Обчислювальні мережі

Поняття обчислювальної мережі

Обчислювальна мережа - нд [network] - це сукупність ЕОМ, об'єднаних засобами передачі даних. Засоби передачі даних в НД у загальному випадку складаються з наступних елементів: зв'язкових ЕОМ, каналів зв'язку (супутникових, телефонних, волоконно-оптичних та ін), комутуючих апаратури та ін

Залежно від віддаленості ЕОМ, що входять у ЗС, мережі умовно поділяють на локальні та глобальні.

Локальна мережа - ЛОМ [local area network - LAN] - це група пов'язаних один з одним ЕОМ, розташованих в обмеженій території, наприклад, в будівлі. Відстані між ЕОМ в локальній мережі може досягати декількох кілометрів. Локальні мережі розгортаються звичайно в рамках певної організації, тому їх називають також корпоративними мережами.

Якщо мережа виходить за межі будівлі, то така нд називається глобальної [wide area network-WAN]. Глобальна мережа може включати в себе інші глобальні мережі, локальні мережі та окремі ЕОМ.

Глобальні мережі практично мають ті ж можливості, що і локальні. Але вони розширюють область їх дії. Користь від застосування глобальних мереж обмежена в першу чергу швидкістю роботи: глобальні мережі працюють з меншою швидкістю, ніж локальні.

Мережі призначені для виконання багатьох завдань, у тому числі:

організація спільного використання файлів для підвищення цілісності інформації;

організація спільного використання периферійних пристроїв, наприклад, принтерів, для зменшення загальних витрат на обладнання офісу;

забезпечення централізованого зберігання даних для полегшення їх захисту та архівування.

Глобальні мережі надають всього цього великі масштаби і додають таку зручну річ, як електронна пошта.

Локальні обчислювальні мережі

Архітектура локальної мережі

Для характеристики архітектура мережі використовують поняття логічної і фізичної топології.

Фізична топологія [physical topology] - це фізична структура мережі, спосіб фізичного з'єднання всіх апаратних компонентів мережі. Існує кілька видів фізичної топології.

Найбільш простий є фізична шинна топологія [bus topology], в якій кабель йде від ЕОМ до ЕОМ, пов'язуючи їх в ланцюжок. Розрізняють товсті і тонкі мережі. Товста мережа [thicknet] використовує товстий коаксіальний кабель в як магістралі, від якого відходять більш тонкі кабелі.

У тонкій мережі [thinnet] використовується більш тонкий і гнучкий кабель, до якого безпосередньо підключені робочий станції.

Мережі, побудовані за шинної топології, більш дешеві. Однак якщо вузли мережі розташовані по всій будівлі, то набагато більш зручним виявляється використання зіркоподібній топології.

При фізичному зіркоподібній топології [star topology] кожен сервер і робоча станція підключаються до спеціального пристрою - центральному концентратора [hub], який здійснює з'єднання пари вузлів мережі - комутацію.

                             
Рис. 1. Шинна топологія - товста мережа

Обрив кабелю, що йде від однієї робочої станції не вплине на роботу інших робочих станцій. Крім того, взаємне розташування робочих станцій здійснено не важливо.

                             
Рис. 2. Шинна топологія - тонка мережа

Якщо мережа має багато вузлів, причому багато розташовуються на великій відстані один від одного, то витрата кабелю при використанні зіркоподібній топології буде великим. Крім того, до концентратора можна підключити лише обмежене число кабелів. У таких випадках застосовується розподілена зіркоподібна топологія [distributed star topology], при якій кілька концентраторів з'єднуються один з одним.

Крім розглянутих видів з'єднань може застосовуватися також кільцеподібна топологія, при якій робочі станції з'єднані в кільце. Така топологія практично не використовується для локальних мереж, але може застосовуватися для глобальних.

Логічна топологія мережі [logical topology] визначає спосіб, відповідно до якого пристрою мережі передають інформацію від одного вузла до наступного. Фізична топологія не має прямого відношення до логічної.

Розрізняють два виду логічної топології: шинну і кільцеву.

                             
Рис. 3.

У шинної логічної топології процес передачі даних має таку структуру. Якщо будь-який вузол мережі має дані для іншого вузла, то перший вузол виробляє «сповіщення» всієї мережі. Всі інші вузли «слухають» мережу і перевіряють, призначені ці дані для них чи ні. Якщо призначені, то вони залишають їх собі, якщо ні - ігнорують. Будь-які дані, що передаються «чути» усіх вузлів мережі. Вузол, який хоче передати якісь дані, спочатку «слухає» мережу, не зайнята вона. Якщо мережа вільна, то вузол передає дані. Якщо відстань між вузлами велика, і посланий раніше кимось сигнал ще не встиг дійти до передавального вузла, то може відбутися конфлікт, коли в мережі одночасно виявляються два повідомлення. У цьому випадку передавальні вузли мережі на короткий час припиняють свою роботу і через деякий випадковий проміжок часу відновлюють передачі даних.

                             
Рис. 4. Розподілена зіркоподібна топологія

У мережі з кільцевою логічною топологією дані передаються по замкнутої естафеті від одного вузла до іншого. Коли надіслане повідомлення повертається до що передає вузла, він припиняє передачу. Кільцева топологія менш схильна до конфліктів.

Апаратні компоненти локальної мережі

Основними компонентами, що складають будь-яку локальну мережу, є: кабелі, мережні інтерфейсні плати, модеми, сервери.

Всі з'єднання з мережі здійснюються за допомогою спеціальних мережних кабелів. Основними характеристиками мережевого кабелю є швидкість передачі даних і максимально допустима довжина. Обидві характеристики визначаються фізичними властивостями кабелю.

Приклад

Для з'єднання в локальних мережах використовуються: кабелі типу «кручена пара» і «екранована вита пара », коаксіальний кабель, оптичне волокно.

Таблиця 1. Типи кабелів        

Тип кабелю         

Швидкість передачі   

даних, Мбіт/с         

Допустима   

довжина, м             

Вита пара         

100         

90             

Екранована вита пара         

100         

90             

Коаксіальний         

10         

750             

Оптоволоконний         

155         

10000     

Отримано [1].

Мережеві інтерфейсні плати [network interface card] являють собою додаткові плати, що встановлюються на материнську плату ПЕОМ. До мережевої плати підключаються мережеві кабелі. Мережева плата визначає тип локальної мережі.

Приклад

На практиці використовують два типи локальних мереж - Ethernet і Token Ring. Обидва типи мають модифікації.

Таблиця 2. Типи мереж Ethernet        

Назва         

Фізична топологія і кабель         

Швидкість передачі   

Мбіт/с             

10Base2         

Шинна, тонкий коаксіальний         

10             

10BaseS         

Шинна, товстий коаксіальний         

10             

Fast Ethernet         

зіркоподібна, вита пара         

100             

Gigabit Ethernet         

зіркоподібна, оптоволоконний         

1000     

Отримано [2].

Модем [modem] - це пристрій, призначений для зв'язку між ЕОМ по телефонних лініях. За телефонної мережі будь-які дані можуть передаватися лише в аналоговій формі. Дані від ЕОМ надходять в цифровому вигляді. Завдання модему полягає в перетворення цифрових даних в аналогову форму і навпаки.

Сервер [server] - це будь-яка мережева ЕОМ, що обслуговує інші мережеві ЕОМ. Існують сервери різних типів, що визначаються типом послуг, що надаються.

Файловий сервер [file server] надає іншим ЕОМ (клієнтам) доступ до даних, які зберігаються в зовнішній пам'яті сервера. Таким чином, на файловий сервер покладені всі завдання з безпеки зберігання даних, пошуку даних, архівування та ін Зовнішня пам'ять сервера стає розподіляються ресурсом, тому що її можуть використовувати декілька клієнтів.

Сервер друку [printer server] організують спільне використання принтера.

Комунікаційні сервери служать для зв'язку локальної мережі з зовнішнім світом, наприклад, з глобальною мережею Internet. Для цього використовуються модемні пули, проксі-сервери та маршрутизатори.

Модемний пул [modem pool] являє собою ЕОМ, забезпечену особливою мережевої платою, до якої можна підключити кілька модемів. Таким чином досягається певна економія, коли, наприклад, десять ЕОМ працюють, використовуючи три модему.

Проксі-сервер [proxy server] не тільки використовує єдине з'єднання з Internet, але і надає свою пам'ять для зберігання тимчасових файлів, що прискорює роботу з Internet.

Головним завданням маршрутизатора [router] є пошук найкоротшого шляху, яким буде відправлено повідомлення, адресований деякої ЕОМ в глобальній мережі. Маршрутизатор являє собою або спеціалізовану ЕОМ, або звичайну ЕОМ зі спеціальним програмним забезпеченням.

Сервер додатків [application server] використовується для виконання програм, які з якихось причин недоцільно або неможливо виконати на інших мережевих ЕОМ. Очевидною причиною може бути недостатня продуктивність клієнтських ЕОМ. Інша причина - використання яких-небудь стандартних бібліотек, копіювання яких на кожну клієнтську ЕОМ трудомістко і, крім того, створює можливість неузгодженість версії бібліотеки. Сітьові операційні системи (Linux, Windows NT) дозволяють побудувати так звану тонку клієнтних мережа, в якій всі ресурси клієнтів надані сервером. Самі клієнтські ЕОМ не витрачають нічого на обробку даних. Тоді ЕОМ користувачів у такій мережі називаються терміналами, а сам сервер - термінальним сервером. Такий сервер повинен мати великий обсяг основної та зовнішньої пам'яті і високу продуктивність.

Глобальна мережа Internet

Загальна характеристика глобальної мережі Internet

У структурі глобальної мережі можна виділити три рівні (див. рис. 4.8).

Перший -- внутрішній рівень становить мережу передачі даних. Вона складається з вузлів зв'язку. Кожен вузол зв'язку являє собою сукупність засобів передачі даних і складається з комутаційної ЕОМ та апаратури передачі даних.

Рис. 5. Структура глобальної мережі                              

У другій рівень входять різноманітні сервери, що називаються хост-ЕОМ [host computer], які виконують в мережі завдання з зберіганню та обробці даних. Такими серверами можуть бути, наприклад, сервери різних локальних мереж.

Третій рівень - Термінальний - складається зі звичайних клієнтних робочих станцій, які користуються послугами глобальної мережі.

Кожна локальна мережа називається сайтом [site], а юридична особа, що забезпечує роботу сайту -- провайдером. Сайт складається з групи серверів, яка виконує певні завдання.

Основними характеристиками мережі є: час доставки повідомлень, продуктивність і вартість обробки даних.

Термін доставки повідомлень визначається як статистичне середній час від моменту передачі повідомлення в мережу до моменту отримання повідомлення адресатом.

Продуктивність мережі являє собою сумарну продуктивність серверів.

Вартість обробки даних визначається як вартістю засобів, що використовуються для обробки, так і часом доставки і продуктивністю мережі.

Тип мережі і все її характеристики в основному визначаються будовою і принципами роботи мережі передачі даних, які описуються протоколом. Протокол [protocol] - це система правил, що визначають формат і процедури передачі даних по мережі. Можна сказати, що протокол є мова, якою «розмовляють» ЕОМ в мережі. зокрема, визначає, як будуть ідентифікуватися в мережі хост-ЕОМ і як можна знайти їх у мережі, тобто визначаються адресація і порядок маршрутизації.

Приклад

Властивості глобальної мережі Internet визначаються так званим IP-протоколом.

Адресація та маршрутизація в мережі Internet

Для організації зв'язку між хост-ЕОМ необхідна общесетевая система адресації, яка встановлює порядок іменування абонентів мережі передачі даних. У IP-мережах, до яких належить мережа Internet, кожній фізичній об'єкту (хост-ЕОМ, сервери, підмережі) привласнюється число, що називається IP-адресою, який зазвичай видається в вигляді чотирьох чисел від 0 до 255, розділених крапкою, наприклад, 192.171.153.60. Самі по собі ці числа не мають ніякого значення. Адреса містить в собі номер підмережі та номер хост-ЕОМ в даній мережі.

Для зручності користувачів в Internet так само використовується інший спосіб адресації, який називається системою доменних імен [domain naming system - DNS].

Приклад

DNS-адреса має вигляд: win.smtp.dol.ru. У цьому прикладі:

ru -- домен країни, тут означає всі хост-ЕОМ Росії;

dol - Домен провайдера, означає всі ЕОМ локальної мережі певної форми;

smtp - Домен групи поштових серверів цієї ж фірми.;

win - Ім'я конкретної ЕОМ з групи smtp.

Особливе значення мають організаційні та географічні домени - ті, які пишуться крайніми справа в DNS-адресу. Імена для цих доменів зареєстровані міжнародною організацією InterNIC (Internet Network Information Center). Наприклад, edu означає освітню організацію, com - комерційну, gov - урядову, us - США, uk-Великобританію, de - Німеччину і т.д. DNS-адреса завжди діє разом з IP-адресою.

При організації зв'язку мережа повинна за адресою одержувача визначити шлях передачі даних -- маршрут. Для визначення маршруту використовуються різні алгоритми маршрутизації [routing]. Ефективність алгоритму маршрутизації суттєво впливає на швидкість передачі даних по мережі.

Служби мережі Internet надають інформаційні послуги.

Однією з найбільш використовуваних служб є електронна пошта [e-mail]. Для обслуговування електронної пошти в мережі є спеціальні поштові сервери. Такий сервер виділяє своїм клієнтам певний обсяг зовнішньої пам'яті (звичайно 1-3 Мб) і призначає цій пам'яті деякий ім'я -- адресу і пароль для доступу. Така іменована пам'ять називається поштовою скринькою [mailbox]. Всі коментарі, адресовані даного клієнта, поміщаються в цей ящик і можуть бути прочитані, знищені або переправлені в інше місце клієнтом, якому цей скринька належить. Для відправлення та одержання пошти використовуються спеціальні поштові програми. Адреса пошти - це DNS-адресу з додаванням імені абонента.

Приклад

Існує безліч поштових серверів. Одним з відомих серверів є mail.ru. Адреса пошти на цьому сервері буде мати вигляд:

[email protected]

де ivanov - це ім'я абонента, а mail.ru - це DNS-адресу поштового сервера.

Прикладом поштової програми є Outlook Express для Windows98.

Інша широко використовувана служба - FTP-служба [file transfer protocol]. Ця служба використовується для віддаленого доступу до файлів. FTP-сервер являє собою сховище всіляких файлів. Ці файлу користувач може прочитати або скопіювати на свою ЕОМ. DNS-адреса таких серверів починається з ftp, наприклад, ftp.microsoft.com. Інформація на FTP-серверах організована у вигляді традиційних каталогів. Вузли FTP-служби використовують розробники програмного забезпечення для його поширення.

Доступ до будь-яких ресурсів мережі Internet можна отримати за допомогою служби World Wide Web або просто Web. Очевидна відмінність цієї служби від FTP або електронної пошти полягає в тому, що Web - це мультимедійна служба, тобто вона підтримує не тільки текст, але і графіку, анімацію, звук.

Web-сервер зберігає дані у вигляді набору текстових файлів, які написані на спеціальному мовою HTML [hypertext markup language]. Спеціальна програма - броузер [browser] - інтерпретує HTML-текст і виводить на екран монітора сторінку, в якій поєднуються текст, графіка, анімація і, найголовніше, посилання на інші сторінки. Таким чином, здопомогою посилань Web-сторінки користувач має можливість переходити від однієї сторінки до іншої і більш оперативно розшукувати потрібну інформацію.

Для пошуку сторінок, які містять потрібну інформацію, використовується пошукова служба. Пошукові сервери використовують спеціальні програми, які аналізують заголовки Web-сторінок і міститься в них. Результатом роботи цих програм є список Web-сторінок, які задовольняють критерію пошуку.

Приклад

Існує велика кількість пошукових серверів: Alta Vista, Lycos, Yahoo.

Архітектура обчислювального процесу

Архітектура програми

Всі комп'ютерні програми за логікою їх роботи можна представити у вигляді, показаному на рис. 4.6.

Рис. 6. Архітектура програми                              

Інтерфейс користувача - це набір програм, які забезпечують взаємодію додатки з користувачем: графічний інтерфейс, система повідомлень про помилки і т.д.

Прикладна програма - це ядро програми, що виконує основні функції даного програми: переклад тексту, математичні розрахунки і т.д.

Під логікою даних розуміється набір програм, які визначають порядок доступу до даних, контролюють цілісність даних відповідно до бізнес-правил і допустимість даних. Ці програми зазвичай надаються що використовується при розробці програми СУБД.

Під доступом до даними розуміється набір програм, які забезпечують запис і читання даних з зовнішньої пам'яті. Такі програми також звичайно реалізовані засобами СУБД.

Перераховані складові частини програми відносно незалежні один від одного. Зв'язок між ними вичерпується лише передачею даних. Таку передачу даних можна організувати по мережі. Також функціонування частин програми можна забезпечити на різних ЕОМ, з'єднаних в мережі. Це дає можливість різним чином організувати виконання програми. Архітектура обчислювального процесу характеризує як побудову апаратного забезпечення (ЕОМ та мережі), так і спосіб функціонування додатків.

Розрізняють чотири способи організації обчислювального процесу:

централізована архітектура;

розподілена архітектура;

архітектура клієнт-сервер;

Багатоланкова архітектура.

Централізована архітектура

Класичне подання централізованої архітектури показано на рис. 4.7 .

Центральна ЕОМ повинна мати велику пам'ять і високу продуктивність, щоб забезпечувати комфортну роботу великої кількості користувачів.

                             
Рис. 7. Централізована архітектура обчислювальної системи

Всі додатки, що працюють в такій архітектурі, повністю знаходяться в основній пам'яті хост-ЕОМ. Термінали є лише пристроями вводу-виводу і таким чином у мінімальній мірою підтримують інтерфейс користувача рис 4.8.

Рис. 8. Архітектура централізованого програми                              

Така архітектура обчислювальних систем була поширена в 70-х і 80-х роках і реалізовувалася на базі центральних ЕОМ (наприклад, IBM-360/370 або їх вітчизняних аналогів серії ЄС ЕОМ), або на базі міні-ЕОМ (наприклад, PDP-11 або їх вітчизняного аналога СМ-4). Характерна особливість такої архітектури - повна «неінтелектуального» терміналів. Їх роботою керує хост-ЕОМ. Переваги такої архітектури полягають у тому, що користувачі спільно використовують дорогі ресурси ЕОМ і дорогі периферійні пристрої. Крім того, централізація ресурсів і обладнання полегшує обслуговування і експлуатацію обчислювальної системи. Головним недоліком для користувача є те, що він повністю залежить від адміністратора хост-ЕОМ. Користувач не може налаштувати робоче середовище під свої потреби - все використовуване програмне забезпечення є колективним. Використання такої архітектури є виправданим, якщо хост-ЕОМ дуже дорога, наприклад, супер-ЕОМ.

Розподілена архітектура

Основою розподіленої архітектури є файл-сервер. Він надає клієнтам (тобто програм на ПЕОМ) свою дискову пам'ять, тобто забезпечує доступ до даними. Кожен клієнт користується для роботи своїми ресурсами, тому вимоги до продуктивності файл-сервера невисокі. Основними вимоги будуть пред'являтися до файлової системи файл-сервера.

Рис. 9. Розподілена архітектура                              
обчислювальної системи

Як видно з рис. 4.10, основна обробка даних відбувається на клієнтних ЕОМ, тобто клієнти на відміну від терміналів повинні володіти деякими ресурсами, тому їх називають «товстими» клієнтами.

Розподілена архітектура позбавлена недоліків централізованої архітектури, до того ж дорогі периферійні пристрої (принтери, RAID-масиви) у цієї архітектури, також можуть використовуватися спільно.

Основним недоліком розподіленої архітектури є те, що вся обробка даних зосереджена усередині декількох незалежних користувацьких додатків.

Приклад

Однією з важливих задач з обробки даних є пошук інформації. Нехай необхідно знайти 5 записів деякій таблиці, яка містить мільйон таких записів. Оскільки вся обробка даних зосереджена на деякій клієнтних ЕОМ, то для пошуку файл-сервер повинен передати клієнту всю таблицю цілком. Тобто різко зростає навантаження на мережу.

Рис. 10. Архітектура розподіленого програми                              

Якщо число користувачів не дуже велика і обсяг загальних даних також невеликий, то розподілена архітектура є найкращим вибором.

Архітектура клієнт-сервер

Обчислювальна система, що відповідає архітектурі клієнт-сервер складається з трьох компонентів:

сервера баз даних, керуючого зберіганням даних, доступом і захистом, резервним копіюванням, що відслідковує цілісність даних відповідно до бізнес-правил і, найголовніше, що виконує запити клієнта;

клієнта, надає інтерфейс користувача, перевіряє допустимість даних, що посилає запити до сервера;

мережі та комунікаційного устаткування.

Ядром архітектури клієнт-сервер є сервер баз даних. Оскільки багато завдань, пов'язані з обробкою даних покладені на сервер, то навантаження на мережу-трафік - Різко знижується в порівнянні з розподіленою архітектурою.

Приклад

Нехай необхідно знайти 5 записів деякій таблиці, яка містить мільйон таких записів. Клієнт посилає серверу запит, в якому зазначено, які дані повинні бути знайдені. Цей запит обробляється сервером, сервер здійснює пошук і пересилає клієнтові необхідні п'ять записів.

Інше перевага архітектури клієнт-сервер перед розподіленої полягає в тому, що на сервер можна зосередити програми, що забезпечують цілісність даних, відповідність даних бізнес-правил, що дозволяє уникнути дублювання програмного коду в різних програмах, що використовують загальну базу даних.

                             
Рис. 11. Архітектура додатки типу клієнт-сервер

У разі архітектури клієнт-сервер сервер баз даних повинен мати високу продуктивністю.

В даний час всі сучасні прикладні програми орієнтовані на роботу з такою архітектурою обчислювального процесу.

Багатоланкова архітектура

                             
У випадку великої кількості користувачів виникають проблеми своєчасної та синхронної заміни версій клієнтських програм на робочих станціях. Такі проблеми вирішуються в рамках багатоланкової архітектури. Частина загальних програм переноситься на спеціально виділений сервер додатків. Тим самим знижуються вимоги до ресурсів робочих станцій, які будуть називатися «тонкими» клієнтами. Даний спосіб організації обчислювального процесу є різновидом архітектури клієнт-сервер.

Рис. 12. Багатоланкова архітектура

Використання багатоланкової архітектури може бути рекомендовано також у випадку, якщо деяка програма вимагає для своєї роботи багато ресурсів, то може виявитися дешевше побудувати тонку мережу з одним дуже потужним сервером, ніж використовувати кілька потужних клієнтних робочих станцій. Особливо це має значення, якщо даною програмою користуються не постійно, а час від часу.

Рис. 13. Архітектура багатоланкової програми                              

Розумне поєднання продуктивності сервера додатків і продуктивності робітників станцій дозволять побудувати мережу, дешевшу під час встановлення та експлуатації.

Список літератури

Андерсон К. Мінас М. Локальні мережі. Повний посібник: К.: ВЕК +, М.: ентропія, СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 624 с.

Богумірскій Б.С. Керівництво користувача ПЕОМ: У 2-х ч. - СПб.: Асоціація OILCO, 1992. - 357 с.

Головкін Б.А. Паралельні обчислювальні системи. М.: Наука, 1980. - 520 с.

Єлманова Н.З. Borland C + + Builder 3.0. Архітектура "клієнт/сервер», багатоланкові системи та Internet-додатки. - М.: Диалог-МИФИ, 1999. - 240 с.

Касаткін А.І., Вальвачев А.Н. Професійне програмування на мові Сі: Від Turbo C до Borland С + +: Мн.: Виш.шк., 1992. -240 С.

Косарєв В.П. Єрьомін Л.В. Комп'ютерні системи та мережі. - М.: Фінанси і статистика, 1999. -- 464 с.

Кручинін С. Архітектура комп'ютера. Hard та Soft № 4 1995.

Мельников Д.А. Інформаційні процеси в сучасних мережах. Протоколи, стандарти, інтерфейси, моделі. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 1999. -256 С.

Першиков та ін Російсько-англійський тлумачний словник з інформатики. - М.: Фінанси і статистика, 1999. - 386 с.

Економічна інформатика і обчислювальна техніка: Підручник/Під ред. В.П. Косарєва. - М.: Фінанси і статистика, 1996. - 336 с.