либо являются факультативными.