48560

Основные аспекты компьютерных технологий, которые служат платформой, обеспечивающей целостное представление о современной сфере ИКТ

Конспект

Информатика, кибернетика и программирование

Принципы и проблемы физической передачи данных по линиям связи Даже при рассмотрении простейшей сети состоящей всего из двух машин можно увидеть многие проблемы присущие любой вычислительной сети в том числе проблемы связанные с физической передачей сигналов по линиям связи без решения которой невозможен любой вид связи. По степени территориальной рассосредоточенности элементов сети абонентских систем узлов связи различают глобальные региональные и локальные вычислительные сети. К классу ЛВС относятся сети предприятий фирм банков...

Русский

2013-12-12

1.24 MB

11 чел.

51

PAGE  58

Направление №1

Основные аспекты компьютерных технологий, которые служат платформой, обеспечивающей целостное представление о современной сфере ИКТ

2. Опишите основные принципы построения локальных вычислительных сетей.

Принципы и проблемы физической передачи данных по линиям связи

Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей всего из двух машин, можно увидеть многие проблемы, присущие любой вычислительной сети, в том числе проблемы, связанные с физической передачей сигналов по линиям связи, без решения которой невозможен любой вид связи.

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например, потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю - другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

Аналогичные подходы могут быть использованы для кодирования данных и при передаче их между двумя компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к значительно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляцию (). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.

Рис. . Примеры представления дискретной информации

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.

На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами. Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

Несмотря на предпринимаемые меры - выбор соответствующей скорости обмена данными, линий связи с определенными характеристиками, способа синхронизации приемника и передатчика, - существует вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных. Для повышения надежности передачи данных между компьютерами часто используется стандартный прием - подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов. Часто в протокол обмена данными включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, который подтверждает правильность приема данных и посылается от получателя отправителю.

Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, а в глобальных сетях - аппаратура передачи данных, к которой относятся, например, устройства, выполняющие модуляцию и демодуляцию дискретных сигналов, - модемы. Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции. Сетевые адаптеры рассчитаны, как правило, на работу с определенной передающей средой - коаксиальным кабелем, витой парой, оптоволокном и т. п. Каждый тип передающей среды обладает определенными электрическими характеристиками, влияющими на способ использования данной среды, и определяет скорость передачи сигналов, способ их кодирования и некоторые другие параметры.

Проблемы объединения нескольких компьютеров. Классификация и топология сетей.

В основу классификации КС положены наиболее характерные функциональные, информационные и структурные признаки.

По степени территориальной рассосредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные и локальные вычислительные сети.

Глобальная вычислительная сеть (ГВС) объединяет абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающие различные страны и континенты. ГВС решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним.

Взаимодействие АС осуществляется на базе различный территориальных сетей связи, в которых используются телефонные линии связи, радиосвязь, системы спутниковой связи.

Региональная вычислительная сеть (РВС) объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстояний в пределах отдельной страны, региона, большого города.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) связывает абонентские системы, расположенные в пределах небольшой территории. К классу ЛВС относятся сети предприятий, фирм, банков, офисов, учебных заведений и т.д. Протяженность ЛВС ограничивается несколькими километрами.

Отдельный класс составляют корпоративные вычислительные сети (КВС). Корпоративная сеть является технической базой корпорации. Ей принадлежит ведущая роль в реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации.

Объединение локальных, региональных, корпоративных и глобальных сетей позволяет создавать сложные многосетевые иерархии.

По способу управления КС делятся на сети с централизованным ( в сети имеется один или несколько управляющих органов), децентрализованным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления (например, под централизованным управлением решаются только задачи с высшим приоритетом, связанные с обработкой больших объемов информации).

По организации передачи информации сети делятся на сети с селекцией информации и маршрутизацией информации.

В сетях селекцией информации, строящихся на основе моноканала, взаимодействие АС производится выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров), т.е. всем АС сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только АС, которым они предназначены.

В сетях с маршрутизацией информации для передачи кадров от отправителя к получателю может использоваться несколько маршрутов. Поэтому с помощью коммуникационных систем сети решается задача выбора оптимального (например, кратчайшего по времени доставки кадра адресату) маршрута.

По топологии, т.е. конфигурации элементов в КС, сети могут делиться на два класса: широковещательные и последовательные.

Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам - физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями или узлами сети.

Заметим, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

В широковещательных конфигурациях в любой момент времени на передачу кадра может работать только одна рабочая станция, а остальные рабочие станции (PC) сети могут принимать этот кадр, т.е. такие конфигурации характерны для ЛВС с селекцией информации.

Основные типы широковещательной конфигурации:

общая шина

дерево

звезда с пассивным центром.

В последовательных конфигурациях, характерных для сетей с маршрутизацией информации, передача данных осуществляется последовательно от одной PC к соседней, причем на различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях

Последовательные конфигурации сетей:

произвольная (ячеистая)

иерархическая

кольцо

цепочка

звезда с «интеллектуальным» центром

Структуризация как средство построения больших сетей

В сетях с небольшим (10-30) количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.

Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:

  •  ограничения на длину связи между узлами;
  •  ограничения на количество узлов в сети;
  •  ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно подключить не более 30 компьютеров. Однако, если компьютеры интенсивно обмениваются информацией между собой, иногда приходится снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование - повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Оборудование такого рода также называют коммуникационным, имея в виду, что с помощью него отдельные сегменты сети взаимодействуют между собой.

Управление взаимодействием прикладных процессов

Реализация рассредоточенных и взаимодействующих процессов в сетях осуществляется на основе двух концепций:

ПЕРВАЯ устанавливает связи между процессами без функциональной среды между ними

ВТОРАЯ определяет связь только через функциональную среду.

В первом случае правильность понимания действий, происходящих в рамках соединяемых процессов взаимодействующих АС обеспечивается соответствующими средствами доступа в составе сетевых операционных систем (СОС).

Однако предусмотреть такие средства на все случаи соединения процессов нереально. Поэтому взаимодействующие процессы в сетях соединяются с помощью функциональной среды, обеспечивающей выполнение определенного свода правил — протоколов связи процессов.

Протоколы реализуются с учетом принципа пакетной коммутации, в соответствии с которым перед передачей сообщение разбивается на блоки — пакеты определенной длины.

Каждый пакет представляет собой независимую единицу передачи информации, содержащую, кроме собственно данных, служебную информацию (адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информацию для контроля правильности принятых данных).

Практика создания и развития КС привела к необходимости разработки стандартов по всему комплексу вопросов организации сетевых систем.

В 1978 г. Международная организация по стандартизации (МОС) предложила семиуровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС).

Она создает основу для анализа существующих КС и определения новых сетей и стандартов.

В соответствии с эталонной моделью ВОС абонентская система представляется прикладными процессами и процессами взаимодействия.

Последние разбиваются на семь функциональных уровней, функции и процедуры, выполняемые в рамках одного функционального уровня, составляют соответствующий уровневый протокол. Нумерация уровневых протоколов идет снизу вверх. Функциональные уровни взаимодействуют на строго иерархической основе: каждый уровень пользуется услугами нижнего уровня и, в свою очередь, обслуживает уровень, расположенный выше.

Стандартизация распространяется на протоколы связи одноименных уровней взаимодействующих АС.

АС - 1

АС - N

Прикладные процессы

Уровневые протоколы

Прикладные процессы

Уровни процессов взаимодействия

7

Прикладной

Управление прикладными процессами

Уровни процессов взаимодействия

7

Прикладной

6

Представительный

Управление представлением данных

6

Представительный

5

Сеансовый

Управление сеансами

5

Сеансовый

4

Транспортный

Управление трафиком

4

Транспортный

3

Сетевой

Управление сетью

3

Сетевой

2

Канальный

Управление информационным каналом

2

Канальный

1

Физический

Управление физическим каналом

1

Физический

Передающая среда (коммуникационная подсеть)

Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем

Уровень OSI

Назначение

Примеры протоколов

7. Прикладной

Обеспечивает прикладным процессам пользователя средства доступа к сетевым ресурсам; является интерфейсом между программами пользователя и сетью. Имеет интерфейс с пользователем.

X.400, NCP, HTTP, SMTP, FTP, FTAM, SAP, DNS, Telnet и т.д.

6. Представления

Устанавливает стандартные способы представления данных, которые удобны для всех взаимодействующих объектов прикладного уровня. Имеет интерфейс с прикладными программами.

X.226

5. Сеансовый

Обеспечивает средства, необходимые сетевым объектам для организации, синхронизации и административного управления обменом данных между ними.

X.225, RPC, NetBEUT и т.д.

4. Транспортный

Обеспечивает надежную, экономичную и «прозрачную» передачу данных между взаимодействующими объектами сеансового уровня

X.224, TCP, UDP, NSP, SPX, SPP, RH и т.д.

3. Сетевой

Обеспечивает маршрутизацию передачи данных в сети, устанавливает логический канал между объектами для реализации протоколов транспортного уровня.

X.25, X.75, IP, IPX, IDP, TH, DNA-4 и т.д.

2. Канальный

Обеспечивает непосредственную связь объектов сетевого уровня, функциональные и процедурные средства ее поддержки для эффективной реализации протоколов сетевого уровня.

LAP-B, HDLC, SNAP, SDLC, IEEE 802.2 и т.д.

1. Физический

Формирует физическую среду передачи данных, устанавливает соединения объектов сети с этой средой

Ethernet, Arcnet, Token Ring, IEEE 802.3,5

Функциональные уровни рассматриваются как составные независимые части процессов взаимодействия АС. Основные функции, реализуемые в рамках уровневых протоколов, состоят в следующем.

Физический уровень непосредственно связан с каналом передачи данных, обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию. На этом уровне осуществляется установление, поддержка и расторжение соединения с физическим каналом, определение электрических и функциональных параметров взаимодействия ЭВМ с коммуникационной подсетью.

Канальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами связи.

Главные его функции:

  •  управление передачей данных по информационному каналу (генерация стартового сигнала и организация начала передачи информации, передача информации по каналу, проверка получаемой, информации и исправление ошибок, отключение канала при его неисправности и восстановление передачи после ремонта, генерация сигнала окончания передачи и  перевода канала в пассивное состояние)
  •  управление доступом к передающей среде, т.е. реализация выбранного метода доступа к общесетевым ресурсам.

Физический и канальный уровни определяют характеристики физического канала и процедуру передачи по нему кадров, являющихся контейнерами, в которых транспортируются пакеты.

Сетевой уровень реализует функции буферизации и маршрутизации, т.е. прокладывает путь между отправителем информации и адресатом через всю сеть.

Основная задача сетевого протокола — прокладка в каждом физическом канале совокупности логических каналов. Два пользователя, соединенные логическим каналом, работают так, как будто только в их распоряжении имеется физический канал. |

Транспортный уровень занимает центральное место в иерархии уровней сети.

Он обеспечивает связь между коммуникационной подсетью и верхними тремя уровнями, отделяет пользователя от физических и функциональных аспектов сети.

Главная его задача — управление трафиком (данными пользователя) в сети. При этом выполняются такие функции, как деление длинных сообщений, поступающих от верхних уровней, на пакеты данных (при передаче информации) и формирование первоначальных сообщений из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни, исключая их потери или смещение (при приеме информации).

Транспортный уровень является границей, ниже которой пакет данных является единицей информации.

Выше этой границы в качестве единицы информации рассматривается только сообщение. Транспортный уровень обеспечивает также сквозную отчетность в сети.

Сеансовый уровень предназначен для организации и управления сеансами взаимодействия прикладных процессов пользователей (сеанс создается по запросу процесса пользователя, переданному через прикладной и представительный уровни).

Основные функции:

  •  управление очередностью передачи данных и их приоритетом,
  •  синхронизация отдельных событий,
  •  выбор формы диалога пользователей (полудуплексная, дуплексная передача).

Представительный уровень (уровень представления данных); преобразует информацию к виду, который требуют прикладные процессы пользователей (например, прием данных в коде ASCII и выдача их на экран дисплея в виде страницы текста с заданным числом и длиной строк).

Представительный уровень занимается синтаксисом данных. Выше этого уровня поля данных имеют явную смысловую форму, а ниже его поля рассматриваются как передаточный груз, и их смысловое значение не влияет на обработку.

Прикладной уровень занимается поддержкой прикладного процесса пользователя и имеет дело с семантикой данных.

Основные программные и аппаратные компоненты сети

Даже в результате достаточно поверхностного рассмотрения работы в сети становится ясно, что вычислительная сеть - это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:

  •  компьютеров;
  •  коммуникационного оборудования;
  •  операционных систем;
  •  сетевых приложений.

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов - от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

Второй слой - это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях.

Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.

Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

Требования, предъявляемые к современным вычислительным сетям

Качество работы сети характеризуют следующие свойства: производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость.

Существуют два основных подхода к обеспечению качества работы сети. Первый - состоит в том, что сеть гарантирует пользователю соблюдение некоторой числовой величины показателя качества обслуживания. Например, сети frame relay и АТМ могут гарантировать пользователю заданный уровень пропускной способности. При втором подходе (best effort) сеть старается по возможности более качественно обслужить пользователя, но ничего при этом не гарантирует.

К основным характеристикам производительности сети относятся: время реакции, которое определяется как время между возникновением запроса к какому-либо сетевому сервису и получением ответа на него; пропускная способность, которая отражает объем данных, переданных сетью в единицу времени, и задержка передачи, которая равна интервалу между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства.

Для оценки надежности сетей используются различные характеристики, в том числе: коэффициент готовности, означающий долю времени, в течение которого система может быть использована; безопасность, то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа; отказоустойчивость - способность системы работать в условиях отказа некоторых ее элементов.

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, сервисов), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

Прозрачность - свойство сети скрывать от пользователя детали своего внутреннего устройства, упрощая тем самым его работу в сети.

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.

Совместимость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение

3. Охарактеризуйте классы программного обеспечения компьютерных систем и сетей;

Программное обеспечение (ПО) — это совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения задач пользователя, и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе и минимум затрат труда на программирование задач и обработку информации.

Программное обеспечение принято делить на системное (базовое) и прикладное.

7.1. Системное программное обеспечение

Системное ПО (рис. 48) предназначено для повышения эффективности создания программ обработки информации и их реализации на компьютере, а также для предоставления пользователям определенных услуг по работе с ресурсами компьютера.

Рис. . Классификация системного ПО

Системное программное обеспечение (СПО) включает в себя:

  •  операционную систему (ОС) — обязательная часть СПО, обеспечивающая эффективное функционирование ПК в различных режимах, организующая выполнение программ и взаимодействие пользователя и внешних устройств с компьютером;
  •  сервисные программы, расширяющие возможности ОС, предоставляя пользователю и его программам набор дополнительных услуг;
  •  инструментальные программные средства, которые предназначены для эффективной разработки и отладки ПО;
  •  систему технического обслуживания, облегчающую диагностику, тестирование оборудования и поиск неисправностей в ПК, тем самым способствуя более высокой надежности и достоверности выполнения процедур преобразования информации.

  1.  7.1.1. Операционные системы

Решение любой задачи на компьютере требует наличия, с одной стороны, программ (программных средств — Software), определяющих последовательность всех подлежащих выполнению операций, с другой стороны, определенных аппаратных средств (процессора, памяти, дисплея, принтера, клавиатуры и т. д. — Hardware), привлекаемых для реализации этих операций. Многие процедуры управления аппаратными средствами компьютера являются более или менее стандартными и, по существу, не зависят от программных средств. Основной задачей операционной системы (ОС) и является автоматизация выполнения указанных стандартных, часто достаточно тривиальных процедур.

Функциональные связи между ресурсами вычислительной системы можно представить так, как показано на рис. 49.

Рис. . Связи между ресурсами вычислительной системы

На рисунке показаны:

  •  аппаратные средства, объединяющие технические элементы компьютера;
  •  программные средства, объединяющие все средства системного программного обеспечения;
  •  операционная система, автоматизирующая стандартные процедуры управления аппаратными и программными средствами;
  •  прикладная программа, реализующая решение конкретной задачи пользователя.

С точки зрения пользователя ОС формирует удобный пользовательский интерфейс (командный язык для управления функционированием компьютера и набор сервисных услуг, освобождающих пользователя от выполнения рутинных операций), программное окружение, на фоне которого выполняется разработка и осуществляется исполнение прикладной программы пользователя.

С технической точки зрения ОС — комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами компьютера, процессами обработки информации, использующими эти ресурсы, и данными.

Управление ресурсами сводится к процедурам упрощения доступа к ресурсам, динамического распределения ресурсов между конкурирующими процессами. Следует иметь в виду, что ресурсом является любой объект вычислительной системы, который может использоваться вычислительными процессами и, соответственно, распределяться между ними.

Различают аппаратные и программные ресурсы. К аппаратным ресурсам относятся микропроцессор, дополнительные процессоры (например, математический сопроцессор, процессор прямого доступа к памяти и т. п.), основная память, внешняя память, принтер, видеомонитор и другие периферийные устройства. Распределяются между процессами, соответственно, процессорное время, сегменты и ячейки памяти и т. д. К программным ресурсам относятся все доступные пользователю программные средства управления вычислительными процессами и данными.

Управление процессами обработки информации заключается в организации и реализации эффективных режимов функционирования компьютера, таких как:

  •  однопользовательский и многопользовательский режимы (совместная работа с компьютером одновременно нескольких пользователей через отдельные терминалы);
  •  однопрограммный (однозадачный) и многопрограммный (многозадачный) режимы работы; многопрограммный режим работы в зависимости от режима доступа к ресурсам, в свою очередь, подразделяется на режимы:
    •  пакетной обработки (без непосредственного доступа пользователя, а с предварительным сбором и формированием всего блока (пакета) программ, подлежащих одновременному решению);
    •  разделения времени (одновременный диалоговый (интерактивный) доступ нескольких пользователей с разделением между ними каждого заранее фиксированного интервала машинного времени, или в соответствии с иной дисциплиной обслуживания);
    •  реального времени (с гарантированным временем обслуживания каждого обращения пользователя или внешнего терминала);
  •  режим формирования виртуальных машин (каждому пользователю в рамках основной конфигурации компьютера выделяется как бы отдельная машина меньшей производительности, возможно, со своей операционной системой);
  •  работа в однопроцессорных, многопроцессорных, многомашинных, в том числе и сетевых, вычислительных системах.

Управление данными имеет целью обеспечить идентификацию, организацию и хранение данных, обрабатываемых в компьютере. Под организацией данных понимается, в том числе и создание библиотек и баз данных, их актуализация, эффективный доступ к данным и их выборка. Характерной особенностью ОС ПК является то, что они обеспечивают «дружественный» пользовательский интерфейс. Дружественность ОС означает, что она обеспечивает необходимый сервис пользователю в процессе выполнения прикладных программ и обеспечивает комфортные условия программисту для разработки и отладки программ, а также для хранения, преобразования, отображения и копирования информации.

Наибольшее распространение для ПК получили ОС семейств:

  •  MS-DOS - для ПК IBM PC;
  •  OS/2 - для ПК IBM PS/2 и PC с МП 80386 и выше;
  •  UNIX - для 32-разрядных ПК IBM PS/2 и IBM PC с МП 80386 и выше;
  •  Windows - для ПК IBM PC с МП 80486 и выше.

Операционные системы — важнейшая часть программного обеспечения, определяющая интерфейс пользователя при его работе на компьютере.

Интерфейс должен быть дружелюбным к пользователю и в этом аспекте можно говорить о трех уровнях общения пользователя с машиной:

  •  командный интерфейс — пользователь должен прилично знать файловую систему и команды операционной системы и вводить их с клавиатуры в командную строку, имеющуюся на экране дисплея; такой интерфейс обеспечивается непосредственно MS-DOS;
  •  интерфейс в виде текстовых меню — пользователь должен ориентироваться в многочисленных меню и уметь выбрать в этих меню нужные команды и файлы по их наименованиям (обычно на английском языке); интерфейс этого типа реализуется многими оболочками ОС, в частности наиболее популярной оболочкой Norton Commander, а также Volkov Commander, FAR Manager и т. п.;
  •  интерфейс в виде графических меню — пользователь должен ориентироваться в многочисленных меню и панелях инструментов и уметь выбрать в этих меню нужные команды и файлы по условным графическим значкам, обычно сопровождаемым их наименованиям; интерфейс этого типа реализуется графическими интерфейсными системами (Windows 3.1) и операционными системами с графическим интерфейсом (Windows 9x, Windows NT).

Операционная система OS/2

OS/2 (Operating system/2) является однопользовательской многозадачной ОС, односторонне (MS-DOS  OS/2) программно-совместимой с MS-DOS и предназначенной для работы с МП 80386 и выше (ПК IBM PC и PS/2). OS/2 может одновременно выполнять до 16 программ (каждая из них в своем сегменте памяти), но среди них только одну, подготовленную для MS-DOS.

Важными особенностями OS/2 является наличие:

  •  многооконного интерфейса пользователя;
  •  программных интерфейсов для работы с системой баз данных;
  •  эффективных программных интерфейсов для работы в локальных вычислительных сетях.

OS/2 поддерживает физическую ОП объемом до 16 Мбайт и виртуальную — до 512 Мбайт на каждую задачу. К недостаткам OS/2 относится в первую очередь сравнительно небольшой объем программных приложений (ППО), наработанные к настоящему времени.

Операционная система UNIX

UNIX — многопользовательская, многозадачная ОС, включает достаточно мощные средства защиты программ и файлов различных пользователей. Большая часть программ ОС UNIX написана на языке С (а не на ассемблере, как в DOS и OS/2) и она является машинонезависимой, что обеспечивает высокую мобильность ОС и легкую переносимость прикладных программ на универсальные компьютеры мини-компьютеры и ПК различной архитектуры. Важной особенностью ОС семейства UNIX является ее модульность и обширный набор сервисных программ, которые позволяют создать благоприятную операционную обстановку для пользователей-программистов (то есть система особенно эффективна для специалистов — прикладных программистов).

UNIX поддерживает иерархическую файловую структуру, виртуальную память, многооконный интерфейс, многопроцессорные системы, многопользовательскую систему управления базами данных, неоднородные вычислительные сети.

Недостаток UNIX — большая ресурсоемкость, и для небольших однопользовательских систем на базе ПК она чаще всего является избыточной.

Большое распространение UNIX и ее версия Linux получили в сети Интернет, где важнейшее значение имеет машинонезависимость ОС.

Операционные системы Windows

Операционные системы Windows — это семейство операционных систем, включающих: Windows 3.1, Windows for Workgroups 3.11, Windows 9x, Windows NT, Windows 2000, Windows ME, Windows XP (первые две обычно называют операционными оболочками, поскольку ОС DOS для них устанавливалась отдельно).

Windows 9x (Windows 95 и Windows 98) — это популярные операционные системы для персонального компьютера с графическим пользовательским интерфейсом; в отличие от предыдущих версий — программных оболочек Windows 3.1 и Windows for Workgroups 3.11, они включают в свой состав операционную систему DOS 7.0 и относятся к новому поколению 32-разрядных операционных систем. Они позволяют более полно использовать потенциал современного персонального компьютера, и многие операции в этих версиях Windows выполняются проще и быстрее. Windows 9x — хорошо защищенные многозадачные ОС, они обеспечивают эффективную работу в системах мультимедиа и в информационно-вычислительных сетях (в том числе и в Интернете), работу с электронной почтой.

При работе в Windows 9x можно использовать длинные, достаточно информативные имена файлов, в которых допускаются даже пробелы, можно перемещать любые объекты в любое место экрана и в любом месте экрана вызвать контекстное меню или получить контекстную помощь.

Windows NT — многопользовательская, многозадачная, многопоточная ОС, она имеет графический пользовательский интерфейс, почти аналогичный интерфейсу Windows 9x.

Отличительными чертами этой операционной системы являются:

  •  встроенная сетевая поддержка — в отличие от других ОС она изначально создавалась с учетом работы в вычислительной сети, поэтому в интерфейс пользователя встроены функции совместного сетевого использования файлов, устройств и объектов;
  •  приоритетная многозадачность, позволяющая приложениям с более высоким приоритетом вытеснять менее приоритетные приложения, что приводит, в частности, к более эффективному использованию машинного времени ввиду автоматической ликвидации зависания системы при выполнении «сбойного» приложения;
  •  наличие достаточно мощных средств защиты программ и файлов различных пользователей от несанкционированного доступа; наличие многоуровневого доступа к ресурсам с назначением пользователям уровня доступа в соответствии с их компетенцией;
  •  поддержка нескольких файловых систем — кроме файловой системы DOS, поддерживаемой всеми версиями Windows, Windows NT имеет собственную файловую систему (NTFS) и поддерживает файловые системы OS/2 (High Performance FS) и компакт-дисков (CDFS);
  •  поддержка широкого спектра компьютерных платформ, в том числе и мультипроцессорных вычислительных систем.

Windows 2000 — операционная система, объединяющая возможности Windows NT и Windows 9x, с расширением многих сервисных пользовательских возможностей, но достаточно сложная в использовании. В качестве упрощенного варианта на базе Windows 2000 создана Windows MEверсия ОС, являющаяся развитием Windows 9х. Разработана версия ОС Windows — версия 2002 года — Windows XP.

Приведенное выше разбиение программ СПО на четыре группы довольно условно, ибо развитые операционные системы часто имеют в своем составе несложные сервисные программные средства и даже элементы системы технического обслуживания.

  1.  7.1.2. Сервисные системы

Сервисные системы используются для обеспечения эффективного взаимодействия пользователя и ПК, они являются дополнением и расширением пользовательского интерфейса операционных систем — выполняют посреднические функции между пользователем и ОС. Сервисные системы чисто условно можно разделить на:

  •  интерфейсные системы;
  •  оболочки ОС;
  •  утилиты.

Интерфейсные системы — это мощные сервисные системы, чаще всего графического типа, совершенствующие не только пользовательский, но и программный интерфейс ОС (сопряжение ОС с прикладными программами), в частности, реализующие некоторые дополнительные процедуры распределения дополнительных ресурсов. Примерами интерфейсных систем могут быть системы Windows 3.1,3.11, Desk view, Ensemble и т. д.

Оболочки ОС предоставляют пользователю качественно новый, по сравнению с реализуемым операционной системой, интерфейс и делают необязательным знание последнего; оболочки реализуют наиболее «дружественный» интерфейс с пользователем с помощью системы меню. Наиболее популярные оболочки ОС: Norton Commander, Volkov Commander, FAR manager, PC Tools, PC Shell, Magellan, MS-DOS Shell (напоминающие Windows) и т. д.

Утилиты автоматизируют выполнение отдельных типовых, часто используемых процедур, реализация которых потребовала бы от пользователя разработки специальных программ. Многие утилиты имеют развитый диалоговый интерфейс с пользователем и приближаются по уровню общения к оболочкам. Собственно, оболочки ОС и интерфейсные системы тоже состоят из утилит, но объединенных в единую систему. Среди наиболее популярных утилит следует отметить утилиты:

  •  обслуживания магнитных дисков (форматирование; обеспечение сохранности системной информации на диске и возможности ее восстановления в случае разрушения; восстановление ошибочно удаленных файлов и каталогов, а также содержимого файлов и каталогов в случае его разрушения; оптимальная компоновка и дефрагментация файлов на диске; надежное удаление с диска конфиденциальной информации с невозможностью ее дальнейшего прочтения и т. д.);
  •  обслуживания файлов и каталогов (создание, копирование, переименование, пересылку, быстрый поиск, удаление и т. п.);
  •  архивирования и разархивирования файлов (архивирование существенно уменьшает размер файла);
  •  защиты от компьютерных вирусов и многие другие.

  1.  7.1.3. Инструментальные программные средства

Инструментальные программные средства используются в ходе разработки, корректировки или расширения других программ и включают в свой состав средства написания программ (текстовые редакторы), преобразования программ к виду, пригодному для выполнения на ПК (ассемблеры, компиляторы, интерпретаторы, загрузчики и редакторы связей), контроля и отладки программ (средства отладки).

При программировании для ПК используются: машинно-ориентированный язык Assembler, процедурно-ориентированные языки высокого уровня: Macro Assembler, Basic, Pascal, Delphi, С, Ada, Apl, COBOL, Forth, GPSS, LOGO, Modula, PL/1, Snobol, PRGT и многие другие; проблемно-ориентированные языки (функциональные языки, непроцедурные языки высокого уровня): DBase и его производные (FoxBase, FoxPro, Paradox и т. п.), LISP, PROLOG и т. д.

Для написания программы на одном из названных алгоритмических языков удобно использовать текстовый редактор, позволяющий формировать тексты в символах ASCII. Текстовый редактор позволяет удобно редактировать, формировать и объединять тексты программ, а некоторые — и контролировать синтаксис создаваемых программ (примеры популярных текстовых редакторов: MS Word, Lexicon, Side Kike, WordPerfect, Brief, Chi Writer, Norton Editor, Multi Edit, редакторы, встроенные в сервисные средства Norton Commander, PC Toxsls и многие другие).

Программа, написанная на алгоритмическом языке, должна быть преобразована (переведена) в объектную программу (объектный модуль), записанную на языке машины (двоичные коды). Подобное преобразование выполняется трансляторами: с языка ассемблер — ассемблером, с языков высокого уровня — компиляторами. Для некоторых алгоритмических языков используются интерпретаторы, не создающие объектный модуль, а при каждом очередном выполнении программы, преобразующие каждую ее отдельную строку или оператор на машинный язык; формирующие машинные команды с последующим непосредственным выполнением предписанных этими командами действий (интерпретаторы, естественно, существенно замедляют выполнение программы, поэтому использование компиляторов для отлаженных регулярно исполняемых программ предпочтительнее).

Объектный модуль затем обрабатывается загрузчиком — редактором связей (Link, TurboLink), преобразующим его в исполняемую машинную программу, с объединением воедино отдельно скомпилированных его частей и привлечением дополнительных системных библиотек, содержащих стандартные подпрограммы и процедуры. На этапах трансляции, интерпретации и редактирования связей выполняется, как правило, синтаксический контроль программы с выдачей сообщений об обнаруженных ошибках.

Интерактивную отладку программы целесообразно выполнять с помощью специальных программных средств — средств отладки. Средства отладки позволяют выполнять трассировку программ (пошаговое ее исполнение с выдачей информации о результатах исполнения — содержимом регистров и ячеек памяти), производить проверку синтаксиса программы и промежуточных результатов в точках останова, осуществлять модификацию значений переменных в этих точках. Наиболее распространенный отладчик, включаемый в системное программное обеспечение, — DEBUG (более развитый его вариант Turbo Debugger).

7.2. Прикладное программное обеспечение

Прикладное программное обеспечение (ППО) предназначено для решения определенной проблемной задачи пользователя или класса таких задач (ППО часто называют программным приложением или просто приложением).

ППО включает в свой состав проблемные прикладные программы пользователя и пакеты прикладных программ, ориентированные на использование в определенной проблемной области.

Большинство пакетов прикладных программ (ППП) представляют некоторую интерактивную среду, погружаясь в которую пользователь получает удобные и простые средства выполнения определенных процедур преобразования информации.

Среди множества ППП следует назвать:

  1.  текстовые редакторы, текстовые процессоры и издательские системы;
  2.  графические редакторы и средства деловой графики;
  3.  крупноформатные электронные таблицы (табличные процессоры);
  4.  ППП управления телекоммуникационными системами;
  5.  системы управления базами данных;
  6.  информационно-поисковые системы;
  7.  системы искусственного интеллекта, в том числе экспертные системы;
  8.  автоматизированные обучающие системы;
  9.  ППП статистической обработки информации;
  10.  ППП математического программирования (линейного, целочисленного и т. д.);
  11.  системы автоматизированного проектирования;
  12.  ППП организационного управления предприятием, фирмой;
  13.  ППП решения различных функциональных задач управления предприятием, фирмой;
  14.  интегрированные ППП, включающие в свой состав несколько видов проблемно-ориентированных пакетов.

Продолжая общепринятую классификацию языков программирования (напомним: языки программирования подразделяются на машинно-, процедурно- и проблемно-ориентированные, причем последние смыкаются с пакетами прикладных программ и плавно в них переходят), можно предложить разделение пакетов прикладных программ на две группы:

  •  проблемно-ориентированные;
  •  функционально-ориентированные.

Проблемно-ориентированные ППП формируют информационную и аналитическую среду для реализации функциональных программ управления. Задачи, решаемые проблемно-ориентированными ППП, сводятся к выполнению информационных процедур: формирования и организации информации в виде электронных текстовых и графических документов, баз данных и знаний, выполнения аналитического преобразования информации, высокохудожественного представления информации в печатных изданиях и на презентациях и т. д.

Функционально-ориентированные ППП обеспечивают реализацию тех или иных конкретных функций управления предприятием.

Названные информационные процедуры характерны скорее для офиса предприятия, в то время как функциональные задачи важны для деятельности самого предприятия, фирмы, корпорации.

Поэтому назовем проблемно-ориентированные ППП офисными, а функционально-ориентированные — корпоративными.

  1.  7.2.1. Прикладные программы для офиса

Компьютеры в небольших офисах чаще всего используются для выполнения следующих работ:

  •  обработки входящей и исходящей информации с помощью текстовых редакторов и средств презентационной графики (электронная почта и факсы, письма и запросы, реклама и прочая документация);
  •  сбора и анализа данных, расчётов и отчетов, выполняемых обычно с использованием электронных таблиц (расчеты и обработка прайс-листов, формирование отчетов по разным направлениям и критериям, анализ и статистическая обработка информации);
  •  накопления и хранения поступившей информации, обеспечивающих быстрый ее поиск (по различным критериям и признакам) и доступ к ней с применением систем управления базами данных (СУБД).

Выполняются в офисах и экономические, бухгалтерские расчеты, решаются задачи анализа финансового состояния фирм, но по предложенной выше классификации их отнесем к корпоративным задачам.

Программных продуктов, раздельно или интегрированно позволяющих выполнять указанные работы, выпускается великое множество. Выбор конкретных программ для практического использования зависит, конечно, от конкретных условий, но в значительной мере и от знаний и опыта покупателя.

Для реализации первых трех указанных выше задач целесообразно воспользоваться не отдельными программами, а интегрированными пакетами офисного обслуживания. Наблюдается тенденция не просто объединения больших автономных программ в такие пакеты, а их интеграция в прикладные программные комплексы. Это подразумевает их полную унификацию, то есть общий пользовательский интерфейс и единообразные подходы к решению таких типовых задач, как управление файлами, редактирование, форматирование, печать, вычислительная обработка, статистический и финансовый анализ, работа с электронной почтой и факсами и многое другое.

Интегрированные офисные пакеты предлагаются разными фирмами под разными названиями: офисные прикладные программы, офисные пакеты, русский офис и т. п. Но сегодня на рынке прикладных офисных программных продуктов доминируют пакеты Microsoft Office 2000 в разных редакциях; за ними с большим отрывом следуют Lotus Smart Suit 2000 и CorelWordPerfect 2000. Следует отметить и Русский офис (фирма «Арсеналъ», Москва), включающий национальный текстовый редактор Лексикон, систему ведения личных финансов Декарт, систему профессионального перевода Сократ и популярный файловый менеджер ДИСКо Командир.

Новые версии зарубежных офисных комплексов содержат средства коллективной работы, более тесной интеграции компонентов, а также средства взаимодействия с Интернетом. Кроме того, в некоторых офисных пакетах отдельные фрагменты программ используются сразу в нескольких приложениях (так, в MS Office 2000 содержится более 50 % общего программного кода), что существенно экономит пространство в оперативной памяти и на жестком диске. Многие пакеты (тот же Microsoft Office, например) имеют русифицированные версии, что на первых порах существенно облегчает работу неопытному пользователю.

  1.  7.2.2. Специализированные корпоративные программные средства

Для решения функциональных корпоративных задач управления выпускается тоже не один десяток различных программ. До недавнего времени российские фирмы предпочитали приобретать для своих нужд отдельные программы для решения локальных задач, наиболее просто поддающихся автоматизации, таких как задачи бухгалтерского учета или сбыта готовой продукции. Это можно частично объяснить реалиями нашей рыночной экономики — финансово состоятельными многие годы были лишь предприятия торговли и сферы услуг, для которых учетные задачи управления являются основными. Но в последние годы ситуация коренным образом изменилась: фирмы проявляют интерес к компьютерным системам, способным обеспечить эффективное управление предприятием, и автоматизация отдельной учетной задачи для многих предприятий считается уже пройденным этапом. Спрос растет на интегрированные системы управления, решающие множество не только учетных задач, но и задач анализа финансового состояния, планирования и, что важно, оптимизации управления. Ориентироваться во множестве таких интегрированных систем достаточно сложно.

В таблице 12 приведены корпоративные прикладные программы, присутствующие на российском рынке, и дана ориентировочная их классификация по сферам использования.

Классификация, использованная в таблице, предложена компанией Deloitte& Touche и является весьма условной. Первые две группы пакетов — для локальных и малых интегрированных систем — можно назвать финансово-управленческими. Они предназначены для ведения учета по одному или нескольким направлениям: бухгалтерия, финансовые расчеты, сбыт, склады, учет кадров и т. д. Вторые две группы пакетов — для средних и крупных интегрированных систем — можно назвать производственными. Они наряду с учетными задачами большое внимание уделяют задачам планирования производственного процесса и управления им.

Для автоматизации особо крупных корпораций используются средние и малые интегрированные системы в комплексе, когда на уровне организационного управления всей корпорацией применяется, например, самая популярная за рубежом система SAP/R3 (стоимость которой на российском рынке превышает $300 000).

Таблица

Корпоративные пакеты прикладных программ

Локальные
системы

Малые
интегрированные системы

Средние
интегрированные системы

Крупные
интегрированные системы

Инфо-Бухгалтер

1С: Предприятие

Парус

SAP/R3

Финансы без проблем

San System

БОСС-Корпорация

Oracle Application

1С:Зарплата

Exact

Platinum

BPCS

1С: Бухгалтерия

Ресурс

MFG-Pro

BaanlV

1С: Кадры

Эталон

JDEdwards

Квэстор

PRO/MIS

Галактика

БЭМБИ

NS-2000

Syte Line

Супер-Менеджер

Concorde AL

Инфософт

Scala

Инфосклад

Турбо-Бухгалтер

6. Опишите принципы построения операционных систем и их основные классы.

Операционная система (ОС) — обязательная часть системного программного обеспечения, обеспечивающая эффективное функционирование ПК в различных режимах, организующая выполнение программ и взаимодействие пользователя и внешних устройств с компьютером;

Классификация ОС

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера, особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Особенности алгоритмов управления ресурсами

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей  ОС в целом.

Поэтому, характеризуя ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

1. однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и

2. многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером.

Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

1. однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

2. многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.  Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время.

Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

1. невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

2. вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов.

В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами.

При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

Поддержка многонитевости. Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).

Многопроцессорная обработка. Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС.

Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам.

Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь набор процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов.

При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

Особенности аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера.

Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи.

На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями.

Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров.

Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой.

Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX.

Особенности областей использования

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

  1.  системы пакетной обработки (например, OC EC),
  2.  системы разделения времени (UNIX, VMS),
  3.  системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени.

Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач.

Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины.

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач.

Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами,  такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка.

Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария.

спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме.

Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью.   Особенности методов построения

При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.

К таким базовым концепциям относятся:

  •  Способы построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.
  •  Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структурированность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.
  •  Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.
  •  Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

7. Охарактеризуйте функции операционных систем, инсталляцию и конфигурирование.

С точки зрения пользователя ОС выполняет две мало связанные функции:

  1.  обеспечение пользователю-программисту удобств путем предоставления для него сервисов расширенной машины
  2.  повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.

ОС как расширенная машина

Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается операций ввода-вывода.

Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать.

При работе с диском пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя.

Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла.

Вопросы подобные таким, как следует ли при записи использовать усовершенствованную частотную модуляцию или в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения считывающих головок, не должны волновать пользователя.

Программа, которая скрывает от пользователя все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного манипулирования информацией называется операционной системой.

ОС берет на себя все функции, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы.

Таким образом, абстрактная, воображаемая машина гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.

ОС как система управления ресурсами

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз.

Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющем всеми частями сложной системы.

В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования.

Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или реактивность системы. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

  1.  планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;
  2.  отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или нет ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Для решения этих задач разные ОС используют различные алгоритмы, что в конечном счете и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения,  пользовательский интерфейс.

Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

Направление №3

Проблемы обеспечения передачи информации и информационной безопасности в информационно-телекоммуникационных системах

6. Опишите протоколы обмена в компьютерных сетях и способы решения с их помощью вопросов информационной безопасности.

Стек протоколов TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.

Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу сети Internet.

Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения.

Стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.

Лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующим:

  1.  Это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов.
  2.  Почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP.
  3.  Это метод получения доступа к сети Internet.
  4.  Этот стек служит основой для создания intranet - корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию.
  5.  Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.
  6.  Это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов.
  7.  Это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Структура стека TCP/IP.

Краткая характеристика протоколов

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI,  для глобальных сетей - протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay.

Разработана также особая спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.

Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т.п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol).

Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета.

С помощью специальных пакетов ICMP сообщается:

  1.  о невозможности доставки пакета,
  2.  о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов,
  3.  об аномальных величинах параметров,
  4.  об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания,
  5.  о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol).

Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. Здесь расположены такие широко используемые протоколы, как:

  1.  протокол копирования файлов FTP,
  2.  протокол эмуляции терминала telnet,
  3.  почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet,
  4.  гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple.e Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием -концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т. д.

Система безопасности использует преимущества стандартов безопасности Интернет, поддерживаемых Windows 2000.

Fortezza (американский правительственный стандарт безопасности). Он удовлетворяет архитектуре безопасности, поддерживая механизм шифрования, обеспечивающий конфиденциальность, целостность и подлинность сообщений, аутентификацию, контроль доступа к сообщениям, компонентам и системам. Эти функции реализуются как при помощи ПО сервера и браузера, так и при помощи аппаратных средств.

Secure Sockets Layer (SSL). Протоколы безопасности SSL широко используются Web-браузерами и серверами для аутентификации, конфиденциальности и целостности сообщений. При помощи функций безопасности SSL можно проверить целостность содержания Web-сервера, реквизиты пользователей и шифровать передаваемые по сети сообщения.

Transport Layer Security (TLS). TLS основан на SSL. Он помогает выполнять безопасную аутентификацию пользователей, а независимым программистам позволяет создавать поддерживающий TLS код, способный обмениваться зашифрованной информацией с другим процессом без ознакомления с кодом, созданным другим программистом. Кроме того, TLS является каркасом для построения новых методов шифрования с открытым ключом и шифрования больших объемов данных. TLS служит и для повышения производительности, уменьшая сетевой трафик и предлагая схему кэширования сессий, позволяющую сократить количество соединений, устанавливаемых «с нуля».

PKCS #7. Этот протокол описывает формат зашифрованных данных, например цифровых подписей или цифровых конвертов.

PKCS #10. Этот протокол описывает формат посылаемых сертификационным центрам (Certificate Authority, CA) запросов на получение сертификата.

Обычная проверка подлинности. Обычная аутентификация — стандартный метод сбора информации об именах пользователей и паролях. Она посылает пароли по сети в формате Base64 Encoded. К ее достоинствам можно отнести то, что она является частью спецификации HTTP 1.0 и поэтому поддерживается большинством браузеров. Однако обычная аутентификация имеет существенный минус — использующие ее Web-браузеры пересылают пароли в незашифрованном виде.

Краткая проверка подлинности. Она обладает теми же возможностями, что и обычная но передает аутентификационные сведения иначе.

Они проходят через одношаговый процесс — хеширование (hashing). Результат этого процесса называется хешем (hash), или выборкой сообщения (message digest). Исходный текст не может быть расшифрован из хеша. Перед хешированием к паролю добавляется дополнительная информация генерируемая сервером, поэтому никто не сможет перехватить хеш пароля и с его помощью выдавать себя за истинного клиента. Краткая аутентификация основана на методологии общего секретного пароля. Она структурирована для использования несколькими прокси-серверами. Краткая аутентификация поддерживается не всеми обозревателями. Если не поддерживающий краткую аутентификацию браузер пошлет запрос на сервер, требующий именно этот способ аутентификации, сервер не будет обрабатывать запрос и сообщит клиенту об ошибке.

Механизмы безопасности

Путем проверки подлинности можно удостовериться в личности каждого клиента, запрашивающего доступ к Web-узлам.

IIS поддерживает для служб HTTP и FTP:

  1.  анонимную проверку подлинности HTTP и FTP;
  2.  обычную проверку подлинности HTTP и FTP;
  3.  краткую проверку подлинности для доменов Windows 2000 и браузеров, поддерживаю щих этот способ аутентификации, реализованный в HTTP I.I;
  4.  интегрированную проверку подлинности Windows (только HTTP).

Сертификаты

Для завершения аутентификации нужен механизм проверки реквизитов пользователей. Сертификаты — это цифровые идентификационные документы, позволяющие серверам и клиентам устанавливать подлинность друг друга. Сертификаты необходимы серверу и клиентскому браузеру для установления соединения SSL, по которому посылается зашифрованная информация. Сертификат сервера обычно содержит сведения о компании, выпустившей сертификат, а сертификат клиента — информацию, идентифицирующую пользователя и выпустившую сертификат организацию.

Управление доступом

Установив подлинность пользователя можно управлять его доступом к ресурсам сервера. В IIS 5.0 используется два уровня контроля доступа: разрешения Web и разрешения NTFS. Первые распространяются на все клиенты HTTP и определяют доступ к ресурсам сервера. Вторые определяют уровень доступа индивидуальных учетных записей пользователя к папкам/файлам сервера.

Аудит

Заключительный шаг в обеспечении безопасности — регулярное отслеживание использования узла. С помощью аудита безопасности администраторы могут осуществлять всестороннее наблюдение за системой безопасности Web-сервера и действиями пользователей. Аудит заключается в создании политик аудита доступа к файлам и каталогам и событий сервера, а также в просмотре журналов безопасности для обнаружения попыток несанкционированного доступа.

7. Охарактеризуйте принципы решения задачи маршрутизации в глобальной компьютерной сети.

Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи пакетов от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях, где возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута.

В современных сетях со смешанной топологией решается задача выбора маршрута для передачи кадров. Для этого используются соответствующие средства, например маршрутизаторы.

В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты, решается один раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем.

Выбор маршрутов в узлах связи КС производится в соответствии с реализуемым алгоритмом (методом) маршрутизации.

Алгоритм маршрутизации — это правило назначения выходной линии связи данного узла связи КС для передачи пакета, базирующееся на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя), и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов).

Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:

  1.  минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю;
  2.  максимальной пропускной способности сети;
  3.  максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;
  4.  надежности доставки пакета адресату;
  5.  минимальной стоимости передачи  пакета адресату.

Различают следующие способы маршрутизации.

  1.  Централизованная маршрутизация реализуется обычно в сетях с централизованным управлением. Выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи только воспринимают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации. Такое управление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью.
  2.  Распределенная (децентрализованная) маршрутизация выполняется в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средствами. Распределенная маршрутизация сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью.
  3.  Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация.

Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что кратчайший маршрут, обеспечивающий передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий связи, нагрузки на линии связи.

Топология сети изменяется в результате отказов узлов и линий связи. Пропускная способность линий связи определяется типом передающей среды и зависит от уровня шумов и параметров аппаратуры, обслуживающей линии.

Наиболее динамичным фактором является нагрузка на линии связи, изменяющаяся довольно быстро и в трудно прогнозируемом направлении.

Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии ТКС в целом — всех остальных узлов и линий связи.

Во многих случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности текущего и будущего состояний ТКС.

Эффективность алгоритмов маршрутизации оценивается следующими показателями:

  •  временем доставки пакетов адресату;
  •  нагрузкой 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;
  •  затратами ресурсов в узлах связи (временем работы коммуникационной ЭВМ, емкостью памяти).

Факторы, снижающие эффективность алгоритмов маршрутизации:

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

Методы маршрутизации

Принципиальная разница между методами маршрутизации заключается в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи выбора маршрута.

Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается изменение топологии сети и изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества — простота реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее элементов. Из этого вида практическое применение получили случайная и лавинная маршрутизации.

Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное, свободное направление. Пакет «блуждает» по сети и с конечной вероятностью достигает адресата.

При этом не обеспечивается оптимальное время доставки пакета и эффективное использование пропускной способности сети.

Лавинная маршрутизация предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Поскольку это происходит в каждом узле, имеет место явление «размножения» пакета, что резко ухудшает использование пропускной способности сети.

Значительное ослабление этого недостатка достигается путем уничтожения в каждом узле дубликатов (копий) пакета и продвижения по маршруту только одного пакета. Основное преимущество такого метода — гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату, так как из всех направлений, по которым передается пакет, хотя бы одно обеспечивает такое время. Метод может использоваться, в незагруженных сетях, когда требования по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки.

Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети , и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчайшие пути. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении топологии сети. Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети.

Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации.

Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов. Это сопряжено с неустойчивостью к отказам и  с перегрузками.

Вторая строится на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается наиболее предпочтительный путь.

Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения топологии и нагрузки сети.

Существуют несколько модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся характером информации используемой при выборе маршрута:

  1.  Локальная адаптивная маршрутизация;
  2.  Распределенная адаптивная маршрутизация;
  3.  Централизованная адаптивная маршрутизация;
  4.  гибридная адаптивная маршрутизация ;

Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации в данном узле включающей:

  •  таблицу маршрутов, которая определяет все направления передачи пакетов из этого узла;
  •  данные о состоянии выходных линий связи (работают или не работают);
  •  длину очереди пакетов, ожидающих передачи.

Информация о состоянии других узлов связи не используется. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода заключается в его «близорукости», т.к. выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети.

Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, указанной для локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети.

В каждом узле формируется таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным временем задержки пакетов.

До начала работы сети это время оценивается, исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы периодически обмениваются с соседними узлами таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла.

После обмена таблицами задержки каждый узел пересчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле.

Централизованная адаптивная маршрутизация характеризуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии (длине очередей, и работоспособности линий связи) и передает его в ЦМ.

По этим данным для каждого узла составляется таблица маршрутов. Естественно, что передача сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов — все это сопряжено с временными задержками, следовательно, с потерей эффективности такого метода, особенно при большой нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность потери управления сетью при отказе ЦМ.

Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Следовательно, здесь реализуются принципы централизованной и локальной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной  и локальной  маршрутизации и реализует их преимущества.

Рассмотрим теперь принципы, на основании которых в сетях IP происходит выбор маршрута передачи пакета между сетями.

Сначала необходимо обратить внимание на тот факт, что не только маршрутизаторы, но и конечные узлы - компьютеры - должны принимать участие в выборе маршрута.

Длина маршрута может существенно измениться в зависимости от того, какой маршрутизатор выберет компьютер для передачи своего пакета на сервер.

В стеке TCP/IP маршрутизаторы и конечные узлы принимают решения о том, кому передавать пакет для его успешной доставки узлу назначения, на основании так называемых таблиц маршрутизации (routing tables).

Следующая таблица представляет собой типичный пример таблицы маршрутов, использующей IP-адреса сетей:

В этой таблице в столбце «Адрес сети назначения» указываются адреса всех сетей, которым данный маршрутизатор может передавать пакеты. В стеке TCP/IP принят так называемый одношаговый подход к оптимизации маршрута продвижения пакета (next-hop routing) - каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи пакета. Поэтому в каждой строке таблицы маршрутизации указывается не весь маршрут в виде последовательности IP-адресов маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет, а только один IP-адрес - адрес следующего маршрутизатора, которому нужно передать пакет.

Вместе с пакетом следующему маршрутизатору передается ответственность за выбор следующего шага маршрутизации. Одношаговый подход к маршрутизации означает распределенное решение задачи выбора маршрута. Это снимает ограничение на максимальное количество транзитных маршрутизаторов на пути пакета.

(Альтернативой одношаговому подходу является указание в пакете всей последовательности маршрутизаторов, которые пакет должен пройти на своем пути.

Такой подход называется маршрутизацией от источника - Source Routing. В этом случае выбор маршрута производится конечным узлом или первым маршрутизатором на пути пакета, а все остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный маршрут, осуществляя коммутацию пакетов, то есть передачу их с одного порта на другой. Алгоритм Source Routing применяется в сетях IP только для отладки, когда маршрут задается в поле Резерв (IP OPTIONS) пакета.)

В случае, если в таблице маршрутов имеется более одной строки, соответствующей одному и тому же адресу сети назначения, то при принятии решения о передаче пакета используется та строка, в которой указано наименьшее значение в поле «Расстояние до сети назначения».

При этом под расстоянием понимается любая метрика, используемая в соответствии с заданным в сетевом пакете классом сервиса. Это может быть количество транзитных маршрутизаторов в данном маршруте (количество хопов от hop - прыжок), время прохождения пакета по линиям связи, надежность линий связи, или другая величина, отражающая качество данного маршрута по отношению к конкретному классу сервиса.

Если маршрутизатор поддерживает несколько классов сервиса пакетов, то таблица маршрутов составляется и применяется отдельно для каждого вида сервиса (критерия выбора маршрута).

Для отправки пакета следующему маршрутизатору требуется знание его локального адреса, но в стеке TCP/IP в таблицах маршрутизации принято использование только IP-адресов для сохранения их универсального формата, не зависящего от типа сетей, входящих в интерсеть. Для нахождения локального адреса по известному IP-адресу необходимо воспользоваться протоколом ARP.

Конечный узел, как и маршрутизатор, имеет в своем распоряжении таблицу маршрутов унифицированного формата и на основании ее данных принимает решение, какому маршрутизатору нужно передавать пакет для сети N.

Решение о том, что этот пакет нужно вообще маршрутизировать, компьютер принимает в том случае, когда он видит, что адрес сети назначения пакета отличается от адреса его собственной сети (каждому компьютеру при конфигурировании администратор присваивает его IP-адрес или несколько IP-адресов, если компьютер одновременно подключен к нескольким сетям).

Когда компьютер выбрал следующий маршрутизатор, то он просматривают кэш-таблицу адресов своего протокола ARP и, может быть, находит там соответствие IP-адреса следующего маршрутизатора его МАС-адресу. Если же нет, то по локальной сети передается широковещательный ARP-запрос и локальный адрес извлекается из ARP-ответа.

После этого компьютер формирует кадр протокола, используемого на выбранном порту, например, кадр Ethernet, в который помещает МАС-адрес маршрутизатора. Маршрутизатор принимает кадр Ethernet, извлекает из него пакет IP и просматривает свою таблицу маршрутизации для нахождения следующего маршрутизатора. При этом он выполняет те же действия, что и конечный узел.

Одношаговая маршрутизация обладает еще одним преимуществом - она позволяет сократить объем таблиц маршрутизации в конечных узлах и маршрутизаторах за счет использования в качестве номера сети назначения так называемого маршрута по умолчанию -default, который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку. Если в таблице маршрутизации есть такая запись, то все пакеты с номерами сетей, которые отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору, указанному в строке default. Поэтому маршрутизаторы часто хранят в своих таблицах ограниченную информацию о сетях интерсети, пересылая пакеты для остальных сетей в порт и маршрутизатор, используемые по умолчанию.

Подразумевается, что маршрутизатор, используемый по умолчанию, передаст пакет на магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистрали, имеют полную информацию о составе интерсети.

Особенно часто приемом маршрутизации по умолчанию пользуются конечные узлы. Хотя они также в общем случае имеют в своем распоряжении таблицу маршрутизации, ее объем обычно незначителен, так как маршрутизация для компьютера - не основное занятие. Главная роль в маршрутизации пакетов в концепции протокола IP отводится, естественно, маршрутизаторам, которые должны обладать гораздо более полными таблицами маршрутизации, чем конечные узлы. Конечный узел часто вообще работает без таблицы маршрутизации, имея только сведения об IP-адресе маршрутизатора по умолчанию.

При наличии одного маршрутизатора в локальной сети этот вариант - единственно возможный для всех конечных узлов. Но даже при наличии нескольких маршрутизаторов в локальной сети, когда проблема их выбора стоит перед конечным узлом, задание маршрута по умолчанию часто используется в компьютерах для сокращения объема их маршрутной таблицы.

Другим способом разгрузки компьютера от необходимости ведения больших таблиц маршрутизации является получение от маршрутизатора сведений о рациональном маршруте для какой-нибудь конкретной сети с помощью протокола ICMP.

Кроме маршрута default, в таблице маршрутизации могут встретиться два типа специальных записей - запись о специфичном для узла маршруте и запись об адресах сетей, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора.

Специфичный для узла маршрут содержит вместо номера сети полный IP-адрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и в поле номера узла. Предполагается, что для такого конечного узла маршрут должен выбираться не так, как для всех остальных узлов сети, к которой он относится. В случае, когда в таблице есть разные записи о продвижении пакетов для всей сети N и ее отдельного узла, имеющего адрес N,D, при поступлении пакета, адресованного узлу N,D, маршрутизатор отдаст предпочтение записи для N,D.

Записи в таблице маршрутизации, относящиеся к сетям, непосредственно подключенным к маршрутизатору, в поле «Расстояние до сети назначения» содержат нули.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации создаются администраторами, как правило, вручную, и хранятся в виде постоянных файлов на дисках.

Опишите основные принципы и технологии построения глобальных вычислительных сетей.

  1.  Основные понятия и определения
  2.  

Глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), которые также называют территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставлять свои сервисы большому количеству конечных абонентов, размещенных на большой территории - в пределах области, региона, страны, континента.

Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети требует  больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Типичными абонентами глобальной компьютерной сети являются локальные сети предприятий, расположенные в разных городах и странах, которым нужно обмениваться данными между собой.

Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

Глобальные сети обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и поставщик услуг сети. Оператор сети (network operator) - это та компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг, часто называемый также провайдером (service provider), - та компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети.

Гораздо реже глобальная сеть полностью создается какой-нибудь крупной корпорацией (такой, например, как Dow Jones или «Транснефть») для своих внутренних нужд. В этом случае сеть называется частной.

Протокол управления обменом данных TCP/IP

Главное отличие сети Internet от других сетей заключается именно в ее протоколах TCP/IP, охватывающих целое семейство протоколов взаимодействия между компьютерами сети. TCP/IP — это технология межсетевого взаимодействия, технология Internet. Если же речь идет о глобальной сети, объединяющей множество сетей с технологией «internet», то ее называют Internet.

Протокол TCP/IP это семейство программно реализованных протоколов старшего уровня, не работающих с аппаратными прерываниями. Технически протокол TCP/IP состоит из двух частей — IP и TCP.

Протокол IP (Internet Protocol — межсетевой протокол) является главным протоколом семейства, он реализует распространение информации в IP – сети и выполняется на третьем (сетевом) уровне модели ВОС.

Протокол IP обеспечивает доставку пакетов, его основная задача — маршрутизация пакетов. Он не отвечает за надежность доставки информации, за ее целостность, за сохранение порядка потока пакетов. Сети, в которых используется протокол IP, называются IP-сетями. Они работают в основном по аналоговым каналам (т.е. для подключения компьютера к сети требуется IP-модем) и являются сетями с коммутацией пакетов. Пакет здесь называется дейтаграммой.

Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) работает на транспортном уровне и частично — на сеансовом уровне. Это протокол с установлением логического соединения между отправителем и получателем. Он обеспечивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности передаваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов.

Протокол TCP/ IP основывается на концепции одноранговых сетей. Все рабочие станции, соединенные при помощи этого протокола, имеют одинаковый статус. Однако любая из них, располагая соответствующими средствами, может временно выполнять дополнительные функции, связанные, например, с управлением ресурсами сети. Ключевую часть протокола составляет схема маршрутизации пакетов, основанная на уникальных адресах сети Internet. Каждая рабочая станция, входящая в состав локальной или глобальной сети, имеет уникальный адрес, который включает две части, определяющие адрес сети и адрес станции внутри сети. Такая схема позволяет передавать сообщения как внутри данной сети, так и во внешние сети. Часть протокола TCP/ IP, отвечающая за распознавание адреса, называется IRP (протокол распознавания адреса).

Транспортные функции глобальной сети

Глобальная вычислительная сеть должна передавать данные абонентов любых типов, которые есть на предприятии и нуждаются в удаленном обмене информацией. Для этого глобальная сеть должна предоставлять комплекс услуг:

  1.  передачу пакетов локальных сетей,
  2.  передачу пакетов мини-компьютеров и мейнфреймов,
  3.  обмен факсами,
  4.  передачу трафика офисных АТС,
  5.  выход в городские, междугородные и международные телефонные сети,
  6.  обмен видеоизображениями для организации видеоконференций,
  7.  передачу трафика кассовых аппаратов, банкоматов и т. д. и т. п.

Основные типы потенциальных потребителей услуг глобальной компьютерной сети изображены на (рис. 6.1.) 

Рис. 6.1.Абоненты глобальной сети

Высокоуровневые услуги глобальных сетей

Глобальная сеть используется как транзитный транспортный механизм, предоставляющий только услуги трех нижних уровней модели OSI.

При построении корпоративной сети данные хранятся и вырабатываются в компьютерах, принадлежащих локальным сетям этого предприятия, а глобальная сеть их только переносит из одной локальной сети в другую.

Поэтому в локальной сети реализуются все семь уровней модели OSI, включая прикладной, которые предоставляют доступ к данным, преобразуют их форму, организуют защиту информации от несанкционированного доступа.

Функции глобальной сети, относящиеся к верхним уровням стека протоколов, играют значительную роль в вычислительных сетях. Это связано с предоставлением высокоуровневых услуг Internet (широковещательное распространение звукозаписей, организация интерактивных «бесед» - chat, организация конференций по интересам (служба News), поиск информации и ее доставка и многое другое.).

Информационные услуги Internet оказали влияние на традиционные способы доступа к разделяемым ресурсам.

Появился специальный термин - intranet, который применяется в тех случаях, когда технологии Internet переносятся в корпоративную сеть.

К технологиям intranet относят не только службу Web, но и использование Internet как глобальной транспортной сети, соединяющей локальные сети предприятия, а также все информационные технологии верхних уровней, появившиеся первоначально в Internet и поставленные на службу корпоративной сети.

В результате глобальные и локальные сети постепенно сближаются за счет взаимопроникновения технологий разных уровней - от транспортных до прикладных.

Структура глобальной сети

Типичный пример структуры глобальной компьютерной сети приведен на (рис. 6.2.)

Рис. 6.2 Пример структуры глобальной сети

Здесь используются следующие обозначения:

S (switch) - коммутаторы,

К - компьютеры,

R (router) - маршрутизаторы,

MUX (multiplexor)- мультиплексор,

UNI (User-Network Interface) - интерфейс пользователь - сеть

NNI (Network-Network Interface) - интерфейс сеть - сеть.

Кроме того, офисная АТС обозначена аббревиатурой РВХ, а маленькими черными квадратиками - устройства DCE,о которых будет рассказано ниже.

Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Коммутаторы называют также центрами коммутации пакетов (ЦКП), то есть они являются коммутаторами пакетов, которые в разных технологиях глобальных сетей могут иметь и другие названия - кадры, ячейки cell.

Абоненты сети подключаются к коммутаторам в общем случае также с помощью выделенных каналов связи. Эти каналы связи имеют более низкую пропускную способность.

Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество транспортных услуг обычно ухудшается.

Конечными узлами глобальной сети являются:

отдельные компьютеры К,

локальные сети,

маршрутизаторы R

мультиплексоры MUX, которые используются для одновременной передачи по компьютерной сети данных и голоса (или изображения).

Все эти устройства вырабатывают данные для передачи в глобальной сети, поэтому являются для нее устройствами типа DTE (Data Terminal Equipment).

Локальная сеть отделена от глобальной маршрутизатором или удаленным мостом (который на рисунке не показан), поэтому для глобальной сети она представлена единым устройством DTE - портом маршрутизатора или моста.

При передаче данных через глобальную сеть мосты и маршрутизаторы, работают в соответствии с той же логикой, что и при соединении локальных сетей. Мосты, которые в этом случае называются удаленными мостами (remote bridges), строят таблицу МАС - адресов на основании проходящего через них трафика, и по данным этой таблицы принимают решение - передавать кадры в удаленную сеть или нет.

Так как конечные узлы глобальной сети должны передавать данные по каналу связи определенного стандарта, то каждое устройство типа DTE требуется оснастить устройством типа DCE (Data Circuit terminating Equipment) которое обеспечивает необходимый протокол физического уровня данного канала.

В зависимости от типа канала для связи с каналами глобальных сетей используются DCE трех основных типов:

  1.  модемы для работы по выделенным и коммутируемым аналоговым каналам,
  2.  устройства DSU/CSU для работы по цифровым выделенным каналам сетей
  3.  терминальные адаптеры (ТА) для работы по цифровым каналам сетей ISDN.

Связь компьютера или маршрутизатора с цифровой выделенной линией осуществляется с помощью пары устройств, обычно выполненных в одном корпусе или же совмещенных с маршрутизатором. Этими устройствами являются: устройство обслуживания данных (УОД) и устройство обслуживания канала (УОК). В англоязычной литературе эти устройства называются соответственно Data Service Unit (DSU) и Channel Service Unit (CSU). DSU преобразует сигналы, поступающие от DTE (обычно по интерфейсу RS-232C, RS-449 или V.35). DSU выполняет синхронизацию, формирует кадры каналов, усиливает сигнал и осуществляет выравнивание загрузки канала. CSU выполняет более узкие функции, в основном это устройство занимается созданием оптимальных условий передачи в линии. Эти устройства, как и модуляторы-демодуляторы, часто обозначаются одним словом DSU/CSU

Устройства DTE и DCE обобщенно называют оборудованием, размещаемым на территории абонента глобальной сети - Customer Premises Equipment, CPE.

Типы глобальных сетей

Глобальная вычислительная сеть должна работать в режиме коммутации пакетов. Оптимальность этого режима для связи локальных сетей доказывают :

  1.  данные о суммарном трафике, передаваемом сетью в единицу времени;
  2.  стоимость услуг такой территориальной сети.

Обычно при равенстве предоставляемой скорости доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2-3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов, то есть публичная телефонная сеть.

Часто вычислительная глобальная сеть по разным причинам оказывается недоступной в том или ином географическом пункте

Поэтому при построении корпоративной сети можно дополнить недостающие компоненты услугами и оборудованием, арендуемыми у владельцев телефонной сети.

В зависимости от того, какие компоненты приходится брать в аренду, принято различать глобальные сети, построенные с использованием:

  •  выделенных каналов;
  •  коммутации каналов;
  •  коммутации пакетов.

Последний случай соответствует наиболее благоприятному случаю, когда сеть с коммутацией пакетов доступна во всех географических точках, которые нужно объединить в общую корпоративную сеть.

Первые два случая требуют проведения дополнительных работ, чтобы на основании взятых в аренду средств построить сеть с коммутацией пакетов.

  1.  
  2.  Глобальные связи на основе выделенных линий
  3.  

Выделенный канал - это канал с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов. Абонентами могут быть как отдельные устройства (компьютеры или терминалы), так и целые сети.

Выделенные каналы обычно арендуются у компаний - операторов территориальных сетей, хотя крупные корпорации могут прокладывать свои собственные выделенные каналы.

Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от того, какого типа коммутационная аппаратура применена для постоянной коммутации абонентов.

Выделенные аналоговые каналы предоставляются пользователю с 4-проводным или 2-проводным окончанием.

Выделенные линии могут быть разделены на две группы по другому признаку -наличию промежуточной аппаратуры коммутации и усиления или ее отсутствию.

Первую группу составляют так называемые нагруженные линии, проходящие через оборудование частотного уплотнения (FDM-коммутаторы и мультиплексоры), расположенное, например, на АТС. Телефонные компании обычно предоставляют в аренду два типа выделенных каналов: канал тональной частоты с полосой пропускания 3,1 кГц и широкополосный канал с полосой 48 кГц, который представляет собой базовую группу из 12 каналов тональной частоты.

Вторая группа выделенных линий - это ненагруженные физические проводные линии. Такие линии используются для связи между близко стоящими зданиями. Разветвленные сети каналов, представляющих собой ненагруженные линии, используются, например, муниципальными службами (энергонадзора, водопровода, пожарной охраны и др.) для передачи технологической информации.

  1.  Цифровые выделенные линии
  2.  

Цифровые выделенные линии образуются путем постоянной коммутации в первичных сетях, построенных на базе коммутационной аппаратуры, работающей на принципах разделения канала во времени – TDM

Существуют два поколения технологий цифровых первичных сетей - технология плезиохронной («плезио» означает «почти», то есть почти синхронной) цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH) и более поздняя технология - синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH).

Одним из основных недостатков является сложность операций мультиплексирования и демультиплексирования пользовательских данных. Сам термин «плезиохронный», используемый для этой технологии, говорит о причине такого явления - отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в более высокоскоростные. Изначально асинхронный подход к передаче кадров породил вставку бита или нескольких бит синхронизации между кадрами. В результате для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры этого объединенного канала.

Другим существенным недостатком технологии PDH является отсутствие развитых встроенных процедур контроля и управления сетью. Служебные биты дают мало информации о состоянии канала, не позволяют его конфигурировать и т. п.

Третий недостаток состоит в слишком низких по современным понятиям скоростях иерархии PDH. Волоконно-оптические кабели позволяют передавать данные со скоростями в несколько гигабит в секунду по одному волокну, что обеспечивает консолидацию в одном кабеле десятков тысяч пользовательских каналов, но это свойство технология PDH не реализует - ее иерархия скоростей заканчивается уровнем 139 Мбит/с.

Все эти недостатки устранены в новой технологии первичных цифровых сетей, получившей название синхронной цифровой иерархии - Synchronous DigitalHierarchy, SDH.

Технология синхронной цифровой иерархии SONET/SDH

Технология синхронной цифровой иерархии первоначально была разработана компанией Bellcore под названием «Синхронные оптические сети» - Synchronous Optical NETs, SONET.

Первый вариант стандарта появился в 1984 году. Затем эта технология была стандартизована комитетом T1 ANSI.

Международная стандартизация технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) и CCITT совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии.

Основной целью разработчиков международного стандарта было создание такой технологии, которая позволяла бы передавать трафик всех существующих цифровых каналов (как американских Т1 - ТЗ, так и европейских Е1 - ЕЗ) в рамках высокоскоростной магистральной сети на волоконно-оптических кабелях и обеспечила бы иерархию скоростей, продолжающую иерархию технологии PDH, до скорости в несколько гигабит в секунду.

В результате удалось разработать международный стандарт Synchronous Digital Hierarchy, SDH (спецификации G.707-G.709), а также доработать стандарты SONET таким образом, что аппаратура и стеки SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH - как американского, так и европейского.

Иерархия скоростей при обмене данными между аппаратурой SONET/SDH, которую поддерживает технология SONET/SDH, представлена в таблице 6.3. 

В стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название: STM-n - Synchronous Transport Module level n. В технологии SONET существуют два обозначения для уровней скоростей: STS-n - Synchronous Transport Signal level n, употребляемое при передаче данных электрическим сигналом, и ОС-n - Optical Carrier level n, употребляемое при передаче данных световым лучом по волоконно-оптическому кабелю. Форматы кадров STS и ОС идентичны.

Кадры данных технологий SONET и SDH, называемые также циклами, по форматам совпадают, естественно начиная с общего уровня STS-3/STM-1. Эти кадры обладают большой избыточностью, так как передают большое количество служебной информации, которая нужна для:

  1.  обеспечения гибкой схемы мультиплексирования потоков данных разных скоростей, позволяющих вставлять (add) и извлекать (drop) пользовательскую информацию любого уровня скорости, не демультиплексируя весь поток;
  2.  обеспечения отказоустойчивости сети;
  3.  поддержки операций контроля и управления на уровне протокола сети;
  4.  синхронизации кадров в случае небольшого отклонения частот двух сопрягаемых сетей.

Применение цифровых первичных сетей

Сети SDH и сети плезиохронной цифровой иерархии очень широко используются для построения как публичных, так и корпоративных сетей. Особенно популярны их услуги в США, где большинство крупных корпоративных сетей построено на базе выделенных цифровых каналов. Эти каналы непосредственно соединяют маршрутизаторы, размещаемые на границе локальных сетей отделений корпорации.

При аренде выделенного канала сетевой интегратор всегда уверен, что между локальными сетями существует канал вполне определенной пропускной способности. Это положительная черта аренды выделенных каналов. Однако при относительно небольшом количестве объединяемых локальных сетей пропускная способность выделенных каналов никогда не используется на 100 %, и это недостаток монопольного владения каналом - предприятие всегда платит не за реальную пропускную способность. В связи с этим обстоятельством в последнее время все большую популярность приобретает служба сетей frame relay, в которых каналы разделяют несколько предприятий.

На основе первичной сети SDH можно строить сети с коммутацией пакетов, например frame или АТМ, или же сети с коммутацией каналов, например ISDN. Технология АТМ облегчила эту задачу, приняв стандарты SDH в качестве основных стандартов физического уровня. Поэтому при существовании инфраструктуры SDH для образования сети АТМ достаточно соединить АТМ-коммутаторы жестко сконфигурированными в сети SDH-каналами.

Телефонные коммутаторы также могут использовать технологию цифровой иерархии, поэтому построение телефонной сети с помощью каналов PDH или SONET/SDH не представляет труда. На (рис. 6.10.) . показан пример сосуществования двух сетей - компьютерной и телефонной - на основе выделенных каналов одной и той же первичной цифровой сети.

Рис. 6.10. Использование цифровой первичной сети для организации двух наложенных сетей - вычислительной и телефонной

Опишите основные типы оборудования для построения и обслуживания локальных вычислительных сетей.

Структурированная кабельная система

Кабельная система является фундаментом любой сети. Если она будет низкого качества, то даже самое современное и производительное оборудование будет работать медленно, нестабильно и будет неудовлетворять требованиям пользователей. Причем проблем с кабельной системой становится намного больше при увеличении размеров сети.

Ответом на высокие требования к качеству кабельной системы стали структурированные кабельные системы.

Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - 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.

Структурированная кабельная система представляет своего рода «конструктор», с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях. При необходимости конфигурацию связей можно легко изменить - добавить компьютер, сегмент, коммутатор, изъять ненужное оборудование, а также поменять соединения между компьютерами и концентраторами.

При построении структурированной кабельной системы подразумевается, что каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в данный момент этого не требуется. То есть хорошая структурированная кабельная система строится избыточной, В будущем это может сэкономить средства, так как изменения в подключении новых устройств можно производить за счет перекоммутации уже проложенных кабелей.

Структурированная кабельная система планируется и строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями от нее (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Иерархия структурированной кабельной системы

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы (рис. 4.2) включает:

Рис. 4.2. Структура кабельных подсистем

  •  горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);
  •  вертикальные подсистемы (внутри здания);
  •  подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

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. Следующим шагом иерархии является подсистема кампуса, которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone).

Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ.

  •  Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем. 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 10-15 лет.
  •  Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Известно, что стоимость кабельной системы значительна и определяется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля. 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. Например, к магистрали можно добавить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Можно заменить в отдельной подсети тип кабеля независимо от остальной части сети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она сама уже разделена на физические сегменты.
  •  Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой. При шинной организации кабельной системы отказ одного из устройств или соединительных элементов приводит к трудно локализуемому отказу всей сети. В структурированных кабельных системах отказ одного сегмента не действует на другие, так как объединение сегментов осуществляется с помощью концентраторов. Концентраторы диагностируют и локализуют неисправный участок.
  •  Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку производитель такой системы гарантирует не только качество ее отдельных компонентов, но и их совместимость.

Первой структурированной кабельной системой, имеющий все современные черты такого типа систем, была система SYSTIMAX SCS компании Lucent Technologies (ранее - подразделение AT&T). И сегодня компании Lucent Technologies принадлежит основная доля мирового рынка. Многие другие компании также выпускают качественные структурированные кабельные системы, например АМР, BICC Brand-Rex, Siemens, Alcatel, MOD-TAP. На российском рынке успешно завоевывает себе место под солнцем отечественная структурированная кабельная система АйТи-СКС московской компании «АйТи».

При выборе кабеля принимаются во внимание следующие характеристики: полоса пропускания, расстояние, физическая защищенность, электромагнитная помехозащищенность, стоимость. Кроме того, при выборе кабеля нужно учитывать, какая кабельная система уже установлена на предприятии, а также какие тенденции и перспективы существуют на рынке в данный момент.

Выводы

  •  Кабельная система составляет фундамент любой компьютерной сети. От ее качества зависят все основные свойства сети.
  •  Структурированная кабельная система представляет собой набор коммуникационных элементов - кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов, которые удовлетворяют стандартам и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей.
  •  Структурированная кабельная система состоит из трех подсистем: горизонтальной (в пределах этажа), вертикальной (между этажами ) и подсистемы кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).
  •  Для горизонтальной подсистемы характерно наличие большого количества ответвлений и перекрестных связей. Наиболее подходящий тип кабеля - неэкранированная витая пара категории 5.
  •  Вертикальная подсистема состоит из более протяженных отрезков кабеля, количество ответвлений намного меньше, чем в горизонтальной подсистеме. Предпочтительный тип кабеля - волоконно-оптический.
  •  Для подсистемы кампуса характерна нерегулярная структура связей с центральным зданием. Предпочтительный тип кабеля - волоконно-оптический в специальной изоляции.
  •  Кабельная система здания строится избыточной, так как стоимость последующего расширения кабельной системы превосходит стоимость установки избыточных элементов.

В начало

Концентраторы и сетевые адаптеры

Концентраторы вместе с сетевыми адаптерами, а также кабельной системой представляют тот минимум оборудования, с помощью которого можно создать локальную сеть. Такая сеть будет представлять собой общую разделяемую среду. Но сеть не может быть слишком большой, так как при большом количестве узлов общая среда передачи данных быстро становится узким местом, снижающим производительность сети. Поэтому концентраторы и сетевые адаптеры позволяют строить небольшие базовые фрагменты сетей, которые затем должны объединяться друг с другом с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

Сетевые адаптеры

Функции и характеристики сетевых адаптеров

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети -компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС - уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра.

Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов (некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования):

  •  Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС - уровня. Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода/вывода операционной системы.
  •  Оформление кадра данных МАС - уровня, в который инкапсулируется кадр LLC (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.
  •  Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скрэмблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Этот этап используется не во всех протоколах - например, технология Ethernet 10 Мбит/с обходится без него.
  •  Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом - манчестерским, NRZI, MLT-3 и т. п.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия:

  •  Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.
  •  Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP. В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.
  •  Если данные перед отправкой в кабель подвергались скрэмблированию, то они пропускаются через дескрэмблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком.
  •  Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС - кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть.

Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении. Примером такого адаптера может служить сетевой адаптер SMS EtherPower со встроенным процессором Intel i960.

В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100. Это свойство некоторые производители называют авточувствительностью.

Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода/вывода.

Если сетевой адаптер, аппаратура компьютера и операционная система поддерживают стандарт Plug-and-Play, то конфигурирование адаптера и его драйвера осуществляется автоматически. Иначе нужно сначала сконфигурировать сетевой адаптер, а затем повторить параметры его конфигурации для драйвера. Детали процедуры конфигурирования сетевого адаптера и его драйвера во многом зависят от производителя адаптера, а также от возможностей шины, для которой разработан адаптер.

Классификация сетевых 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. Кроме этого, задание конфигурации адаптера первого поколения происходило вручную, с помощью перемычек. Для каждого типа адаптеров использовался свой драйвер, причем интерфейс между драйвером и сетевой операционной системой не был стандартизирован.

В сетевых адаптерах второго поколения для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. При этом следующий кадр загружается из памяти компьютера в буфер адаптера одновременно с передачей предыдущего кадра в сеть. В режиме приема, после того как адаптер полностью принял один кадр, он может начать передавать этот кадр из буфера в память компьютера одновременно с приемом другого кадра из сети.

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. Адаптеры второго поколения обычно поставляются с драйверами, работающими как в стандарте NDIS (спецификация интерфейса сетевого драйвера), разработанном фирмами 3Com и Microsoft и одобренном IBM, так и в стандарте ODI (интерфейс открытого драйвера), разработанном фирмой Novell.

В сетевых адаптерах третьего поколения (к ним фирма 3Com относит свои адаптеры семейства EtherLink III) 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. Таким образом, после приема нескольких первых байт кадра начинается их передача. Это существенно (на 25-55 %) повышает производительность цепочки оперативная память -адаптер - физический канал - адаптер - оперативная память. Такая схема очень чувствительна к порогу начала передачи, то есть к количеству байт кадра, которое загружается в буфер адаптера перед началом передачи в сеть. Сетевой адаптер третьего поколения осуществляет самонастройку этого параметра путем анализа рабочей среды, а также методом расчета, без участия администратора сети. Самонастройка обеспечивает максимально возможную производительность для конкретного сочетания производительности внутренней шины компьютера, его системы прерываний и системы прямого доступа к памяти.

Адаптеры третьего поколения базируются на специализированных интегральных схемах (ASIC), что повышает производительность и надежность адаптера при одновременном снижении его стоимости. Компания 3Com назвала свою технологию конвейерной обработки кадров Parallel Tasking, другие компании также реализовали похожие схемы в своих адаптерах. Повышение производительности канала «адаптер-память» очень важно для повышения производительности сети в целом, так как производительность сложного маршрута обработки кадров, включающего, например, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, глобальные каналы связи и т. п., всегда определяется производительностью самого медленного элемента этого маршрута. Следовательно, если сетевой адаптер сервера или клиентского компьютера работает медленно, никакие быстрые коммутаторы не смогут повысить скорость работы сети.

Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит ASIC, выполняющая функции МАС - 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. Примером сетевого адаптера четвертого поколения может служить адаптер компании 3Com Fast EtherLink XL 10/100.

В начало

Концентраторы

Основные и дополнительные функции концентраторов

Во всех современных технологиях локальных сетей определено устройство, которое имеет несколько равноправных названий - концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель (repeator). 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 - Ethernet, Token Ring и т. п.

Концентраторы разных производителей могут отличаться такими деталями, как количество портов, поддержка нескольких типов кабелей и т. п.

Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количество дополнительных функций, которые либо в стандарте вообще не определены, либо являются факультативными. Например, концентратор Token Ring может выполнять функцию отключения некорректно работающих портов и перехода на резервное кольцо, хотя в стандарте такие его возможности не описаны. Концентратор оказался удобным устройством для выполнения дополнительных функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети.

Рассмотрим особенности реализации основной функции концентратора на примере концентраторов Ethernet.

В технологии Ethernet устройства, объединяющие несколько физических сегментов коаксиального кабеля в единую разделяемую среду, использовались давно и получили название «повторителей» по своей основной функции - повторению на всех своих портах сигналов, полученных на входе одного из портов. В сетях на основе коаксиального кабеля обычными являлись двухпортовые повторители, соединяющие только два сегмента кабеля, поэтому термин концентратор к ним обычно не применялся.

С появлением спецификации 10Base-T для витой пары повторитель стал неотъемлемой частью сети Ethernet, так как без него связь можно было организовать только между двумя узлами сети. Многопортовые повторители Ethernet на витой паре стали называть концентраторами или хабами, так как в одном устройстве действительно концентрировались связи между большим количеством узлов сети. Концентратор Ethernet обычно имеет от 8 до 72 портов, причем основная часть портов предназначена для подключения кабелей на витой паре. На (рис. 4.3) показан типичный концентратор Ethernet, рассчитанный на образование небольших сегментов разделяемой среды.

Рис. 4.3. Концентратор Ethernet

Он имеет 16 портов стандарта 10Base-T с разъемами RJ-45, а также один порт AUI для подключения внешнего трансивера. Обычно к этому порту подключается трансивер, работающий на коаксиал или оптоволокно. С помощью этого трансивера концентратор подключается к магистральному кабелю, соединяющему несколько концентраторов между собой, либо таким образом обеспечивается подключение станции, удаленной от концентратора более чем на 100 м.

Некоторые отличия могут демонстрировать модели концентраторов, работающие на одномодовый волоконно-оптический кабель. Дальность сегмента кабеля, поддерживаемого концентратором FDDI, на таком кабеле может значительно отличаться в зависимости от мощности лазерного излучателя - от 10 до 40 км.

Однако если существующие различия при выполнении основной функции концентраторов не столь велики, то их намного превосходит разброс в возможностях реализации концентраторами дополнительных функций.

Отключение портов

Очень полезной при эксплуатации сети является способность концентратора отключать некорректно работающие порты, изолируя тем самым остальную часть сети от возникших в узле проблем. Эту функцию называют автосегментацией (autopartitioning). 

Рассмотрим ситуации, в которых концентраторы Ethernet и Fast Ethernet выполняют отключение порта.

  •  Ошибки на уровне кадра. Если интенсивность прохождения через порт кадров, имеющих ошибки, превышает заданный порог, то порт отключается, а затем, при отсутствии ошибок в течение заданного времени, включается снова. Такими ошибками могут быть: неверная контрольная сумма, неверная длина кадра (больше 1518 байт или меньше 64 байт), неоформленный заголовок кадра.
  •  Множественные коллизии. Если концентратор фиксирует, что источником коллизии был один и тот же порт 60 раз подряд, то порт отключается. Через некоторое время порт снова будет включен.
  •  Затянувшаяся передача (jabber). Как и сетевой адаптер, концентратор контролирует время прохождения одного кадра через порт. Если это время превышает время передачи кадра максимальной длины в 3 раза, то порт отключается.

Конструктивное исполнение концентраторов

На конструктивное устройство концентраторов большое влияние оказывает их область применения. Концентраторы рабочих групп чаще всего выпускаются как устройства с фиксированным количеством портов, корпоративные концентраторы - как модульные устройства на основе шасси, а концентраторы отделов могут иметь стековую конструкцию. Такое деление не является жестким, и в качестве корпоративного концентратора может использоваться, например, модульный концентратор.

Концентратор с фиксированным количеством портов - это наиболее простое конструктивное исполнение, когда устройство представляет собой отдельный корпус со всеми необходимыми элементами (портами, органами индикации и управления, блоком питания), и эти элементы заменять нельзя. Обычно все порты такого концентратора поддерживают одну среду передачи, общее количество портов изменяется от 4-8 до 24. Один порт может быть специально выделен для подключения концентратора к магистрали сети или же для объединения концентраторов (в качестве такого порта часто используется порт с интерфейсом AUI, в этом случае применение соответствующего трансивера позволяет подключить концентратор к практически любой физической среде передачи данных).

Модульный концентратор выполняется в виде отдельных модулей с фиксированным количеством портов, устанавливаемых на общее шасси. Шасси имеет внутреннюю шину для объединения отдельных модулей в единый повторитель. Часто такие концентраторы являются многосегментными, тогда в пределах одного модульного концентратора работает несколько несвязанных между собой повторителей. Для модульного концентратора могут существовать различные типы модулей, отличающиеся количеством портов и типом поддерживаемой физической среды.

Ввиду ответственной работы, которую выполняют корпоративные модульные концентраторы, они снабжаются модулем управления, системой терморегулирования, избыточными источниками питания и возможностью замены модулей «на ходу».

Недостатком концентратора на основе шасси является высокая начальная стоимость такого устройства для случая, когда предприятию на первом этапе создания сети нужно установить всего 1-2 модуля. Высокая стоимость шасси вызвана тем, что оно поставляется вместе со всеми общими устройствами, такими как избыточные источники питания и т. п. Поэтому для сетей средних размеров большую популярность завоевали стековые концентраторы.

Стековый концентратор, как и концентратор с фиксированным числом портов, выполнен в виде отдельного корпуса без возможности замены отдельных его модулей. Типичный вид нескольких стековых концентраторов Ethernet показан на (рис. 4.4.)

Рис. 4.4. Стековые концентраторы Ethernet

Однако стековыми эти концентраторы называются не потому, что они устанавливаются один на другой. Такая чисто конструктивная деталь вряд ли удостоилась бы особого внимания, так как установка нескольких устройств одинаковых габаритных размеров в общую стойку практикуется очень давно. Стековые концентраторы имеют специальные порты и кабели для объединения нескольких таких корпусов в единый повторитель (рис. 4.5), который имеет общий блок повторения, обеспечивает общую ресинхронизацию сигналов для всех своих портов.

Рис. 4.5. Объединение стековых концентраторов в единое устройство с помощью специальных разъемов на задней панели

Если стековые концентраторы имеют несколько внутренних шин, то при соединении в стек эти шины объединяются и становятся общими для всех устройств стека. Число объединяемых в стек корпусов может быть достаточно большим (обычно до 8, но бывает и больше). Стековые концентраторы могут поддерживать различные физические среды передачи, что делает их почти такими же гибкими, как и модульные концентраторы, но при этом стоимость этих устройств в расчете на один порт получается обычно ниже, так как сначала предприятие может купить одно устройство без избыточного шасси, а потом нарастить стек еще несколькими аналогичными устройствами.

Выводы

  •  От производительности сетевых адаптеров зависит производительность любой сложной сети, так как данные всегда проходят не только через коммутаторы и маршрутизаторы сети, но и через адаптеры компьютеров, а результирующая производительность последовательно соединенных устройств определяется производительностью самого медленного устройства.
  •  Сетевые адаптеры характеризуются типом поддерживаемого протокола, производительностью, шиной компьютера, к которой они могут присоединяться, типом приемопередатчика, а также наличием собственного процессора, разгружающего центральный процессор компьютера от рутинной работы.
  •  Сетевые адаптеры для серверов обычно имеют собственный процессор, а клиентские сетевые адаптеры - нет.
  •  Современные адаптеры умеют адаптироваться к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера для повышения производительности обмена «сеть-компьютер».
  •  Концентраторы, кроме основной функции протокола (побитного повторения кадра на всех или последующем порту), всегда выполняют ряд полезных дополнительных функций, определяемых производителем концентратора.
  •  Автосегментация - одна из важнейших дополнительных функций, с помощью которой концентратор отключает порт при обнаружении разнообразных проблем с кабелем и конечным узлом, подключенным к данному порту.
  •  В число дополнительных функций входят функции защиты сети от несанкционированного доступа, запрещающие подключение к концентратору компьютеров с неизвестными МАС - адресами, а также заполняющие нулями поля данных кадров, поступающих не к станции назначения.
  •  Стековые концентраторы сочетают преимущества модульных концентраторов и концентраторов с фиксированным количеством портов.

Логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов

Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, которые представляют самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает более высокой производительностью и надежностью. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов и коммутаторов.

Проблемы, возникающие при логической структуризации сетей

Ограничения сети, построенной на общей разделяемой среде

Потеря кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств

Крупные сети, насчитывающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды даже такой скоростной технологии, как Gigabit Ethernet. И не только потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все виды семейства Ethernet - 1024 узлами, Token Ring - 260 узлами, a FDDI - 500 узлами. Даже сеть средних размеров, состоящая из 50-100 компьютеров и укладывающаяся в разрешенный максимум количества узлов, чаще всего будет плохо работать на одной разделяемой среде.

При загрузке сети до 50 % технология Ethernet на разделяемом сегменте хорошо справляется с передачей трафика, генерируемого конечными узлами. Однако при повышении интенсивности генерируемого узлами трафика сеть все больше времени начинает проводить неэффективно, повторно передавая кадры, которые вызвали коллизию. При возрастании интенсивности генерируемого трафика до такой величины, когда коэффициент использования сети приближается к 1, вероятность столкновения кадров настолько увеличивается, что практически любой кадр, который какая-либо станция пытается передать, сталкивается с другими кадрами, вызывая коллизию. Сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает «на себя», обрабатывая коллизии.

Этот эффект хорошо известен на практике и исследован путем имитационного моделирования, поэтому сегменты Ethernet не рекомендуется загружать так, чтобы среднее значение коэффициента использования превосходило 30 %. Именно поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки сети Ethernet по умолчанию устанавливается на величину 30 %.

Технология Ethernet наиболее чувствительна к перегрузкам разделяемого сегмента, но и другие технологии также весьма страдают от этого эффекта, поэтому ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказываются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой передачи электрических сигналов в кабелях.

В результате даже сеть средних размеров трудно построить на одном разделяемом сегменте так, чтобы она работала эффективно при изменении интенсивности генерируемого станциями трафика. Кроме того, при использовании разделяемой среды проектировщик сети сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети, которые для всех технологий лежат в пределах нескольких километров, и только технология FDDI позволяет строить локальные сети, длина которых измеряется десятками километров.

Преимущества логической структуризации сети

Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив сеть на несколько разделяемых сред и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Логическая структуризация сети

Перечисленные устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах. (В отличие от концентраторов, которые повторяют кадры на всех своих портах, передавая их во все подсоединенные к ним сегменты, независимо от того, в каком из них находится станция назначения.) Мосты и коммутаторы выполняют операцию передачи кадров на основе плоских адресов канального уровня, то есть МАС - адресов, а маршрутизаторы - на основе номера сети. При этом единая разделяемая среда, созданная концентраторами (или в предельном случае - одним сегментом кабеля), делится на несколько частей, каждая из которых присоединена к порту моста, коммутатора или маршрутизатора.

При этом сеть делится на логические сегменты или подвергается логической структуризации. Логический сегмент представляет собой единую разделяемую среду. Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на каждый из вновь образованных сегментов, почти всегда оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть. Следовательно, уменьшаются вредные эффекты от разделения среды: снижается время ожидания доступа, а в сетях Ethernet - и интенсивность коллизий.

Рис. 4.7. Изменение нагрузки при делении сети на сегменты

Для иллюстрации этого эффекта рассмотрим (рис. 4.7). На нем изображены два сегмента, соединенные мостом. Внутри сегментов имеются повторители. До деления сети на сегменты весь трафик, генерируемый узлами сети, был общим (представим, что место межсетевого устройства также занимал повторитель) и учитывался при определении коэффициента использования сети.

Выше было сказано, что деление сети на логические сегменты почти всегда уменьшает нагрузку в новых сегментах. Слово «почти» учитывает очень редкий случай, когда сеть разбита на сегменты так, что внутренний трафик каждого сегмента равен нулю, то есть весь трафик является межсегментным. Для примера из рис. 4.7 это означало бы, что все компьютеры сегмента S1 обмениваются данными только с компьютерами сегмента S2, и наоборот.

Большинство крупных сетей разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети. Эти подсети обслуживают различные отделы. Подсети могут делиться и далее на сегменты, предназначенные для обслуживания рабочих групп.

В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), а также гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и облегчает управление сетью.

Сегментация увеличивает гибкость сети. При построении сети как совокупности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Например, в одной подсети может использоваться технология Ethernet и ОС NetWare, а в другой Token Ring и OS-400, в соответствии с традициями того или иного отдела или потребностями имеющихся приложений. Вместе с тем, у пользователей обеих подсетей есть возможность обмениваться данными через межсетевые устройства, такие как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы.

Подсети повышают безопасность данных. При подключении пользователей к различным физическим сегментам сети можно запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других сегментов. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать доступ к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители.

Подсети упрощают управление сетью. Побочным эффектом уменьшения трафика и повышения безопасности данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень часто локализуются внутри сегмента. Как и в случае структурированной кабельной системы, проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети. Подсети образуют логические домены управления сетью.

Сети должны проектироваться на двух уровнях: физическом и логическом. Логическое проектирование определяет места расположения ресурсов, приложений и способы группировки этих ресурсов в логические сегменты.

Структуризация с помощью мостов и коммутаторов

В данной главе рассматриваются устройства логической структуризации сетей, работающие на канальном уровне стека протоколов - мосты и коммутаторы. Структуризация сети возможна также на основе маршрутизаторов, которые для выполнения этой задачи привлекают протоколы сетевого уровня. Каждый способ структуризации - с помощью канального протокола и с помощью сетевого протокола - имеет свои преимущества и недостатки. В современных сетях часто используют комбинированный способ логической структуризации - небольшие сегменты объединяются устройствами канального уровня в более крупные подсети, которые, в свою очередь, соединяются маршрутизаторами.

Сеть можно разделить на логические сегменты с помощью устройств двух типов - мостов (bridge) и/или коммутаторов (switch, switching hub). Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), описанного в стандарте IEEE 802. ID, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge) компании IBM для сетей Token Ring. Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого коммутатора, поэтому в них используется термин «мост». Когда же на свет появилась первая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она выполняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.1D, который был с десяток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей. Коммутаторы, которые продвигают кадры протокола Token Ring, работают по алгоритму Source Routing, характерному для мостов IBM.

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор - параллельно. Это обстоятельство связано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (он подчинялся правилу 80 на 20 %). Сеть чаще всего делили на два сегмента, поэтому и термин был выбран соответствующий - мост. Для обработки потока данных со средней интенсивностью 1 Мбит/с мосту вполне хватало производительности одного процессорного блока.

При изменении ситуации в конце 80-х - начале 90-х годов - появлении быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации, разделении сети на большое количество сегментов - классические мосты перестали справляться с работой. Обслуживание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение.

Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм моста. По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Отдельные процессоры коммутатора связывались коммутационной матрицей, похожей на матрицы мультипроцессорных компьютеров, связывающие процессоры с блоками памяти.

Постепенно коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - очень высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, когда их производительность оказывалась меньше интенсивности межсегментного потока кадров, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, которые могут передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому параллельной передачи кадров между портами сделало производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов - коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в секунду. Это и предопределило судьбу мостов и коммутаторов.

Процесс вытеснения мостов начал протекать достаточно быстро с 1994 года, и сегодня локальные мосты практически не производятся сетевой индустрией. За время своего существования уже без конкурентов-мостов коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, которые появлялись в результате естественного развития сетевых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), приоритезация трафика, использование магистрального порта по умолчанию и т. п.

Сегодня мосты по-прежнему работают в сетях, но только на достаточно медленных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями. Такие мосты называются удаленными мостами (remote bridge), и алгоритм их работы ничем не отличается от стандарта 802. ID или Source Routing.

Прозрачные мосты умеют, кроме передачи кадров в рамках одной технологии, транслировать протоколы локальных сетей, например Ethernet в Token Ring, FDDI в Ethernet и т. п. Это свойство прозрачных мостов описано в стандарте IEEE 802.1Н.

Принципы работы мостов

Алгоритм работы прозрачного моста

Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу, на основании которой можно решить, нужно передавать пришедший кадр в какой-либо другой сегмент или нет. Сетевые адаптеры при использовании прозрачных мостов работают точно так же, как и при их отсутствии. Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанавливается мост, поэтому прозрачные мосты Ethernet работают точно так же, как прозрачные мосты FDDI.

Прозрачный мост строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом мост учитывает адреса источников кадров данных, поступающих на порты моста. По адресу источника кадра мост делает вывод о принадлежности этого узла тому или иному сегменту сети.

Рассмотрим процесс автоматического создания адресной таблицы моста и ее использования на примере простой сети, представленной на (рис. 4.8.)

Рис. 4.8. Принцип работы прозрачного моста

Мост соединяет два логических сегмента. Сегмент 1 составляют компьютеры, подключенные с помощью одного отрезка коаксиального кабеля к порту 1 моста, а сегмент 2 - компьютеры, подключенные с помощью другого отрезка коаксиального кабеля к порту 2 моста.

Каждый порт моста работает как конечный узел своего сегмента за одним исключением - порт моста не имеет собственного МАС - адреса. Порт моста работает в так называемом неразборчивом (promisquous) режиме захвата пакетов, когда все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах, и использует проходящие через него пакеты для изучения состава сети. Так как в буфер записываются все пакеты, то адрес порта мосту не нужен.

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, компьютеры с какими МАС - адресами подключены к каждому из его портов. Поэтому в этом случае мост просто передает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты за исключением того, от которого этот кадр получен. В нашем примере у моста только два порта, поэтому он передает кадры с порта 1 на порт 2, и наоборот. Отличие работы моста в этом режиме от повторителя в том, что он передает кадр не побитно, а с буферизацией. Буферизация разрывает логику работы всех сегментов как единой разделяемой среды. Когда мост собирается передать кадр с сегмента на сегмент, например с сегмента 1 на сегмент 2, он заново пытается получить доступ к сегменту 2 как конечный узел по правилам алгоритма доступа, в данном примере - по правилам алгоритма CSMA/CD.

Одновременно с передачей кадра на все порты мост изучает адрес источника кадра и делает новую запись о его принадлежности в своей адресной таблице, которую также называют таблицей фильтрации или маршрутизации. Например, получив на свой порт 1 кадр от компьютера 1, мост делает первую запись в своей адресной таблице: МАС - адрес 1 - порт 1. Если все четыре компьютера данной сети проявляют активность и посылают друг другу кадры, то скоро мост построит полную адресную таблицу сети, состоящую из 4 записей - по одной записи на узел.

После того как мост прошел этап обучения, он может работать более рационально. При получении кадра, направленного, например, от компьютера 1 компьютеру 3, он просматривает адресную таблицу на предмет совпадения ее адресов с адресом назначения 3. Поскольку такая запись есть, то мост выполняет второй этап анализа таблицы - проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника (в нашем случае - это адрес 1) и адресом назначения (адрес 3) в одном сегменте. Так как в нашем примере они находятся в разных сегментах, то мост выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра - передает кадр на другой порт, предварительно получив доступ к другому сегменту.

Если бы оказалось, что компьютеры принадлежат одному сегменту, то кадр просто был бы удален из буфера и работа с ним на этом бы закончилась. Такая операция называется фильтрацией (filtering).

Если же адрес назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта - источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

Входы адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения моста, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети. Динамические входы имеют срок жизни - при создании или обновлении записи в адресной таблице с ней связывается отметка времени. По истечении определенного тайм-аута запись помечается как недействительная, если за это время мост не принял ни одного кадра с данным адресом в поле адреса источника. Это дает возможность автоматически реагировать на перемещения компьютера из сегмента в сегмент - при его отключении от старого сегмента запись о его принадлежности к нему со временем вычеркивается из адресной таблицы. После включения этого компьютера в работу в другом сегменте его кадры начнут попадать в буфер моста через другой порт, и в адресной таблице появится новая запись, соответствующая текущему состоянию сети.

Статические записи не имеют срока жизни, что дает администратору возможность подправлять работу моста, если это необходимо.

Кадры с широковещательными МАС - адресами передаются мостом на все его порты, как и кадры с неизвестным адресом назначения. Такой режим распространения кадров называется затоплением сети (flood). Наличие мостов в сети не препятствует распространению широковещательных кадров по всем сегментам сети, сохраняя ее прозрачность. Однако это является достоинством только в том случае, когда широковещательный адрес выработан корректно работающим узлом. Однако часто случается так, что в результате каких-либо программных или аппаратных сбоев протокол верхнего уровня или сам сетевой адаптер начинают работать некорректно и постоянно с высокой интенсивностью генерировать кадры с широковещательным адресом в течение длительного промежутка времени. Мост в этом случае передает эти кадры во все сегменты, затапливая сеть ошибочным трафиком. Такая ситуация называется широковещательным штормом (broadcast storm).

Но мосты не защищают сети от широковещательного шторма, по умолчанию, как это делают маршрутизаторы.

На (рис. 4.9) показана типичная структура моста. Функции доступа к среде при приеме и передаче кадров выполняют микросхемы MAC, которые идентичны микросхемам сетевого адаптера.

Рис. 4.9. Структура моста

Мосты с маршрутизацией от источника

Мосты с маршрутизацией от источника применяются для соединения колец Token Ring и FDDI. Маршрутизация от источника (Source Routing, SR) основана на том, что станция-отправитель помещает в посылаемый в другое кольцо кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и кольцах, которые должен пройти кадр перед тем, как попасть в кольцо, к которому подключена станция-получатель.

Рассмотрим принципы работы мостов Source Routing (в дальнейшем, SR-мосты) на примере сети, изображенной на (рис. 4.10.) Сеть состоит из трех колец, соединенных тремя мостами. Для задания маршрута кольца и мосты имеют идентификаторы. SR-мосты не строят адресную таблицу, а при продвижении кадров пользуются информацией, имеющейся в соответствующих полях кадра данных.

Рис. 4.10. Мосты типа Source Routing

При получении каждого пакета SR-мосту нужно только просмотреть поле маршрутной информации (поле Routing Information Field, RIF, в кадре Token Ring или FDDI) на предмет наличия в нем своего идентификатора. И если он там присутствует и сопровождается идентификатором кольца, которое подключено к данному мосту, то в этом случае мост копирует поступивший кадр в указанное кольцо. Иначе кадр в другое кольцо не копируется.Исходная копия кадра возвращается по исходному кольцу станции-отправителю, и если он был передан в другое кольцо, то бит А (адрес распознан) и бит С (кадр скопирован) поля статуса кадра устанавливаются в 1, чтобы сообщить станции-отправителю, что кадр был получен станцией назначения ( в данном случае передан мостом в другое кольцо).

Станция-источник получает в общем случае несколько кадров-ответов, прошедших по всем возможным маршрутам составной сети, и выбирает наилучший маршрут (обычно по количеству пересечений промежуточных мостов).

Затем маршрутная информация помещается в таблицу маршрутизации станции и используется для отправки кадров данных станции назначения по наилучшему маршруту за счет помещения последовательности номеров сетей и мостов в заголовке каждого такого кадра.

Мосты с маршрутизацией от источника имеют по сравнению с прозрачными мостам как преимущества, так и недостатки, отраженные в (табл.4.1.)

Таблица 4.1. Преимущества и недостатки мостов с маршрутизацией от источника

Наличие двух возможных алгоритмов работы мостов - от источника и в прозрачном режиме - создает трудности для построения сложных сетей Token Ring. Мосты, работающие от источника, не могут поддерживать сегменты, рассчитанные на работу в прозрачном режиме, и наоборот.

До некоторого времени эта проблема решалась двумя способами. Один способ заключался в использовании во всех сегментах либо только маршрутизации от источника, либо только прозрачных мостов. Другим способом была установка маршрутизаторов. Сегодня имеется третье решение. Оно основано на стандарте, который позволяет объединить обе технологии работы моста в одном устройстве. Этот стандарт, называемый SRT (Source Route Transparent), позволяет мосту работать в любом режиме. Мост просматривает специальные флаги в заголовке кадров Token Ring и автоматически определяет, какой из алгоритмов нужно применить.

Ограничения топологии сети, построенной на мостах

Слабая защита от широковещательного шторма - одно из главных ограничений моста. Еще одним серьезным ограничением их функциональных возможностей является невозможность поддержки петлеобразных конфигураций сети. Рассмотрим это ограничение на примере сети, изображенной на (рис. 4.11.)

Рис. 4.11. Влияние замкнутых маршрутов на работу мостов

Два сегмента параллельно соединены двумя мостами, так что образовалась активная петля. Пусть новая станция с адресом 10 впервые начинает работу в данной сети. Обычно начало работы любой операционной системы сопровождается рассылкой широковещательных кадров, в которых станция заявляет о своем существовании и одновременно ищет серверы сети.

На этапе 1 станция посылает первый кадр с широковещательным адресом назначения и адресом источника 10 в свой сегмент. Кадр попадает как в мост 1, так и в мост 2. В обоих мостах новый адрес источника 10 заносится в адресную таблицу с пометкой о его принадлежности сегменту 1, то есть создается новая запись вида:

Так как адрес назначения широковещательный, то каждый мост должен передать кадр на сегмент 2. Эта передача происходит поочередно, в соответствии с методом случайного доступа технологии Ethernet. Пусть первым доступ к сегменту 2 получил мост 1 (этап 2 на рис. 4.11). При появлении пакета на сегменте 2 мост 2 принимает его в свой буфер и обрабатывает. Он видит, что адрес 10 уже есть в его адресной таблице, но пришедший кадр является более свежим, и он утверждает, что адрес 10 принадлежит сегменту 2, а не 1. Поэтому мост 2 корректирует содержимое базы и делает запись о том, что адрес 10 принадлежит сегменту 2.

Теперь адресная таблица моста 2 будет иметь уже другую запись о станции с адресом 10:

Аналогично поступает мост 1, когда мост 2 передает свою копию кадра на сегмент 2.

Результаты наличия петли перечислены ниже.

  •  «Размножение» кадра, то есть появление нескольких его копий (в данном случае - двух, но если бы сегменты были соединены тремя мостами - то трех и т. д.).
  •  Бесконечная циркуляция обеих копий кадра по петле в противоположных направлениях, а значит, засорение сети ненужным трафиком.
  •  Постоянная перестройка мостами своих адресных таблиц, так как кадр с адресом источника 10 будет появляться то на одном порту, то на другом.

Чтобы исключить все эти побочные эффекты, мосты нужно применять так, чтобы между логическими сегментами не было петель, то есть строить с помощью мостов только древовидные структуры, гарантирующие наличие только одного пути между любыми двумя сегментами. Тогда кадры от каждой станции будут поступать в мост всегда с одного и того же порта, и мост сможет правильно решать задачу выбора рационального маршрута в сети.

Ограничение топологии структурированной сети древовидной структурой вытекает из самого принципа построения адресной таблицы мостом, а поэтому точно так же это ограничение действует и на коммутаторы.

В простых сетях сравнительно легко гарантировать существование одного и только одного пути между двумя сегментами. Но когда количество соединений возрастает и сеть становится сложной, то вероятность непреднамеренного образования петли оказывается высокой. Кроме того, желательно для повышения надежности иметь между мостами резервные связи, которые не участвуют при нормальной работе основных связей в передаче информационных пакетов станций, но при отказе какой-либо основной связи образуют новую связную рабочую конфигурацию без петель.

Поэтому в сложных сетях между логическими сегментами прокладывают избыточные связи, которые образуют петли, но для исключения активных петель блокируют некоторые порты мостов. Наиболее просто эта задача решается вручную, но существуют и алгоритмы, которые позволяют решать ее автоматически. Наиболее известным является стандартный алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA), который будет детально рассмотрен ниже. Кроме того, имеются фирменные алгоритмы, решающие ту же задачу, но с некоторыми улучшениями для конкретных моделей коммутаторов.

В начало

Коммутаторы локальных сетей

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.

После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.

Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис.4.12).

Рис. 4.12. Передача кадра через коммутационную матрицу

Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Этот способ представляет, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи.

  1.  Прием первых байт кадра процессором входного порта, включая прием байт адреса назначения.
  2.  Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).
  3.  Коммутация матрицы.
  4.  Прием остальных байт кадра процессором входного порта.
  5.  Прием байт кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
  6.  Получение доступа к среде процессором выходного порта.
  7.  Передача байт кадра процессором выходного порта в сеть.

Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.

По сравнению с режимом полной буферизации кадраэкономия от конвейеризации получается ощутимой.

Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.

Широкому применению коммутаторов способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях оборудования - сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент.

Так как коммутаторы и мосты прозрачны для протоколов сетевого уровня, то их появление в сети не оказало никакого влияния на маршрутизаторы сети, если они там имелись.

Удобство использования коммутатора состоит в том, что это самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно - нужно только правильно подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

В начало

Коммутаторы

Коммутаторы локальных сетей - не первые устройства, которые сталкиваются с проблемой перегрузки. Мосты также могут испытывать перегрузки, однако такие ситуации при использовании мостов встречались редко из-за небольшой интенсивности межсегментного трафика, поэтому разработчики мостов не стали встраивать в протоколы локальных сетей или в сами мосты механизмы регулирования потока.

Применение коммутаторов без изменения протокола работы оборудования всегда порождает опасность потери кадров. Если порты коммутатора работают в обычном, то есть в полудуплексном режиме, то у коммутатора имеется возможность оказать некоторое воздействие на конечный узел и заставить его приостановить передачу кадров, пока у коммутатора не разгрузятся внутренние буферы.

Если же коммутатор работает в полнодуплексном режиме, то протокол работы конечных узлов, да и его портов все равно меняется. Поэтому имело смысл для поддержки полнодуплексного режима работы коммутаторов несколько модифицировать протокол взаимодействия узлов, встроив в него явный механизм управления потоком кадров.

Выводы

  •  Логическая структуризация сети необходима при построении сетей средних и крупных размеров. Использование общей разделяемой среды приемлемо только для сети, состоящей из 5-10 компьютеров.
  •  Деление сети на логические сегменты повышает производительность, надежность, гибкость построения и управляемость сети.
  •  Для логической структуризации сети применяются мосты и их современные преемники - коммутаторы и маршрутизаторы. Первые два типа устройств позволяют разделить сеть на логические сегменты с помощью минимума средств - только на основе протоколов канального уровня. Кроме того, эти устройства не требуют конфигурирования.
  •  Логические сегменты, построенные на основе коммутаторов, являются строительными элементами более крупных сетей, объединяемых маршрутизаторами.
  •  Коммутаторы - наиболее быстродействующие современные коммуникационные устройства, они позволяют соединять высокоскоростные сегменты без блокирования (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.
  •  Пассивный способ построения адресной таблицы коммутаторами - с помощью слежения за проходящим трафиком - приводит к невозможности работы в сетях с петлевидными связями. Другим недостатком сетей, построенных на коммутаторах, является отсутствие защиты от широковещательного шторма, который эти устройства обязаны передавать в соответствии с алгоритмом работы.
  •  Применение коммутаторов позволяет сетевым адаптерам использовать полнодуплексный режим работы протоколов локальных сетей (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI). В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных удваивается.
  •  В полнодуплексном режиме для борьбы с перегрузками коммутаторов используется метод управления потоком, описанный в стандарте 802.3х. Он повторяет алгоритмы полной приостановки трафика по специальной команде, известной из технологий глобальных сетей.

Опишите принципы построения и функционирования электронных вычислительных машин и их основные классы.

Общие принципы

построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм — это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ — это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке.

Следует заметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует.

Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами.  Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ.

Суть его заключается в следующем:

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд.

Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков.

Операнды,— переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных.

Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов.

Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами «0» и «1». Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет свои форматы — структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами «0» и «1». Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

Устройство ввода (УВв) предназначено для ввода в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект — файл.

Файл это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ.

Цепи сигналов управления показаны на рис. 1.1 штриховыми линиями.

Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

АЛУ каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память.

Отдельные признаки результатов r (r=0, r<0, r>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации.

Принципы построения ЭВМ третьего поколения

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 — 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд).

Микрокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций.

При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд.

Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений.

Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.

 В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в монопольных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Принципы построения ПЭВМ

Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры — согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры — специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода.

В качестве особых устройств следует выделить таймер — устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) — устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способы формирования структуры ПЭВМ

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

  1.  модульность построения;
  2.  иерархия управления;
  3.  магистральность.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения — интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплутационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно.

Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Магистральность заключается в том, что подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать специальные шины для обмена информацией.

Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структурах ПК появились:

  •  системная шина — для взаимодействия основных устройств;
  •  локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;
  •  периферийная шина — для подключения «медленных» периферийных устройств.

Таким образом, способы формирования структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки :

  1.  ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;
    1.  линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;
    2.  одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;
    3.  внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;
    4.  последовательное централизованное управление вычислениями;

особенности организации ввода вывода.

Опишите принципы построения вычислительных систем и их основные классы.

Технические и экономические предпосылки появления ВС.

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ (структуры фон Неймана) уменьшаются возможности получения отдельных ЭВМ сверхвысокой производительности.

Развитие вычислительной техники обеспечивается сейчас за счет технологии изготовления элементов (примерно каждые 2 года обновляется парк микропроцессоров, хотя их структура не выходит за рамки классической структуры). Пользователи требуют машины, характеристики которых производство не может обеспечить.

ВС - совокупность нескольких вычислителей, ЭВМ или процессоров, периферийного оборудования, предназначенного для повышения эффективности вычислительного комплекса.

Создание ВС имеет цели:

  1.  повышение производительности за счет параллелизма вычисления;
  2.  повышение надежности работы и достоверности вычислений;
  3.  увеличение и улучшение сервиса в обслуживании пользователя.

Самыми важными предпосылками появления и развития ВС служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью - "закон Гроша".

Построение же вычислительных систем позволяет значительно сократить затраты, так как для них существует линейная формула:

где:

— соответственно стоимость ЭВМ и ВС

— коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники;

— производительность ЭВМ и i-го из п комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).

Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

  1.  возможность работы в разных режимах;
  2.  модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
  3.  унификация и стандартизация технических и программных решений;
  4.  иерархия в организации управления процессами;
  5.  способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
  6.  обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

Понятие совместимости и комплексирования в ВС.

Все системы различаются способами комплексирования, т. е. соединения. Для создания систем необходимо, чтобы все комплексирующие элементы были совместимы.

Понятие совместимости затрагивает 3 аспекта:

  1.  аппаратный (требует стандартизации видов соединений элементов сигналов и алгоритмов взаимодействия).
  2.   программный (зависит от типа комплексируемых ЭВМ или процессоров, т.е. если вычислители однотипны, то программируемость более глубокая. Если же они не однотипны, но одноплатформены то программная совместимость  реализуется по принципу "снизу-вверх", где ранее созданные программы могут выполняться на более поздних моделях, но не наоборот. Наиболее тяжелый случай если они - не однотипны и разноплатформенны, то программируемость устанавливается на уровне исходных модулей, что предполагает обеспечение каждого типа вычислителей собственным набором транслирующий программ),
  3.  информационный (предполагает единые принципы организации информационных массивов, т.е. форматы передаваемых слов и команд, единые структуры сообщения, разметка файлов и их поиск).

Уровни и средства комплексирования

При комплексировании систем различают физические и логические уровни комплексирования.

  1.  Логический уровень объединяет средства и каналы взаимодействия, имеющий единый принцип управления.
  2.  Физический уровень объединяет конкретные физические устройства в данной ВС.

При разработке собственных задач пользователь или программисты используют логические ( абстрактные) устройства, что позволяет разделить процесс разработки программы от конкретной конфигурации технических  средств.

Стыковка логической структуры систем с физической структурой обеспечивается в 3 случаях :

  1.  при генерации системы;
  2.  по указаниям оператора вычислительного центра;
  3.  директивами пользователя

В наиболее полном виде логические и физические уровни представлены в больших машинах, в которых различают следующие уровни:

                ИПУ                                             I

                                                                     II

                                                                     III

                                                                     IV

                                                                      V

I логический уровень. Процессор-Процессор Связь обеспечивается через блоки прямого управления. Один процессор выдает другому команду - сигнал. Этот канал не предназначается для обмена большими порциями информации, а только командами.

II  уровень общей оперативной памяти. В качестве сопрягаемых устройств используются коммутаторы многооболочной ОП. Однако при большом числе комплексирующих процессоров оперативная память становится источником большого числа конфликтов. Особо опасны конфликты когда, когда один хочет прочесть информацию а другой -поменять данные. Этот вид взаимодействия наиболее оперативный при небольшом числе обслуживаемых абонентов.

III уровень комплексируемых каналов ввода-вывода. Предназначается для передачи больших объемов информации между блоками ОП, сопрягаемых в ВС. Обмен данными между ЭВМ осуществляется с помощью адаптера "канал-канал" (АКК) и команд "чтение" и "запись". Скорость передачи данных измеряется Мбайтами в секунду. Передача данных идет параллельно вычислениям в процессорах.

IV уровень групповых устройств управления периферией. В качестве средств сопряжения используются двуканальные переключатели, позволяющие группы устройств подключать к каналам различных ЭВМ. Для исключения конфликтов было принято следующее: канал, перехватывающий управление, резервирует подключенное устройство до полного завершения работ. Только после освобождения ресурса эти устройства могут быть переключены на другой канал.

V уровень внешних общих устройств. Предполагается, что комплексируемые внешние устройства имеют встроенный или навесной двуканальный переключатель для подключения к различным каналам. Этот уровень используется только в специальных системах.

I, III, IV уровни предназначены для создания многомашинных систем. II - для многопроцессорных систем. На практике зачастую создается комбинация уровней, что позволяет создать достаточно гибкие и перестраиваемые структуры.

Классификация вычислительных систем

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

Во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, что, 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.

По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и многопроцессорные ВС.

Исторически многомашинные вычислительные системы (ММС) появились первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Для этих целей использовали комплекс машин, схематически показанный на рис. 11.2,а.

Рис. 11.2. Типы ВС: а — многомашинные комплексы; б — многопроцессорные системы

Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивали режим повышенной надежности. При этом одна из машин выполняла вычисления, а другая находилась в «горячем» или «холодном» резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 электронного ключа соответствовало случаю, когда обе машины обеспечивали параллельный режим вычислений.

Здесь возможны две ситуации:

  1.  обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения. Тем самым обеспечивался режим повышенной достоверности, уменьшалась вероятность появления ошибок в результатах вычислений. Примерно по такой же схеме построены управляющие бортовые вычислительные комплексы космических аппаратов, ракет, кораблей.
  2.  обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена информацией между машинами сохраняется. Этот вид работы относится к режиму повышенной производительности. Она широко используется в практике организации работ на крупных вычислительных центрах.

Основные различия ММС заключаются в организации связи и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как специальное периферийное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативность их информационного взаимодействия.

Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров (рис. 11.2, б). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП).

Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров.

МПС имеет существенные недостатки.

  1.  Они связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти.При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же областям памяти.
  2.  Существует проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение обеспечивается аппаратно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС.

Создание коммутаторов представляет сложную техническую задачу, тем более, что они должны быть дополнены буферами для организации очередей запросов. Для разрешения конфликтных ситуаций необходимы схемы приоритетного обслуживания.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы.

Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные — разнотипных.

В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки.

Так, при построении ММС, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирование пакетов задач и т.д. ЭВМ обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС.

Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким.

В совмещенных и распределенных ММС сильно различается оперативность взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями.

В централизованных ВС за это отвечает главная ЭВМ ( процессор ). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован, или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет определенную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

Архитектура ВС. Параллелизм команд и данных

Архитектура ВС совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы.

Понятие архитектуры затрагивает более общую классификацию, относящуюся к видам параллельной обработки информации. Среди различных видов классификаций выделяют следующую классификацию. Согласно её  все ВС сети могут быть разбиты на 4 группы:

  1.  одиночный поток команд и данных ОКОД (SISD)
  2.  множественный поток команд, одиночный поток данных МКОД (MISD)
  3.  одиночный поток команд, множественный поток данных ОКМД (SIMD)
  4.  множественный поток команд, множественный поток данных МКМД (MIMD).

В основу данной классификации положен параллелизм обработки команд и данных, а также их сочетание.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одно-машинные варианты систем, т.е. с одним вычислителем, т.е. все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс.

Рис. 11.3. Архитектура ВС: а — ОКОД (818О)-архитектура;

б— ОКМД (8ШО)-архитектура; в — МКОД (М18О)-архитектура;

г — МКМД (МШО)-архитектура

Параллелизм обеспечиваемый этой структурой визуальный (кажущийся). Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств вывода-ввода информации и процессора. Процессор может обрабатывать только одну задачу, но параллельно вычислениям в процессоре могут выполняться операции ввода вывода. Сейчас эти системы относятся к классическим структурам ЭВМ.

Архитектура МКОД предлагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки предлагаются от одного процессора к другому по цепочке. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды. На практике нельзя обеспечить "большую  длину"  конвейера, при которой достигается наивысший эффект (т.к ориентация процессоров не может быть полной).

Конвейерная схема нашла применение в скалярных процессорах Супер  ЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки. ПО типу конвейра работают сети, реализующие архитектуру клиент-сервер.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки.

Системы этого типа строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем, линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений.

Все современные супер ЭВМ комбинируют векторную и конвейерную обработку и отличаются только видами этих комбинаций.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд.

В простейшем случае они могут быть автономны и независимы.

Большой интерес представляет возможность согласованной работы ЭВМ (процессоров), когда каждый элемент делает часть общей задачи. Существуют разработки, которые позволяют объединять в рамках системы тысячи микропроцессоров.

Успехи микроэлектроники позволяют здесь каждому вычислителю дать собственную оперативную память и обеспечивать произвольные связи вычислений друг с другом в ходе вычислительного процесса.

Кластерные архитектуры

Вычислительные системы как мощные средства обработки заданий пользователей широко используются не только автономно, но и в сетях ЭВМ в качестве серверов.

С увеличением размеров сетей и их развитием возрастают плотность информационных потоков, нагрузка на средства доступа к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий.

Круг задач, решаемых серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным.

Чем выше ранг сети, тем более специализированными они становятся.

В сетях первых поколений серверы строились на основе больших и очень дорогих ЭВМ (mainframe), выпускаемых целым рядом компаний: Digital Equipment, Tandem, влившихся в корпорацию Compaq, IBM, Hewlett-Packard. Все они работали под управлением ОС Unix и способны были объединяться для совместной работы.

Одним из перспективных направлений является кластеризация, т.е. технология, с помощью которой несколько серверов, сами являющиеся вычислительными системами, объединяются в единую систему более высокого ранга для повышения эффективности функционирования системы в целом.

Целями построения кластеров могут служить:

  1.  улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности);
  2.  повышение надежности и готовности системы в целом;
  3.  увеличение суммарной производительности;
  4.  эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера;
  5.  эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

Улучшение масштабируемости или способность к наращиванию мощности предусматривает, что все элементы кластера имеют аппаратную, программную и информационную совместимость. В сочетании с простым и эффективным управлением изменение оборудования в идеальном кластере должно обеспечивать соответствующее изменение значений основных характеристик, т.е. добавление новых процессоров, дисковых систем должно сопровождаться пропорциональным ростом производительности, надежности и т.п. В реальных системах эта зависимость имеет нелинейный характер.

Масштабируемость SMP- и МРР-структур достаточно ограничена. При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в МРР-структу-рах плохо решаются задачи преобразования и разбиения приложений на отдельные задания процессорам.

В кластерах же администраторы сетей получают возможность увеличивать пропускную способность сети за счет включения в них дополнительных серверов, даже уже из числа работающих, с учетом того, что балансировка и оптимизация нагрузки будут выполняться автоматически.

Следующей важной целью создания кластера является повышение надежности и готовности системы в целом. Избыточность, изначально заложенная в кластеры, способна их обеспечить. Основой этого служит возможность каждого сервера кластера работать автономно, но в любой момент он может переключиться на выполнение работ другого сервера в случае его отказа.

Повышение суммарной производительности кластера, объединяющего несколько серверов, обычно не является самоцелью, а обеспечивается автоматически.

Ведь каждый сервер кластера сам является достаточно мощной вычислительной системой, рассчитанной на выполнение им всех необходимых функций в части управления соответствующими сетевыми ресурсами.

С развитием сетей все большее значение приобретают и распределенные вычисления. При этом многие компьютеры, в том числе и серверы, могут иметь не очень большую нагрузку.

Свободные ресурсы домашних компьютеров, рабочих станций локальных вычислительных сетей, да и самих серверов можно использовать для выполнения каких-либо трудоемких вычислений. При этом стоимость создания подобных вычислительных кластеров очень мала, так как все их составные части работают в сети и только при необходимости образуют виртуальный (временный) вычислительный комплекс.

Работа кластера под управлением единой операционной системы позволяет оперативно контролировать процесс вычислений и эффективно перераспределять нагрузки между компьютерами кластера.

Эффективное управление и контроль работы системы подразумевает возможность работы отдельно с каждым узлом, вручную или программно отключать его для модернизации либо ремонта с последующим возвращением его в работающий кластер.

Эти операции скрыты от пользователей. Кластерное ПО, интегрированное в операционные системы серверов, позволяет работать с узлами как с единым набором ресурсов (Single System Image, SSI).

Организация функционирования вычислительных систем

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.

Последнее условие необходимо, поскольку в ВС обычно предусматривается более высокая надежность функционирования, например требование сохранения работоспособности при наличии в ней хотя бы одного исправного модуля.

Требование увеличения производительности также предполагает возможность параллельной и даже автономной работы модулей при обработке отдельных заданий или пакетов заданий.

В зависимости от структурной организации ВС можно выявить некоторые особенности построения их операционных систем.

Операционные системы многомашинных ВС являются более простыми. Обычно они создаются как надстройка автономных ОС отдельных ЭВМ, поскольку здесь каждая ЭВМ имеет большую автономию в использовании ресурсов (своя оперативная и внешняя память, свой обособленный состав внешних устройств и т.д.). В них широко используются программные методы локального (в пределах вычислительного центра) и дистанционного (сетевая обработка) комплексирования.

Общим для построения ОС многомашинных комплексов служит тот факт, что для каждой машины ВС другие машины 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 программы управления обменом.

При этом ОС должна обеспечивать распределение и последующую пересылку заданий или их частей, оформляя их в виде самостоятельных заданий. Такие ОС, организуя обмен, должны формировать и устанавливать связи, контролировать процессы обмена, строить очереди запросов, решать конфликтные ситуации.

В многомашинных ВС диспетчерские функции могут решаться на централизованной или децентрализованной основе. Связь машин обычно устанавливается в порядке подчиненности: «главная ЭВМ — вспомогательная ЭВМ».

Программное обеспечение многопроцессорных ВС отличается большей сложностью. Это объясняется глубинной сложностью всестороннего анализа процессов, формируемых в ВС, а также сложностью принятия решения в каждой конкретной ситуации. Здесь все операции планирования и диспетчеризации связаны с динамическим распределением ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, данных системных таблиц, программ, периферийного оборудования и т.п.).

Центральное место в этом отводится степени использования и методам управления общей оперативной памятью. Здесь очень часто могут формироваться множественные конфликты, требующие сложных процедур решения, что приводит к задержкам в вычислениях. Как таковые автономные ОС отдельных процессоров отсутствуют.

Для обеспечения эффективной работы многопроцессорных систем их операционные системы специализируют на следующие типовые методы взаимодействия процессоров:

  1.  «ведущий — ведомый»;
  2.  симметричная или однородная обработка во всех процессорах;
  3.  раздельная независимая работа процессоров по обработке заданий.

Выбор метода «ведущий — ведомый» в наибольшей степени соответствует ВС с централизованным управлением. Здесь имеется определенная аналогия с многомашинными системами, организованными по принципу «главная ЭВМ — вспомогательная ЭВМ».

Диспетчерские функции выполняются только одним процессором системы. Закрепление этих функций может быть фиксированным и плавающим.

Для этого выделяется специализированный процессор или обычный процессор универсального типа, переключающийся и на выполнение вычислений.

Симметричная или однородная обработка в матрице процессоров возможна при использовании однотипных процессорных элементов, каждый из которых имеет непосредственные связи по передаче данных с другими элементами. В отличие от ОКМД -структур ранних выпусков, в которых синхронизировалось выполнение отдельных команд, в МРР- структурах симметричная обработка должна обеспечивать синхронизацию выполнения целых процессов.

В связи с успехами микроэлектроники появилась возможность реализовывать эти структуры в виде сверхбольших интегральных схем (СБИС), что позволяет получить дополнительные преимущества:

  1.  короткие соединительные линии между процессорными элементами. Это приводит к расширению полосы пропускания и уменьшению задержек;
  2.  регулярность структуры, позволяющая увеличивать плотность упаковки СБИС и упрощать ее разработку;
  3.  высокая степень распараллеливания вычислений, что позволяет обеспечить высокую производительность.

Для управления процессом вычислений из однородной среды процессорных элементов выделяется один, играющий роль ведущего. Эти функции при необходимости могут передаваться от одного процессора к другому.

Раздельная или независимая работа вычислителей в многопроцессорных ВС осуществляется при параллельной обработке независимых заданий. Это позволяет получить максимальную производительность системы. Процедуры управления ею достаточно просты и уже опробованы на практике.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25196. Пізнання як особлива форма освоєння світу 25 KB
  Пізнання як особлива форма освоєння світу Якщо дуже просто то пізнання – це процес взаємодії суб’єкта та об’єкта що своїм результатом має знання. Існують різні способи пізнання а отже й різні види знання. Поряд із різноманітністю видів знань існує величезна кількість поглядів на саму природу пізнання. Говорять про абстрактне і конкретне пізнання повне і неповне наукове і філософське тощо.
25197. Концепції комунікативно-структурованого життєсвіту за Ю.Габермасом 35 KB
  Габермас виходить з концепції суспільної еволюції де суспільний розвиток постає у формі руху від родовогоархаїчного до традиційногодержавноорганізованого а потім до модерногокапіталістичного суспільства. Концепція життєсвіту дістає своє втілення в архаїчних суспільствах де структури нормативної інтеграції опосередковані мовленнєвою комунікацією водночас становлять системні структури. Системні механізми в цих суспільства невіддільні від соціальноінтегративних інституцій заснованих на життєвому світі. За умов традиційного...
25198. Пізнання та інтерес Техніка та наука як ідеологія Теорія комунікативної дії 1981 Моральна свідоміст 32.5 KB
  Концепція комунікативноструктурованого життєвого світу Габермаса Осн. Продовжуючи традицію внутрішнього взаємозв'язку між структурами життєвого світу і структурами мови традицію що сягає ще філософії Гумбольдта Г. зауважує що для самого життєвого світу мова і культура є конститутивними .досліджує шлях уречевлення комунікації визначаючи його як роз'єднання системи і життєвого світу.
25199. Поняття феномену в феноменологічній філософії 24 KB
  Він розрізняв даності зовнішнього досвіду фізичні феномени та безпосередньо очевидні психічні феномени які інтенційно містять у собі весь предмет. Феномени не подвоюють світ як деякі це вважають. Навпаки феномени показують виявляють себе як деяку цілісно схоплену одиницю.
25200. М. Вебер «Протестантська етика та дух капіталізму» 35 KB
  Вебер Протестантська етика та дух капіталізму М. Вебер – один з найвизначніших соціологів автор роботи Протестантська етика та дух капіталізму 1907 яка вважається однією з найкращих з аналізу причин виникнення сучасного капіталізму. Щодо духу капіталізму то під ним Вебер розуміє комплекс зв’язків що існують в історичній дійсності які ми розглядаємо як єдине ціле під кутом їх культурного значення. Риси капіталізму можна побачити ще в Древньому Китаї Індії Вавилоні.
25201. Суперечка між західниками та слов’янофілами 26.5 KB
  Суперечка між західниками та слов’янофілами західники – виступали за ліквідацію кріпосного права і розвиток Росії за західним взірцем Герцен Огарев розвиток ідей Просвітництва слов’янофіли – обґрунтування необхідності особливого порівняно з західноєвропейським самобутнього шляху розвитку Росії Киреевский Хомяков основою суспільного життя вважали релігію а саме православ’я Лише народи що сповідують православ’я і перш за все росіяни можуть розраховувати на прогрес а інші народи – лише тією мірою якою вони сприймуть православну...
25202. Емпіризм і Раціоналізм у філософії Нового часу 26.5 KB
  Емпіризм – філософський напрям що визнає чуттєвий досвід джерелом знань і вважає що зміст знання може бути представлен в досвіді або зводитись до нього. Емпіризм зіштовхнувся з труднощами виокремлення вихідних компонентів досвіду і реконструкції на цій основі усіх видів і форм знання. Його девізом було знання сила€ тому головними методами пізнання він вважав спостереження аналіз експеримент порівняння. Джерелом пізнання людини є враження відчуттів які виникають під впливом матеріальних об’єктів.
25203. Філософія неогегельянства 28.5 KB
  Центральний пункт гегелівської діалектики – вчення про протилежності оцінюється як хибне МакТаггарт. Абсолютний дух розглядається як сукупність індивідуальних свідомостей МакТаггарт як вища форма індивідуальності Бозанкет.
25204. І.Кант Пролегомени до всякої майбутньої метафізики 29.5 KB
  Сутність метафізики: розум займається виключно самим собою і знайомство з об’єктами які набуваються безпосередньо від роздумів над своїми власними поняттями не потребуючи для цього досвіду взагалі; таке пізнання не виводиться з досвіду. Кожний окремий досвід є тільки частина всієї сфери досвіду але саме абсолютне ціле всього досвіду не є досвід і тим не менш складає проблему для розуму. Поняття ж розуму мають повноту тобто збираючу єдність усього можливого досвіду і стають трансцендентними. Таким чином як розсудок потребує для досвіду...