Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
pdf

Студенческий документ № 050829 из МЭСИ

Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права

Алехина Г.В.

Вычислительные сети системы и

телекоммуникаций

Москва, 2003

Алехина Г.В. Вычислительные сети системы и телекоммуникаций. /Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права. - М., 2003. - 213 с.

? Алехина Г.В., 2003

? Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права, 2003

1. Основные понятия - вычислительная техника, вычислительная система, компьютер, ЭВМ 7

2. Основные этапы развития ЭВМ 7

2.1. Первое поколение ЭВМ 9

2.2. Второе поколение ЭВМ 9

2.3. Третье поколение ЭВМ 10

2.4. Четвертое поколение ЭВМ 11

2.5. Пятое поколение ЭВМ 12

2.6. Перспективы развития ЭВМ 14

3. Пользователи ЭВМ 18

4. Классификация компьютеров (ЭВМ) 19

4.1. Встроенные компьютеры 22

4.2. Микрокомпьютеры 22

4.3. Миникомпьютеры (компьютеры среднего класса) 25

4.4. Большие ЭВМ и суперкомпьютеры 25

5. Характеристики ЭВМ 26

6. Принципы построения ЭВМ 28

7. Базовая аппаратная конфигурация ПЭВМ 32

7.1. Системный блок 32

7.1.1. Материнская плата - общие сведения 33

7.1.2. Системы, расположенные на материнской плате 34

7.1.3. Жесткий диск 45

7.1.4. Дисковод гибких дисков 46

7.1.5. Дисковод компакт-дисков CD-ROM 47

7.1.6. Видеокарта (видеоадаптер) 48

7.1.7. Звуковая карта 51

7.2. Монитор 51

7.3. Клавиатура 53

7.4. Мышь 57

8. Периферийные устройства ПЭВМ 59

8.1. Устройства ввода знаковых данных 59

8.2. Устройства командного управления 60

8.3. Устройства ввода графических данных 60

8.4. Устройства вывода данных 63

8.5. Устройства хранения данных 66

8.6. Устройства обмена данными 68

9. Вычислительные системы 69

9.1. Понятие вычислительной системы 69

9.2. Классификация вычислительных систем 71

9.3. Архитектура вычислительных систем 74

9.3.1. МКМД - структуры 76

9.3.2. Кластеры 78

10. Компьютерные сети: основные понятия 81

11. Характеристика компьютерных сетей 82

12. Характеристика возможностей компьютерной сети 83

13. Классификация компьютерных сетей 84

14. Локальные компьютерные сети: принципы организации 89

14.1. Понятие и основные компоненты локальных сетей 89

14.2. Характеристики локальных сетей 91

14.3. Области применения локальных компьютерных сетей 91

14.4. Типы локальных сетей 92

14.5. Методы доступа к передающей среде в локальных сетях 94

14.6. Протоколы верхнего уровня 96

14.7. Сетевое оборудование локальных компьютерных сетей 97

15. Глобальные компьютерные сети: принципы организации 102

15.1. Общие сведения 102

15.2. Управление обменом данных 106

15.3. Системы сетевых коммуникаций 108

15.3.1. Электронная почта 108

15.3.2. Системы адресации 111

15.3.3. Системы телеконференций 114

15.3.4. Почтовые списки 114

15.4. Характеристика сети Internet 115

15.4.1. Общие сведения 115

15.4.2. Протоколы сети Internet 116

15.4.3. Типы сервисов Internet 117

15.4.4. Подключение к сети Internet 122

15.4.5. Развитие сети Internet 123

15.5. Отечественные территориальные компьютерные сети. Сеть FidoNet 124

15.5.1. Общие сведения 124

15.5.2. Сеть Internet/Россия 125

15.5.3. Сеть РЕЛКОМ 126

15.5.4. Спринт-сеть 127

15.5.5. Сеть FidoNet 127

16. Корпоративные компьютерные сети 128

16.1. Характеристика корпоративных компьютерных сетей 128

16.2. Типовая структура корпоративных компьютерных сетей 130

16.3. Установка Intranet 131

16.4. Сетевое оборудование корпоративных компьютерных сетей 132

16.5. Система видеоконференцсвязи 134

16.6. Системы управления сетью 135

17. Базовые технологии компьютерных сетей 135

17.1. Управление взаимодействием прикладных процессов в сетях135

17.2. Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде 139

17.3. Подходы к управлению каналом 142

17.3.1. Сети с опросом 142

17.3.2. Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных результатов в дуплексных системах 143

17.3.3. ППД типа первичный / вторичный без опроса 144

17.3.4. Протокол типа запрос передачи/разрешение передачи 145

17.3.5. Протокол типа разрешить/запретить передачу 145

17.3.6. Множественный доступ с временным разделением 145

17.3.7. Одноранговые ППД 146

17.3.8. Система с контролем несущей (с коллизиями) 146

17.3.9. Метод передачи маркера 148

17.3.10. Протокол типа "маркерное кольцо" 149

17.3.11. Приоритетные слотовые системы 152

17.3.12. Системы с контролем несущей без коллизий 152

17.3.13. Приоритетные системы с передачей маркера 153

17.4. Телекоммуникационные системы: основные понятия и определения 153

17.5. Типы линий и каналов связи 154

17.6. Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных 155

17.7. Синхронизация элементов ТКС 157

17.8. Спутниковые сети связи 159

17.9. Коммутация в сетях 162

17.9.1. Коммутация цепей 162

17.9.2. Коммутация с промежуточным хранением 164

17.9.3. Коммутация сообщений 164

17.9.4. Коммутация пакетов 165

17.9.5. Символьная коммутация 167

17.10. Маршрутизация пакетов в сетях 167

17.10.1. Сущность, цели и способы маршрутизации 167

17.10.2. Способы маршрутизации 168

17.10.3. Эффективность алгоритмов маршрутизации 169

17.10.4. Методы маршрутизации 171

17.11. Защита от ошибок в сетях 173

17.11.1. Причины возникновения ошибок в сети 173

17.11.2. Методы защиты от ошибок 174

17.11.3. Системы передачи с обратной связью 177

17.11.4. Деловая ситуация 179

17.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay 181

17.12.1. Сети и технологии Х.25 182

17.12.2. Сети и технологии Frame Relay (ретрансляция кадров) 185

17.13. Сети и технологии ISDN и SDN 188

17.13.1. Сети и технологии ISDN 188

17.13.2. Импульсно-кодовая модуляция 190

17.13.3. Факторы, способствующие развитию технологий ISDN 192

17.13.4. Роль ISDN-сетей 192

17.13.5. Сети и технологии SDH 193

17.14. Сети и технологии АТМ 194

17.14.1. Общие сведения 194

17.14.2. Каналы, используемые АТМ-технологией 196

17.14.3. Трафики, допустимые в режиме АТМ 196

17.14.4. Развитие технологии АТМ 198

18. Эффективность функционирования и перспективы развития

компьютерных сетей 199

18.1. Понятие эффективности функционирования компьютерных сетей 199

18.2. Факторы, определяющие эффективность функционирования

компьютерных сетей 200

18.3. Основные показатели эффективности компьютерных сетей 203

18.4. Показатели экономической эффективности использования

компьютерных сетей 207

18.5. Перспективы развития компьютерных сетей 209

1. Основные понятия - вычислительная техника, вычислительная

система, компьютер, ЭВМ

Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ - одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.

Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер - это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Наиболее распространенным синонимом слова "компьютер" является термин

"электронная вычислительная машина" (ЭВМ).

ЭВМ - комплекс аппаратных (технических) средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач, посредством выполнения задаваемой соответствующей программой последовательности операций.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. В последующих разделах учебника эти вопросы подробно рассматриваются.

2. Основные этапы развития ЭВМ

Первая демонстрация электронной вычислительной машины ENIAC состоялась в 1946 г. Она содержала около 18000 радиоламп, имела быстродействие 5000 операций сложения в сек., основную память на 20 чисел и работала под управлением программы, набранной штеккерами на коммутационной доске. Долгое время считалось, что ее создатели - американские инженеры Эккерт и Моучли - являлись изобретателями первой в мире ЭВМ.

Но 19 октября 1973г. федеральный судья США Ларсен объявил патент Эккерт-Моучли недействительным. Решение было вынесено в результате шестилетнего судебного разбирательства (1967 - 1973 г.г.), начатого по инициативе компании - патентовладельца "Сперри - Ренд", предъявившей претензии фирме "Ханауэлл" за нарушение патентных прав.

Суд установил, что подлинным изобретателем электронной вычислительной машины является Джон Винсент Атанасов, 1903г. рождения, профессор государственного университета в Айове. В 1937г. он вместе с молодым специалистом Клиффордом Берри начал разработку электронной вычислительной машины "АВС" (Atanasov and Berri Computer). Предполагалось, что эта ЭВМ будет способна решать системы алгебраических уравнений до 30 порядка. Для ввода и вывода десятичных чисел использовались перфокарты фирмы IBM. После ввода число переводилось в двоичную систему счисления. ЭВМ должна была обрабатывать числа длиной 50 бит, имела арифметический блок, регенеративное электростатическое запоминающее устройство в виде барабана и содержала около 300 электронных ламп.

В 1939г. макет ЭВМ был построен. Дж.В.Атанасов сделал доклад о своей разработке с изложением основных принципов в Ассоциации по развитию науки (Флорида). В 1940г. появилась первая газетная публикация о его работе над электронной вычислительной машиной.

В 1942г. машина "АВС" была построена. Но ведущие специалисты различных фирм считали, что спроса на такие машины не будет. Университет штата Айова отказался от уплаты патентной пошлины. Атанасов обращался в "IBM" и "Rend corporation", но они так же не восприняли новую разработку.

После вступления США в 1942г. во Вторую мировую войну, Берри был мобилизован, Атанасов перешел в морскую артиллеристскую лабораторию и оставил работу над ЭВМ.

Профессор физики из штата Пенсильвания Джон Моучли слышал сообщение Атанасова во Флориде, позднее в письмах уточнял принципы построения "АВС". Его эта проблема заинтересовала, т.к. ранее он занимался аналоговыми машинами и не мог получить на них необходимой точности вычислений. Результатом работы Дж.Моучли и его коллеги Эккерта явилась ЭВМ "Eniac", которую им удалось реализовать в 1942-1944г.г. под покровительством Пентагона.

Дальнейшее развитие электронных вычислительных машин принято делить на поколения. Можно выделить пять поколений ЭВМ, отличающиеся элементной базой, конструктивно-технологическим исполнением, логической организацией, программным обеспечением, техническими характеристиками, организацией доступа к ЭВМ со стороны пользователей.

Основная тенденция развития вычислительной техники - уменьшить трудоемкость подготовки программ для решения задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить быстродействие, эффективность использования ЭВМ и их надежность.

Возможности улучшения технико-экономических показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.

2.1. Первое поколение ЭВМ

Основным активным элементом первого поколения являлась электронная лампа. Остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения основной памяти (ОП) ЭВМ уже с середины 50-х г.г. начали использоваться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройств ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах и дисках. К первому поколению относятся отечественные машины БЭСМ-2, Стрела, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-2, М-20, и др. Они имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость ОП, невысокую надежность работы и недостаточное программное обеспечение.

В 1947г. в ЭВМ "Edvac" Дж. фон-Нейман разместил программу в памяти ЭВМ и сформулировал принципы построения электронных вычислительных машин, которые сохранили свое значение до настоящего времени.

2.2. Второе поколение ЭВМ

На смену электронным лампам в машинах второго поколения (с 1953г.) пришли транзисторы. В отличии от ламповых машин, транзисторные машины обладали большим быстродействием, емкостью ОП, надежностью. Существенно уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением являлось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств в/в, удельный вес которых в аппаратном комплексе увеличился. Машины II поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями. Особенностью машин II поколения являлась их дифференциация по применению. Появились машины для решения научно-технических задач, экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины). Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развивались методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование. Появились алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. Появились многопрограммные ЭВМ, в которых реализовано выполнение одновременно нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины. Расширилась сфера применения ЭВМ - они стали использоваться в качестве управляющего органа в автоматизированных и автоматических системах управления, а так же - в системах передачи информации.

К ЭВМ второго поколения относились машины отечественного производства Минск-2, Раздан-2, Раздан-3, М-220, БЭСМ-4, БЭСМ-6, Мир, Наири, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Урал-16, и т.д.

Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

2.3. Третье поколение ЭВМ

Третье поколение ЭВМ (с 1962г.) характеризовалось широким применением интегральных схем, заменивших большинство транзисторов и различных деталей. Интегральная схема представляла

собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме.

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машины. Этому способствовало так же применение многослойного печатного монтажа.

Значительно расширился набор электромеханических устройств ввода-вывода, развитие которых носило эволюционный характер: их характеристики улучшались гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.

Дальнейшее развитие получило программное обеспечение, особенно - операционные системы, которые обеспечивали работу ЭВМ в различных режимах - в режиме пакетной обработки, в режиме разделения времени, в режиме запрос - ответ, и т.д.

Существенно расширены возможности по обеспечению

непосредственного доступа к ЭВМ со стороны абонентов, находящихся на различных (от нескольких десятков метров до сотен километров) расстояниях. При разработке ВМ III поколения применялись различные методы автоматизации проектирования. Основной объем документации разрабатывался с помощью ЭВМ.

Отчетливо появилась тенденция к унификации ЭВМ, к созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание ЕС ЭВМ.

Структурная схема ЭВМ третьего поколения

2.4. Четвертое поколение ЭВМ

Четвертое поколение машин начало развиваться с 1970г. Для них характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это оказывало существенное влияние на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры ЭВМ и ее программного обеспечения, особенно ОС.

Размеры машины и их стоимость настолько уменьшились, что появились их новые типы - от мини - ЭВМ до персональных, предназначенных для индивидуального использования (как стационарных, "настольных" ПЭВМ, так и мобильных, переносных:

Lop-Top, Notebook, вплоть до микро - калькуляторов различных типов).

Стоимость ЭВМ настолько снизилась, что час их работы стал стоить в десять раз меньше часа работы среднеоплачиваемого клерка. Стал расширяться рынок сбыта - за счет вовлечения в него "непрограммирующих пользователей", т.е. людей, не являющихся профессионалами в области компьютерной науки. Это наложило отпечаток на архитектуру программного обеспечения - появилось стремление упростить общение с ЭВМ, сделать его более дружественным для пользователя. В программном обеспечении ЭВМ появился новый стандарт - "дружественность к пользователю среды общения".

Использование больших интегральных схем настолько

уменьшило размеры ЭВМ, что появилась возможность в том же (а часто и значительно сокращенном) объеме разместить дополнительные блоки - например, блоки контроля хода вычислительного процесса и автоматического обеспечения его надежности. Впервые принципы построения ЭВМ, сформулированные фон-Нейманом, стали нарушаться - появились новые типы ЭВМ: векторные, конвейерные, матричные.

Микроминиатюризация сделала возможным встраивание специализированных микроЭВМ в различную аппаратуру - что позволяло получать от этой аппаратуры дополнительные функциональные возможности.

На базе персональных ЭВМ (ПЭВМ) стали создаваться системы автоматизированного проектирования (САПРы), в которых дружественность к пользователю позволяла упростить общение профессионалов, специализирующихся в различных областях науки и техники.

Доступность ПЭВМ привела к их массовому использованию, что выявило потребность к объединению ПЭВМ в сети для выполнения совместной работы, для совместного использования ресурсов.

Структурная схема ПЭВМ

2.5. Пятое поколение ЭВМ

С 1991г. началась разработка ПЭВМ пятого поколения, отличительной особенностью которого стало стремление повысить интеллектуальность вычислительной системы за счет перехода от обработки данных к обработке знаний.

В составе вычислительных систем 5-го поколения появились новые виды ЭВМ и программного обеспечения (ПО): машины баз знаний, машины логического вывода, естественно языковый (ЕЯ) интерфейс. В конструкцию ЭВМ и ПО стали активно внедряться элементы самообучения, самонастройки, адаптации. Более сильно проявилась тенденция отказа от принципов фон-Неймана, машины стали разделятся на ЭВМ фон-Неймановской архитектуры (для вычислений) и не фон-Неймановской архитектуры (в основном для логической, интеллектуальной обработки информации).

В настоящее время работа над 5-ым поколением ЭВМ не завершена - трудности интеллектуализации ЭВМ оказались слишком большими, выяснилась недостаточная проработанность основных положений "искусственного интеллекта", ограниченность наших знаний о природе и закономерностях мышления. Но многие разработки, выполненные для вычислительных систем 5 поколения, стали использоваться в ЭВМ и ПО машин фон-Неймановской архитектуры, существенно повысилась их производительность, надежность и эффективность.

Классификация ЭВМ может производиться по различным признакам. По форме используемых сигналов все ЭВМ делятся на три группы: аналоговые, цифровые и комбинированные (гибридные или аналого-цифровые).

Аналоговые вычислительные машины находят свое применение для выполнения вычислений на основе специальных разделов высшей математики (интегральное исчисление, операционное исчисление, преобразования Фурье, и др.), для управления объектами, поведение которых описывается на языке тех же разделов, для математического моделирования поведения сложных объектов и процессов (замена натурных экспериментов математическим моделированием). Основными недостатками аналоговых ВМ являются низкая точность вычислений (3-4 десятичных знака) и большая продолжительность подготовки такой ЭВМ к работе (программирование машины).

Цифровые ВМ (ЦВМ) позволяют обрабатывать различные виды информации, закодированной в цифровом виде. По функциональным возможностям они делятся на универсальные и специализированные. Универсальные ЭЦВМ предназначены для решения любых задач, поддающихся алгоритмизации, имеют для этого универсальную систему команд, и возможность конфигурировать систему под конкретные условия применения. Специализированные ЦВМ предназначены для решения конкретного класса задач (например, машины для решения раскройной задачи, для управления движением поезда, АРМ операциониста банка, и др.). Основные достоинства ЦВМ - их универсальность, возможность обработки на них различных видов информации, малое время подготовки (перенастройки) ЭВМ для решения новой задачи, практически неограниченная точность вычислений.

Комбинированные ЭВМ соединяют в себе достоинства аналоговых и цифровых вычислительных машин: цифровая часть таких машин позволяет упростить подготовку машины к вычислениям (программирование) и повысить точность вычислений за счет цифрового отображения результатов. Решающие же блоки выполнены на аналоговых элементах, что существенно сокращает время вычислений. К гибридным ЭВМ относятся ЦДА (цифровые дифференциальные анализаторы), ЦИМ (цифровые интегрирующие машины) и ЦМ (цифровые модели), назначение которых ясно из их названия.

Универсальные электронные ЦВМ принято делить по их вычислительной мощности (суперЭВМ, большие, средние, малые и т.д.). Состав выпускаемых ЭВМ очень динамичен, и структура парка ЭВМ сильно изменяется каждые три-пять лет. Появляются новые типы ЭВМ (например, переносные: Lаp-top, Notebook), иногда меняется их основная сфера использования, а в связи с этим - и название.

В настоящее время можно выделить такие разновидности универсальных ЭЦВМ: суперЭВМ и суперсерверы; профессиональные рабочие станции; персональные ЭВМ; встраиваемые микроЭВМ (или "одноплатные" ЭВМ); программируемые микрокалькуляторы. Приведенные разновидности перечислены в порядке убывания вычислительной мощности. К числу универсальных ЭЦВМ отнесены и программируемые микрокалькуляторы, вычислительная мощность которых иногда превышает параметры малых или средних ЭЦВМ первого поколения (например, микрокалькулятор МК-61 по вычислительной мощности сопоставим с ЭЦВМ "Урал-1").

2.6. Перспективы развития ЭВМ

Несомненно, что одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности ЭВМ, является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики, др.).

Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа - рисунок - схема". По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, микропроцессор типа Pentium включал в себя около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре, a Pentium III - уже около 25 миллионов транзисторов.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. В настоящее время оптическая литография (нанесение послойных рисунков световым лучом) вытесняется электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет обеспечить толщину вычерчиваемых линий 0.13, 0.10 и даже 0.08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур.

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. Уменьшение питающих напряжений, локальные средства охлаждения микросхем и другие меры не позволяют в целом решить эти проблемы.

Аналитики предрекают достижение пределов в производстве микросхем к 2010-2015 годам.

Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах близких к абсолютному нулю (0оК= -273,15°С) позволяет достигнуть fmax , при этом Wp=Wn=0. Очень интересны результаты по использованию "теплой сверхпроводимости". Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150°С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких комнатной. Тематика исследовательских работ и их результаты в этом направлении являются закрытыми. Однако, с уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Внедрение новых технологий производства микропроцессоров испытывает и экономические проблемы. Например, построение нового завода по производству микросхем с 0.13 микронной технологией стоит от двух до четырех млрд. долларов. Это заставляет искать новые альтернативные пути построения будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них следует считать:

• создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

• разработка квантовых компьютеров;

• разработка оптических компьютеров.

Укажем основные принципы их построения.

Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы HewlettPackard и Калифорнийского университета (UCLA) показали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана (http://www.zdnet.ru/printreviews.asp?ID=89).

Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых подобный компьютер в 100 млрд. раз будет экономичнее современных микропроцессоров.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры. Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона - искусственной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Розенблат. Он указал, что структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

• параллельность обработки информационных потоков;

• способность к обучению и настройке;

• способность к автоматической классификации;

• более высокую надежность;

• ассоциативность.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС.

Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии Е0, Е1,...,Е. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии - фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять действием электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой.

Основным же строительным блоком квантового компьютера служит qubit - Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Это позволяет строить сложные устройства. Известны эксперименты по созданию RISC - процессора на RSFQлогике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров http://www.submarine.ru/print.cfm?Id=42).

Оптические компьютеры. Идея построения оптического компьютера давно волнует исследователей. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве позволяет создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на несколько порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже имеются эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.

Каковы же состояние и прогноз развития микропроцессоров в настоящее время?

В начале 2000 года основные конкуренты по производству интегральных 32-разрядных микросхем (архитектура IA-32) фирмы Intel и AMD преодолели рубеж f=1ГГц.

Фирма Intel выпустила Pentium III (ядро Coppermine - 0.18 мкм техпроцесс, кэш L2 - 256Кбайт, формфактор - Slot1). Дальнейшим развитием этой линии следует считать ожидаемый выход в конце 2000 года микропроцессора Willamette (переход на техпроцесс 0.13мкм, кэш L1 - 256Кбайт, кэш L2 - 0.5-1Мбайт, формфактор - Soket 423, частота - 1.5ГГц, увеличение частоты в 2001 году до 2ГГц).

Последним представителем IA-32 объявлен микропроцессор Foster, серверный вариант Willamette (эта схема станет основой микропроцессоров Pentium IV). Здесь предполагается значительное улучшение всех характеристик, выпуск - в конце 2001года.

Первым 64-разрядным микропроцессором (IA-64) ожидается микропроцессор Merced (трехуровневая кэш-память 2-4Мбайта, техпроцесс -0.18мкм, появится к концу 2001 года). Экспериментальная версия этого изделия имеет название Itanium.

Коммерческая версия Merced будет иметь название McKinley. Она появится год спустя. Ожидается, что ее характеристики будут примерно в два раза выше Itanium.

Фирма AMD продемонстрировала свой микропроцессор Athlon (ядро Thunderbild - кэш L1 -128Кбайт, кэш L2 -512Кбайт,формфактор - Soket A, Slot A - промежуточный). Развитием этого направления следует считать микропроцессор Mustang, который должен выйти в конце 2000 года.

Интенсивно разрабатывается StedgeHammer - первый 64разрядный микропроцессор фирмы AMD, выпуск которого ожидается в 2001 году. Частота работы - выше 1.5ГГц.

3. Пользователи ЭВМ

Пользователь ЭВМ - человек, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.

В качестве пользователей ЭВМ могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры - системотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты - прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектура в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющимся границей между аппаратными и программными средствами.

Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

• технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

4. Классификация компьютеров (ЭВМ)

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Практика показала, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Почти каждое десятилетие меняются поколения ЭВМ, каждые два года ? основные типы микропроцессоров, определяющих основные характеристики новых ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, еще десятилетие назад в основном использовалась классификация средств вычислительной техники, в основу которой было положено их разделение по быстродействию:

• супер ЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

• большие ЭВМ для комплектования ведомственных,

территориальных и региональных вычислительных центров;

• средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;

• персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;

• встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети. Согласно ему классификация принимает вид:

- мощные машины и вычислительные системы для управления гигантскими сетевыми хранилищами информации;

- кластерные структуры; - серверы;

- рабочие станции; - сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие под единым управлением несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы - это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс - серверы, почтовые, коммуникационные, Webсерверы и др.

Термин "рабочая станция" отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПЭВМ, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры (СК) представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Они становятся еще одним стандартом, объединяющим целый класс компьютеров, который получает массовое производство и распространение.

Их применение позволяет аккумулировать вычислительные мощности и все виды вычислительных услуг на серверах в сетях ЭВМ. В связи с этим отпадает необходимость каждому пользователю иметь собственные автономные средства обработки. Очень многие из них могут обращаться к вычислительным ресурсам сетей с помощью простейших средств доступа - сетевых компьютеров. Требуемая информация и нужные виды ее обработки будут выполнены серверами сети, а пользователи получают уже готовые, требуемые им результаты. Таким образом, для подобного вида услуг образуется своеобразная ниша, которую должны заполнить сетевые компьютеры, поскольку они обеспечивают:

- резкое снижение совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership, TCO) вычислительными средствами предприятия, фирмы, корпорации;

- повышение производительности работы пользователей при одновременном снижении расходов на обслуживание;

- упрощение процессов администрирования, настройки, защиты, модернизации и т.п.

Собственные средства обработки в СК представлены достаточно слабо или вообще отсутствуют. Основу СК составляет весьма скромный по своим возможностям встроенный микропроцессор или блок управления. Очень многие фирмы (Oracle, Sun, Philips, даже IBM и др.) проявляют интерес к этому новому классу компьютеров и связывают с ним большие надежды. Уже появились первые разработки подобных устройств, но пока еще не выявлены единые принципы их структурного и функционального построения.

Уже теперь понятие "сетевой компьютер" отождествляется с целым спектром моделей, различающихся своими функциональными возможностями. Чаще всего под СК понимают достаточно дешевый компьютер с малой оперативной памятью, с отсутствием жесткого и гибкого дисков и сослабым программным обеспечением. Стоимость СК должна быть намного ниже стоимости персонального компьютера (ПК) приличной конфигурации. Намечается достаточно широкая классификация СК в соответствии с их возможностями по представлению данных, выполнения отдельных простейших программ и приложений. Наиболее часто выделяют:

- Windows-терминалы (Windows-based Terminal, WBT) - настольные и мобильные ПК с операционной системой Windows СЕ. Рассчитаны на запуск приложений на сервере и получение от него данных;

- простейшие универсальные СК ("тонкие клиенты") - настольные ПК с доступом к различным сетевым ресурсам. Практически все требуемые пользователям программы должны выполняться на сервере;

- сетевые компьютеры Java (Java Net PC), способные выполнять простейшие Java-программы;

- достаточно мощные СК (Net PC) - настольные ПК с резидентной операционной системой, способные работать с большинством приложений.

Предполагается, что СК найдут широкое распространение среди следующих категорий пользователей: различные фирмы (особенно крупные), учебные заведения и частные потребители.

Для повышения эффективности обработки больших объемов данных и экономической информации, целесообразно использовать комплекс компьютеров различных классов - от ПК до больших ЭВМ. При этом на каждом уровне будут решаться задачи, соответствующие возможностям конкретного класса компьютеров, что часто и реализуется субъектами экономики информационного общества в своих информационных системах.

Важно помнить, что независимо от класса компьютеров,

средствони бесполезны и информационных без соответствующих ресурсов программных- данных,

информации, знаний.

4.1. Встроенные компьютеры

Встроенные компьютеры - это ЭВМ, используемые в качестве узлов для управления некоторым устройством или обработки измерений.

4.2. Микрокомпьютеры

Микрокомпьютеры - наиболее часто используемый и широко распространенный тип компьютеров. Микрокомпьютер часто называют персональным компьютером или персональной ЭВМ (ПЭВМ), т.е. компьютером (ЭВМ) общего назначения, предназначенным для индивидуального пользования.

Различают следующие классы персональных компьютеров (ПК):

1) настольный ПК (Dessktop или Tabletop) - малогабаритная ЭВМ настольного типа, обычно состоящая из системного блока, содержащего целый ряд устройств, обеспечивающих работу компьютера, клавиатуры, позволяющей вводить информацию в компьютер, и монитора (дисплея), предназначенного для изображения графической и текстовой информации. Настольные ПК отличаются друг от друга формой и расположением (горизонтального/вертикального) корпуса системного блока - это могут быть так называемые:

• настольные ПК башенного типа (tower),

• большие настольные ПК (Big),

• средние настольные ПК (Mid),

• малые настольные ПК (Mini),

• настольные ПК малютки (Baby),

• настольные ПК слимы (Slim),

• настольные ПК "размером книги" (Book Size),

2) портативные (Portable) или мобильные (Mobile) ПК - представляют собой меньшие по размеру по сравнению с настольными ПК, имеющие встроенное автономное питание, и у которых системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус, конструктивно, как крышка и клавиатура. Эти ПК могут быть следующих видов:

• "блокнотные" ПК (Notebook) - ПЭВМ типа записной книжки или другими словами "компьютер - блокнот";

• "накаленный" ПК (Lap top) - ПЭВМ, размеры и масса которого позволяют работать с ним "на коленях";

• "подблокнотные" ПК (Subnotbook) - ПЭВМ меньшего размера, чем "блокнотные" и "накаленные" ПК;

• ручные ПК (Hand-held или Palm-top) - ПЭВМ миниатюрных размеров (с почтовую открытку), который можно держать в одной руке, другой работать на нем, а переносить или хранить в кармане одежды;

• карманные ПК (Pocket или Pocket - Size) - миниатюрные компьютеры, которые очень близки по своим возможностям к ручным ПК, но еще меньше по размеру.

3) специализированные ПК - представляют собой миниатюрные компьютеры. Среди специализированных миниатюрных ПК можно выделить:

• электронные органайзеры (electronic organazers) и персональные цифровые секретары (personal Digital Assistant - PDA) - миниатюрные специализированные ПК, весом менее 500 грамм, предназначенные для организации и планирования индивидуальной деятельности любого человека, с возможностью ведения личных баз данных, формирования сообщений и отправки их нужному адресату;

• программные калькуляторы (Programmable Calculators) - миниатюрный компьютер, предназначенный для специализированной обработки научной и/или бизнес - информации, имеющий собственный язык программирования;

• калькуляторы (Calculators) - наименьшие, массовые, широкоиспользуемые ПК, специализированные на выполнение определенных видов вычислений (основные математические операции, несложные инженерные,

технические и экономические расчеты и т.д.);

• электронные игры (Calculator/computer - electronic games) - миниатюрный специализированный компьютер или калькулятор, реализующий функции одной или нескольких игр.

Класс самых миниатюрных ПК, которые в последнее время получили название "микросы" (Micros), постоянно расширяется с одновременным процессами и их дальнейшей миниатюризации, повышения мощности и наделения новыми функциональными возможностями.

4) "перьевые", планшетные ПК (Penbased или Tablets) - ПЭВМ со специализированным набором функций, управляемые при помощи специального "пера" (перьевого манипулятора). Среди "перьевых", планшетных ПК имеются ПЭВМ, размером ручных, карманных и калькуляторов. Наиболее широко возможность управления при помощи пера используется в персональных цифровых ассистентах PDA.

ПК составляют самый широко используемый класс ЭВМ. При этом область их применения постоянно расширяется, увеличивается их мощность, или придаются все новые и новые функции. При объединении в сети ПК обеспечивают возможность многочисленным пользователям и информационным работникам обмениваются данными, информацией, знаниями, осуществлять доступ к национальным и мировым информационным ресурсам. Несмотря на это, ПК имеют существенные ограничения по решению больших экономических задач, обработки больших объемов экономической информации, а иногда и по скорости вычислений. Многие проблемы, связанные с такими ограничениями можно решить при совместном использовании ПК и ЭВМ более высокого уровня, которые рассматриваются ниже.

Отдельное место среди микрокомпьютеров занимают так называемые однопользовательские рабочие станции - микро-ЭВМ, более мощная, чем микро-ЭВМ, относимая к классу персональных компьютеров, подключенная к вычислительной системе или сети и предназначенная для выполнения работ определенного типа.

4.3. Миникомпьютеры (компьютеры среднего класса)

К этому классу относятся мини и малые ЭВМ, а также ЭВМ так называемого среднего класса или средние ЭВМ (Minicomputers или Midrange). Часто их называют серверами (server), так как они используются в качестве ЭВМ, выполняющих определенные функции по обслуживанию многочисленных пользователей (обычно от 2 до 32, для мини-ЭВМ, от 32 до 128 - для среднего класса).

Мини-компьютеры и ЭВМ среднего класса дороже по цене, детальнее и больше любой ПЭВМ по размерам.

Они обычно используются для автоматизации управления, решения экономических задач и в качестве сетевых серверов в средних и больших субъектах экономики информационного общества и в соответствующих многопользовательских информационных системах, связывающих большие объемы информации и значительное число информационных работников. Наиболее мощные ПЭВМ могут также использоваться в качестве серверов.

4.4. Большие ЭВМ и суперкомпьютеры

Большие ЭВМ (Main fraims) так называемые суперкомпьютеры (Supercomputers) значительно дороже по цене (средняя стоимость до 1 млн. долларов) больше по размеру и производительности, чем все остальные компьютеры, а количество пользователей от 128- (для больших ЭВМ) и неограниченно для суперкомпьютеров.

Большие ЭВМ представляют собой универсальные компьютеры общего назначения, либо высокоскоростные ЭВМ для научных исследований, средняя стоимость которых достигает 1 млн. долларов. В экономике такие компьютеры используются в основном на самом высоком уровне управления экономикой информационного общества, а также в качестве серверов в системах массового обслуживания (например, системах бронирования и резервирования авиабилетов и туристических маршрутов, в банковских системах и т.д.). К этому классу серверов относятся и некоторые наиболее мощные компьютеры среднего класса.

Суперкомпьютеры представляют собой универсальные ЭВМ, в основном предназначенные для решения задач, требующих очень длительных и очень сложных вычислений. Суперкомпьютеры могут выполнять миллиарды операций в секунду и используются для моделирования различных сложнейших явлений и процессов, происходящих в природе и информационном обществе, прогнозирования погоды и моделирования сложных химических и биологических систем, для исследования вселенной и изучения нейросетей человеческого мозга.

5. Характеристики ЭВМ

Важнейшими характеристиками ЭВМ служат быстродействие и производительность. Эти характеристики сильно связаны, но их не следует смешивать. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность - это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу времени.

Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Основные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме выбора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

Применительно к ПЭВМ в качестве относительной характеристики быстродействия используют значение тактовой частоты работы микропроцессора, считая, что более быстродействующая техника должна обеспечивать и более высокие показатели производительности. Однако практика измерений значений этих характеристик для разнотипных ЭВМ может дать противоречивые результаты. Другими из альтернативных единиц измерения быстродействия были и остаются величины, измеряемые в MIPS (Million Instructions Per Second - миллион операций в секунду) и в MFLOPS (Million Floating Point Operations Per Second - миллион операций с плавающей точкой в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. Они широко используются для оценки больших машин, но для оценки современных ПЭВМ применяется достаточно редко.

Для более точных комплексных оценок применяют специальные тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

- наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP-Intel Comparative Microprocessor Performance);

- стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых

производительных компьютерных установок в мире);

- специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например, для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений используется тест - Winstone99 - Business, для группы "домашних компьютеров" - WinBench99 - CPUMark32, группы ПК для профессиональной работы - 3DWinBench99 - UserScene).

Отметим, что результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров должны быть адекватны.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит - одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения - байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат 1Кбайт=210байта=1024 байта, 1Мбайт=210Кбайта==220байта,

1Гбайт=210Мбайта=220Кбайта=230байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти равную 64-256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1.2, 1.44, 2.88 Мбайта, в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компактдиска (CD-ROM)- сотни Мбайтов (640Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 600Мбайт и не менее 64 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Точность - возможность различать почти равные значения (стандарт ISO - 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и128 двоичных разрядов.

Во многих случаях применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обрабатывании текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8-16?разрядные двоичные коды. При выполнении же сложных математических расчетов требуется использовать более высокую разрядность 32, 64 (и даже более). Для работы с такими данными используются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

6. Принципы построения ЭВМ

Основные принципы построения ЭЦВМ были сформулированы в 1947г Дж.фон-Нейманом и сохранили свое значение до настоящего времени. Важнейшими из них являются следующие.

1 принцип

Для хранения информации в ЭВМ служит память, для обработки информации - процессор.

2 принцип

Иерархическое построение памяти ЭВМ: память состоит из нескольких запоминающих устройств (ЗУ), различающихся емкостью и быстродействием. Самое быстрое ЗУ - сверхоперативное (СОЗУ), имеющее емкость в несколько машинных слов (или нескольких десятков, редко - сотен или тысяч) и быстродействие, равное быстродействию процессора. Обычно СОЗУ размещается в кристалле микропроцессора. Это - одно из наиболее дорогих ЗУ.

Близка по быстродействию к СОЗУ основная память ЭВМ (ОП). Ее объем превышает десятки тысяч байт. ОП является "полностью электронной" памятью, но выполняется на отдельных микросхемах, доступ микропроцессора к которым осуществляется через системную магистраль, в связи с чем время обращения к ней по сравнению с СОЗУ увеличивается в 2-10 раз.

Для хранения больших массивов информации и редко используемых программ служат внешние ЗУ (ВЗУ) - накопители. В зависимости от конструкции носителя информации получили распространение ВЗУ трех типов: накопители на жестком магнитном диске (НМД), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на магнитных лентах (НМЛ, в качестве которых часто используются стриммеры). Все они относятся к ЗУ электромеханического типа, в связи с чем для них характерна значительно меньшая скорость работы. Но емкость этих ЗУ значительно превышает емкость ОП, а стоимость их (в расчете на единицу информации) значительно ниже.

3 принцип

Для внутреннего хранения и преобразования числовой информации должна использоваться двоичная система счисления. Для характеристики объема информации при этом используется двоичный символ - бит, который может принимать значения: 0 или 1.

При больших объемах и при выполнении специфических машинных операций используются производные от бита единицы информации:

- триада - 3 бита (используется для перевода из двоичной в восьмиричную систему счисления и обратно);

- тетрада - 4 бита (используется для перевода из двоичной в шестнадцатиричную систему счисления и обратно, и для представления шестнадцатиричных (Hexadecimal, или сокращенно - "Hex") цифр;

- байт - 8 бит (используется в большинстве ЭЦВМ в качестве основной единицы информации при размещении ее

в запоминающих устройствах. Восьмибитная единица информации применяется для кодирования - т.е. представления в виде двоичного числа - алфавитноцифровых символов, математических знаков, знаков пунктуации, символов псевдографики, и специальных управляющих символов, и позволяет закодировать 256 различных символов. При работе только с шестнадцатиричными цифрами в одном байте размещается две тетрады, т.е. две шестнадцатиричных цифры).

При большом объеме запоминающего устройства применяются производные от байта единицы информации:

- 1 Кбайт = 1024 байта (здесь буква "К" является аналогом приставки "кило", которая в физике используется для укрупнения единицы в 1000 раз. Но десятичное число "1000" при переводе в двоичную систему счисления не является"круглым" числом (т.е. не представляется единицей с нулями). Ближайшим "круглым" числом является десятичное 1024 - в двоичной системе счисления это 1 с десятью нулями);

- 1 Мбайт = 1024 Кбайт ( "М" эквивалентно приставке "мега" в физике);

- 1 Гбайт = 1024 Мбайт ( "Г" эквивалентно приставке "гига"); - 1 Тбайт = 1024 Гбайт ( "Т" эквивалентно приставке "терра").

При обработке информации применяются другие машинные единицы информации, являющиеся производными бита: машинное слово, полуслово и двойное слово. Но размер этой единицы зависит от типа применяемого процессора. Так в ЭЦВМ, построенных на микропроцессоре i80486 длина машинного слова - 32 бита или 4 байта (полуслова - 16 бит, двойного слова - 64 бита).

4 принцип

Принцип адресности памяти: вся память разделена на ячейки, каждая из которых хранит одну единицу информации (чаще всего - байт, но может быть и слово, полуслово, двойное слово). Каждая ячейка имеет свой уникальный номер, который называется ее адресом. При обращении к памяти указывается адрес - т.е. номер ячейки, в которую нужно поместить или из которой нужно прочитать число.

5 принцип

Арифметическое устройство ЭЦВМ должно строиться на основе единых схем для выполнения всех операций. В этом случае не требуется отдельных устройств для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, и др., что сокращает объем оборудования и его стоимость.

6 принцип

Принцип программного управления:

a) работой ЭВМ управляет программа, состоящая из отдельных команд;

b) программа размещается вместе с данными в основной памяти ЭВМ;

c) каждая команда хранится в отдельной ячейке памяти

(или группе смежных ячеек) и имеет свой адрес;

d) все команды имеют одинаковую структуру. Они состоят из двух частей: кода операции и адресной части. Код операции определяет, какую команду нужно выполнить. Адресная часть определяет, где хранятся операнды - т.е. обрабатываемые данные, и куда необходимо поместить результат операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трех-, четырехадресные, и безадресные команды.

В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическом устройстве (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами).

В двухадресных командах оба операнда перед выполнением операции находятся в памяти, поэтому их адреса указываются в команде. После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В четырехадресных командах три адреса используются для указания исходных операндов и результата, а четвертый - для указания адреса следующей команды.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится в арифметическом устройстве (в память не пересылается). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку, и др.).

e) все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений.

Для организации разветвлений, циклического выполнения участков программы, есть команды, нарушающие естественный порядок. К ним относятся: безусловная передача управления (или "безусловный переход"), условная передача управления (т.е. переход, если выполняется заданное условие), обращение к подпрограмме (т.е. "переход с возвратом"), циклические операции. Кроме того, естественный порядок следования команд не соблюдается в машинах, использующих четырехадресные команды - в этом случае некоторые из команд передачи управления упраздняются.

При явном указании адреса следующей команды реализуется "принудительный" порядок следования команд. Он возможен только если программа размещается в доступной процессору части основной памяти. Поскольку при этом команды (с точки зрения процессора) ничем не отличаются от данных, в процессе выполнения программы ее команды можно изменять (модифицировать), что повышает гибкость программирования и универсальность ЭВМ.

7. Базовая аппаратная конфигурация ПЭВМ

Персональный компьютер - универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства: • системный блок;

• монитор; • клавиатуру;

• мышь.

7.1. Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный {mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый формфактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух формфакторов: АТ и АТХ. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

Рассмотри внутренние устройства системного блока.

7.1.1. Материнская плата - общие сведения

Материнская плата - основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

• микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

• разъемы для подключения дополнительны устройств (слоты).

7.1.2. Системы, расположенные на материнской плате

Оперативная память

Оперативная память (RAM - RandomAccess Memory) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не "подзаряжать", утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 32-64 Мбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат имеют разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4,8,16,32 Мбайт, а DIMM-модули - 16,32,64,128 Мбайт и более. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Типичное время доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей - 5070 нс. Для современных DIMM-модулеи оно составляет 7-10 нс.

Процессор

Процессор - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Шины Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128разрядные.

Система команд процессора

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд

Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд - CISC-процессорами (CISC - Complex

Instruction Set Computing).

В противоположность СISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

• CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

• RISC-npoцеccopы используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускались только CZyC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску процессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISCархитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру.

Совместимость процессоров

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66.75,90,100.133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу "сверху вниз".

Принцип совместимости "сверху вниз" - это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор "понимает" все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

Основные параметры процессоров

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 500 миллионов тактов в секунду (500 МГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Сверхоперативная память

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш-память. Это как бы "сверхоперативная память". Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. "Удачные" обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего - ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют "зашитыми" - их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую

систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема "энергонезависимой памяти", по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем. какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительностькомпьютера.

ISA Историческим достижением компьютеров платформы IBM PC стало внедрение почти двадцать лет назад архитектуры, получившей статус промышленного стандарта ISA (Industry Standard Architecture). Она не только позволила связать все устройства системного блока между собой, но и обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность шины, выполненной по такой архитектуре, составляет до 5,5 Мбайт/с, но, несмотря на низкую пропускную способность, эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно

"медленных" внешних устройств, например звуковых карт и модемов.

EISA

Расширением стандарта ISA стал стандарт EISA (Extended ISA), отличающийся увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим. После 2000 года выпуск материнских плат с разъемами ISA/EISA и устройств, подключаемых к ним, прекращается.

VLB Название интерфейса переводится как локальная шина стандарта VESA ( VESA Local Bus). Понятие "локальной шины" впервые появилось в конце 80-х годов. Оно связано тем, что при внедрении процессоров третьего и четвертого поколений (Intel 80386 и Intel 80486) частоты основной шины (в качестве основной использовалась шина ISA/EISA) стало недостаточно для обмена между процессором и оперативной памятью. Локальная шина, имеющая повышенную частоту, связала между собой процессор и память в обход основной шины. Впоследствии в эту шину "врезали" интерфейс для подключения видеоадаптера, который тоже требует повышенной пропускной способности, - так появился стандарт VLB, который позволил поднять тактовую частоту локальной шины до 50 МГц и обеспечил пиковую пропускную способность до 130 Мбайт/с.

Основным недостатком интерфейса VLB стало то, что предельная частота локальной шины и, соответственно, ее пропускная способность зависят от числа устройств, подключенных к шине. Так, например, при частоте 50 Мц к шине может быть подключено только одно устройство (видеокарта). Для сравнения скажем, что при частоте 40 Мгц возможно подключение двух, а при частоте 33 Мгц - трех устройств.

PCI

Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect - стандарт подключения внешних компонентов) был введен в персональных компьютерах, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Для связи с основной шиной компьютера (ISA/ EISA) используются специальные интерфейсные преобразователи - мосты PCI (PCI Bridge). В современных компьютерах функции моста

PCI выполняют микросхемы микропроцессорного комплекта (чипсета).

Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последние версии интерфейса поддерживают частоту до 66 МГц и обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.

Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PC/происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

Конфликты между устройствами за обладание одними и теми же ресурсами (номерами прерываний, адресами портов и каналами прямого доступа к памяти) вызывают массу проблем у пользователей при установке устройств, подключаемых к шине ISA. С появлением интерфейса РС1и с оформлением стандарта plug-and-play появилась возможность выполнять установку новых устройств с помощью автоматических программных средств - эти функции во многом были возложены на операционную систему.

FSB

Шина PCI, появившаяся в компьютерах на базе процессоров Intel Pentium как локальная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памятью, недолго оставалась в этом качестве. Сегодня она используется только как шина для подключения внешних устройств, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro используется специальная шина, получившая название front Side Bus (FSB). Эта шина работает на очень высокой частоте 100-125 МГц. В настоящее время внедряются материнские платы с частотой шины FSB 133 МГц и ведутся разработки плат с частотой до 200 МГц. Частота шины FSB является одним из основных потребительских параметров - именно он и указывается в спецификации материнской платы. Пропускная способность шины FSB при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

AGP Видеоадаптер - устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Как при внедрении локальной шины VLB, так и при внедрении локальной шины PCI видеоадаптер всегда был первым устройством, "врезаемым" в новую шину. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям видеоадаптеров, поэтому для них разработана отдельная шина, получившая название AGP (Advanced Graphic Port - усовершенствованный графический порт).

Частота этой шины соответствует частоте шины PCI (33 МГц или 66 МГц), но она имеет много более высокую пропускную способность - до 1066 Мбайт/с (в режиме четырехкратного умножения).

PCMCIA

PCMCIA (Personal Computer Метолу Card International Association - стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Этот стандарт определяет интерфейс подключения плоских карт памяти небольших размеров и используется в портативных персональных компьютерах.

USB USB (Universal Serial Bus -универсальная последовательная магистраль). Это одно из последних нововведений в архитектурах материнских плат. Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1,5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т. п., этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в -"горячем режиме" (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Функции микропроцессорного комплекта (чипсета)

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название "северный мост" и "южный мост".

"Северный мост" управляет взаимосвязью четырех устройств:

процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

"Южный мост" называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA - PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.

7.1.3. Жесткий диск

Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот (параграф) имеет код 0167, а символ (угловой градус) имеет код 0176, но соответствующих им клавиш на клавиатуре нет. В таких случаях для их ввода используют дополнительную панель.

Порядок ввода символов по известному ALT-коду, будет таким:

1. Нажать и удержать клавишу ALT.

2. Убедиться в том, что включен переключатель NUM LOCK.

3. Не отпуская клавиши ALT, набрать последовательно на дополнительной панели ALT-КОД вводимого символа, например: 0167.

4. Отпустить клавишу ALT. Символ, имеющий код 0167, появится на экране в позиции ввода.

Настройка клавиатуры

Клавиатуры персональных компьютеров обладают свойством повтора знаков, которое используется для автоматизации процесса ввода. Оно состоит в том, что при длительном удержании клавиши начинается автоматический ввод связанного с ней кода. При этом настраиваемыми параметрами являются:

• интервал времени после нажатия, по истечении которого начнется автоматический повтор кода;

• темп повтора (количество знаков в секунду).

Средства настройки клавиатуры относятся к системным и обычно входят в состав операционной системы. Кроме параметров режима повтора настройке подлежат также используемые раскладки и органы управления, используемые для переключения раскладок.

Со средствами настройки клавиатуры Вы познакомитесь при изучении функций операционных систем.

7.4. Мышь

Мышь - устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.

Принцип действия

В отличие от рассмотренной ранее клавиатуры, мышь не является стандартным органом управления, и персональный компьютер не имеет для нее выделенного порта. Для мыши нет и постоянного выделенного прерывания, а базовые средства ввода и вывода (BIOS) компьютера, размещенные в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), не содержат программных средств для обработки прерываний мыши.

В связи с этим в первый момент после включения компьютера мышь не работает. Она нуждается в поддержке специальной системной программы - драйвера мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мыши, либо при установке операционной системы компьютера. Хотя мышь и не имеет выделенного порта на материнской плате, для работы с ней используют один из стандартных портов, средства для работы с которыми имеются в составе BIOS. Драйвер мыши предназначен для интерпретации сигналов, поступающих через порт. Кроме того, он обеспечивает механизм передачи информации о положении и состоянии мыши операционной системе и работающим программам.

Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями правой и левой кнопок (эти нажатия называются щелчками). В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации - ее принцип управления является событийным. Перемещения мыши и щелчки ее кнопок являются событиями с точки зрения ее программыдрайвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие и в каком месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к ее исполнению.

Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов и приводит в действие элементы управления компьютерной системой, а с помощью монитора получает от нее отклик в графическом виде.

Стандартная мышь имеет только две кнопки, хотя существуют нестандартные мыши с тремя кнопками или с двумя кнопками и одним вращающимся регулятором. Функции нестандартных органов управления определяются тем программным обеспечением, которое поставляется вместе с устройством.

К числу регулируемых параметров мыши относятся: чувствительность (выражает величину перемещения указателя на экране при заданном линейном перемещении мыши), функции левой и правой кнопок, а также чувствительность к двойному нажатию (максимальный интервал времени, при котором два щелчка кнопкой мыши расцениваются как один двойной щелчок). Программные средства, предназначенные для этих регулировок, обычно входят в системный комплект программного обеспечения - мы рассмотрим их при изученииоперационной системы.

8. Периферийные устройства ПЭВМ

Периферийные устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря им компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

- устройства ввода данных;

- устройства вывода данных;

- устройства хранения данных;

- устройства обмена данными.

8.1. Устройства ввода знаковых данных

Специальные клавиатуры

Клавиатура является основным устройством ввода данных. Специальные клавиатуры предназначены для повышения эффективности процесса ввода данных. Это достигается путем изменения формы клавиатуры, раскладки ее клавиш или метода подключения к системному блоку.

Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом требований эргономики, называют эргономичными клавиатурами. Их целесообразно применять на рабочих местах, предназначенных для ввода большого количества знаковой информации. Эргономичные клавиатуры не только повышают производительность наборщика и снижают общее утомление в течение рабочего дня, но и снижают вероятность и степень развития ряда заболеваний, например туннельного синдрома кистей рук и остеохондроза верхних отделов позвоночника.

Раскладка клавиш стандартных клавиатур далека от оптимальной. Она сохранилась со времен ранних образцов механических пишущих машин. В настоящее время существует техническая возможность изготовления клавиатур с оптимизированной раскладкой, и существуют образцы таких устройств (в частности, к ним относится клавиатура Дворака). Однако практическое внедрение клавиатур с нестандартной раскладкой находится под вопросом в связи с тем, что работе с ними надо учиться специально. На практике подобными клавиатурами оснащают только специализированные рабочие места.

По методу подключения к системному блоку различают проводные и беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных системах осуществляется инфракрасным лучом.

Обычный радиус действия таких клавиатур составляет несколько метров. Источником сигнала является клавиатура.

8.2. Устройства командного управления

Специальные манипуляторы

Кроме обычной мыши существуют и другие типы манипуляторов, например: трекболы, пенмаусы, инфракрасные мыши.

Трекбол в отличие от мыши устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движение ладонью руки. Преимущество трекбола состоит в том, что он не нуждается в гладкой рабочей поверхности, поэтому трекболы нашли широкое применение в портативных персональных компьютерах.

Пенмаус представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой вместо пишущего узла установлен узел, регистрирующий величину перемещения.

Инфракрасная мышь отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Для компьютерных игр и в некоторых специализированных имитаторах применяют также манипуляторы рычажно-нажимного типа (джойстики) и аналогичные им джой-пады, геймпады и штурвальнопедальные устройства. Устройства этого типа подключаются к специальному порту, имеющемуся на звуковой карте, или к порту USB.

8.3. Устройства ввода графических данных

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры) и цифровые фотокамеры. Интересно отметить, что с помощью сканеров можно вводить и знаковую информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами (программами распознавания образов).

Планшетные сканеры

Планшетные сканеры предназначены для ввода графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал), фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляют в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическим протягиванием линейки при неподвижной установке листа или протягиванием листа при неподвижной установке линейки.

Основными потребительскими параметрами планшетных сканеров являются:

• разрешающая способность;

• производительность;

• динамический диапазон;

• максимальный размер сканируемого материала.

Разрешающая способность планшетного сканера зависит от плотности размещения приборов ПЗС на линейке, а также от точности механического позиционирования линейки при сканировании. Типичный показатель для офисного применения: 600-1200 dpi (dpi - dots per inch - количество точек на дюйм). Для профессионального применения характерны показатели 1200-3000 dpi.

Производительность сканера определяется продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного формата и зависит как от совершенства механической части устройства, так и от типа интерфейса, использованного для сопряжения с компьютером.

Динамический диапазон определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Типовой показатель для сканеров офисного применения составляет 1,8-2,0, а для сканеров профессионального применения - от 2,5 (для непрозрачных материалов) до 3,5 (для прозрачных материалов).

Ручные сканеры

Принцип действия ручных сканеров в основном соответствует планшетным. Разница заключается в том, что протягивание линейки ПЗС в данном случае выполняется вручную. Равномерность и точность сканирования при этом обеспечиваются неудовлетворительно, и разрешающая способность ручного сканера составляет 150-300 dpi.

Барабанные сканеры

В сканерах этого типа исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение (2400-5000 dpi) благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их используют для сканирования исходных изображений, имеющих высокое качество, но недостаточные линейные размеры

(фотонегативов, слайдов и т. п.)

Сканеры форм

Предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных механически или <от руки". Необходимость в этом возникает при проведении переписей населения, обработке результатов выборов и анализе анкетных данных.

От сканеров форм не требуется высокой точности сканирования, но быстродействие играет повышенную роль и является основным потребительским параметром.

Штрих-сканеры

Эта разновидность ручных сканеров предназначена для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода. Такие устройства имеют применение в розничной торговой сети.

Графические планшеты (дигитайзеры)

Эти устройства предназначены для ввода художественной графической информации. Существует несколько различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. Такие устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами, наработанными для традиционных инструментов (карандаш, перо, кисть).

Цифровые фотокамеры

Как и сканеры, эти устройства воспринимают графические данные с помощью приборов с зарядовой связью, объединенных в прямоугольную матрицу. Основным параметром цифровых фотоаппаратов является разрешающая способность, которая напрямую связана с количеством ячеек ПЗС в матрице. Наилучшие потребительские модели в настоящее время имеют до 1 млн ячеек ПЗС и, соответственно, обеспечивают разрешение изображения до 800х 1200 точек. У профессиональных моделей эти параметры выше.

8.4. Устройства вывода данных

В качестве устройств вывода данных, дополнительных к монитору, используют печатающие устройства (принтеры), позволяющие получать копии документов на бумаге или прозрачном носителе. По принципу действия различают матричные, лазерные, светодиодные и струйные принтеры.

Матричные принтеры

Это простейшие печатающие устройства. Данные выводятся на бумагу в виде оттиска, образующегося при ударе цилиндрических стержней ("иголок") через красящую ленту. Качество печати матричных принтеров напрямую зависит от количества иголок в печатающей головке. Наибольшее распространение имеют 9-игольчатые и 24игольчатые матричные принтеры. Последние позволяют получать оттиски документов, не уступающие по качеству документам, исполненным на пишущей машинке.

Производительность работы матричных принтеров оценивают по количеству печатаемых знаков в секунду (cps - characters per second). Обычными режимами работы матричных принтеров являются: draft - режим черновой печати, normal - режим обычной печати и режим NLQ (Near Letter Quality), который обеспечивает качество печати, близкое к качеству пишущей машинки.

Лазерные принтеры

Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати, не уступающее, а во многих случаях и превосходящее полиграфическое. Они отличаются также высокой скоростью печати, которая измеряется в страницах в минуту (ррт -page per minute). Как и в матричных принтерах, итоговое изображение формируется из отдельных точек.

Принцип действия лазерных принтеров следующий:

- в соответствии с поступающими данными лазерная головка испускает световые импульсы, которые отражаются от зеркала и попадают на поверхность светочувствительного барабана;

- горизонтальная развертка изображения выполняется вращением зеркала;

- участки поверхности светочувствительного барабана, получившие световой импульс, приобретают статический заряд;

- барабан при вращении проходит через контейнер, наполненный красящим составом (тонером), и тонер закрепляется на участках, имеющих статический заряд;

- при дальнейшем вращении барабана происходит контакт его поверхности с бумажным листом, в результате чего происходит перенос тонера на бумагу;

- лист бумаги с нанесенным на него тонером протягивается через нагревательный элемент, в результате чего частицы тонера спекаются и закрепляются на бумаге.

К основным параметрам лазерных принтеров относятся:

- разрешающая способность, dpi (dots per inch - точек на дюйм);

- производительность (страниц в минуту); - формат используемой бумаги;

- объем собственной оперативной памяти.

При выборе лазерного принтера необходимо также учитывать параметр стоимости оттиска, то есть стоимость расходных материалов для получения одного печатного листа стандартного формата А4. К расходным материалам относится тонер и барабан, который после печати определенного количества оттисков утрачивает свои свойства. В качестве единицы измерения используют цент на страницу (имеются в виду центы США). В настоящее время теоретический предел по этому показателю составляет порядка 1,0-1,5. На практике лазерные принтеры массового применения обеспечивают значения от 2,0 до 6,0.

Основное преимущество лазерных принтеров заключается в возможности получения высококачественных отпечатков. Модели среднего класса обеспечивают разрешение печати до 600 dpi, а профессиональные модели - до 1200 dpi.

Светодиодные принтеры

Принцип действия светодиодных принтеров похож на принцип действия лазерных принтеров. Разница заключается в том, что источником света является не лазерная головка, а линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле. Типичная величина разрешения печати для светодиодных принтеров составляет порядка 600 dpi.

Струйные принтеры

В струйных печатающих устройствах изображение на бумаге формируется из пятен, образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Выброс микрокапель красителя происходит под давлением, которое развивается в печатающей головке за счет парообразования. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в результате пьезоэлектрического эффекта - этот метод позволяет обеспечить более стабильную форму капли, близкую к сферической.

Качество печати изображения во многом зависит от формы капли и ее размера, а также от характера впитывания жидкого красителя поверхностью бумаги. В этих условиях особую роль играют вязкостные свойства красителя и свойства бумаги.

К положительным свойствам струйных печатающих устройств следует отнести относительно небольшое количество движущихся механических частей и, соответственно, простоту и надежность механической части устройства и его относительно низкую стоимость. Основным недостатком, по сравнению с лазерными принтерами, является нестабильность получаемого разрешения, что ограничивает возможность их применения в черно-белой полутоновой печати.

В то же время, сегодня струйные принтеры нашли очень широкое применение в цветной печати. Благодаря простоте конструкции они намного превосходят цветные лазерные принтеры по показателю качество/цена. При разрешении выше 600 dpi они позволяют получать цветные оттиски, превосходящие по качеству цветные отпечатки, получаемые фотохимическими методами.

При выборе струйного принтера следует обязательно иметь виду параметр стоимости печати одного оттиска. При том, что цена струйных печатающих устройств заметно ниже, чем лазерных, стоимость печати одного оттиска на них может быть в несколько раз выше.

8.5. Устройства хранения данных

Необходимость во внешних устройствах хранения данных возникает в двух случаях:

- когда на вычислительной системе обрабатывается больше данных, чем можно разместить на базовом жестком диске;

- когда данные имеют повышенную ценность и необходимо выполнять регулярное резервное копирование на внешнее устройство (копирование данных на жестком диске не является резервным и только создает иллюзию безопасности).

В настоящее время для внешнего хранения данных используют несколько типов устройств, использующих магнитные или магнитооптические носители.

Стримеры

Стримеры - это накопители на магнитной ленте. Их отличает сравнительно низкая цена. К недостаткам стримеров относят малую производительность (она связана прежде всего с тем, что магнитная лента - это устройство последовательного доступа) и недостаточную надежность (кроме электромагнитных наводок, ленты стримеров испытывают повышенные механические нагрузки и могут физически выходить из строя).

Емкость магнитных кассет (картриджей) для стримеров составляет до нескольких сот Мбайт. Дальнейшее повышение емкости за счет повышения плотности записи снижает надежность хранения, а повышение емкости за счет увеличения длины ленты сдерживается низким временем доступа к данным.

ZIP-накопители

ZIP-накопители выпускаются компанией Iomega, специализирующейся на создании внешних устройств для хранения данных. Устройство работает с дисковыми носителями, по размеру незначительно превышающими стандартные гибкие диски и имеющими емкость 100/250 Мбайт. ZIP-накопители выпускаются во внутреннем и внешнем исполнении. В первом случае их подключают к контроллеру жестких дисков материнской платы, а во втором - к стандартному параллельному порту, что негативно сказывается на скорости обмена данными.

Накопители HiFD

Основным недостатком ZIP-накопителей является отсутствие их совместимости со стандартными гибкими дисками 3,5 дюйма. Такой совместимостью обладают устройства HiFD компании Sony. Они позволяют использовать как специальные носители емкостью 200 Мбайт, так и обычные гибкие диски. В настоящее время распространение этих устройств сдерживается повышенной ценой.

Накопители JAZ

Этот тип накопителей, как и ZIP-накопители, выпускается компанией Iomega. По своим характеристикам JAZ-носитель приближается к жестким дискам, но в отличие от них является сменным. В зависимости от модели накопителя на одном диске можно разместить 1 или 2 Гбайт данных.

Магнитооптические устройства

Эти устройства получили широкое распространение в компьютерных системах высокого уровня благодаря своей универсальности. С их помощью решаются задачи резервного копирования, обмена данными и их накопления. Однако достаточно высокая стоимость приводов и носителей не позволяет отнести их к устройствам массового спроса.

В этом секторе параллельно развиваются 5,25- и 3,5-дюймовые накопители, носители для которых отличаются в основном формфактором и емкостью. Последнее поколение носителей формата 5,25" достигает емкости 5,2 Гбайт. Стандартная емкость для носителей 3,5" - 640 Мбайт.

В формате 3,5" недавно была разработана новая технология GIGAMO, обеспечивающая емкость носителей в 1,3 Гбайт, полностью совместимая сверху вниз с предыдущими стандартами. В перспективе ожидается появление накопителей и дисков форм-фактора 5,25", поддерживающих технологию NFR (Near Field Recording), которая обеспечит емкость дисков до 20 Гбайт, а позднее и до 40 Гбайт.

8.6. Устройства обмена данными

Модем

Устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи, принято называть модемом (МОдулятор + ДЕМодулятор). При этом под каналом связи понимают физические линии (проводные, оптоволоконные, кабельные, радиочастотные), способ их использования (коммутируемые и выделенные) и способ передачи данных (цифровые или аналоговые сигналы). В зависимости от типа канала связи устройства приемапередачи подразделяют на радиомодемы, кабельные модемы и прочие. Наиболее широкое применение нашли модемы, ориентированные на подключение к коммутируемым телефонным каналам связи.

Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нем путем модуляции (по амплитуде, частоте, фазе) в соответствии с избранным стандартом (протоколом) и направляются в телефонную линию. Модем-приемник, понимающий данный протокол, осуществляет обратное преобразование (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. Таким образом обеспечивается удаленная связь между компьютерами и обмен данными между ними.

К основным потребительским параметрам модемов относятся:

- производительность (бит/с);

- поддерживаемые протоколы связи и коррекции ошибок;

- шинный интерфейс, если модем внутренний (ISA или PCI).

От производительности модема зависит объем данных, передаваемых в единицу времени. От поддерживаемых протоколов зависит эффективность взаимодействия данного модема с сопредельными модемами (вероятность того, что они вступят во взаимодействие друг с другом при оптимальных настройках). От шинного интерфейса в настоящее время пока зависит только простота установки и настройки модема (в дальнейшем при общем совершенствовании каналов связи шинный интерфейс начнет оказывать влияние и на производительность).

9. Вычислительные системы

9.1. Понятие вычислительной системы

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

Отражая эти новшества, и появился термин "вычислительная система". Он не имеет единого толкования в литературе, его иногда даже используют применительно к однопроцессорным ЭВМ. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем 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?"законом Гроша".

Сэвм К П эвм= 1 ? 2

Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула n

Свс К= 2 ??П i ,

i=1 где Сэвм, Свс?соответственно стоимость ЭВМ и ВС, К1 и

К2?коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники, Пэвм,

Пi?производительность ЭВМ и i-го из n комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).

На рисунке, приведенном ниже, представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей.

Зависимость стоимости Свс и Сэвм от производительности

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками.

9.2. Классификация вычислительных систем

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач, в отличие от универсальных, предназначенных для широкого спектра задач.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились раньше, чем многопроцессорные. Основные отличия ММС заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая другая подключаемая к ней ЭВМ рассматривается как периферийное специальное устройство. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается и различная оперативность их информационного взаимодействия.

Многопроцессорные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров с ООП обеспечивается под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров-вычислителей. Многие исследователи [ ] считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа "чтение" и "запись" к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Эти решения обеспечиваются аппаратно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров

(от 2 до 10).

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. Упрощается обслуживание систем, облегчается модернизация и их развитие.

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. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

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 управление отвечает главная или диспетчерская 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 известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

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

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

9.3. Архитектура вычислительных систем

Основным отличием ВС от отдельных ЭВМ является наличие в их структурах нескольких вычислителей (ЭВМ или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления.

Поскольку ВС относятся к параллельным системам, то и рассмотрим классификацию архитектур с этой точки зрения. Эта классификация архитектур была предложена Флинном (M.Flynn) в начале 60-х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС:

а) одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data (SISD),- одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

б) одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД) или Single Instruction Multiple Data (SIMD), - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных;

в) множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД) или Multiple Instruction Single Data (MISD), -множественный поток инструкций - множественный поток данных;

г) множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД) или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD), -множественный поток инструкций - множественный поток данных MIМD).

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельная работа устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вычислительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, то есть 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, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними. Векторный или матричный тип вычислений является необходимым атрибутом любой суперЭВМ.

Рис. 9.3.1. Архитектура ВС: а? ОКОД (SISD) - архитектура; б? ОКМД

(SIMD) - архитектура

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер вычислений. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и "большую длину" такого конвейера, при котором достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ, в которых они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают по своим программам с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Рис.9.3.2. Архитектура ВС: в? МКОД (MISD) - архитектура; г? МКМД (MIMD) - архитектура

9.3.1. МКМД - структуры

Наибольший интерес представляют МКМД?структуры, в которых каждый вычислитель (ЭВМ или процессор) выполняет часть общей задачи. Не случайно, что после разочарований в структурах суперЭВМ, основанных на различном сочетании векторной и конвейерной обработки, усилия теоретиков и практиков обращены в этом направлении.

Уже из названия МКМД структур видно, что в данных системах можно найти все перечисленные виды параллелизма. Этот класс дает большое разнообразие структур, сильно отличающихся друг от друга своими характеристиками.

Рис.9.3.1.1. Типовые структуры ВС в МКМД (MIMD) - классе

Важную роль здесь играют способы взаимодействия ЭВМ или процессоров в системе. В сильно связанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорными вычислительными системами. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные, симметричные структуры. Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных операционных систем, размещаемых на одном из процессоров.

Появление мощных микропроцессоров типа Pentium привело к экспериментам по созданию многопроцессорных систем на их основе.

Так для включения мощных серверов в локальные сети персональных компьютеров была предложена несколько измененная структура использования ООП - SMP (Shared Memory multiProcessing - мультипроцессирование с разделением памяти). На общей шине оперативной памяти можно комплексировать от четырех до десяти микропроцессоров.

Слабосвязанные МКМД - системы могут строиться как многомашинные комплексы или использовать в качестве средств передачи информации общее поле внешней памяти на дисковых накопителях большой емкости.

Невысокая оперативность взаимодействия заранее предопределяет ситуации, в которых число межпроцессорных конфликтов при обращении к общим данным и к друг другу было бы минимальным. Для этого необходимо, чтобы ЭВМ комплекса обменивались друг с другом с небольшой частотой, обеспечивая автономность процессов (программы и данные к ним) и параллелизм их выполнения. Только в этом случае обеспечивается надлежащий эффект. Эти проблемы решаются в сетях ЭВМ.

Успехи микроинтегральной технологии и появление БИС и СБИС позволяют расширить границы и этого направления. Возможно построение систем с десятками, сотнями и даже тысячами процессорных элементов, с размещением их в непосредственной близости друг от друга. Если каждый процессор системы имеет собственную память, то он так же будет сохранять известную автономию в вычислениях. Считается, что именно такие системы займут доминирующее положение в мире суперкомпьютеров в ближайшие десять-пятнадцать лет. Подобные ВС получили название систем с массовым параллелизмом (MMP?Mass-Parallel Processing).

Все процессорные элементы в таких системах должны быть связаны единой коммутационной средой. Нетрудно видеть, что здесь возникают проблемы, аналогичные ОКМД системам, но на новой технологической основе.Передача данных в МРР - системах предполагает обмен не отдельными данными под централизованным управлением, а подготовленными процессами (программами вместе с данными). Этот принцип построения вычислений уже не соответствует принципам программного управления классической ЭВМ. Передача данных процесса по его готовности больше соответствует принципам построения "потоковых машин" (машин, управляемых потоками данных). Подобный подход позволяет строить системы с громадной производительностью и реализовывать проекты с любыми видами параллелизма, например перейти к "систолическим вычислениям" с произвольным параллелизмом. Однако для этого необходимо решить целый ряд проблем, связанных с описанием и программированием коммутаций процессов и управления ими. Математическая база этой науки в настоящее время практически отсутствует.

9.3.2. Кластеры

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 плотности информационных потоков, нагрузка на средства доступа к сетевым ресурсам и на средства обработки заданий. Круг задач, решаемый серверами, постоянно расширяется, становится многообразным и сложным. Чем выше ранг сети, тем более специализированными они становятся. Администраторы сетей должны постоянно наращивать их мощь и количество, оптимизируя характеристики сети под возрастающие запросы пользователей.

Как и во всякой развивающейся технологии, сложные универсальные серверы различных фирм-изготовителей должны были уступить место стандартным массовым решениям. Успехи микроэлектроники, повсеместное применение ПЭВМ, широкое распространение Internet/Intranet технологий позволили перейти к более простым и дешевым системам, например, на основе платформы Wintel. Опыт создания серверов на основе SMP- и MPP-структур показал, что они не обеспечивают хорошей адаптации к конкретным условиям функционирования, остаются дорогими и сложными в эксплуатации

Одним из перспективных направлений здесь является кластеризация, то есть 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:

• улучшение масштабируемости (способность к наращиванию мощности);

• повышение надежности и готовности системы в целом;

• увеличение суммарной производительности;

• эффективное перераспределение нагрузок между компьютерами кластера;

• эффективное управление и контроль работы системы и т.п.

Улучшение масштабируемости или способности 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, то есть 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 MPP-структур достаточна ограничена. При большом числе процессоров в SMP-структурах возрастает число конфликтов при обращении к общей памяти, а в MPP-структурах 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 него 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. Именно эти качества способствуют популярности и развитию кластерных структур. 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.

Коэффициент готовности систем рассчитывается по формуле: Кг=Тр/(Tp+To),

где Tp - полезное время работы системы;

To - время отказа и восстановления системы, в течение которого она не могла выполнять свои функции.

Большинство современных серверов имеет 99 - процентную готовность. Это означает, что около четырех дней в году они не работают. Подчеркнем, что готовность 99,9%, достигаемая обычно спаркой серверов - основного и резервного, означает годовой простой около 500 минут, 99,999% - пять минут, а 99,9999% - 30 секунд.

Появление критически важных приложений в областях бизнеса, финансов, телекоммуникаций, здравоохранения и др. требует обеспечения коэффициента готовности не менее, чем "заветные пять девяток" и даже выше.

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.

Совокупные вычислительные мощности кластеров могут быть сравнимы с мощностями супер-ЭВМ и даже превышать их при неизмеримо меньшей стоимости. Такие технологии применительно к отдельным классам задач хорошо отработаны. Например, существует задача анализа сигналов, принимаемых радиотелескопами, с целью поиска внеземных цивилизаций; имеется проект distributed.net, реализующий алгоритм дешифрирования и др. Круг подобных задач не очень широк, но число одновременно привлекаемых компьютеров для этих целей может быть громадным - десятки, сотни и даже тысячи.

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

Управление такими проектами требует создания специального клиентского и серверного программного обеспечения, работающего в фоновом режиме. Компьютеры при этом периодически получают задания от сервера, включаются в работу и возвращают результаты обработки. Последние версии браузеров (browser) еще более упрощают процесс взаимодействия, так как на клиентской машине могут активизировать выполнение различных программ-сценариев (скриптов).

Эффективное управление и контроль работы системы

подразумевает возможность работы отдельно с каждым узлом, вручную или программно отключать его для модернизации или ремонта с последующим возвращением его в работающий кластер. Эти операции скрыты от пользователей, они просто не замечают их. Кластерное ПО, интегрированное в операционные системы серверов, позволяет работать с узлами как с единым пулом ресурсов (Single System Image - SSI),внося необходимые общие изменения с помощью одной операции для всех узлов.

Кластеры объединяют несколько серверов под единым управлением. Все новые серверы, как правило, являются многопроцессорными и относятся к SMP-структурам, что обеспечивает многоступенчатую возможность переключения нагрузки отказавшего элемента как внутри кластера, так и внутри сервера. Существуют серверы с различным количеством процессоров (от двух до шестнадцати). Правда, фирма Sun работает над созданием 64процессорной SMP-модели сервера. IBM предполагает с появлением микропроцессора 1А-64 Merced (новое название его - Itanium) выпустить SMP-систему, рассчитанную на 16 процессоров. Напротив, фирма Dell считает, что применение более восьми процессоров в SMPструктуре применять нецелесообразно из-за трудностей преодоления конфликтов при обращении их к общей оперативной памяти.

Большой интерес к построению кластеров стала проявлять фирма

Microsoft. В связи широкой популярностью операционной системы Windows NT, предназначенной для управления сетями крупных предприятий, появились различные варианты кластерного обеспечения. Сама фирма Microsoft предлагает бесплатную версию своего кластерного ПО, встроенного в Windows NT и поддерживающего Microsoft Cluster Server (MSCS). Этот кластерный продукт, известный под названием Wolfpack ("волчья стая"), еще достаточно слаб, но сильно прогрессирует. В настоящее время он обеспечивает разделение нагрузки между двумя узлами-серверами и то только путем замены одного сервера другим, а не путем ее перераспределения.

Достаточно трудно решается и проблема масштабирования, так как четырех узловая схема эквивалентна лишь двойному увеличению производительности по сравнению с одним узлом. Предполагается, что в будущем он будет поддерживать до 16 узлов в кластере.

Унификация инженерно-технических решений предполагает соответственно и стандартизацию аппаратных и программных процедур обмена данными между серверами. Для передачи управляющей информации в кластере используются специальные магистрали, имеющие более высокие скорости обмена данными. В качестве такого стандарта предлагается интеллектуальный ввод-вывод (Intellident Input/Output - I2O). Спецификация I2O определяет унифицированный интерфейс между операционной системой и устройствами вводавывода, освобождая процессоры и их системные шины от обслуживания периферии.

Как и у любой новой технологии, у кластеризации имеются свои недостатки:

• задержки разработки и принятия общих стандартов;

• большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование;

• трудности управления одновременным доступом к файлам;

• сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развертыванием, оповещениями серверов о сбоях и т.п.

10. Компьютерные сети: основные понятия

Компьютерная сеть (КС)- это сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи; средства передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, информационных, программных.

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

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

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

11. Характеристика компьютерных сетей

С появлением КС удалось разрешить две очень важные проблемы: обеспечение в принципе неограниченного доступа к ЭВМ пользователей независимо от их территориального расположения и возможность оперативного перемещения больших массивов информации на любые расстояния, позволяющая своевременно получать данные для принятия тех или иных решений.

Для КС принципиальное значение имеют следующие обстоятельства:

• ЭВМ, находящиеся в составе разных абонентских систем одной и той же сети или различных взаимодействующих сетей, связываются между собой автоматически (в этом заключается основная сущность протекающих в сети процессов);

• каждая ЭВМ сети должна быть приспособлена как для работы в автономном режиме под управлением своей операционной системы (ОС), так и для работы в качестве составного звена сети.

КС могут работать в различных режимах: обмена данными между АС, запроса и выдачи информации, сбора информации, пакетной обработки данных по запросам пользователей с удаленных терминалов, в диалоговых режимах.

По сравнению с адекватной по вычислительной мощности совокупностью автономно работающих ЭВМ сеть имеет ряд преимуществ:

• обеспечение распределенной обработки данных и параллельной обработки многими ЭВМ;

• возможность создания распределенной базы данных (РБД), размещаемой в памяти различных ЭВМ;

• возможность обмена большими массивами информации между ЭВМ, удаленными друг от друга на значительные расстояния;

• коллективное использование дорогостоящих ресурсов: прикладных программных продуктов, баз данных (БД), баз знаний (БЗ), запоминающих устройств (ЗУ), печатающих устройств;

• предоставление большего перечня услуг, в том числе таких, как электронная почта (ЭП), телеконференции, электронные доски объявлений (ЭДО), дистанционное обучение;

• повышение эффективности использования средств вычислительной техники и информатики (СВТИ) за счет более интенсивной и равномерной их загрузки, а также надежности обслуживания запросов пользователей;

• возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей, а также резервирования этих мощностей и средств передачи данных на случай выхода из строя отдельных элементов сети;

• сокращение расходов на приобретение и эксплуатацию СВТИ (за счет коллективного их использования);

• облегчение работ по совершенствованию технических, программных и информационных средств.

12. Характеристика возможностей компьютерной сети

Характеризуя возможности той или иной КС, следует оценивать ее аппаратное, информационное и программное обеспечение.

Аппаратное обеспечение составляют ЭВМ различных типов, средства связи, оборудование абонентских систем, оборудование узлов связи, аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней. Основные требования к ЭВМ сетей это универсальность, т.е. возможность выполнения практически неограниченного круга задач пользователей, и модульность, обеспечивающая возможность изменения конфигурации ЭВМ. В сетях, в зависимости от их назначения, используются ЭВМ в широком диапазоне по своим характеристикам: от суперЭВМ до ПЭВМ. ЭВМ могут размещаться либо в непосредственной близости от пользователей (например, ПЭВМ в составе абонентской системы, т.е. на рабочем месте пользователя), либо в центре обработки информации (ЦОИ), который является звеном сети и к которому пользователи обращаются с запросами со своих АС.

Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий массивы данных общего применения, доступные для всех пользователей (абонентов) сети, и массивы индивидуального пользования, предназначенные для отдельных абонентов. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, автоматизированные базы данных - локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения.

Программное обеспечение (ПО) компьютерных сетей

отличается большим многообразием как по своему составу, так и по выполняемым функциям. Оно автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к телекоммуникационным, вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей и т.д.

Создание КС - сложная комплексная задача, требующая согласованного решения ряда вопросов: выбора рациональной структуры сети, соответствующей ее назначению и удовлетворяющей поставленным требованиям (определяется состав элементов и звеньев сети, их расположение, способы соединения); выбора типа линий и каналов связи между звеньями сети и оценки их пропускной способности; обеспечения способности доступа пользователей к общесетевым ресурсам, в частности за счет оптимального решения задач маршрутизации; распределения аппаратных, информационных и программных ресурсов по звеньям сети; защиты информации, циркулирующей в сети, от несанкционированного доступа и др. Все эти вопросы решаются с учетом требований, предъявляемых к сети по главным показателям: временным - для оценки оперативности удовлетворения запросов пользователей; надежностным - для оценки надежности своевременного удовлетворения этих запросов; экономическим - для оценки капитальных вложений на создание и внедрение сети и текущих затрат при эксплуатации и использовании.

13. Классификация компьютерных сетей

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

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

Глобальная компьютерная сеть (ГКС) объединяет абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающей различные страны и континенты. ГКС решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним. Взаимодействие АС осуществляется на базе различных территориальных сетей связи, в которых используются телефонные линии связи, радиосвязь, системы спутниковой связи.

Региональная компьютерная сеть (РКС) объединяет абонентские системы, расположенные друг от друга на значительном расстоянии: в пределах отдельной страны, региона, большого города.

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

Отдельный класс составляют корпоративные компьютерные сети (ККС). 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 с селекцией информации, строящихся на основе моноканала, взаимодействие АС производится выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров): всем АС сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только АС, кому они предназначены. В сетях с маршрутизацией информации для передачи кадров от отправителя к получателю могут использоваться несколько маршрутов. Поэтому с помощью коммуникационных систем сети решается задача выбора оптимального (например, кратчайшего по времени доставки кадра адресату) маршрута.

По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией цепей (каналов), коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. В эксплуатации находятся сети, в которых используются смешанные системы передачи данных.

По топологии, т.е. конфигурации элементов в КС, сети могут делиться на два класса: широковещательные и последовательные. Широковещательные конфигурации и значительная часть последовательных конфигураций ("кольцо", "звезда" с интеллектуальным центром, иерархическая) характерны для локальных компьютерных сетей. Для глобальных и региональных сетей наиболее распространенной является произвольная (ячеистая) топология. Нашли применение также иерархическая конфигурация и "звезда".

Рис. 4.1 Широковещательные конфигурации сетей: общая шина

а)

Рис. 4.2. Широковещательные конфигурации сетей: дерево

Рис. 4.3. Широковещательные конфигурации сетей: звезда с пассивным центром

г) д)

Рис. 4.4. Последовательные конфигурации сетей: а - произвольная

(ячеистая); б- иерархическая; в - кольцо; г - цепочка; д - звезда с

"интеллектуальным" центром

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

Основные типы широковещательной конфигурации - общая шина, дерево, звезда с пассивным центром. Главные достоинства ЛКС с общей шиной - простота расширения сети, простота используемых методов управления, минимальный расход кабеля.

ЛКС с топологией типа дерево - это более развитый вариант сети с шинной топологией. Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или пассивными размножителями ("хабами"), каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных.

В ЛКС с топологией типа "звезда" в центре находится пассивный соединитель или активный повторитель - достаточно простые и надежные устройства. Для защиты от нарушений в кабеле используется центральное реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи.

В последовательных конфигурациях, характерных для сетей с маршрутизацией информации, передача данных осуществляется последовательно от одной РС 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. К последовательным конфигурациям относятся произвольная (ячеистая), иерархическая, "кольцо", "цепочка", "звезда" с интеллектуальным центром. В ЛКС наибольшее распространение получили общая шина, "кольцо" и "звезда", а также смешанные конфигурации - звезднокольцевая, звездно-шинная.

В ЛКС с кольцевой топологией сигналы передаются только в одном направлении, обычно против часовой стрелки. Каждая РС имеет память объемом до целого кадра.

При перемещении кадра по кольцу каждая РС принимает кадр, анализирует его адресное поле, снимает копию кадра, если он адресован данной РС, ретранслирует кадр. Естественно, что все это замедляет передачу данных в кольце, причем длительность задержки определяется числом РС. Удаление кадра из кольца производится обычно станцией - отправителем.

В этом случае кадр совершает по кольцу полный круг и возвращается к станции - отправителю, который воспринимает его как квитанцию - подтверждение получения кадра адресатом. Удаление кадра из кольца может осуществляться и станцией - получателем, тогда кадр не совершает полного круга, а станция - отправитель не получает квитанции - подтверждения.

Кольцевая структура обеспечивает довольно широкие функциональные возможности ЛКС при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простоте методов управления, возможности контроля работоспособности моноканала.

В широковещательных и большинстве последовательных конфигураций (за исключением кольца) каждый сегмент кабеля должен обеспечивать передачу сигналов в обоих направлениях, что достигается: в полудуплексных сетях связи - использованием одного кабеля для поочередной передачи в двух направлениях; в дуплексных сетях - с помощью двух однонаправленных кабелей; в широкополосных системах - применением различной несущей частоты для одновременной передачи сигналов в двух направлениях.

Глобальные и региональные сети, как и локальные, в принципе могут быть однородными (гомогенными), в которых применяются программно-совместимые ЭВМ, и неоднородными (гетерогенными), включающими программно-несовместимые ЭВМ. Однако, учитывая протяженность ГКС и РКС и большое количество используемых в них ЭВМ, такие сети чаще бывают неоднородными.

14. Локальные компьютерные сети: принципы организации

14.1. Понятие и основные компоненты локальных сетей

Локальная компьютерная сеть представляет собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (диаметром до 10 км) внутри учреждений, НИИ, вузов, банков, офисов и т.п., т.е. это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи и обработки информации, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, информационных, программных. ЛКС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах одного здания или некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых подключенным абонентским системам (АС) для кратковременного использования.

В обобщенной структуре ЛКС выделяются совокупность абонентских узлов, или систем (их число может быть от десятков до сотен), серверов и коммуникационная подсеть (КП).

Основными компонентами сети являются кабели (передающие среды), рабочие станции (АРМ пользователей сети), платы интерфейса сети (сетевые адаптеры), серверы сети.

Рабочими станциями (РС) в ЛКС служат, как правило, персональные компьютеры (ПК). На РС пользователями сети реализуются прикладные задачи, выполнение которых связано с понятием вычислительного процесса.

Серверы сети - это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления распределением сетевых ресурсов общего доступа, но могут работать и как обычная абонентская система. В качестве аппаратной части сервера используется достаточно мощный ПК, мини-ЭВМ, большая ЭВМ или компьютер, спроектированный специально как сервер. В ЛКС может быть несколько различных серверов для управления сетевыми ресурсами, однако всегда имеется один (или более) файл-сервер (сервер баз данных) для управления внешними ЗУ общего доступа и организации распределенных баз данных (РБД).

Рабочие станции и серверы соединяются с кабелем коммуникационной подсети с помощью интерфейсных плат - сетевых адаптеров (СА). Основные функции СА: организация приема (передачи) данных из (в) РС, согласование скорости приема (передачи) информации (буферизация), формирование пакета данных, параллельнопоследовательное преобразование (конвертирование), кодирование/декодирование данных, проверка правильности передачи, установление соединения с требуемым абонентом сети, организация собственно обмена данными. В ряде случаев перечень функций СА существенно увеличивается, и тогда они строятся на основе микропроцессоров и встроенных модемов.

В ЛКС в качестве кабельных передающих сред используются витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель.

Кроме указанного, в ЛКС используется следующее сетевое оборудование:

• приемопередатчики (трансиверы) и повторители (репитеры) - для объединения сегментов локальной сети с шинной топологией;

• концентраторы (хабы) - для формирования сети произвольной топологии (используются активные и пассивные концентраторы);

• мосты - для объединения локальных сетей в единое целое и повышения производительности этого целого путем регулирования трафика (данных пользователя) между отдельными подсетями;

• маршрутизаторы и коммутаторы - для реализации функций коммутации и маршрутизации при управлении трафиком в сегментированных (состоящих из взаимосвязанных сегментов) сетях. В отличие от мостов, обеспечивающих сегментацию сети на физическом уровне, маршрутизаторы выполняют ряд "интеллектуальных" функций при управлении трафиком. Коммутаторы, выполняя практически те же функции, что и маршрутизаторы, превосходят их по производительности и обладают меньшей латентностью (аппаратная временная задержка между получением и пересылкой информации);

• модемы (модуляторы - демодуляторы) - для согласования цифровых сигналов, генерируемых компьютером, с аналоговыми сигналами типичной современной телефонной линии;

• анализаторы - для контроля качества функционирования сети;

• сетевые тестеры - для проверки кабелей и отыскания неисправностей в системе установленных кабелей.

14.2. Характеристики локальных сетей

К основным характеристикам ЛКС относятся следующие:

•территориальная протяженность сети (длина общего канала связи);

•максимальная скорость передачи данных;

•максимальное число АС в сети;

•максимально возможное расстояние между рабочими станциями в

сети; •топология сети;

•вид физической среды передачи данных;

•максимальное число каналов передачи данных;

•тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);

•метод доступа абонентов в сеть;

•структура программного обеспечения сети;

•возможность передачи речи и видеосигналов;

•условия надежной работы сети;

•возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;

•возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу.

14.3. Области применения локальных компьютерных сетей

К числу наиболее типичных областей применения ЛКС относятся следующие.

Обработка текстов - одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛКС. Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к "безбумажной" технологии, вытесняя полностью или частично пишущие машинки.

Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных - индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные. Такие БД могут быть в каждой организации или фирме.

Обмен информацией между АС сети - важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота. Передача данных и связь занимают особое место среди приложений сети, так как это главное условие нормального функционирования современных организаций.

Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть. Несмотря на существенные различия в характере и объеме расчетов, проводимых на АРМ специалистами различного профиля, используемая при этом информация в рамках одной организации, как правило, находится в единой (интегрированной) базе данных. Поэтому объединение таких АРМ в сеть является целесообразным и весьма эффективным решением.

Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, необходимую для оценки ситуации и принятия правильных решений.

Организация электронной почты - одного из видов услуг ЛКС, позволяющей руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности.

Коллективное использование дорогостоящих ресурсов - необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС. Речь идет о таких ресурсах, как высокоскоростные печатающие устройства, запоминающие устройства большой емкости, мощные средства обработки информации, прикладные программные системы, базы данных, базы знаний. Очевидно, что такие средства нецелесообразно (вследствие невысокого коэффициента использования и дороговизны) иметь в каждой абонентской системе сети. Достаточно, если в сети эти средства имеются в одном или нескольких экземплярах, но доступ к ним обеспечивается для всех АС.

В зависимости от характера деятельности организации, в которой развернута одна или несколько локальных сетей, указанные функции реализуются в определенной комбинации. Кроме того, могут выполняться и другие функции, специфические для данной организации.

14.4. Типы локальных сетей

Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки.

По назначению ЛКС делятся на информационные (информационно-поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), расчетные, информационно-расчетные, обработки документальной информации и другие.

По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини-, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств.

По организации управления однородные ЛКС различаются на сети с централизованным и децентрализованным управлением.

В сетях с централизованным управлением выделяются одна или несколько машин (центральных систем или органов), управляющих работой сети. Диски выделенных машин, называемых файл-серверами или серверами баз данных, доступны всем другим компьютерам (рабочим станциям) сети. На серверах работает сетевая операционная система, обычно мультизадачная. Рабочие станции имеют доступ к дискам серверов и совместно используемым принтерам, но, как правило, не могут работать непосредственно с дисками других РС. Серверы могут быть выделенными, и тогда они выполняют только задачи управления сетью и не используются как РС, или невыделенными, когда параллельно с задачей управления сетью выполняют пользовательские программы (при этом снижается производительность сервера и надежность работы всей сети из-за возможной ошибки в пользовательской программе, которая может привести к остановке работы сети). Такие сети отличаются простотой обеспечения функций взаимодействия между АС ЛКС, но их применение целесообразно при сравнительно небольшом числе АС в сети. В сетях с централизованным управлением большая часть информационно-вычислительных ресурсов сосредоточена в центральной системе. Они отличаются также более надежной системой защиты информации.

Если информационно-вычислительные ресурсы ЛКС равномерно распределены по большому числу АС, централизованное управление малоэффективно из-за резкого увеличения служебной (управляющей) информации. В этом случае эффективными оказываются сети с децентрализованным (распределенным) управлением, или одноранговые. В таких сетях нет выделенных серверов, функции управления сетью передаются по очереди от одной РС к другой. Рабочие станции имеют доступ к дискам и принтерам других РС. Это облегчает совместную работу групп пользователей, но производительность сети несколько понижается. Недостатки одноранговых сетей: зависимость эффективности функционирования сети от количества АС, сложность управления сетью, сложность обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа.

По скорости передачи данных в общем канале различают:

- ЛКС с малой пропускной способностью (единицы мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды используется обычно витая пара или коаксиальный кабель;

- ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;

- ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).

По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети, ЛКС делятся на:

общую шину, кольцо, звезду и др.

14.5. Методы доступа к передающей среде в локальных сетях

Типичными методами доступа к передающей среде в современных ЛКС являются:

• множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD), иначе называемый методом доступа Ethernet, так как именно в этой сети получил наибольшее распространение;

• маркерное кольцо (метод доступа Token Ring); • маркерная шина (метод доступа Arcnet).

Указанные методы доступа реализованы соответственно на

стандартах IEEE802.3, IEEE802.5, IEEE802.4.

Метод доступа Ethernet (метод случайного доступа) - разработан фирмой Xerox в 1975 году и используется в ЛКС с шинной топологией, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Это метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением конфликтов (коллизий). Каждая PC перед началом передачи определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, PC начинает передачу данных, осуществляемую пакетами, упакованными в кадры. Из-за различных системных задержек могут возникнуть коллизии. В этом случае станция задерживает передачу на определенное время. Для каждой PC устанавливается свое время ожидания перед повторной передачей кадра. Коллизии приводят к снижению быстродействия сети только при сравнительно большом количестве активных PC (до 80-100).

Метод доступа Token Ring - разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Это селективный метод доступа в кольцевой моноканал, именуемый "маркерное кольцо". В качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Маркер не имеет адреса и может находиться в одном из двух состояний - свободном или занятом. Если ни одна РС не готова к передаче данных, свободный маркер циркулирует по кольцу. Станция, имеющая кадр для передачи, ждет подхода свободного маркера, захватывает его, изменяет состояние маркера на "занятый" и добавляет к нему кадр. Занятый маркер с кадром перемещается по кольцу и возвращается к станции-отправителю, причем при прохождении через узел назначения снимается копия кадра. Станция-отправитель удаляет свой кадр из кольца, изменяет состояние маркера на "свободный" и передает его дальше по кольцу. С этого момента любая станция может изменить состояние маркера на "занятый" и начать передачу данных. Описанная процедура характерна для сети, в которой все станции имеют одинаковый приоритет. В рамках метода "маркерное кольцо" предусматривается возможность передачи кадров станции с учетом их приоритетов. Тогда станции с низким приоритетом могут захватывать кольцо в случае неактивности станций с более высоким приоритетом.

Метод доступа Arcnet - разработан фирмой Datapoint Corp и используется в ЛКС с топологией "звезда" и "общая шина". Это селективный метод доступа в моноканал, называемый "маркерная шина". Маркер создается одной из станций сети и имеет адресное поле, где указывается номер (адрес) станции, владеющий маркером. Передачу производит только та станция, которая в данный момент владеет маркером (эстафетной палочкой). Остальные станции работают на прием. Последовательность передачи маркера от одной станции к другой задается управляющей станцией сети. Станции, последовательно получающие маркер для передачи кадров, образуют "логическое кольцо". Станция, получившая маркер (полномочия на передачу информации), передает свой подготовленный кадр в шину. Если кадра для передачи нет, она сразу посылает маркер другой станции согласно установленному порядку передачи полномочий. Так продолжается до тех пор, пока управляющая станция не инициирует новую последовательность передач маркера. Станция назначения, получившая маркер с кадром, "отцепляет" кадр от маркера и передает маркер той станции, которая является следующей в установленной последовательности передач. При таком методе доступа в моноканал имеется возможность обеспечить приоритетное обслуживание абонентов, например в течение одного цикла, когда маркер совершает полный оборот по "логическому кольцу", станции с более высоким приоритетом получают маркер не один раз, а несколько.

В качестве примера приведем структуру пакета по стандарту IEEE

802.3 с указанием длины каждого поля в байтах.

Преам була Признак начала пакета Назна- чение Источ- ник Длин

а Данные Набив- ка CRC - сумма 7 1 2 или 6 2 или 6 2 0 - 1500 ? 4

Преамбула - это поле, содержащее семь одинаковых байтов 10101010, предназначенных для синхронизации.

Признак начала пакета - однобайтовое поле для обозначения начала пакета.

Назначение - поле длиной 2 или 6 байтов (в зависимости от типа ЛКС) указывает, для какой РС данный пакет предназначен.

Источник - в этом поле содержится адрес отправителя пакета.

Длина - здесь содержится информация о длине данных в пакете.

Данные - в это поле записываются данные, составляющие передаваемое сообщение.

Набивка - сюда вставляют пустые символы для доведения длины пакета до минимально допустимой величины. При достаточно большой длине поля данных поле набивки может отсутствовать.

CRC - сумма - здесь содержится контрольное число, используемое на приемном пункте для выявления ошибок в данных принятого пакета. В качестве контрольного числа применяется остаток избыточной циклической суммы, вычисленный с помощью полиномов типа CRC - 32. На приемном пункте также производится вычисление этого остатка и затем его сравнение с содержимым рассматриваемого поля с целью обнаружения ошибок в принятых данных.

Общая длина пакета стандарта IEEE 802.3 находится в диапазоне от 64 до 1518 байтов, не считая преамбулы и признака начала пакета.

14.6. Протоколы верхнего уровня

До сих пор рассматривались протоколы передачи данных нижнего уровня, работающие на первых трех уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС и реализующие соответствующие методы доступа к передающей среде. В соответствии с этими ППД передаются сообщения (пакеты) между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми файловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.

В отличие от протоколов нижнего уровня, обеспечивающих доступ к передающей среде, протоколы верхнего уровня (называемые также протоколами среднего уровня, так как они реализуются на 4-м и 5-м уровнях модели ВОС) служат для обмена данными. Они предоставляют программам интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтверждения получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается.

Протоколы верхнего уровня подробно рассматриваются выше. Здесь лишь коротко отметим протокол IPX/SPX, получивший широкое применение в локальных сетях особенно в связи с усложнением их топологии (вопросы маршрутизации перестали быть тривиальными) и расширением предоставляемых услуг. IPX/SPX - сетевой протокол NetWare, причем IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол межсетевого обмена пакетами, а SPX (Sequenced Packet Exchange) - протокол последовательного обмена пакетами.

Протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NetWare применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

Протокол IPХ/SPX относится к программно-реализованным протоколам. Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IBХ/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализаций этих протоколов.

Протокол IPX применяется маршрутизаторами в СОС NetWare. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов сообщений. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения) в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛКС. После установления логической связи сообщения могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что пакеты передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.

14.7. Сетевое оборудование локальных компьютерных сетей

Рассмотрим подробнее оборудование, используемое в локальных сетях.

Сетевые адаптеры (СА). Указанные выше основные функции адаптеров и их технические характеристики определяются поддерживаемым уровнем протокола ЛКС в соответствии с архитектурой семиуровневой эталонной модели ВОС.

По выполняемым функциям СА разделяются на две группы:

• реализующие функции физического и канального уровней.

Такие адаптеры, выполняемые в виде интерфейсных плат, отличаются технической простотой и невысокой стоимостью. Они применяются в сетях с простой топологией, где практически отсутствует необходимость выполнения таких функций, как маршрутизация пакетов, формирование из поступающих пакетов сообщений, согласование протоколов различныхсетей и др.;

• реализующие функции первых четырех уровней модели ВОС - физического, канального, сетевого и транспортного. Эти адаптеры, кроме функций СА первой группы, могут выполнять функции маршрутизации, ретрансляции данных, формирования пакетов из передаваемого сообщения (при передаче), сборки пакетов в сообщение (при приеме), согласования ПДД различных сетей, сокращая таким образом затраты вычислительных ресурсов ЭВМ на организацию сетевого обмена. Технически они могут быть выполнены на базе микропроцессоров. Естественно, что такие адаптеры применяются в ЛКС, где имеется необходимость в реализации перечисленных функций.

Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру локальной сети и ее технические характеристики, поэтому по топологии ЛКС адаптеры разделяются на следующие группы: поддерживающие шинную топологию, кольцевую, звездообразную, древовидную, комбинированную (звездно-кольцевую, звездно-шинную).

Дифференциация адаптеров по выполняемым функциям и ориентация их на определенную архитектуру ЛКС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик.

Kонцентраторы (хабы). Эти устройства удобны для формирования сети произвольной топологии. Выпускается ряд типов концентраторов - пассивных и активных с автономным питанием, выполняющих роль повторителя. Они отличаются по количеству, типу и длине подключаемых кабелей и могут автоматически управлять подсоединенными сегментами (включать и выключать их в случае обнаружения сбоев и обрывов).

Приемопередатчики (трансиверы) и повторители (репитеры). С помощью этих устройств можно объединить несколько сегментов сети с шинной топологией, увеличивая, таким образом, общую протяженность сети.

Приемопередатчик - это устройство, предназначенное для приема пакетов от контроллера рабочих станций сети и передачи их в шину. Он также разрешает коллизии в шине. Конструктивно приемопередатчик и контроллер могут объединяться на одной плате или находиться в различных узлах.

Повторитель - устройство с автономным питанием, обеспечивающее передачу данных между сегментами определенной длины.

Мосты и шлюзы. Мосты используются для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия на физическом и канальном уровнях. Например, с помощью моста могут соединяться на 3-м (сетевом) уровне две сети с различными более низкими уровнями, но одинаковыми более высокими уровнями. Промышленностью выпускается довольно широкая номенклатура мостов. Среди них - "самообучающиеся" мосты, которые позволяют регулировать доступ к каждой из объединяемых сетей и трафик обмена между ними, а также используются для расширения сети, достигшей своего топологического предела. Некоторые из "самообучающихся мостов" применяются для объединения с помощью арендуемой линии связи локальной сети и удаленной сети в единую сеть, элементы которой могут быть рассредоточены на территории в сотни и тысячи километров. Есть более сложные мосты, которые одновременно выполняют функции многоканального маршрутизатора. К ним относится мост HP 272 A ROUTER ER (он же - многоканальный маршрутизатор), который объединяет две локальные сети и две удаленные сети.

Шлюзы применяются для соединения различных сетей. Они выполняют протокольное преобразование для всех семи уровней модели ВОС, в частности - маршрутизацию пакетов, преобразование сообщения из одного формата в другой или из одной системы кодирования в другую. Следует иметь в виду, что по мере того как взаимная связь устанавливается на все более высоких уровнях модели ВОС, задача поддержания этой связи усложняется и для ее реализации требуется более мощный процессор.

Маршрутизаторы (роутеры). Эти устройства устанавливают соединение на 4-ом (транспортном) уровне, при этом верхние уровни сети (5,6 и 7) должны быть одинаковы. Они обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса, так как могут выполнять "интеллектуальные" функции: выбор наилучшего маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; управление балансированной нагрузкой в сети путем равномерного распределения потоков данных; защиту данных; буферизацию передаваемых данных; различные протокольные преобразования. Такие возможности маршрутизаторов особенно важны при построении базовых сетей крупных организаций.

Использование маршрутизаторов при объединении ряда небольших локальных сетей в единую сеть дает следующие преимущества (по сравнению с большой ЛКС, имеющей такое же количество абонентских систем):

•обеспечивается большая безопасность информации, циркулирующей в сети. В большой ЛКС, работающей в широковещательном режиме, информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому лица, заинтересованные в расстройстве схемы адресации и приеме не адресованных им передач, имеют для этого все возможности. В сети, образованной из нескольких небольших ЛКС, защищенность информации выше: с помощью маршрутизаторов осуществляется межсетевая коммутация, а обычные сетевые потоки данных остаются локальными, т.е. работа в широковещательном режиме возможна только в пределах небольшой ЛКС;

•повышается надежность работы сети: выход из строя одной ЛКС не отражается на работе других взаимосвязанных сетей, так как маршрутизаторы, осуществляющие множественное взаимодействие, изолируют отказавшиесети;

•увеличивается производительность в пределах каждой индивидуальной сети, входящей в состав единой сети. В каждой небольшой ЛКС имеются свои средства управления сетью, повышающие степень ее самостоятельности. Кроме того, уменьшаются нагрузки, связанные с потоком данных, генерируемых рабочими станциями (в полном объеме по кабельной системе индивидуальной сети распространяются только те данные, которые поступают от "своих" рабочих станций);

•увеличивается диапазон действия сети: выполняя функции усилителей сигнала, маршрутизаторы устраняют ограничение по допустимой протяженности длины кабеля.

Коммутаторы. Появление коммутаторов в сетях диктовалось теми же потребностями, что и в случае мостов и маршрутизаторов, но, кроме того, необходимостью улучшения некоторых характеристик сетевого оборудования. Например, коммутаторы обладают большей пропускной способностью, что важно для интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями. В сети Ethernet коммутаторы обрабатывают полученный пакет в реальном масштабе времени, обеспечивая низкую латентность и высокую скорость коммутации.

В отличие от первых образцов современные коммутаторы обладают гибкой архитектурой и широкими функциональными возможностями. Они обеспечивают оперативную коммутацию пакетов с проверкой корректности данных, упрощают создание логических сетей с полным набором встроенных средств сетевого управления, в составе концентраторов с высокоскоростными переключаемыми магистралями позволяют достичь приемлемого варианта в организации сетевых соединений (например, формирования на магистрали выделенного сегмента, включающего двух конечных пользователей).

По своему назначению и функциональным возможностям современные мосты, маршрутизаторы и коммутаторы довольно близки друг к другу. Однако каждый из типов этих устройств разрабатывался не с целью вытеснения других устройств, он имеет свои области применения. Мосты обеспечивают сегментацию сети на физическом уровне, поэтому их "интеллектуальные" возможности ограничены. Маршрутизаторы, интегрируя физические и логические сегменты сети в единое целое, решают при этом ряд "интеллектуальных" функций, но отличаются невысокой латентностью, что негативно отражается на оперативности управления трафиком. Коммутаторы идеально приспособлены для поддержки высокопроизводительной коллективной работы. В очень крупных сетях, насчитывающих тысячи узлов, мосты и маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы. В сетях с небольшим числом пользователей целесообразно применять высокоскоростную коммутацию с малым временем задержки.

При формировании больших сетей масштаба предприятия наиболее удачным является комбинированный вариант использования мостов, маршрутизаторов и коммутаторов, умелое их сочетание, позволяющее создать действительно гибкую сетевую архитектуру.

Модемы и факс-модемы. Модем, обеспечивая согласование цифровых сигналов компьютера с аналоговыми сигналами телефонной линии, при передаче данных осуществляет модулирование аналоговых сигналов цифровой информацией, а при приеме - демодулирование. Главное отличие между ними - по способу модуляции. Различают модемы с частотной, амплитудной и фазовой модуляцией.

При создании модемов придерживаются определенных стандартов передачи сигналов. Существуют стандарты по ряду признаков.

По скорости передачи данных - разработаны модемы стандартов V. 22 bis для скорости 2400 бит/с, V.32 для 9600 бит/с и V.32 bis для

14400 бит/с. В более скоростных модемах обычно реализованы и предшествующие стандарты передачи сигналов и, кроме того, предусмотрены запасные режимы с меньшими скоростями. Например, для стандарта V.32 bis это скорости 12000, 9600, 7200 и 4800 бит/с.

Второй стандарт связан с используемыми протоколами коррекции ошибок. Многие годы стандартом считались протоколы группы MNP (Microcom Networking Protocol) - MNP1-MNP10. Это аппаратные протоколы фирмы Microcom, обеспечивающие автоматическую коррекцию ошибок и компрессию (сжатие) передаваемых данных. В настоящее время используется стандарт МККТТ V.42. В целях совместимости модем стандарта V.42 включает в себя и функции MNP.

Третий стандарт определяет реализуемый метод сжатия данных. Здесь также стандарт MNP5, предусматривающий сжатие информации всего лишь вдвое, уступает место стандарту Международного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) V.42 bis, обеспечивающему сжатие информации в четыре раза. Стандарт V.42 bis в качестве резервного метода сжатия данных включает стандарт MNP5, а в качестве метода коррекции ошибок - стандарт V.42.

В состав типичного модема входят: специализированный микропроцессор для управления работой модема, оперативная память для хранения содержимого регистров модема и буферизации передаваемой (получаемой) информации, электрически перепрограммируемая постоянная память для хранения коммуникационных программ, динамик для звукового контроля связи, вспомогательные элементы (трансформатор, резисторы, разъемы и пр.).

В конструктивном исполнении модемы могут быть внутренними (встроенными) и внешними. Внутренний модем выполняется в виде отдельной платы, вставляемой в слот на материнской плате компьютера. Внешний модем представлен в виде отдельного устройства с блоком питания, подключаемого к последовательному асинхронному порту компьютера. К телефонной линии связи модем подключается либо непосредственно, либо при помощи микрофона и динамика к обычной телефонной трубке (акустические модемы). Модемы, подключаемые к разным концам одной и той же линии связи, должны быть одинакового стандарта.

Факс-модемы обеспечивают скоростную передачу данных только в одном направлении и используют свои собственные стандарты. Они лучше справляются с передачей информации, чем с приемом. В настоящее время выпускаются и комбинированные модемы (модем данных/факс-модем).

Анализаторы ЛКС. Это мощный диагностический инструмент, предназначенный для контроля качества функционирования сети. Контроль позволяет наблюдать за работой сети в режиме реального времени и регистрировать события, которые могут означать возникновение проблемы. Контроль сопровождается графическим или цифровым отображением информации. Анализаторы могут накапливать и хранить информацию о состоянии сети с целью последующего его воспроизведения и анализа.

Сетевые тестеры. Это приборы, входящие в состав контрольноизмерительной аппаратуры, которая облегчает установку и техническое обслуживание локальных сетей. Тестеры линий передачи являются хорошим средством проверки нового кабеля и отыскания неисправностей в системе установленных кабелей. Они способны не только обнаруживать неисправность, но и сообщать сведения о ее характере и месте расположения.

15. Глобальные компьютерные сети: принципы организации

15.1. Общие сведения

Территориальные компьютерные сети (глобальные, региональные, корпоративные), появление которых обусловлено достижениями научно-технического прогресса и объясняется потребностью в обмене информацией, стали неотъемлемой частью осуществления программ сотрудничества между странами. В настоящее время функционирует множество компьютерных сетей, используемых в научных и образовательных целях, в бизнесе, финансово-экономической деятельности, реализации совместных научно-технических программ и многих других применений. Следует, прежде всего, выделить глобальную сеть Internet, объединяющую множество других сетей и позволяющую войти в мировое сообщество. Internet предоставляет пользователям практически неограниченные информационные ресурсы.

На характере развития сетевых структур в любой развитой стране в большой степени отражаются общие мировые тенденции развития КС. Одна из них - тенденция объединения в той или иной форме различных сетевых структур, обусловленная необходимостью предоставления пользователям возможности связи с компьютером, находящимся в любой точке планеты (в современном мире это важное условие конкурентной способности предприятия, оказывающего телекоммуникационные услуги).

Процессу объединения сетей способствует развитие их архитектуры в направлении создания национальных и международных ассоциаций систем компьютерной связи, в которых используются ЭВМ, изготовленные различными производителями и управляемые различными ОС. Это стало возможно, так как в основу моделей и архитектуры сетей положены международные стандарты. В результате во всех развитых странах в настоящее время выпускаются в основном разнообразные технические и программные средства территориальных и локальных сетей нового типа - открытых сетей, удовлетворяющих требованиям международных стандартов.

Возможности и конкурентоспособность любой КС определяется, прежде всего, ее информационными ресурсами - знаниями, данными, программами, которые сеть предоставляет пользователям. Естественно, что эти ресурсы должны как можно шире охватывать те области, в которых работают пользователи сети. Кроме того, они должны непрерывно обновляться и пополняться.

По мере развития сетей расширяется перечень предоставляемых ими услуг и повышается их интеллектуальный уровень.

В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а также региональная и, как правило, корпоративная) сеть включает подсеть связи (иначе: территориальную сеть связи, систему передачи информации), к которой подключаются локальные сети, отдельные компоненты и терминалы (средства ввода и отображения информации). Подсеть связи состоит из каналов передачи информации и коммуникационных узлов, которые предназначены для передачи данных по сети, выбора оптимального маршрута передачи информации, коммутации пакетов и реализации ряда других функций с помощью компьютера (одного или нескольких) и соответствующего программного обеспечения, имеющихся в коммуникационном узле. Компьютеры, за которыми работают пользователи-клиенты, называются рабочими станциями, а компьютеры, являющиеся источниками ресурсов сети, предоставляемых пользователям, называются серверами. Такая структура сети получила название узловой.

Всемирная глобальная сеть Internet до 1995г., когда она контролировалась National Science Foundation (NSF), имела строго иерархическую трехуровневую структуру. На верхнем (первом) уровне находилась базовая высокоскоростная магистраль, к которой подключались сети второго уровня - региональные поставщики услуг доступа в Internet. К сетям регионального уровня подключались сети третьего, локального уровня (сети предприятий, учебных заведений, научных учреждений и др.).

По мере развития Internet и, особенно с появлением гипертекстовой системы WWW (World Wide Web), она значительно увеличилась, превратилась в коммерческую сеть и связи перестали представлять трехуровневую иерархическую структуру. Теперь Internet имеет типичную для глобальных сетей узловую структуру, она представляет собой совокупность взаимосвязанных коммуникационных центров, к которым подключаются региональные поставщики сетевых услуг и через которые осуществляется их взаимодействие.

Следовательно, с точки зрения пользователя в сети Internet выделяются поставщики услуг, поддерживающие необходимую информацию на серверах, и потребители этих услуг - клиенты. Взаимодействие поставщиков с клиентами осуществляется через коммуникационную систему.

Организация обмена данными в территориальных сетях, в том числе и в сети Internet, осуществляется двумя различными способами: без установления логического соединения между передающим и принимающим узлами сети и с установлением логического соединения (с установлением сеанса связи).

Способ связи без установления логического соединения характеризуется следующим:

• он используется в сетях с коммутацией пакетов, причем каждый пакет рассматривается как индивидуальный объект, независимая единица передачи информации;

• пакеты от отправителя можно передавать в произвольные моменты, а также одновременно множеству адресатов по различным маршрутам;

• перед передачей данных сквозная связь между отправителем и получателем заранее не устанавливается, не требуется также синхронизации аппаратуры связи на передающем и приёмном пунктах;

• из-за занятости отдельных участков маршрута может осуществляться буферизация пакетов в промежуточных узлах связи;

• передача сигнала к отправителю от адресата, подтверждающего получение информации, не производится.

Это один из первых и простейших способов обмена данными в коммуникационной технологии. Он широко используется в дейтаграммных сетях, в которых реализуются дейтаграммные протоколы информационного обмена.

Способ связи (или режим связи), ориентированный на логическое соединение, относится к более поздней технологии. Он обеспечивает более высокий уровень сервиса по сравнению с дейтаграммной связью.

Особенности организации обмена данными с установлением логического соединения:

• перед передачей информации между взаимодействующими абонентами (отправителем и получателем) устанавливается логический (виртуальный) канал, причём технология создания (установления) канала такова: отправитель посылает запрос на соединение удалённому адресату через ряд промежуточных узлов связи; адресат, получив этот запрос, в случае "согласия" на установление логического канала посылает отправителю сигнал подтверждения; после получения сигнала подтверждения отправителем начинается обмен данными с управлением потоком, сегментацией и исправлением ошибок;

• после завершения обмена данными адресат посылает пакет подтверждения этого события отправителю (клиенту - инициатору установления логического канала), который воспринимается как сигнал для разъединения канала. Следовательно, при использовании этого способа связи выделяются три этапа: установление канала, обмен данными, разъединение канала.

Связь с установлением логического канала применяется в виртуальных сетях, где используются протоколы информационного обмена типа виртуального соединения. Такая связь может быть многоканальной, и тогда каждая пара взаимодействующих абонентов, обмениваясь данными по своему виртуальному каналу, воспринимает его как выделенный канал, в распоряжение которого предоставлены все ресурсы связи. В действительности эти ресурсы распределяются между всеми одновременно работающими виртуальными каналами данной линии связи.

При передаче по виртуальному каналу длинных сообщений они разбиваются на одинаковые части (пакеты), которые отправляются в канал в порядке их размещения в сообщении. Это избавляет от необходимости снабжать каждый пакет служебной информацией в полном объёме, с тем чтобы превратить его в независимую единицу передачи информации, как это имеет место в дейтаграммных сетях. Кроме того, передача пакетов в их естественной последовательности, определяемой порядком размещения в сообщении, существенно облегчает задачу формирования первоначального сообщения из принимаемых пакетов на приёмном пункте.

Первый из рассмотренных способов организации обмена данными в сетях отличается простотой в реализации и сравнительно небольшими накладными расходами. При малой загруженности линий связи сети он позволяет существенно сократить время на передачу длинного сообщения. Кроме того, он удобен при рассылке информации по многим адресам. В загруженных сетях реализация такого способа может привести к значительным задержкам пакетов в промежуточных узлах связи и даже к потере отдельных пакетов, что негативно отражается на надёжности доставки информации адресатам. Второй способ, напротив, характеризуется высокими накладными расходами, однако он

предоставляет абонентам существенно большие удобства, обеспечивает требуемую оперативность в обмене данными (в идеальном случае переполнение соединений в промежуточных узлах связи полностью исключается) и гарантированную надежность доставки информации абонентам.

Таким образом, каждый из режимов связи имеет свои особенности, а значит и области применения.

Режим "с соединением" целесообразно использовать для тех применений, где взаимодействие имеет долговременный характер, конфигурация взаимодействующих объектов постоянна, а поток данных не имеет больших пауз.

Режим "без соединения" больше подходит там, где взаимодействие имеет кратковременный характер, при котором объём передаваемых данных невелик, а интервалы между передачами значительны (относительно скорости передачи). Кроме того, его целесообразно использовать в системах с повышенными требованиями к надёжности доставки данных адресату, так как эти требования можно удовлетворить путём тиражирования данных и передачи адресату по разным маршрутам.

15.2. Управление обменом данных

В основу архитектуры сетей положен многоуровневый принцип передачи сообщений. Формирование сообщения осуществляется на самом верхнем уровне модели ВОС. Затем (при передаче) оно последовательно проходит все уровни системы до самого нижнего, где и передается по каналу связи адресату. По мере прохождения каждого из уровней системы сообщение трансформируется, разбивается на сравнительно короткие части, которые снабжаются дополнительными заголовками, обеспечивающими информацией аналогичные уровни на узле адресата. В этом узле сообщение проходит от нижнего уровня к верхнему, снимая с себя заголовки. В результате адресат принимает сообщение в первоначальном виде.

В территориальных сетях управление обменом данных осуществляется протоколами верхнего уровня модели ВОС. Независимо от внутренней конструкции каждого конкретного протокола верхнего уровня, для них характерно наличие общих функций: инициализация связи, передача и прием данных, завершение обмена. Каждый протокол имеет средства для идентификации любой рабочей станции сети по имени, сетевому адресу или по обоим этим атрибутам. Активизация обмена информации между взаимодействующими узлами начинается после идентификации узла адресата узлом, инициирующим обмен данными. Инициирующая станция устанавливает один из методов организации обмена данными: метод дейтаграмм или метод сеансов связи. Протокол предоставляет средства для приема/передачи сообщений адресатом и источником. При этом обычно накладываются ограничения на длину сообщений.

Наиболее распространенным протоколом управления обменом данных является протокол ТСР/IP. Главное отличие сети Internet от других сетей заключается именно в ее протоколах ТСР/IP, охватывающих целое семейство протоколов взаимодействия между компьютерами сети. ТСР/IP - это технология межсетевого взаимодействия, технология Internet. Сеть, реализующая эту технологию, называется "internet". Если же речь идет о глобальной сети, объединяющей множество сетей с технологией "internet", то ее называют Internet.

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

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 дейтаграммную 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 ТСР (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.

Для компьютеров протокол ТСР/IP - это как правила разговора для людей. Он принят в качестве официального стандарта в сети Internet, т.е. сетевая технология ТСР/IP де-факто стала технологией всемирной сети.

Протокол ТСР/ 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 ТСР/ IP, отвечающая за распознавание адреса, называется IRP (протокол распознавания адреса).

15.3. Системы сетевых коммуникаций

15.3.1. Электронная почта

К числу наиболее популярных и распространенных систем сетевых коммуникаций относится электронная почта (ЭП). В настоящее время предлагается множество различных пакетов программ для организации системы ЭП, в том числе в локальных сетях. Если локальная сеть через шлюз связана с сетью более высокого уровня (региональной, корпоративной, глобальной), что практикуется повсеместно, то можно пользоваться услугами ЭП в более широком масштабе. Организация электронной почты в различных сетях имеет много общего (см., например, структуру и функционирование ЭП в сетях Internet, РЕЛКОМ и др.).

В качестве примера рассмотрим специальный пакет программ Mircosoft Mail, представляющий собой универсальную систему корпоративной электронной почты, обеспечивающую: создание почтового отделения (ПчО) для управления почтовыми услугами; регистрацию и подключение пользователей к ПчО; формирование сообщений пользователями, их пересылку и обслуживание (хранение, сортировку, поиск, создание шаблонов документов, просмотр, редактирование, сопровождение комментариями и т.п.); конфиденциальность использования информации и т.д.

В локальной сети формируется рабочая группа пользователей сети, имеющая возможность выхода в глобальные сети. Все пользователи в зависимости от выполняемых ими функций в сети разделяются на обычных пользователей (Users) и распорядителей сети (Manager). Соответственно им различают и их компьютеры: обычные и "почтовое отделение". Создание ПчО предполагает организацию на одном из компьютеров ЛКС (обычно на сервере) определенной структуры каталогов и размещения в них программных компонентов системы ЭП. При этом: компьютер "почтовое отделение" должен быть постоянно включен и готов работать, так как через него проходят все пересылки информации; на жестком диске этого компьютера должно быть не менее 2 Мбит свободного пространства, из которых 360 Кбит отводится под каталог "Почты" и по 16 Кбит на каждого пользователя рабочей группы для организации личных каталогов.

Процессы передачи сообщений между пользователями в системе ЭП Microsoft Mail во многом сходны с пересылкой обычной почтовой корреспонденции. Каждый пользователь созданной рабочей группы ЛКС получает имя и пароль и регистрируется в ПчО этой группы. Пользователь, подготовив свое сообщение и сделав запрос в ПчО на его пересылку, помещает это сообщение в буфер-папку отправлений на своем компьютере. Специальная программа - спулер периодически опрашивает буферы входных и выходных сообщений. Как только в буфере отправлений появляется сообщение, оно перемещается в ПчО, где регистрируется и ставится в очередь на дальнейшую пересылку адресату (адресатам). С помощью Диспетчера почты сообщение доставляется пользователям и разносится по соответствующим каталогам. Предусматривается информирование пользователей о процессах передачи сообщений путем изменения внешнего вида значка почтового ящика на экране дисплея: наличие корреспонденции в буфере отображается значком открытого почтового ящика, значок закрытого ящика свидетельствует о переправке сообщения в ПчО, исчезновение значка - о получении сообщения адресатом. При получении сообщения адресат оповещается звуковым сигналом и видеоизображением почтового ящика с выглядывающим из него конвертом.

Создание почтового отделения в рабочей группе пользователей сети осуществляется путем запуска программы Mail (почта) и выполнения ряда предусмотренных для этого операций, включая операции по установке параметров ЭП для режима отправления сообщений и режима получения сообщений.

Доступ пользователей в ПчО обеспечивается через Диспетчер файлов, при обращении к которому указывается имя каталога ПчО. Список пользователей формируется по специальной команде, причем этот список может изменяться и пополняться. Личные карточки пользователей заполняются или самими пользователями, или Управляющим ПчО. Пользователи могут вводить свои пароли самостоятельно, что обеспечивает необходимую конфиденциальность. Для доступа в ПчО пользователю необходимо знать имя своего почтового ящика и пароль входа.

Операции создания и рассылки сообщения выполняются после запуска программы Mail. Для ускорения подготовки сообщений в этой программе предусмотрены средства хранения исходящих документов и возможность последующего копирования их частей в новое сообщение. Возможно создание шаблона сообщения, что имеет большое значение при разработке документов стандартной формы. Создание шаблона практически не отличается от формирования обычного документа за исключением того, что в шаблоне фиксируются неизменные, стандартные части. Использование шаблона как стандартного бланка сообщения требует его вызова и заполнения. В качестве дополнительных функций программа Mail позволяет вставлять в текст сообщения вполне готовые документы.

Прием - передача сообщений производятся в среде Mail автоматически. Программа СПУЛЕР опрашивает исходящий и входящий буферы с заранее установленной периодичностью, причем динамику процессов можно наблюдать по изменению вида значков - этикеток сообщений на экране дисплея. Для формирования ответа - уведомления необходимо, чтобы полученное сообщение было открытым или выделено в папке "Входящие". При желании такой ответ можно разослать циркулярно.

В глобальных сетях наиболее известными и распространенными являются две системы электронной почты - в сетях Х.400 и Internet.

Электронная почта стандарта X.400. Система электронной почты X400 рекомендована международными стандартизирующими организациями. Еще в 1984 MKKTT опубликовал серию из восьми рекомендаций, определяющих принципы построения и протоколы обмена для систем обработки сообщений общего пользования, ставших известными под общим названием X.400. Имеет место тенденция государственных органов во всем мире при построении подведомственных им сетевых образований ориентироваться на применение X.400. Однако следует иметь в виду, что X.400 - не сеть, а стандарт для организации службы ЭП. Следовательно, абоненты, имея доступ и адреса в системе X.400, должны обмениваться письмами через сети, услугами которых они пользуются.

В отличие от системы адресации в сети Internet, которая является позиционной, адресация в X.400, предложенная в рекомендации X.408, относится к категории ключевых, состоящих из описания атрибутов адреса, как это имеет место в обычной почте. Преимуществом ключевой записи адреса является возможность не соблюдать строгую последовательность его элементов и, кроме того, указывать неполный адрес, если обеспечивается его уникальность. В стандарт X.400 введены элементы, обеспечивающие адресацию к другим, не X.400 системам. Это соответствует распространенной практике заключения между различными системами электронной почты частных соглашений о правилах взаимных адресаций.

В системе X.400, как и в большинстве других систем ЭП, предоставляются услуги по доставке твердой копии электронного письма тем пользователям, которые не имеют доступа к компьютеру.

Электронная почта стандарта Internet. В значительной части мировых КС используется система электронной почты стандарта Internet. В России действует система электронной почты РЕЛКОМ, которая на правах национальной сети имеет доступ в европейскую сеть EVNET, представляющую собой составную часть сетевого конгломерата, называемого Internet.

Электронное письмо (текстовый файл, снабженный стандартным заголовком) составляется пользователем по определенным правилам. Оно состоит из заголовка и собственно текста письма. Заголовок включает реквизиты, называемые полями. Каждое поле состоит из имени и значения поля. Заголовок обычно содержит адреса отправителя и получателя, дату создания письма и его тему, если в этом есть необходимость.

15.3.2. Системы адресации

Для внешних средств коммуникации нашли применение два стиля, или две системы адресации:

• явная адресация, исторически присущая UNIX - системам и потому иногда называемая стилем UUCP (Unix-to-

Unix Communication Protocol);

• доменная адресация DNS (Domain Name System), называемая также стилем Internet.

При явной адресации маршрут к адресату задается перечислением имен компьютеров, через которые последовательно передается электронное письмо или любое другое сообщение. Последним именем в этой последовательности является имя адресата на последнем указанном компьютере. При модемной связи в качестве имени компьютеров указывается телефонный номер, т.е. адрес абонента выглядит так: имя узлового компьютера - имя компьютера абонента - сетевое имя абонента. Отправитель электронного письма сам не составляет его маршрут. Он только указывает сетевой адрес получателя, а маршрут или начальный маршрут определяет из своих таблиц маршрутизации почтовый сервер, на который отправитель посылает свое письмо. Просматривая маршрут перемещения письма от отправителя к получателю (если возможны альтернативные маршруты, то они также предусматриваются системой адресации), можно получить весьма полезную информацию о межсетевых связях.

К числу недостатков явной адресации относятся: возможность транспортировки писем по весьма протяженным маршрутам, вероятность отказа одного (или нескольких) из компьютеров в цепочке машин указанного маршрута. В результате могут возникать продолжительные задержки в доставке писем.

В доменной системе адресации Internet каждый корреспондент получает сетевой адрес, включающий две составляющие: идентификатор пользователя (userid) и идентификатор узла (nodeid). Идентификатор userid является уникальным для узла сети. Идентификатор noteid представляет собой текстовую строку, состоящую из доменов, разделяемых точками. Адрес читается справа налево и состоит из зарегистрированных доменов в сети.

В системе DNS ключевым является понятие "полностью определенное имя домена" - это имя домена, которое включает все домены более высокого уровня и образует таким образом полное, целое имя. Структуру DNS можно представить в виде дерева, каждый узел которого имеет свое название (метку). Для каждого конкретного узла "полностью определенное имя домена" будет состоять из его имени и имени всех узлов, связывающих его с корнем дерева, причем корневой домен всегда нулевой.

Изначально в сети Internet в рамках системы DNS была введена система адресации по административному, а не по территориальному принципу. При этом самый верхний домен (домен верхнего уровня) мог принимать одно из восьми значений, определяющих вид сети или характер организации (коммерческие организации США, правительственные учреждения США, международные организации, военные организации США, некоммерческие организации США). Все поддомены, расположенные в адресе левее домена верхнего уровня, последовательно уточняют положение адресата внутри этого домена. Например, домен верхнего уровня в адресе означает, что адресат находится в одном из правительственных учреждений США, следующий слева домен уточняет, в каком именно учреждении, следующий - указывает подразделение этого учреждения и, наконец, самый левый домен в адресе указывает на конкретный компьютер в этом подразделении.

После включения в сеть Internet сетей Европы начал использоваться территориальный принцип адресации, в соответствии с которым в качестве домена верхнего уровня употребляется код страны адресата, затем следует (если адрес читать справа налево) код региона и, наконец, код компьютера адресата. В дальнейшем принцип адресации в Internet получился смешанный: домен верхнего уровня принимает уникальное значение общеизвестной организации или сети, а затем идут коды, характерные для территориального принципа адресации. Это, однако, не затрудняет почтовые службы: если в правой части адреса записан домен типа gov, что означает "правительственное учреждение США", то адресат находится в США, поэтому код страны не нужен. Как правило, во все места, которые адресуются по типу организации, можно добраться и используя код страны.

В сетях, не являющихся IP-сетями, но использующих для регистрации имен компьютеров систему DNS, часто применяются адреса, в которых домен верхнего уровня указывает название сети адресата. Это позволяет доставить электронную почту из сетей не Internet, не имеющих IP-адреса.

Система DNS в сети Internet рассматривается как механизм, используемый для получения по имени компьютера его IP-номера. Это также метод иерархической организации пространства адресов сети

Internet.

Большим преимуществом системы DNS является то, что она исключает зависимость имен узлов и их сетевых адресов от центрально установленного файла связи. В IP-сетях каждый компьютер или локальная сеть компьютеров имеет 4-байтный IP-номер, и машины, осуществляющие транспортировку почты, снабжаются таблицами соответствия мнемонических адресов и IP-адресов. Распределением IPномеров занимается специальная служба сети Internet, а их регистрация возложена на региональные администрации сетей. В странах СНГ вопросами регистрации и выделения IP-номеров занимается специальная служба в сети РЕЛКОМ.

Скорость доставки электронных писем сильно зависит от используемого механизма передачи. В Internet существуют два механизма передачи. Первый основан на протоколе UUCP и реализует пакетный режим передачи off-line, характерный для дейтаграммных сетей. Письмо передается по сети от узла к узлу программами Sendmail, и возможны задержки в каждом узле. Это дополнительный способ передачи. Основной (второй) механизм передачи базируется на протоколе SMTP семейства протоколов TCP/IP в сети коммутации пакетов. Он реализует передачу почты в режиме on-line: на время передачи между отправителем и получателем создается виртуальный канал, и письмо пересылается в течение нескольких секунд, при этом вероятность потери или подмены письма минимальна.

Обычный алгоритм работы почтовой программы таков: сначала осуществляется попытка отправить письмо немедленно (по протоколу SMTP); если это не получилось из-за неудачи в получении связи с узлом назначения, письмо попадает в очередь (в соответствии с протоколом UUCP), и время его задержки будет определяться загруженностью сети. Оптимальное время доставки по протоколу UUCP от начального пункта в конечный составляет 5-10 минут.

Система адресации Internet, называемая также стандартом RFS-822 (по названию документа, в котором она описана), принята во многих других сетях. Стандарт RFS-822 определяет уровень поддержки обмена электронной почтой между локальными сетями, связанными линиями передачи по протоколу TCP/IP (аналогичный ему стандарт X400 определяет этот обмен по протоколу X.25). Имеются соглашения о преобразовании адресов на межсетевых шлюзах, если осуществляется обмен сообщениями между сетью Internet и сетями, не поддерживающими стандарт RFS-822.

Для ЭП характерны те же достоинства (простота, дешевизна, возможность подписи и зашифровки письма, возможность пересылки нетекстовой информации) и недостатки (негарантированное время пересылки, возможность несанкционированного доступа со стороны третьих лиц, не интерактивность), что и для обычной почты. Но существенными преимуществами ЭП являются: слабая зависимость стоимости пересылки письма от расстояния, гораздо меньшее время доставки электронных писем, более высокая надежность шифрования писем.

15.3.3. Системы телеконференций

В системе телеконференций (ТК) принцип электронной почты получил дальнейшее развитие. Если в системе ЭП сообщения адресуются "один к одному" и каждому пользователю предоставляется индивидуальный "почтовый ящик", то в системе ТК адресация осуществляется по принципу "один ко всем" и на всех участников ТК выделяется один ящик.

В развитии мировых сетей ТК важнейшую роль играет метасеть телеконференций USENET, неразрывно связанная с сетью Internet. Датой образования USENET считается 1979 год, сразу после выхода версии V7 Unix со средствами UUCT.

Уже в 1984 г. возрастающий объём информации новостей привёл к необходимости деления этих новостей на группы по темам. Затем в очередной версии программы обработки новостей был добавлен механизм координирования (модерирования) групп, а в 1986 г. была выпущена версия 2.11 для поддержки новой структуры именования групп, пакетной обработки, компрессии и других особенностей. Единица информации новостей в системе ТК получила название статьи, формат которой определён в стандарте RFC-1036. Включение в пакет программ обработки новостей средств передачи и чтения с использованием протокола NNTP позволило центральным узлам системы телеконференций USENET обмениваться статьями через связь TCP/IP, игнорируя традиционный стиль UUCP. Протокол NNTP даёт возможность пользователям читать и посылать новости с компьютера, на котором не установлена программа новостей USENET. Для этого необходимо послать соответствующие команды (по протоколу TCP/IP) серверу, на котором эта программа установлена.

Список конференций USENET включает тысячи тем, поэтому важно знать правила, в соответствии с которыми устанавливаются иерархические имена конференции. Эти имена уточняют принадлежность конференции к определённому тематическому разделу - иерархии. Часто темы пресекаются, и многие статьи отправляются сразу в несколько конференций.

15.3.4. Почтовые списки

Иначе они называются списками рассылки (Mailing Listc). Это практически единственный сервис, не имеющий собственного протокола и программы - клиента и работающий только через электронную почту. Это очень простой и полезный сервис. Идея его организации заключается в следующем: в сети выделяется адрес электронной почты, который является общим адресом многих пользователей - подписчиков определенного списка рассылки. Каждый список рассылки посвящается какой-то конкретной теме. Пользователи - подписчики могут посылать свои сообщения по общему адресу, и тогда эти сообщения рассылаются всем, кто подписался на данный список рассылки. Имеются общедоступные почтовые списки, а некоторые списки имеют ограничения на участие в них.

По своим задачам, которые призван решать такой сервис, почтовые списки похожи на сетевые новости USENET (телеконференции). Однако имеются и существительные отличия. Основные из них:

• статьи в сетевых новостях по происшествии определенного времени стираются и становятся недоступны, а сообщения, распространяемые по электронной почте по списку рассылки, всегда будут прочитаны подписчиком, дождавшись его в почтовом ящике;

• списки рассылки более управляемы и конфиденциальны, так как администратор списка контролирует набор подписчиков и следит за содержанием сообщений. Каждый список рассылки ведется какойто организацией, которая обладает полным контролем над ним. В системе USENET сетевые новости никому не принадлежат и потому менее управляемы;

• для работы со списком рассылки обычно достаточно доступа к электронной почте, подписчиками могут быть пользователи, не имеющие доступа к новостям USENET;

• передача сообщений по спискам рассылки может осуществляться быстрее, так как они передаются абонентам напрямую, а не по цепочке между серверами USENET.

Списки рассылки создаются организациями для оповещения своих клиентов, пользователей своей продукции и вообще лиц, заинтересованных в выпуске новых продуктов или передаче новостей компании. Они требуются также, когда обсуждается какой-то вопрос, интересующий слишком малый круг людей, чтобы заводить для него отдельную группу в новостях USENET.

15.4. Характеристика сети Internet

15.4.1. Общие сведения

Для оценки возможностей ГКС рассмотрим услуги, предоставляемые пользователям сетью Internet, которая первоначально создавалась как средство помощи научным исследователям и учебным заведениям для организации эффективного сотрудничества и обмена информацией, а с 1982 г. объединяет множество национальных сетей и занимает исключительное место в мире сетей. Это всемирная компьютерная сеть, сеть сетей, объединяющая посредством межсетевых интерфейсов (шлюзов) многие сети, поддерживающие протокол ТСР/IP. Некоторые сети, входящие в состав Internet, сами по себе велики, другие, такие как NSFNET, имеют свои подсети.

С технической точки зрения, Internet - объединение транснациональных компьютерных сетей, работающих по самым разнообразным протоколам, связывающим всевозможные типы компьютеров, физически передающих данные по телефонным проводам и оптоволокну, через спутники и радиомодемы. Критерием присутствия в сети Internet является наличие связи по протоколу ТСР/IP и подключение к глобальной сети. С административной точки зрения, сеть Internet - не более чем терминологически удобная условность.

Компании и организации, имеющие через свои локальные сети связь с Internet, рассматривают ее как дополнение к своим ЛКС, обеспечивающее при низкой стоимости услуг доступ к коммерческим и некоммерческим информационным службам развитых стран, где в архивах свободного доступа можно найти информацию практически по всем сферам человеческой деятельности, начиная с новых научных открытий до прогноза погоды на следующий день. Сеть Internet предоставляет уникальные возможности дешевой, надежной и конфиденциальной глобальной связи по всему миру. Использование инфраструктуры этой сети для международной связи обходится дешевле прямой компьютерной связи через спутниковый канал или через телефон.

Россия весьма энергично и успешно вступающая в мир глобальных компьютерных коммуникаций, имеет доступ в сеть Internet, обеспечиваемый относительно крупными сетями Relcom, Glasnet, Sovam Teleport, Sprint Networks.

15.4.2. Протоколы сети Internet

В Internet, как и во всякой другой сети, имеется семь уровней взаимодействия прикладных процессов, причем каждому уровню соответствует набор протоколов (т.е. правил взаимодействия).

Протоколы физического уровня определяют вид и характеристики линий связи между компьютерами. Для каждого типа линий связи разработан протокол канального (логического) уровня, занимающийся управлением передачи информации по каналу. Например, к протоколам канального уровня для телефонных линий относятся протоколы SLIP (Serial Line Internet Protocol - протокол последовательного канала Internet) и PPP(Point to Point Protocol - протокол взаимодействия между узлами). Для связи по кабелю локальной сети - это пакетные драйверы плат ЛКС.

Протоколы сетевого уровня обеспечивают маршрутизацию пакетов в сети, т.е. отвечают за передачу данных между компьютерами в разных сетях. К ним относятся протоколы IP и ARP (Address Resolution Protocol).

На транспортном уровне управление передачей данных осуществляется протоколами ТCP и UDP (User Datagram Protocol). Протоколы сеансового уровня отвечают за установку, поддержание и уничтожение соответствующих каналов. В Internet этим занимаются протоколы TCP, UDP, UUCP.

На представительном уровне протоколы занимаются обслуживанием прикладных программ. К программам представительного уровня относятся, например, программы, запускаемые на Unix-сервере для предоставления различных услуг пользователям. Это программы telnet-сервер, FTP-сервер, Gopher-сервер, NNTP (Net News Transfer Protocol), SMPT (Simple Mail Transfer Protocol) и др. К протоколам прикладного уровня относятся программы предоставления сетевых услуг.

15.4.3. Типы сервисов Internet

Все сервисы сети Internet можно разделить на три группы - интерактивные, прямого обращения и отложенного чтения.

К группе интерактивных сервисов относятся такие, где требуется немедленная реакция от получателя информации, т.е. получаемая информация в сущности является запросом.

Сервисы прямого обращения характеризуются тем, что информация по запросу возвращается немедленно.

Наиболее распространенными являются сервисы отложенного чтения, например электронная почта. Для них основным признаком служит та особенность, что запрос и получение информации могут быть достаточно сильно разделены во времени (это определяется актуальностью информации на момент ее получения). Сервисы отложенного чтения наиболее универсальны и наименее требовательны к ресурсам ЭВМ и линиям связи.

Существует и другой подход к делению услуг, предоставляемых сетью Internet. Они делятся на две категории: услуги по обмену информацией между абонентами сети и услуги, связанные с использованием баз данных сети.

Рассмотрим наиболее распространенные услуги сети.

Электронная почта - типичный сервис отложенного чтения (offline). Электронное письмо состоит из заголовка, содержащего адрес отправителя и получателя, и собственно текста письма. Каждому пользователю в системе ЭП выделяется почтовый ящик, реализованный в виде файла на диске, куда и помещается пересылаемое сообщение от другого пользователя. Электронные письма извлекаются из почтового ящика с помощью соответствующих команд.

Система электронной почты (E-mail) стандарта Internet универсальна: сети, построенные на совершенно разных принципах и протоколах, могут обмениваться электронными письмами с Internet, получая тем самым доступ к прочим его ресурсам. Практически все сервисы Internet, использующиеся обычно как сервисы прямого доступа (on-line), имеют интерфейс к электронной почте. Поэтому если пользователь не располагает доступом к Internet в режиме on-line, он может получить большую часть информации, хранящейся в этой сети, посредством дешевой электронной почты.

В Internet есть возможность отправки как текстовых, так и двоичных файлов. На размер почтового сообщения в сети накладывается ограничение: он не должен превышать 64 Килобайт.

Сетевые новости (телеконференции) - второй по распространенности сервис Internet. Механизм распространения сетевых новостей достаточно прост: каждый узел сети, получивший новое сообщение, передает его тем узлам, с которыми он обменивается новостями. Следовательно, посланное пользователем сообщение распространяется, многократно дублируясь, по сети, достигая за короткие сроки всех участников телеконференций USENET во всем мире.

Новости разделены по иерархически организованным тематическим группам. Имя каждой группы состоит из имен подуровней иерархии, разделенных точками, причем более общий уровень пишется первым. Имеются глобальные иерархии и иерархии, локальные для какой-либо организации, страны или сети. Набор групп, получаемых локальным сервером USENET, определяется администратором этого сервера и наличием этих групп на других серверах, с которыми обменивается новостями локальный сервер. Обычно сервер получает: все глобальные иерархии; группы, локальные для страны, в которой сервер расположен; группы, локальные для организации, где функционирует сервер. К различным иерархиям применимы различные нормы и правила работы с ними. Это касается прежде всего языка сообщений. В группы российской иерархии relcom сообщения лучше писать по-русски, в то время как в группы локальной иерархии comp следует писать только по-английски.

Любой компьютер, полноценно подключенный к Internet, имеет доступ к новостям USENET, однако новости USENET распространяются и по другим сетям.

Удобство работы с новостями существенно зависит от способа их получения. В Internet программа-клиент абонента может напрямую получать новости с сервера USENET, и тогда между просмотром списка сообщений, содержащихся в группе, и чтением этих сообщений нет задержки. Если же пользование новостями идет через электронную почту, то абонент сначала получает список статей, а уже потом принимает по электронной почте заказанные им из этого списка статьи.

Это весьма неудобный и устаревший способ работы с новостями USЕNET, являющийся, однако, наиболее распространенным в России.

FTР (File Transfer Protocol) - протокол передачи файлов. Это не просто протокол, а именно сервис - доступ к файлам в файловых архивах. FTР - это стандартная программа, работающая по протоколу ТСР. Она обеспечивает передачу файлов между компьютерами, взаимодействующими в сетях ТСР/IP: на одном из них работает программа-сервер, а на другом пользователь запускает программуклиент, которая соединяется с сервером и передает или получает по протоколу FTР файлы.

FTР - сервис прямого доступа, требующий подключения компьютера в сеть Internet. Однако возможен доступ и через электронную почту, для чего имеются серверы, которые по запросу могут прислать по электронной почте запрашиваемые файлы. При этом запрос может довольно долго ожидать своей очереди. Есть и другое неудобство: большие файлы при отсылке делятся сервером на части ограниченного размера, посылаемые отдельными письмами; в случае потери хотя бы одного письма, остальные принятые письма, принадлежащие запрашиваемому файлу, окажутся ненужными.

Системы автоматизированного поиска информации в сети Internet. Компании всего мира широко используют сеть Internet - эту всемирную информационную супермагистраль для поиска и получения информации практически любого вида. В сети Internet имеются тысячи баз данных и десятки навигационных систем. Для облегчения и ускорения поиска необходимой информации используются вспомогательные программы, интегрированные в структуру Internet и составляющие ядро автоматизированных систем поиска и получения информации.

Сеть Internet работает с тремя основными системами поиска

информации - Gopher, Wais и WWW.

Гипертекстовая система Gopher. Это достаточно известное и распространенное средство поиска информации в сети Internet, позволяющее находить информацию по ключевым словам и фразам. При работе с Gopher пользователю предлагается пройти сквозь ряд вложенных меню, из которых доступны файлы различных типов. Gopher, будучи распределенной системой экспорта структурированной информации, являются сервисом прямого доступа и требует, чтобы и сервер, и клиент были полноценно подключены к Internet.

Система Gopher позволяет получать информацию без указания имен и адресов авторов. Пользователь просто сообщает системе, что именно ему нужно, и система находит необходимые данные.

Система WAIS. Это информационная система широкого профиля, представляющая собой комплекс программ, предназначенных для индексирования больших объемов неструктурированной (как правило, просто текстовой) информации, поиска по таким материалам и извлечения из них запрашиваемых данных. Эти функции выполняются с помощью программ индексирования, программ локального поиска по полученным индексам, а также серверных и клиентских программ, взаимодействующих между собой по специальному протоколу Z39.50.

Задача поиска данных в больших объемах неструктурированной информации весьма нетривиальна, пока не существует общепринятого ее решения. В системе WAIS реализован приемлемый вариант решения этой задачи, поэтому она получила достаточную известность как один из сервисов Internet. Однако в последнее время эта система самостоятельно почти не используется, а во многих случаях применяется как вспомогательное средство, например, для индексирования документов, хранящихся на WWW-сервере.

Система WWW (World Wide Web - всемирная информационная сеть). WWW - самое популярное и удобное средство работы с информацией. Больше половины потока данных в Internet приходится на долю WWW. Количество серверов WWW сегодня превышает 30 тысяч. WWW - гипертекстовая, гипермедийная, распределенная, интегрированная, глобальная децентрализованная информационная система, реализующая самую передовую и массовую технологию. Это сервис прямого доступа, требующий полноценного подключения к Internet. WWW работает по принципу клиент - серверы. Имеется множество серверов, которые по запросу клиента представляют ему гипермедийный документ, состоящий из частей с разнообразным представлением информации (текст, звук, графика, трехмерные объекты и т.д.). Программные средства WWW являются универсальными для различных сервисов Internet, а сама система играет интегрирующую роль. Соединение между клиентом и сервером WWW одноразовое: получив запрос от клиента и выдав ему документ, сервер прерывает связь.

WWW - это объединение в одной информационной системе возможностей вышеуказанных информационных инструментов с добавлением к ним передачи (помимо текстов и программ) графических изображений, звуков, видео. Все эти информационные объекты связываются структурой гипертекста, т.е. текста, содержащего в себе связи с другими текстами, графической, видео- или звуковой информацией. Систему WWW отличают такие особенности: использование гипертекста и возможность пользователей взаимодействовать с другими приложениями Internet.

Гипертекст можно рассматривать как систему документов с перекрестными ссылками. Связь между гипертекстовыми документами осуществляется с помощью ключевых слов, причем документы, на которые сделаны ссылки, могут находиться на удаленных компьютерах. Следовательно, по ссылкам можно значительно удалиться от первоначального источника информации, но возврат к нему не вызывает затруднений.

Гипермедиа - документы (т.е. гипертекстовые документы, включающие не только тексты, но и графику, звук и видео) хранятся на WWW-серверах сети Internet. Для работы с гипермедиа-документами имеется много различных программ-клиентов, называемых программами просмотра WWW, или броузерами (browsers). По известному адресу броузеры позволяют вызывать нужные документы, накапливать их, сортировать, объединять, редактировать, печатать. Наибольшее распространение в настоящее время получили программы просмотра Netscape Navigator и Microsoft Internet Explorer. Программы просмотра имеют много общего, поэтому, овладев принципами и средствами работы одной из них, без труда можно переключиться на работу с другой. Большинство современных программ просмотра обеспечивают доступ не только к страницам Web-серверов (или к Webстраницам), но и включают возможности обработки электронной почты, телеконференций Usenet, позволяют работать с сервисом FTP, Gopher и др. в программы просмотра встраиваются редакторы Web-страниц.

Подготовка гипермедиа-документов осуществляется на языке HTML (Hyper Text Markup Language - язык описания гипертекстовых документов). HTML - это язык World Wide Web, используемый для отображения информации каждым Web-узлом. Он был разработан в начале 90-х годов инициативной группой в Европейской лаборатории физики частиц в Женеве. Web-страница в формате HTML (называемая также Web-документом) - это простой текстовый файл (ASCII-файл), который можно создавать и читать. Он содержит набор команд HTML, которые сообщают броузеру порядок отображения страницы Web. Следовательно, после соединения с Web-узлом с помощью броузера по сети связи от Web-сервера к броузеру отправляется запрашиваемый документ в формате HTML. Любой компьютер (независимо от того, является ли он обычным РС, работающим под Windows, рабочей станцией, ориентированной на Unix, или компьютером Macintosh) может принимать и отображать HTML-страницы. Этим и объясняется эффективность и популярность языка HTML. Существует большое количество программ, осуществляющих преобразование различных документов в формате HTML.

В Internet реализуются две стороны поиска информации, разные по методам, но единые в целях: каталоги и поисковые серверы. Условно можно сказать, что каталоги - средства сфокусированного поиска информации, а поисковые серверы - рассеянного. Использование этих средств позволяет быстро и эффективно находить необходимую информацию в глобальной сети.

Поисковые серверы (search engune)- это специальное программное обеспечение, которое, автоматически просматривая все ресурсы сети Internet, может найти запрашиваемые ресурсы и проиндексировать их содержание. Пользователь передает поисковому серверу фразу или набор ключевых слов, описывающих интересующую его тему. Выполняя такой запрос, сервер сообщает пользователю список соответствующих ресурсов. В сети Internet имеется множество поисковых серверов, охватывающих практически все доступные ресурсы. При этом разные серверы охватывают различные, частично перекрывающиеся, области информации в сети. Они используют различающиеся методы индексирования документов и способы оценки значимости слов в них. Имеются специализированные серверы поиска по отдельным типам ресурсов сети и универсальные, охватывающие все виды сервисов.

Каталоги Internet - средства хранения тематически систематизированных коллекций ссылок на различные сетевые ресурсы, в первую очередь на документы WWW. Ссылки в такие каталоги заносятся администраторами, которые стараются сделать свои коллекции наиболее полными, включающими все доступные ресурсы на каждую тему. В результате пользователь должен найти интересующий его вопрос в каталоге, и ему не нужно самому собирать все ссылки по этому вопросу, так как работа по поиску и систематизации ссылок уже проделана, Каталоги обычно имеют древовидную структуру и похожи на очень большой список закладок. Каталоги обеспечивают разнообразный дополнительный сервис: поиск по ключевым словам в своей базе данных, предоставление списков последних поступлений, автоматическое оповещение по электронной почте о свежих поступлениях и др. Имеется каталог русскоязычных ресурсов сети

Internt.

Абонент, научившийся использовать наиболее подходящий для него каталог и несколько поисковых серверов, получает эффективное средство быстрого нахождения информации в сети.

15.4.4. Подключение к сети Internet

Для подключения индивидуального компьютера к сети Internet необходимо иметь модем, телефонную линию и провайдера поставщика сетевых услуг, имеющего шлюз в эту сеть. Обычно при этом предлагается коммутируемый (dial-up) доступ к ресурсам сети и предоставляется возможность использовать компьютер поставщика, непосредственно подключенный к Internet. Такой компьютер называется хостом. На хосте запускаются имеющиеся у поставщика программыклиенты, которые и позволяют получить доступ к нужному серверу сети. Такое коммутируемое к нужному серверу сети. Такое коммутируемое подключение к сети отличается тем, что обеспечивает доступ только к тем клиентам, которые имеются на хост-машине. Пересылаемая из сети информация сначала попадает на хост, а затем перекачивается на индивидуальный компьютер.

Более полноценным является такое подключение индивидуального компьютера к сети, когда провайдеры обеспечивают связь по коммутируемым линиям по протоколу SLIP или РРР. В этом случае индивидуальный компьютер превращается как бы в хост-компьютер, программы и файлы, получаемые из сети, хранятся на индивидуальном компьютере.

Локальная сеть подключается к Internet обычно не по коммутируемым линиям, а по выделенным арендуемым линиям связи через шлюз с использованием дополнительного программного обеспечения. Это прямое (on-line) подключение, обеспечивающее оперативное предоставление сетевых ресурсов организации, располагающей большим количеством компьютеров, объединенных в локальную сеть. Для доступа к Web-серверам и другим ресурсам сети Internet каждый компьютер ЛКС должен иметь IP-адрес. Такой доступ обеспечивает шлюз (коммуникационный узел), связывающий ЛКС с

Internet.

15.4.5. Развитие сети Internet

Internet - очень быстро развивающаяся сеть, и причина этого - не в свойствах самой сети, а в общих тенденциях развития компьютерной индустрии. Самым многообещающим направлением развития Internet и сетевых технологий в целом является проект Java компании Sun Microsystems [52]. Java - это интерпретируемый язык, специально рассчитанный на работу в открытой сетевой среде. В настоящее время появляются все новые навигаторы с поддержкой сетевого языка Java. Вполне вероятно его поддержку будут обеспечивать все WWW - навигаторы, а значит и многие серверы. Если Java станет стандартом дефакто, сеть Internet и вся компьютерная технология выйдут на качественно новый уровень развития, когда ресурсы компьютеров всего мира будут объединены в один компьютер под названием "Сеть".

Примечательно, что проект Java дает возможность решить самые глубокие проблемы системы WWW: отсутствие интерактивности, ограниченный контроль вида документа, ограниченный набор форматов встроенной графики и других объектов мультимедиа.

С помощью проекта Java компания Sun Microsystems рассчитывает быть пионером в области сетевых технологий, создать новый рынок под лозунгом: "Сеть - это компьютер". Шансы на успех у нее довольно неплохие.

В ходе развития сети Internet предполагается решить и другие проблемы, такие как отсутствие адекватных средств идентификаций удаленных абонентов, сложности в реализации законов об экспорте и авторских правах (нет полного понимания того, что в Internet защищено авторским правом, а что нет; трудности в распространении и контроле электронной продукции и т.д.). С ростом числа абонентов сети острее становится проблема управляемости, тем более что Internet появилась и до сих пор развивалась как свободная, открытая и малоуправляемая сеть. Сеть коммерциализируется, фактически полностью прекращено ее государственное финансирование. Она все меньше предоставляет исследовательскую информацию и все больше - рекламную.

Используемый в настоящее время в сети Internet протокол IP для адресации компьютеров содержит 32 бита. Учитывая все ускоряющийся рост абонентов сети, очень скоро этого окажется недостаточно. Для решения этой проблемы разрабатывается протокол IP нового поколения - IРng, в котором для адреса отводится 128 бит, что позволяет адресовать астрономическое количество абонентов. Это потребует практически полной замены существующего программного обеспечения и активного сетевого оборудования.

Наконец, злободневным вопросом для полноценного использования коммуникационных возможностей сети Internet является вопрос безопасности циркулирующей в сети информации. Подключение компьютера к глобальной сети делает его более уязвимым, хотя степень уязвимости становится существенно меньше, если обеспечить более или менее действенный контроль информации в точке взаимодействия локальной и глобальной сетей. И все же стопроцентных методов защиты от несанкционированного доступа к информации и ее искажения не существует. Но принцип "стоимость вскрытия защиты должна быть выше ценности защищаемых данных" удается удовлетворить все чаще.

15.5. Отечественные территориальные компьютерные сети. Сеть FidoNet

15.5.1. Общие сведения

С 1992 г., когда экономика России стала приобретать все более рыночную природу, появились новые условия и стимулы для формирования рынка телекоммуникационных услуг. Коммерциализация ГКС, необходимость включения в глобальные сети с целью использования мировых информационных ресурсов обеспечили в последние годы сравнительно высокие темпы создания и развития в России телекоммуникационных сетей.

На российском рынке телекоммуникационных сетей наиболее активно и эффективно функционируют следующие сетевые структуры:

• информационная сеть Internet/Россия, существующая с 1990 г. и объединяющая более 300000 абонентов, среди которых - научные, учебные и правительственные организации, банки, биржи, информационные агенства, частные лица. Эта сеть является частью международной ассоциации компьютерных сетей Internet;

•сеть РОСПАК, созданная АО "Интертелеком", ИАС и АО "Роспак" и имеющая в настоящее время в своем составе узлы коммутации пакетов в более чем 50 городах России. Сеть зарегистрирована в Международном союзе электросвязи, она обеспечивает взаимодействие с зарубежными и отечественными ТВС;

• сеть Исток-К (разработчики и держатели сети - концерн "Телеком", НИИЭТУ, П/О "Каскад"), реализованная на отечественных технических средствах и представляющая собой совокупность центров коммутации пакетов и сообщений, соединенных стандартными каналами государственной сети связи;

• сеть документального обмена общего пользования РЕЛКОМ, созданная в 1990 г. МНИОПК "Демос", СП "Диалог" и Институтом им. Курчатова. Эта сеть в качестве национальной стала частью европейской сети EVNET и, следовательно, имеет выход в сеть Internet;

• "Спринт-сеть", созданная в 1990 г. СП "Спринт-сеть" и ПО

"Центральный телеграф", является сетью передачи данных и документального обмена, обеспечивает выход на международные сети;

15.5.2. Сеть Internet/Россия

Сеть обеспечивает взаимную передачу сообщений со всеми некоммерческими КС и крупнейшими коммерческим сетями (BITNET, MCI-mail, Compuserve и др.), а внутри страны - с "ИНФОТЕЛ", РОСНЕТ, IASnet, GLASNET и др. Для работы в сети достаточно иметь компьютер и модем.

Абоненты сети имеют следующие возможности:

• получение непосредственного доступа к информационным ресурсам зарубежных публичных архивов и библиотек;

• передача/прием текстов, графической информации, бинарных файлов и программного обеспечения за рубежом и в странах СНГ;

• участие в более чем 4500 коммерческих и некоммерческих телеконференциях, в том числе размещение в них собственной рекламы и получение чужой;

• передача/прием сообщений с/на телекс, телетайп удаленных абонентов, передача телеграмм;

• получение оперативной информации от агенств ИТАРТАСС, АЭН, ИНТЕРФАКС, REUTER, CLARINET и др.;

• получение электронных версий ряда коммерческих журналов "ОЛВИР", "Товары и цены", "Mega Pro", "Оптовый вестник" и др.;

• работа в сети Internet в интерактивном режиме и по протоколам ТСP/IP, SLIP;

• получение информации от локальных и зарубежных файловых серверов (антивирусные программы, коммуникационные программы, игровые программы для MS DOS и Windows, программы для воспроизведения и записи звуковых эффектов, графические изображения и программы для их воспроизведения, различная документация).

По всем этим услугам для абонентов устанавливаются периодически корректируемые тарифы.

15.5.3. Сеть РЕЛКОМ

Эксплуатирующей организацией является АО РЕЛКОМ. В сеть входят узлы, расположенные более чем в 80 городах СНГ. Основные услуги для абонентов сети.

1. Электронная почта. Для работы в системе ЭП абонент заключает договор с администрацией сети и заводит в своем компьютере "почтовый ящик". Обмен письмами можно осуществлять с абонентами всего мира, так как РЕЛКОМ имеет выход в сеть Internet. Общение пользователя с ЭП происходит при помощи почтовой системы Mail, которая обеспечивает получение и отправление сообщений, их сортировку, запись в архив, поиск в архиве. Письмо можно послать сразу нескольким адресатам, для чего после набора текста письма следует указать список адресов получателей. Можно набрать разные сообщения различным адресатам и послать их по одной команде. Всю переписку пользователя (все отосланные и полученные сообщения) или любую ее часть можно сохранить в личном архиве в компьютере или на дискетах.

2. Предоставление новостей и проведение телеконференций с использованием электронной почты. Новостями условно называются материалы, не подлежащие долговременному хранению. Это тексты, иллюстрации, ноты, звуковые и видео материалы, компьютерные программы. Содержимое хранилища новостей сети (базы новостей) периодически обновляется. База новостей состоит из тематических разделов, к которым пользователи обращаются по их именам. Прием новостей в некоторый раздел от многих абонентов и предоставление новостей из этого раздела любым абонентам рассматривается вместе как проведение "заочных" конференций конференций. Телеконференции позволяют любому абоненту предоставить свои материалы сразу всем абонентам сети и познакомиться с интересующими его новостями любых абонентов сети. Новости делятся на платные (они поставляются в монопольные разделы по договору) и бесплатные. Через хранилище новостей в сети РЕЛКОМ можно получить новости из единой европейской сети EVNET и из других зарубежных сетей, входящих в мировое объединение Internet. Сеть РЕЛКОМ поддерживает собственную базу новостей, представленных на русском языке.

3. Доступ к архивам файлов. Абонентам сети РЕЛКОМ обеспечивается доступ к архивам файлов, размещенным на компьютерах в узлах сети РЕЛКОМ, EVNET, Internet. В отличие от базы новостей в архивах файлов осуществляется долговоременное хранение информации. С помощью электронной почты можно получить нужный файл из любого архива, находящегося в названных сетях, и послать свой файл в любой архив по согласованию с его администрацией.

4. Использование факсимильной, телетайпной и телексной связи. Со своего компьютера абонент может послать письмо по электронной почте на установленную в сети передающую аппаратуру факсимильной (fax), телетайпной и телексной связи, которая передает письмо получателю, имеющему приемную аппаратуру, соответствующую передающей.

5. Получение информации из базы данных через электронную почту. По ЭП можно послать запрос к БД, размещенной в некотором узле сети, и получить из нее запрашиваемую информацию. В центральном узле сети поддерживается, например, база данных, где имеются сведения о всех абонентах сети.

15.5.4. Спринт-сеть

Эксплуатирующая организация - совместное предприятие, созданное корпорацией Sprint International (США) и ПО "Центральный телеграф". Сеть обеспечивает связь с 500000 абонентов в 110 странах мира. Она предоставляет широкий спектр услуг от уже ставших традиционными (электронная почта, глобальная факсимильная связь, глобальная сеть передачи данных, система банковских платежей) до: высокоскоростных международных линий связи; местной, междугородней и международной телефонной связи; глобальных виртуальных клиентских сетей; сетевых разработок для финансовых и торговых организаций; проектирования и установки частных клиентских сетей. Услуга управления интегрированными сетями клиента включает: разработку концептуального проекта, поставку маршрутизаторов, разработку интеграционного проекта, обеспечение средств передачи данных, установку оборудования и программного обеспечения, сопровождение аппаратного и программного обеспечения, управление интегральной средой.

Все перечисленные и другие отечественные сети обеспечивают доступ пользователей к ресурсам сети FidoNet.

15.5.5. Сеть FidoNet

Это некоммерческая сеть, представляющая собой совокупность многочисленных "электронных досок объявлений" (BBS - Bulletin Board System), объединенных в сеть, где в качестве средств связи используются обычные коммутируемые телефонные каналы. Сеть FidoNet имеет иерархическую структуру. Все узлы объединяются по схеме: в пределах одного города (района, области) формируется сеть, руководство которой осуществляет Сетевой Координатор; в пределах одного государства (республики) формируется регион, общее руководство которым осуществляет Региональный Координатор; в пределах одного материка (или отдельной большой части материка) формируется зона, руководство которой - за Зональным Координатором. В настоящее время в FidoNet имеется шесть зон: Северная Америка, Европа, Австралия, Латинская Америка, Африка и Азия. Работой всей сети в FidoNet управляет Международный Координатор.

Узел сети FidoNet представляет собой аппаратно-программный комплекс для обеспечения обмена почтой с другими аналогичными узлами. Дополнительно узел используется как BBS. Информация на BBS делится на три категории: файлы, почта и собственно объявления. В качестве программного обеспечения сервера - узла BBS в нашей стране используется обычно пакет Maximus, который позволяет пользователю просматривать почту, открытую для него или адресованную ему, отправлять сообщения другим пользователям данной BBS или пользователям других BBS, входящих в сеть FidoNet, а также работать с файлами, доступными на данной BBS. Система электронной почты сети FidoNet реализована в режиме диалога, что выгодно ее отличает от других сетей, где электронная почта работает в режиме отправления.

Некоторые узлы сети FidoNet являются шлюзами в Internet. Для отправления письма в Internet следует направлять его на ближайший шлюз. Однако основная услуга, предоставляемая узлами сетей FidoNet, это доступ пользователей к коллекции файлов, собранной в узле. Файлы преимущественно являются программным обеспечением, обладание которым не сопровождается коммерческой выгодой.

16. Корпоративные компьютерные сети

16.1. Характеристика корпоративных компьютерных сетей

Корпоративная вычислительная сеть (Intranet) - это сеть на уровне компании, в которой используются программные средства, основанные на протоколе TCP/IP Internet. Другими словами, Intranet - это версия Internet на уровне компании, адаптация некоторых технологий, созданных для Internet, применительно к частным локальным (LAN) и глобальным (WAN) сетям организаций.

Наблюдаемый в настоящее время громадный рост корпоративных сетей (в 2000 году использовалось до 4 миллионов серверов ККС) объясняется их преимуществами, основанными на совместном использовании информации, сотрудничестве, быстром доступе к данным и наличии большого числа пользователей, уже знакомых с необходимым программным обеспечением по работе в Internet.

Корпоративная сеть, объединяющая локальные сети отделений и предприятий корпорации (организации, компании), является материально-технической базой для решения задач планирования, организации и осуществления ее производственно-хозяйственной деятельности. Она обеспечивает функционирование автоматизированной системы управления и системы информационного обслуживания корпорации.

Решая задачи прежде всего в интересах всей корпорации, ее отделений и предприятий, корпоративная сеть предоставляет услуги как своим пользователям (штатным сотрудникам корпорации), так и внешним пользователям, не являющимся этими сотрудниками. Это способствует популяризации сети и положительно сказывается на сокращении сроков окупаемости затрат на ее создание, внедрение и совершенствование. По мере развития ККС расширяется перечень предоставляемых ею услуг и повышается их интеллектуальный уровень. Расширению контингента пользователей ККС способствует то обстоятельство, что Internet и Intranet легко интегрируются.

16.2. Типовая структура корпоративных компьютерных сетей

Типовая структура КВС приведена на рис. 6.12.2.1. Здесь выделено оборудование сети, размещенное в центральном офисе корпорации и ее региональных отделениях. В центральном офисе имеется локальная сеть и учрежденческая автоматическая телефонная станция (УАТС) с подключенными к ней телефонными аппаратами (Т). Через мультиплексор-коммутатор и модемы ЛКС И УАТС имеют выход на территориальную сеть связи (ТСС) типа Frame Relay или Х.25, где используются выделенные телефонные линии связи. Такое же оборудование сети имеется в каждом региональном отделении (РО-1, ..., РО-N). Удаленные персональные компьютеры (УПК) через сервер доступа и ТСС имеют прямую связь с ЛКС центрального офиса.

Рис. 7.2. Типовая структура ККС

16.3. Установка Intranet

Для установления Intranet необходимы следующие компоненты:

• компьютерная сеть для совместного использования ресурсов или: сеть взаимосвязанных ЛКС и УПК;

• сетевая операционная система, поддерживающая протокол ТСР/IP

(Unix, Windows NT, Netware, OS/2);

• компьютер-сервер, который может работать как сервер Internet;

• программное обеспечение сервера, поддерживающее запросы броузеров в формате протокола передачи гипертекстовых сообщений (НТТР);

• компьютеры-клиенты, на которых имеется сетевое программное обеспечение, позволяющее посылать и принимать пакетные данные по протоколу ТСР/IP;

• программное обеспечение броузера для различных компьютеров-

клиентов (Netscape Navigator, Microsoft Internet Explorer).

Эти требования к оборудованию и программному обеспечению Intranet дополняются требованиями к знанию технологии составления документов на языке описания гипертекста (HTML).

Эффективность использования ККС зависит от успешного решения как технологических, так и организационных вопросов, причем по мере эксплуатации сети, когда технологические вопросы получили должное разрешение, все большую роль приобретают организационные вопросы. Ключевыми факторами успешного и эффективного функционирования ККС являются рациональное распределение информации, необходимой для планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации, обеспечение сотрудников корпорации системами управления документооборотами и предоставление доступа к различным корпоративным базам данных, воспитание культуры совместного использования информации (это может оказаться наиболее сложной проблемой). Основное внимание должно быть направлено на потребности пользователей, а не на расширение технологических возможностей сети.

16.4. Сетевое оборудование корпоративных компьютерных сетей

В настоящее время сетевое оборудование выпускается многими фирмами, каждая из которых энергично рекламирует свою продукцию, что создает дополнительные трудности при его выборе. Есть несколько критериев, которыми следует руководствоваться при выборе сетевого оборудования. К ним относятся:

• характеристика фирмы - производителя сетевого оборудования, её известность на рынке сбыта как производителя высококачественной продукции;

• функциональные возможности изделия, его выходные

технико-эксплуатационные характеристики и условия эксплуатации;

• наличие стандартов по изделию;

• возможность подбора оборудования, производимого одной и той же фирмой.

Ниже даются краткие сведения по основному сетевому

оборудованию КВС, используемому в сетях Х.25 и FR

Модемы - это наиболее массовый вид оборудования в сетях. Различаются между собой по способу модуляции, пропускной способности, способу коррекции ошибок, способу сжатия данных. Для различных скоростей работы модемов, различных способов коррекции ошибок и сжатия данных разработаны стандарты.

При построении сети на базе телефонных каналов широко используются модемы серии 326хV.34 SDC (synchronous Data Compression) фирмы Motorola - мирового лидера в производстве высокоскоростных аналоговых устройств. Эти модемы являются одной из лучших реализаций стандарта V.34. Они позволяют передавать по 2-4 проводным выделенным каналам связи данные со скоростью до 28,8 Кбит/с, в качестве дополнительного средства повышения скорости и достоверности данных реализован режим синхронной компрессии (при этом скорость возрастает до 128 Кбит/с), что делает эти модемы идеальными для сетей Х.25/ Frame Relay.

Большой популярностью пользуются технические средства для построения корпоративных сетей связи, производимые компанией RAD DATA COMMUNICATIONS. Среди них - модемы для проводных выделенных линий связи, в частности синхронные модемы для работы на 4-х проводных линиях в дуплексном режиме:

• ASM - 20 скорость от 32 Кбит/с до 256 Кбит/с, радиус действия на проводе сечением 0,5 мм равен 7,5 км при скорости передачи 64 Кбит/с;

• ASM - 40 скорость от 64 Кбит/с до 2048 Кбит/с, радиус действия может достигать до 20 км;

• МТМ - 20 - скорость от 32 до 64 Кбит/с, радиус действия до 14 км при скорости передачи 32 Кбит/с.

Мультиплексоры - это многофункциональные устройства, используемые в качестве устройств доступа к сетям, а также для построения узлов корпоративной сети. В настоящее время в сетях с коммутацией пакетов чаще всего используются мультиплексоры СХ1000 фирмы Memotec, MPRouter 6520 фирмы Motorola, Kilomux-3000 фирмы RAD.

Рассмотрим характеристики мультиплексора/коммутатора СХ1000, предназначенного для организации передачи голоса/данных в сетях FR. Фирма-производитель - Memotec - широко известная североамериканская транснациональная компания, работающая на рынке сетевого оборудования с 1969 г. Изделие СХ-1000 имеет модульную конструкцию, что позволяет создавать узел сети с необходимым набором функций и требуемым числом портов в одном шасси.

С точки зрения возможности одновременной передачи данных, оцифрованного голоса и факсимильных сообщений изделие СХ-1000 имеет много уникальных особенностей:

• минимальная скорость оцифровки голоса равна 4,8 бит/с, причем реализован механизм подавления пауз, позволяющий экономить до 50 % полосы пропускания канала, отводимой под передачу голоса;

• механизм голосовой компрессии, используемый в изделии, устойчив к потерям кадров, т.е. голосовое соединение не разрывается и качество передачи голоса остается удовлетворительным;

• в голосовой модуль изделия заложены возможности автоматического распознавания и передачи сигналов факсимильных аппаратов, что позволяет использовать порты голосовой платы для подключения этих аппаратов без изменения конфигурации модуля;

• голосовой модуль поддерживает все существующие аналоговые и цифровые интерфейсы телефонного оборудования. В сочетании с развитыми встроенными функциями коммутации голосовых соединений это дает возможность реализовать территориально-распределенную ведомственную телефонную сеть с подключенными к ней телефоннофаксимильными аппаратами, учрежденскими и городскими АТС.

В состав мультиплексора СХ-1000 входит большой набор функциональных модулей, каждый из которых включает одну процессорную плату и несколько плат ввода - вывода.

Оборудование опорных узлов ККС. Кроме многофункциональных устройств типа СХ-1000, в сетях связи ККС могут использоваться устройства с ограниченным числом выполняемых функций для создания опорных узлов. Характеристики некоторых из этих устройств указаны ниже.

1. Региональный концентратор серии RC 6500 Plus производства фирмы Motorola, предназначенный для создания высокопроизводительных узлов связи в сетях FR и Х.25. Его основные функции: обеспечение коммутации пакетов в сетях Х.25/FR и доступ абонентов к этим сетям по выделенным и коммутируемым линиям связи, поддержка от 12 до 54 последовательных синхронных/асинхронных портов. Каждый порт может быть сконфигурирован как: устройство доступа к сети FR, коммутатор пакетов Х.25 или пакетов FR, сборщик/разборщик пакетов с поддержкой стандартов Х.28 и Х.29.

На базе концентратора RC 6500 Plus можно создавать компактные высокопроизводительные узлы коммутации пакетов, конструктивно объединенные с модемами, мультиплексорами и другим оборудованием канала передачи данных.

2. Удаленный многопротокольный мост/маршрутизатор с гибкой расширяемой конфигурацией серии 6520 (Multimedia Perupheru Router фирмы Motorola), имеющий до 17 портов, что позволяет использовать его для больших отделений корпорации. Изделие имеет специализированный процессор для сжатия данных и программное обеспечение, реализующее широкий набор протоколов.

3. Многопротокольный мост/маршрутизатор серии 6560, представляющий собой более совершенный вариант изделия серии 6520. Он поддерживает скорость во всех каналах до 2 Мбит/с, число портов увеличено до 19, процессор обеспечивает сжатие данных для 15, 75 и 508 каналов.

16.5. Система видеоконференцсвязи

Организация видеоконференцсвязи (ВКС) имеет исключительно важное значение для обеспечения оперативного обмена информацией и принятия обоснованных, приемлемых для всех участников видеоконференции решений, касающихся производственнохозяйственной деятельности корпорации.

Из ряда систем ВКС выделим систему OnLAN фирмы RADVision, получившую известность и предназначенную для организации ВКС в локальных или территориально-распределенных сетях. Она относится к классу настольных систем ВКС и может быть установлена на любой персональный компьютер, совместимый с IBM PC. При работе через распределенную сеть можно использовать каналы с пропускной способностью 64 Кбит/с. Обеспечиваемая скорость обмена информацией - от 64 до 384 Кбит/с с частотой смены кадров 15 кадров/с и 30 кадров/с при использовании различных стандартов. Система обеспечивает поддержку стандартных телефонных услуг: набор номера вызываемого абонента с клавиатуры или с помощью системного телефона, соединения, регулировку громкости звука, разъединение. Для передачи звука используется компрессия. Все оборудование станции соответствует стандарту ITU-T, регламентирующему передачу видеоизображения и голоса в распределенных сетях, что обеспечивает совместимость системы OnLAN с видеоконференциями других производителей.

Оборудование системы OnLAN для проведения ВКС состоит из видеостанции (рабочего места для конечного пользователя) и маршрутизатора видеопотока.

16.6. Системы управления сетью

Надежное функционирование сети обеспечивается ее системой управления. В настоящее время ряд фирм выпускают системы управления, по своим функциональным возможностям мало отличающихся друг от друга. Рассмотрим системы управления сетью фирмы Motorola.

Система управления 9000-PC - предназначена для управления малыми и средними сетями на базе устройств производства фирмы Motorola и других поставщиков оборудования, поддерживающих протокол SNMP. Программное обеспечение системы 9000-PC создает полную и надежную систему управления по этому протоколу на базе персонального компьютера. Система позволяет управлять, конфигурировать и тестировать изделия фирмы Motorola, поддерживающие протокол SNMP.

Система управления 9000-VX фирмы Motorola обеспечивает управление модемами и устройствами сетевого доступа этой фирмы, а также оборудованием других фирм, поддерживающих протокол SNMP. Она может быть использована для управления как существующими сетями, так и сетями будущего. Система управления реализована на базе наиболее популярной платформы управления - HP Open View, графические возможности которой позволяют отображать общую топологию и каждый элемент сети в отдельности.

17. Базовые технологии компьютерных сетей

17.1. Управление взаимодействием прикладных процессов в сетях

Реализация рассредоточенных и взаимодействующих процессов в сетях осуществляется на основе двух концепций, одна из которых устанавливает связи между процессами без функциональной среды между ними, а другая определяет связь только через функциональную среду. В первом случае правильность понимания действий, происходящих в рамках соединяемых процессов взаимодействующих АС, обеспечивается соответствующими средствами теледоступа 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. Обычно эти 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 году Международная организация по стандартизации (МОС) предложила семиуровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС), которая получила широкое распространение и признание. 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 АС. 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, а их названия указаны на рис. 9.1.1. 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. Создание КС в соответствии с эталонной моделью ВОС открывает возможность использования сети ЭВМ различных классов и типов. Поэтому сеть, удовлетворяющая требованиям эталонной модели, называется открытой.

АС - 1 АС - N

Рис.9.1.1. Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем

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) и 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 есть граница, ниже которой пакет данных является единицей информации, управляемой сетью. 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. Он является границей между процессами сети и прикладными (пользовательскими) процессами. На этом уровне выполняются вычислительные, информационно-поисковые и справочные работы, осуществляется логическое преобразование данных пользователя.

Работы по совершенствованию эталонной модели ВОС для ЛКС привели к декомпозиции уровней 1 и 2. Канальный уровень разделен на два подуровня: подуровень управления логическим каналом (передача кадров между РС, включая исправление ошибок, диагностика работоспособности узлов сети) и подуровень управления доступом к передающей среде (реализация алгоритма доступа к среде и адресация станций сети). Физический уровень делится на три подуровня: передачи физических сигналов, интерфейса с устройством доступа и подключения к физической среде.

В ЛКС процедуры управления на физическом, канальном и транспортном уровнях не отличаются сложностью, в связи с чем эти уровни управления реализуются в основном техническими средствами, называемыми станциями локальной сети (СЛС) и адаптерами КС. По существу, адаптер вместе с физическим каналом образует информационный моноканал, к которому подключаются системы сети, выступающие в качестве абонентов моноканала.

17.2. Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде

Существуют различные процедуры обмена данными между рабочими станциями абонентских систем сети, реализующие при этом те или иные методы доступа к передающей среде. Эти процедуры называются протоколами передачи данных (ППД). Речь идет о ППД, которые относятся к категории линейных (канальных) протоколов, или протоколов управления каналом. Такое название они получили потому, что управляют потоками трафика (данных пользователя) между станциями на одном физическом канале связи. Это также протоколы нижнего уровня, так как их реализация осуществляется на нижних уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС.

Между понятиями "протокол передачи данных нижнего уровня" и "метод доступа к передающей среде" существуют определенные различия и связь.

Метод доступа - это способ "захвата" передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Но, кроме того, так же называется набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, а также один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.

Протокол в общем виде - это набор правил для связи между рабочими станциями (компьютерами) сети, которые управляют форматом сообщений, временными интервалами, последовательностью работы и контролем ошибок. Протокол передачи данных нижнего уровня (протокол управления каналом) - это совокупность процедур, выполняемых на нижних уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС по управлению потоками данных между рабочими станциями сети на одном физическом канале связи.

Методы доступа к передающей среде, определяющие правила ее "захвата", могут быть разделены на следующие классы:

а) селективные методы, при реализации которых с помощью соответствующего ППД рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое либо направляется каждой РС по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется циклическим опросом), либо передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера);

б) методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы "состязаний" абонентов), когда каждая РС пытается "захватить" передающую среду. При этом могут использоваться несколько способов передачи данных: базовый асинхронный, синхронизация режима работы канала путем тактирования моментов передачи кадров, прослушивание канала перед началом передачи данных по правилу "слушай, прежде чем говорить", прослушивание канала во время передачи данных по правилу "слушай, пока говоришь". Эти способы используются вместе или раздельно, обеспечивая различные варианты загруженности канала и стоимости сети;

в) методы, основанные на резервировании времени, принадлежат к числу наиболее ранних и простых. Любая РС осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов АС, когда некоторые РС за фиксированный интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом АС, т.к. канал используется неэффективно;

г) кольцевые методы, предназначены специально для ЛКС с кольцевой топологией (хотя большинство указанных методов могут использоваться в таких сетях). К ним относятся два метода - вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов).

При реализации метода вставки регистра рабочая станция содержит регистр (буфер), подключаемый параллельно к кольцу. В регистр записывается кадр для передачи, и станция ожидает межкадрового промежутка в моноканале. С его появлением регистр включается в кольцо (до этого он был отключен от кольца) и содержимое регистра передается в линию. Если во время передачи станция получает кадр, он записывается в буфер и передается вслед за кадром, передаваемым этой станцией. Этот метод допускает "подсадку" в кольцо нескольких кадров.

При использовании в ЛКС с кольцевой топологией сегментированной передачи временные сегменты формируются управляющей станцией сети. Они имеют одинаковую протяженность и циркулируют по кольцу. Каждая станция, периодически обращаясь в сеть, может дождаться временного сегмента, помеченного меткой "свободный". В этот сегмент станция помещает свой кадр фиксированной длины, при этом в сегменте метка "свободный" заменяется меткой "занятый". После доставки кадра адресату сегмент вновь освобождается. Важным преимуществом такого метода является возможность одновременной передачи кадров несколькими РС. Однако передача допускается только кадрами фиксированной длины.

Может быть использована и другая классификационная структура. Все ППД делятся на два класса: ППД типа первичный /вторичный и равноранговые ППД. При реализации ППД первого класса в сети выделяется первичный (главный) узел, который управляет всеми остальными (вторичными) узлами, подключенными к каналу, и определяет, когда и какие узлы могут производить обмен данными. В сетях, где реализуются равноранговые (одноуровневые, одноранговые) протоколы, все узлы имеют одинаковый статус. Однако, если предварительно узлам присвоить разные приоритеты, то для них устанавливается неравноправный доступ в сеть.

Рис. 9.2.1. Классификация ППД нижнего уровня

17.3. Подходы к управлению каналом

17.3.1. Сети с опросом

Один из широко распространенных подходов к управлению каналом связи основан на использовании протокола типа первичный / вторичный или главный/подчиненный, когда первичный (главный) узел системы определяет для всех других узлов (вторичных, подчиненных), подключенных к каналу, порядок (очередность) обмена данными.

ППД типа первичный/вторичный могут быть реализованы на основе нескольких технологий, образующих две группы: с опросом и без опроса.

В сетях с опросом распространение получили протоколы, которые называются "опрос с остановкой и ожиданием" и "непрерывный автоматический запрос на повторение". Оба протокола относятся к классу ППД, реализующих селективные методы доступа к передающей среде. Технология доступа к передающей среде хорошо известна по применению в многоточечных линиях глобальных сетей. Суть ее заключается в том, что первичный узел последовательно предлагает вторичным узлам подключиться к общему каналу передачи. В ответ на такой запрос вторичный узел, имея подготовленные данные, осуществляет передачу. Если подготовленных данных нет, выдается короткий пакет данных типа "данных нет", хотя в современных системах, как правило, реакцией в таких случаях является "молчание".

Наиболее распространенный способ организации запроса - циклический опрос, т.е. последовательное обращение к каждому вторичному узлу в порядке очередности, определяемой списком опроса. Цикл завершается после опроса всех вторичных узлов из списка. Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неактивных вторичных узлов (т.е. узлов, по той или иной причине не готовых к передаче данных), применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные вторичные узлы опрашиваются несколько раз в течение цикла; наименее активные узлы опрашиваются один раз в течение нескольких циклов; частота, с которой опрашиваются отдельные узлы, меняется динамически в соответствии с изменением активности узлов.

В сетях с многоточечными линиями применяется также опрос по принципу "готов - вперед". В каждой многоточечной линии опрос начинается с самого удаленного вторичного узла к другому, пока не достигнет узла, ближайшего к опрашивающему органу. Реализация такого принципа позволяет сократить время на распространение сигнала опроса от первичного узла к вторичным, однако это достигается за счет усложнения системы.

Основные преимущества систем с опросом - простота реализации ППД и невысокая стоимость используемого оборудования. Недостатки таких систем:

- простаивание вторичного узла, имеющего готовые для передачи данные, в ожидании поступления сигнала "опрос";

- неэффективное потребление дорогостоящих ресурсов канала, связанное с передачей служебной информации (сигналов опроса, сигналов ответной реакции);

- наличие узкого места по надежности (отказ первичного узла приводит к отказу всей сети) и по пропускной способности, так как обмен данными между вторичными звеньями осуществляется только через первичный узел.

Одной из простейших модификаций ППД типа первичный/вторичный с опросом является протокол, называемый "опрос с остановкой и ожиданием". В системах с таким протоколом узел после передачи кадра ожидает от адресата подтверждения в правильности его пересылки, что сопряжено с дополнительными затратами времени.

17.3.2. Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных результатов в дуплексных системах

Непрерывный автоматический запрос на повторение передачи данных результатов в дуплексных системах (точнее в системах передачи данных с решающей обратной связью), которые допускают передачу данных в обоих направлениях между узлами, поддерживающими связь. В системах с такими протоколом (он называется также протоколом ARQ) узел связи может автоматически запрашивать другой узел и повторно производить передачу данных.

В системах с протоколом ARQ на передающей и принимающей станциях устанавливаются так называемые передающие и принимающие окна. При установке окна выделяется время на непрерывную передачу (прием) фиксированного числа кадров и резервируются необходимые для такого протокола ресурсы. Кадры, принадлежащие данному окну, передаются без периодических подтверждений со стороны адресата о приеме очередного кадра. Подтверждение передается после получения всех кадров окна, что обеспечивает экономию времени на передачу фиксированного объема информации по сравнению с предыдущим протоколом. Однако приемник должен иметь достаточный объем зарезервированного буферного ЗУ для обработки непрерывно поступающего трафика.

В системах ARQ важное значение имеет размер окна (количество кадров в окне). Чем больше окно, тем большее число кадров может быть передано без ответной реакции со стороны приемника и, следовательно, тем большая экономия времени достигается за счет сокращения передачи служебной информации. Но увеличение размера окна сопровождается выделением больших ресурсов и буферной памяти для обработки поступающих сообщений. Кроме того, это отражается на эффективности реализуемых способов защиты от ошибок. В настоящее время в сетях, где используется протокол ARQ, предусматриваются семикадровые окна, т.е. передатчик может посылать семь кадров без получения ответного подтверждения после каждого кадра.

Концепция скользящих окон, реализованная в протоколе ARQ, является достаточно простой. Сложность заключается лишь в том, что первичный узел, связанный с десятками и даже сотнями вторичных узлов, должен поддерживать окно с каждым из них, обеспечивая эффективность передачи данных, управление потоками данных.

17.3.3. ППД типа первичный / вторичный без опроса

К ППД типа первичный / вторичный без опроса, используемым в КС, относятся:

- запрос передачи/разрешение передачи;

- разрешить/запретить передачу;

- множественный доступ с временным разделением.

Первые два протокола реализуют селективные методы доступа к передающей среде, а третий - методы, основанные на резервировании времени. Общим для этих протоколов является то, что инициатива в подаче запроса на обслуживание принадлежит, как правило, вторичному органу, причем запрос подается первичному органу, если действительно имеется необходимость в передаче данных или в получении данных от другого органа. Эффективность этого протокола по сравнению с ППД с опросом будет тем выше, чем в большей степени вторичные органы отличаются друг от друга по своей активности, т.е. по частоте подачи запросов на обслуживание. В этом легко убедиться на конкретных примерах.

При одних и тех же исходных данных и при условии, когда все абоненты сети являются активными, в сетях без опроса максимальное время реакции на запрос почти в два раза меньше, чем в сетях с опросом, а максимально допустимое число активных абонентов при ограничении времени реакции на запрос - почти в два раза больше.

17.3.4. Протокол типа запрос передачи/разрешение передачи.

Протокол типа запрос передачи/разрешение передачи применяется довольно широко в полудуплексных каналах связи ЛКС, так как взаимосвязан с распространенным короткодистанционным физическим интерфейсом RS-232-C. В соответствии с этим протоколом организация передачи данных между терминалом (вторичным органом) и ЭВМ (первичным органом) производится в такой последовательности: выдача терминалом запроса на передачу ? выдача ЭВМ сигнала разрешения на передачу терминалом- передача данных от терминала к ЭВМ- сброс сигнала машиной- прекращение передачи терминалом.

17.3.5. Протокол типа разрешить/запретить передачу

Протокол типа разрешить/запретить передачу часто используется периферийными устройствами (печатающими устройствами, графопостроителями) для управления входящим в них трафиком. Главный орган (обычно ЭВМ) посылает данные в удаленный периферийный узел, скорость работы которого существенно меньше скорости работы ЭВМ и скорости передачи данных каналом. В связи с этим возможно переполнение буферного ЗУ периферийного узла. Для предотвращения переполнения периферийный узел посылает к ЭВМ сигнал "передача выключена". Получив такой сигнал, ЭВМ прекращает передачу и сохраняет данные до тех пор, пока не получит сигнал " разрешить передачу", означающий, что периферийный узел готов принять новые данные, так как буферное ЗУ освободилось.

17.3.6. Множественный доступ с временным разделением

Множественный доступ с временным разделением широко используется в спутниковых сетях связи. Главная (эталонная) станция, принимает запросы от вторичных (подчиненных) станций на предоставление канала связи и, реализуя ту или иную дисциплину обслуживания запросов, определяет, какие именно станции и когда могут использовать канал в течение заданного промежутка времени, т.е. предоставляет каждой станции слот. Получив слот, вторичная станция осуществляет временную подстройку, чтобы произвести передачу данных за заданный слот.

17.3.7. Одноранговые ППД

Одноранговые ППД разделяются на две группы: без приоритетов (в неприоритетных системах) и с учетом приоритетов (в приоритетных системах).

Мультиплексная передача с временным разделением - наиболее простая равноранговая неприоритетная система, где реализуются методы доступа к передающей среде, основанные на резервировании времени. Здесь используется жесткое расписание работы абонентов: каждой станции выделяется интервал времени (слот) использования канала связи, и все интервалы распределяются поровну между станциями. Во время слота станция получает канал в свое полное распоряжение. Такой протокол отличается простотой в реализации и широко применяется в глобальных и локальных сетях.

Недостатки протокола:

- возможность неполного использования канала, когда станция, получив слот, не может загрузить канал полностью из-за отсутствия необходимого объема данных для передачи;

- нежелательные задержки в передаче данных, когда станция, имеющая важную и срочную информацию, вынуждена ждать своего слота или когда выделенного слота недостаточно для передачи подготовленных данных и необходимо ждать следующего слота.

17.3.8. Система с контролем несущей (с коллизиями)

Система с контролем несущей (с коллизиями) реализует метод случайного доступа к передающей среде (точнее: метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий, английская аббревиатура которого CSMA/CD - Caner Sense Maltiple Access with Collision Detection) и применяется в основном в локальных сетях. Все станции сети, будучи равноправными, перед началом передачи работают в режиме прослушивания канала. Если канал свободен, станция начинает передачу; если занят, станция ожидает завершения передачи. Через некоторое случайное время она снова обращается к каналу.

Так как сеть CSMA/CD является равноранговой, в результате соперничества за канал могут возникнуть коллизии: станция В может передать свой кадр, не зная, что станция А уже захватила канал, поскольку от станции А к станции В сигнал распространяется за конечное время. В результате станция В, начав передачу, вошла в конфликт со станцией А (коллизия со станцией А).

Каждая станция способна одновременно и передавать данные, и "слушать" канал. При наложении двух сигналов в канале начинаются аномалии (в виде аномального изменения напряжения), которые обнаруживаются станциями, участвующими в коллизии.

Важным аспектом коллизии является окно коллизий, представляющее собой интервал времени, необходимый для распространения сигнала по каналу и обнаружения его любой станцией сети. В наихудших для одноканальной сети условиях время, необходимое для обнаружения столкновения сигналов (коллизии), в два раза больше задержки распространения, так как сигнал, образовавшийся в результате коллизии, должен распространяться обратно к передающим станциям. Чтобы окно коллизии было меньше, такой способ доступа целесообразно применять в сетях с небольшими расстояниями между станциями, т.е. в локальных сетях. Кроме того, вероятность появления коллизий возрастает с увеличением расстояния между станциями сети.

Коллизия является нежелательным явлением, так как приводит к ошибкам в работе сети и поглощает много канального времени для ее обнаружения и ликвидации последствий. Поэтому желательно реализовать некоторый алгоритм, позволяющий либо избежать коллизий, либо минимизировать их последствия.

В сети CSMA/CD эта проблема решается на уровне управления доступом к среде путем прекращения передачи кадра сразу же после обнаружения коллизии.

При обработке коллизии компонент управления доступом к среде передающей станции выполняет две функции:

- усиливает эффект коллизии путем передачи специальной последовательности битов, называемой затором. Цель затора - сделать коллизию настолько продолжительной, чтобы ее смогли заметить все другие передающие станции, которые вовлечены в коллизию. В ЛКС CSMA/CD затор состоит по меньшей мере из 32 бит, но не более 48 бит. Ограничение длины затора сверху необходимо для того, чтобы станции ошибочно не приняли его за действительный кадр. Любой кадр длиной менее 64 байт считается фрагментом испорченного сообщения и игнорируется принимающими станциями сети;

-после посылки затора прекращает передачу и планирует ее на более позднее время, определяемое на основе случайного выбора интервала ожидания.

Системы с доступом в режиме соперничества реализуются достаточно просто и при малой загрузке обеспечивают быстрый доступ к передающей среде, а также позволяют легко подключать и отключать станции. Они обладают высокой живучестью, поскольку большинство ошибочных и неблагоприятных условий приводит либо к молчанию, либо к конфликту (а обе эти ситуации поддаются обработке) и, кроме того, нет необходимости в центральном управляющем органе сети. Их основной недостаток: при больших нагрузках время ожидания доступа к передающей среде становится большим и меняется непредсказуемо, следовательно не гарантируется обеспечение предельно допустимого времени доставки кадров. Такие системы применяются в незагруженных локальных сетях с небольшим числом абонентских станций ( с увеличением числа станций увеличивается вероятность возникновения конфликтных ситуаций).

17.3.9. Метод передачи маркера

Метод передачи маркера широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность бит информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа "маркерная шина", а кольцевые сети- сетями типа "маркерное кольцо".

В сетях типа "маркерные шина" доступ к каналу обеспечивается таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного).

Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции "слушают" канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. Работая в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.

Рис. 9.3.1. Протокол типа "маркерная шина".

В сетях типа "маркерная шина", помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов.

Преимущество такого метода доступа очевидны:

?не требуется физического упорядочения подключенных к шине станций, так как с помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи маркера станции, т. е. с помощью этого механизма осуществляется упорядочение использования канала станциями;

?имеется возможность использования в загруженных сетях; ?возможна передача кадров произвольной длины.

17.3.10. Протокол типа "маркерное кольцо"

Протокол типа "маркерное кольцо" применяется в сетях с кольцевой топологией, которые относятся к типу сетей с последовательной конфигурацией, где широковещательный режим работы невозможен. В таких сетях сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо. В отличие от сетей с шинной структурой, где узлы действуют только как передатчики или приемники и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим узлам, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации приходящих сигналов.

а)

б) Рис. 9.3.2. Протокол типа "маркерное кольцо": а - маркер свободен;

б - маркер занят.

Как и в случае маркерной шины, в протоколе типа "маркерное кольцо" в качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера - свободное или занятое. Если ни один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства (КИУ).

Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен, и любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на "занятый", передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станцииотправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободное может тот узел, который изменил его на занятое. По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных. С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции-отправителю в таком же состоянии (это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра.

В кольцевой сети с передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел.

Основные преимущества протокола типа "маркерное кольцо":

- имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель, получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно;

- канал используется полностью, его простои отсутствуют;

- протокол может быть реализован в загруженных сетях;

- имеется принципиальная возможность (и в некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети.

Недостатки такого протокола:

- невозможность передачи кадров произвольной длины;

- в простейшем (описанном выше) исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату;

- протокол целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов, так как в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим.

Равноранговые приоритетные системы представлены тремя подходами, реализованными в приоритетных слотовых системах (в системах с приоритетами и временным квантованием), в системах с контролем несущей без коллизий и в системах с передачей маркера с приоритетами.

17.3.11. Приоритетные слотовые системы

Приоритетные слотовые системы подобны бесприоритетным системам, в которых осуществляется мультиплексная передача с временным разделением. Однако использование канала производится здесь на приоритетной основе. В качестве критериев для установления приоритетов применяются следующие: предшествующее владение слотом; время ответа, которое удовлетворяет станцию-отправителя; объем передаваемых данных (чем меньше объем, тем выше приоритет) и др.

Приоритетные слотовые системы могут быть реализованы без главной станции, управляющей использованием слотов. Управление обеспечивается путем загрузки параметров приоритетов в каждой станции. Кроме возможности децентрализованного обслуживания, такие системы могут применяться в загруженных сетях. Недостатки протокола: данные должны передаваться строго определенной длины (в течение заданного слота они должны быть переданы); существует возможность простоя канала, присущая всем протоколам, которые реализуют методы доступа, основанные на резервировании времени.

17.3.12. Системы с контролем несущей без коллизий

В системах с контролем несущей без коллизий, в отличие от аналогичных систем с коллизиями, используется специальная логика для предотвращения коллизий. Каждая станция сети, в которой реализуется такая система обслуживания запросов, имеет дополнительное устройство - таймер или арбитр. Это устройство определяет, когда станция может вести передачу без опасности коллизий. Главная станция для управления использованием канала не предусматривается.

Установка времени на таймере, по истечении которого станция может вести передачу данных, осуществляется на приоритетной основе. Для станции с наивысшим приоритетом переполнение таймера наступает раньше. Если станция с высоким приоритетом не намерена вести передачу, канал будет находиться в состоянии покоя, т.е. свободен, и тогда следующая по приоритету станция может захватить канал.

Системы с контролем несущей без коллизий могут использоваться в более загруженных и протяженных сетях. Уменьшается также время простоя канала. Все это достигается за счет усложнения оборудования системы.

17.3.13. Приоритетные системы с передачей маркера

Приоритетные системы с передачей маркера применяются обычно в кольцевых локальных сетях. Здесь преодолен недостаток, характерный для неприоритетных систем с передачей маркера.

Каждой станции сети определен свой уровень приоритета, причем чем выше уровень приоритета, тем меньше его номер. Назначение приоритетной схемы состоит в том, чтобы дать возможность каждой станции зарезервировать использование канала для следующей передачи по кольцу. Каждый узел анализирует перемещающийся по кольцу маркер, который содержит поле резервирования (ПР). Если собственный приоритет выше, чем значение приоритета в ПР маркера, станция увеличивает значение приоритета в ПР до своего уровня, резервируя тем самым маркер на следующий цикл. Если в данном цикле какой-то другой узел не увеличит еще больше значение уровня приоритета в ПР, этой станции разрешается использовать маркер и канал во время следующего цикла передачи по кольцу (за время цикла маркер совершает полный оборот по кольцу).

Чтобы запросы на обслуживание со стороны станций с низким приоритетом не были потеряны, станция, захватившая маркер, должна запомнить предыдущее значение ПР в своем ЗУ. После

"высвобождения" маркера, когда он завершит полный оборот по кольцу, станция восстанавливает предыдущий запрос к сети, имеющий более низкий приоритет.

17.4. Телекоммуникационные системы: основные понятия и определения

Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или территориальных сетей связи (ТСС) в условиях функционирования компьютерных сетей заключается в организации оперативного и надежного обмена информацией между абонентами, а также сокращении затрат на передачу данных. Главный показатель эффективности функционирования ТКС - время доставки информации. Он зависит от ряда факторов:

• структуры сети связи,

• пропускной способности линий связи,

• способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами,

• протоколов информационного обмена,

• методов доступа абонентов к передающей среде, • методов маршрутизации пакетов и др.

Понятие "территориальная" означает, что сеть связи распределена на значительной территории. Она создается в интересах всего государства, учреждения, предприятия, фирмы, имеющей отделения по району, области или по всей стране.

Характерные особенности ТСС:

• разнотипность каналов связи - от проводных каналов тональной частоты до оптоволоконных и спутниковых;

• ограниченность числа каналов связи между удаленными абонентами, по которым необходимо обеспечить обмен данными, телефонную связь, видеосвязь, обмен факсимильными сообщениями;

• наличие такого критически важного ресурса как пропускная способность каналов связи.

Следовательно, ТСС - это географически распределенная сеть, объединяющая в себе функции традиционных сетей передачи данных (СПД) и телефонных сетей и предназначенная для передачи трафика различной природы, с различными вероятностно-временными характеристиками.

17.5. Типы линий и каналов связи

В КС используются сети связи - телефонные, телеграфные, телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные (обычные телефонные линии связи, витая пара, коаксиальный кабель, волоконнооптические линии связи (ВОЛС), или световоды), радиорелейные, радиолинии.

Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества: высокая пропускная способность (сотни мегабит в секунду), обусловленная использованием электромагнитных волн оптического диапазона; нечувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений, низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным средам; небольшая удельная масса (отношение погонной массы к полосе пропускания); широкие области применения (создание магистралей коллективного доступа, систем связи ЭВМ с периферийными устройствами локальных сетей, в микропроцессорной технике и т.д.).

Недостатки ВОЛС: передача сигналов осуществляется только в одном направлении, подключение к световоду дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал, необходимые для световодов высокоскоростные модемы пока еще дороги, световоды, соединяющие ЭВМ, должны снабжаться преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.

В КС нашли применение следующие типы каналов связи (или режимов передачи):

• симплексные, когда передатчик и приемник связываются одним каналом связи, по которому информация передается только в одном направлении (это характерно для телевизионных сетей связи);

• полудуплексные, когда два узла связи соединены также одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запрос-ответных систем);

• дуплексные, когда два узла связи соединены двумя каналами (прямым каналом связи и обратным), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.

Коммутируемые и выделенные каналы связи. В ТКС (ТСС) различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема трафика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.

Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

17.6. Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных

Пересылка данных от одного узла ТКС к другому осуществляется последовательной передачей всех битов сообщения от источника к пункту назначения. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых электрических сигналов. Аналоговыми называются сигналы, которые могут представлять бесчисленное количество значений некоторой величины в пределах ограниченного диапазона. Цифровые (дискретные) сигналы могут иметь одно или конечный набор значений. При работе с аналоговыми сигналами для передачи закодированных данных используется аналоговый несущий сигнал синусоидальной формы, а при работе с цифровыми сигналами - двухуровневый дискретный сигнал. Аналоговые сигналы менее чувствительны к искажению, обусловленному затуханием в передающей среде, зато кодирование и декодирование данных проще осуществляется для цифровых сигналов.

Аналоговое кодирование применяется при передаче цифровых данных по телефонным (аналоговым) линиям связи, доминирующим в региональных и глобальных КС и изначально ориентированным на передачу акустических сигналов (речи). Перед передачей цифровые данные, поступающие обычно из ЭВМ, преобразуются в аналоговую форму с помощью модулятора-демодулятора (модема), обеспечивающего цифро-аналоговый интерфейс.

Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму, или три метода модуляции:

• амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля - малой или сигнал несущей вообще отсутствует;

• частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний: например, при передаче нуля - низкая, а при передаче единицы - высокая;

• фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180о.

Передающий модем преобразует (модулирует) сигнал несущей синусоидальных колебаний (амплитуду, частоту или фазу) таким образом, чтобы он мог нести модулирующий сигнал, т.е. цифровые данные от ЭВМ или терминала. Обратное преобразование (демодуляция) осуществляется принимающим модемом. В соответствии с реализуемым методом модуляции различают модемы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией. Наибольшее распространение получили частотная и амплитудная модуляции.

Аналоговый способ передачи цифровых данных обеспечивает широкополосную передачу путем использования в одном канале сигналов различных несущих частот. Это обеспечивает взаимодействие большого количества абонентов (каждая пара абонентов работает на своей частоте).

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

Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней 5В для кода 1 и 0,2В для кода 0, то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в +12В и -12В. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных последовательных адаптеров RS232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к другому на небольшие (десятки и сотни метров) расстояния.

Цифровой способ передачи является узкополосным, цифровые данные передаются в их естественном виде на единой частоте.

17.7. Синхронизация элементов ТКС

Синхронизация - это часть протокола связи. В процессе синхронизации связи обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник осуществляет выборку поступающих информационных битов (т.е. замер уровня сигнала в линии связи) строго в моменты их прихода. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение еще до его прихода и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных.

В зависимости от способов решения проблемы синхронизации различают синхронную передачу, асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой.

Синхронная передача отличается наличием дополнительной линии связи (кроме основной, по которой передаются данные) для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Каждый СИ подстраивает приемник. Выдача битов данных в линию связи передатчиком и выборка информационных сигналов приемником производятся в моменты появления СИ. В синхронной передаче синхронизация осуществляется весьма надежно, однако это достигается дорогой ценой - необходимостью дополнительной линии связи.

Асинхронная передача не требует дополнительной линии связи. Передача данных осуществляется небольшими блоками фиксированной длины (обычно байтами). Синхронизация приемника достигается тем, что перед каждым передаваемым байтом посылается дополнительный бит - стартбит, а после переданного байта - еще один дополнительный бит - стопбит. Для синхронизации используется стартбит. Такой способ синхронизации может использоваться только в системах с низкими скоростями передачи данных.

Передача с автоподстройкой, также не требующая дополнительной линии связи, применяется в современных высокоскоростных системах передачи данных. Синхронизация достигается за счет использования самосинхронизирующих кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Наиболее распространенными являются следующие самосинхронизирующие коды: NRZ - код (код без возвращения к нулю), RZ - код (код с возвращением к нулю), Манчестерский код, биполярный код с поочередной инверсией уровня (например, код AMI). На рисунке ниже представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

Рис. 9.7.1. Схема кодирования сообщения с помощью самосинхранизирующих кодов

Для характеристики и сравнительной оценки СК используются следующие показатели:

• уровень (качество) синхронизации;

•надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

•требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

•сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ - код - отличается простотой кодирования и низкой стоимостью при его реализации. Однако при передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линии). Для этого кода имеют место соотношения:

V1 ? V2 ; V1,max = V2 ,

где V1 - скорость изменения уровня сигналов в линии; V2 - пропускная способность линии связи [бит /c ] .

RZ - код отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Этот код обладает хорошими свойствами синхронизации, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение V1 = 2V2 .

Манчестерский код - обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов - двойное изменение. Обладает хорошими синхронизирующими свойствами. Применяется в технике записи информации на магнитных лентах, при передаче информации по коаксиальным и оптоволоконным линиям. Соотношение скоростей для этого кода такое: V1 < 2V2 ; V1,max = 2V2 .

Биполярный код - обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц. При передаче нулей синхронизация отсутствует. Сравнительно прост в реализации. Для этого кода V1 < V2 ; V1,max = V2 .

17.8. Спутниковые сети связи

Появление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в передаче информации, как революция, вызванная изобретением телефона.

Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи (оба - в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и приемопередающую аппаратуру.

В настоящее время спутники связи запускаются на высоту 22300 миль и находятся на геосинхронной (геостационарной) орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора. Линейная скорость вращения спутника вокруг Земли равна 6879 миль/час, что обеспечивает уравновешивание гравитационного притяжения Земли и стационарность вращения спутника по отношению к вращению Земли. Спутник как бы "зависает" над неподвижной точкой поверхности Земли. При таком положении спутника антенна наземной станции слежения может находиться в относительно неподвижном состоянии. Геосинхронные спутники часто запускаются группами по три спутника. Разнесенные друг от друга на 120°, они обеспечивают охват почти всей поверхности

Земли. Темпы распространения спутниковой связи очень высокие. К 2001 году планируется создать общемировую интерактивную сеть передачи мультимедиа-информации.

В спутниковых системах связи используются антенны СВЧ - диапазона частот для приема радиосигналов от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне 14/12 ГГц (первая цифра - частота работы по звену Земля - спутник, а вторая - частота работы по звену спутник - Земля). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальным устройством - транспондером. Взаимодействие между абонентами осуществляется по цепи: абонентская станция (отправитель информации) - передающая наземная радиотелеметрическая станция (РТС) - спутник - приемная наземная радиотелеметрическая станция - абонентская станция (получатель информации). Одна наземная РТС обслуживает группу близлежащих АС.

Для управления передачей данных между спутником и наземными РТС используются следующие способы.

1. Обычное мультиплексирование - с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектр радиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого трафика. Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально; значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами). Здесь также возможно простаивание канала из-за нерегулярного его использования.

2. Обычная дисциплина "первичный/вторичный" с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже - спутник. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтомувремя реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.

3. Дисциплина управления типа "первичный/вторичный" без опроса с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени (ТДМА). Здесь слоты назначаются первичной РТС, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера трафика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.

4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерным является то, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 1970-х годов Н.Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов этой системы: система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA ) и др.

К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:

•большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи. Например, один из используемых в настоящее время коммерческих спутников имеет 10 транспондеров, каждый из которых может передавать 48 Мбит/с;

•обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

•независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого трафика);

•возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.

Недостатки спутниковых сетей связи:

•необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных "чужими" станциями;

•наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;

•возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

•подверженность сигналов на участках Земля-спутник и спутникЗемля влиянию различных атмосферных явлений.

Для разрешения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.

17.9. Коммутация в сетях

Телефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой и с центрами управления, обработки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к некоторому коммутирующему оборудованию, избегая, таким образом, необходимости создания специальных линий связи.

Далее рассматриваются различные методы коммутации, когда используются коммутируемые телефонные линии связи. Однако два и более конечных пункта сети могут соединяться выделенной линией, если между ними все время осуществляется связь с постоянной скоростью передачи. Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного подключения абонентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разделения. Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах, популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затратами при большом количестве монопольно используемых связных ресурсов в двухточечном режиме.

Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная сеть.

Существуют следующие методы коммутации:

•коммутация цепей (каналов);

•коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь разделяемая на коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

17.9.1. Коммутация цепей

При коммутации цепей (каналов) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.

Время установления сквозного канала связи обычно бывает большим из-за необходимости организации взаимодействия значительного числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем информации. Следовательно, при использовании метода коммутации цепей передача информации обеспечивается двумя основными составляющими в расходной части ресурсов: ресурсами для организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема передаваемой информации, а вторая - прямо пропорциональна интервалу времени, в течение которого происходит соединение.

В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:

- большое время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков;

- необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим система, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерей запросов на обслуживание);

- отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;

- возможность монополизации канала одним источником информации;

- наращивание функций и возможностей сети ограничено; - не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограничены).

Преимущества метода коммутации цепей:

- отработанность технологии коммутации цепей (первое коммутационное устройство появилось еще в конце 19-го века);

- возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени;

- обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа ЦКК между абонентами;

- довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).

17.9.2. Коммутация с промежуточным хранением

Отметим особенности всех методов коммутации с промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации, сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных ЗУ в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.

17.9.3. Коммутация сообщений

Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 60-70 годах и до сих пор широко используется в некоторых областях (в электронной почте, электронных новостях, телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с промежуточным хранением, технология коммутации сообщений относится к технологии типа "запомнить и послать". Кроме того, технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение "главный - подчиненный". Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в центре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет обеспечить интерактивные прикладные задачи.

Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, независимо от его длины (разброс в длине сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того, транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов сети.

Недостатки метода коммутации сообщений:

- необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;

- недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе времени при передаче данных;

- выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки данных (это характерно для структуры "главный - подчиненный");

- коммутатор сообщений является потенциально узким местом по пропускной способности;

- каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами коммутации с промежуточным хранением.

Преимущества метода:

- отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении сквозного канала связи между абонентами;

- возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной способностью;

- реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;

- возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в периоды этих нагрузок;

- отсутствие потерь запросов на обслуживание.

17.9.4. Коммутация пакетов

Коммутация пакетов появившаяся в 70-х годах, сочетает в себе преимущества коммутации каналов и коммутации сообщений. Ее основные цели: обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов компьютеров сети, рассредоточение критических компонентов (коммутаторов) сети.

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

В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов позволяет:

•увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;

•легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий связи;

•осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход поврежденных или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей;

•существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов.

Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет мультиплексировать многие пользовательские сеансы на один порт компьютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметричных потоков в каналах связи.

Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей характеристикой метода коммутации цепей. Но с увеличением объема передаваемой информации стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации цепей, что объясняется необходимостью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.

В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.

17.9.5. Символьная коммутация

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

При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям. Первое из них - уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины, и второе - обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи). В сети с пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех факторов: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом скорости передачи) и стоимости. Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.

При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей среды сохраняется с одновременным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за счет приема от нескольких пользователей по небольшому количеству символов (информационных бит) и загрузки их в один пакет общего доступа.

Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной коммутации и обеспечивающего более эффективное управление разнородным трафиком.

17.10. Маршрутизация пакетов в сетях

17.10.1. Сущность, цели и способы маршрутизации

Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях, где не только необходим, но и возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута. Речь идет, прежде всего, о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов. Однако в современных сетях со смешанной топологией (звездно-кольцевой, звездно-шинной, многосегментной) реально стоит и решается задача выбора маршрута для передачи кадров, для чего используются соответствующие средства, например, маршрутизаторы.

В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты, решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем. В дейтаграммных сетях, где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета в каждом промежуточном узле связи.

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

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

Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:

•минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю;

•максимальной пропускной способности сети, что достигается в частности нивелировкой загрузки линий связи ТКС;

•максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;

•надежности доставки пакета адресату; •минимальной стоимости передачи пакета адресату.

17.10.2. Способы маршрутизации

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 главным образом 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 (см. ниже).

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 и отчасти при развитии ТКС (подключении новых 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. Данные о текущей топологии сети и пропускной способности линий связи предоставляются узлам без затруднений. Однако нет способа для точного предсказания состояния нагрузки в сети. Поэтому при решении задачи маршрутизации могут использоваться данные о состоянии нагрузки, запаздывающие (из-за конечной скорости передачи информации) по отношению к моменту принятия решения о направлении передачи пакетов. Следовательно, во всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности текущего и будущего состояний ТКС.

17.10.3. Эффективность алгоритмов маршрутизации

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:

•передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой;

•передача пакета в направлении, не приводящем к минимальному времени его доставки;

•создание на сеть дополнительной нагрузки за счет передачи служебной информации, необходимой для реализации алгоритма.

17.10.4. Методы маршрутизации

Различают три вида маршрутизации - простую, фиксированную и адаптивную. Принципиальная разница между ними - в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи выбора маршрута.

Простая маршрутизация - отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни 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 некоторое 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 когда-либо достигает адресата. Естественно, что при этом не обеспечивается ни оптимальное время доставки пакета, ни эффективное использование пропускной способности сети.

Лавинная маршрутизация (или: заполнение пакетами всех свободных выходных направлений) - 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 между двумя абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузкам, а вторая - на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается предпочтительный путь. Фиксированная

маршрутизация применяется в сетях с мало изменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов.

Адаптивная маршрутизация - отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации - локальная, распределенная, централизованная и гибридная адаптивные маршрутизации.

Локальная адаптивная маршрутизация - основана на использовании информации, имеющейся в данном узле и 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. Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета адресату за минимальное время. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода в его "близорукости", поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети. Следовательно, всегда есть опасность передачи пакета по перегруженному маршруту.

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, так называемыми таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена таблицами задержки каждый узел перерассчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случае резких изменений нагрузки или топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узлов распространяются по сети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим данным.

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 в ЦМ 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 пульсации 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 маршрутизации (маршруты, формируемые центром, являются несколько устаревшими) и локальной ("близорукость" метода) и воспринимает их преимущества: маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность решения задачи.

17.11. Защита от ошибок в сетях

17.11.1. Причины возникновения ошибок в сети

Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень большое значение. Если при передаче обычной телеграммы возникает в тексте ошибка или при разговоре по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и искажения легко обнаруживаются по смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов может серьезно отразиться на качестве информации.

Существует множество методов обеспечения достоверности передачи информации (методов защиты от ошибок), отличающихся по используемым для их реализации средствам, по затратам времени на их применение на передающем и приемном пунктах, по затратам дополнительного времени на передачу фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при реализации данного метода), по степени обеспечения достоверности передачи информации. Практическое воплощение методов состоит из двух частей - программной и аппаратной. Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из частей. Чем больше удельный вес аппаратных средств по сравнению с программными, тем при прочих равных условиях сложнее оборудование, реализующее метод, и меньше затрат времени на его реализацию, и наоборот.

Выделяют две основные причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях:

- сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных объективных событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как правило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью планово предусмотренных средств;

- помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями. Помехи - это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распространенными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмосферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой амплитуды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидальных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо искажен так, что "единица" может перейти в "нуль" и наоборот.

Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в структурном сходстве помех с информационными сигналами. Поэтому защита информации от ошибок и вредного влияния помех имеет большое практическое значение и является одной из серьезных проблем современной теории и техники связи.

17.11.2. Методы защиты от ошибок

Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.

Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.

Суть мажоритарного метода, давно и широко используемого в телеграфии, состоит в следующем. Каждое сообщение ограниченной длины передается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом "два из трех". Например, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял такие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101.

Другой групповой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу данных блоками с количественной характеристикой блока. Такими характеристиками могут быть: число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, остаток от деления контрольной суммы на постоянную величину и др. На приемном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону передается сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных КС такой метод получил самое широкое распространение.

Помехоустойчивое (избыточное) кодирование, предполагающее разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов, применяется не только в ТКС, но и в ЭВМ для защиты от ошибок при передаче информации между устройствами машины. Оно позволяет получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение - в обеспечении малой вероятности искажений передаваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети.

Существует довольно большое количество различных помехоустойчивых кодов, отличающихся друг от друга по ряду показателей и прежде всего по своим корректирующим возможностям.

К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:

- значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы (m) и проверочные, или контрольные

символы (К). Обычно значность кода n есть сумма m+К;

- избыточность кода Кизб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к значности кода;

- корректирующая способность кода Ккс , представляющая собой отношение числа кодовых комбинаций L, в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых комбинаций М в фиксированном объеме информации.

Выбор корректирующего кода для его использования в данной ТКС зависит от требований по достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические данные о закономерностях появления ошибок, их характере, численности и распределении во времени. Например, корректирующий код, обнаруживающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины. Он оказывается непригодным, если ошибки появляются группами. При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент Кизб, тем менее эффективно используется пропускная способность канала связи и больше затрачивается времени на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы.

В качестве примера рассмотрим порядок кодирования информации (формирования кодовой комбинации для ее передачи адресату) и декодирования (выявления и исправления ошибок в принятой кодовой комбинации и выделения из нее информационных символов, т.е. информации пользователя) при использовании одного из наиболее популярных корректирующих кодов - кода Хэмминга, обнаруживающего и исправляющего одиночные ошибки.

В этом коде контрольные символы занимают позиции, соответствующие значениям 20, 21, 22, 23 и т.д., т.е. позиции с номерами 1, 2, 4, 8 и т.д. (нумерация позиций кодовой информации - слева направо). Количество контрольных символов в кодовой комбинации должно быть таким, чтобы в процессе декодирования сформированное корректирующее число (в двоичной системе счисления) могло указать позицию кодовой комбинации с максимальным номером. Например, для пяти информационных разрядов потребуется четыре контрольных. В полученной кодовой комбинации позиция с наибольшим номером будет 9-ой, что записывается как 1001, т.е. требует четырех разрядов.

Значения контрольных символов при кодировании определяются путем контроля на четность количества единиц в информационных разрядах кодовой комбинации. Значение контрольного символа равно 0, если количество единиц будет четным, и равно 1 при нечетном количестве единиц.

При определении значения 1-го контрольного символа, размещаемого на 1-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т.е. проверяются позиции с нечетными номерами. При определении значения 2-го контрольного символа, размещаемого на 2-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу во 2-м разряде, т.е. позиции с номерами 3, 6, 7, 10, 11 и т.д. Значение 3-го контрольного символа, размещаемого на 4-й позиции кодовой комбинации, определяется путем контроля на четность тех информационных позиций, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в 3-м разряде, т.е. позиции с номерами 5, 6, 7, 12 и т.д. Аналогично устанавливаются значения и других контрольных символов.

В процессе декодирования формируется корректирующее число (КЧ), разрядность двоичного изображения которого устанавливается по указанному выше правилу. Значения разрядов этого числа определяются по правилам, аналогичным тем, которые использовались для определения значений контрольных символов в процессе кодирования. Разница лишь в том, при определении значений разрядов КЧ проверяются на четность не только информационные позиции, но и контрольные. Например, для определения значения младшего разряда КЧ, проверяются на четность те позиции кодовой комбинации, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т.е. позиции с нечетными номерами 1, 3, 5, 7 и т.д.

Значение корректирующего числа определяет номер позиции кодовой комбинации, в которой произошла ошибка. Для ее исправления необходимо значение кода в этой позиции изменить на противоположное (0 на 1 или 1 на 0). Если КЧ равно нулю, то это указывает на отсутствие ошибок в принятой кодовой комбинации. Процесс декодирования завершается выделением из кодовой комбинации информационных символов.

Заметим, что в КС корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (наличие между абонентами дуплексной связи облегчает применение таких систем).

17.11.3. Системы передачи с обратной связью

Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.

Особенностью систем с решающей обратной связью (иначе: систем с перезапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повторно. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала подтверждения правильности приема, автоматически определяющего начало следующей передачи.

В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная и возвращенная информация

сравниваются. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Таким образом, здесь решение о необходимости повторной передачи принимает передатчик.

Обе рассмотренные системы обеспечивают практически одинаковую достоверность, однако, в системах с решающей обратной связью пропускная способность каналов используется эффективнее, поэтому они получили большее распространение.

17.11.4. Деловая ситуация

В системах с решающей обратной связью ARQ, где реализуется непрерывный автоматический запрос на повторение и концепция скользящих окон, для двух возможных вариантов защиты от ошибок (системы с выборочным повторением и системы с возвращением на Nк кадров) и заданных характеристиках линий связи и объёме передаваемой информации найти время на передачу этой информации и необходимый объём буферного ЗУ на приёмном пункте.

Исходные данные:

Еинф = 2 Мбит - объём передаваемой информации; Lk = 7 - длина окна (количество кадров в окне); Rk = 4096 бит - длина одного кадра;

Vk = 9600 бит/c - пропускная способность канала связи;

Мк = 1000 - количество каналов в многоканальной линии связи.

Nош = 1 - число кадров в окне, принятых с ошибками. Ошибочные кадры передаются повторно. Для упрощения условия примера и определённости будем считать, что в каждом окне ошибочный кадр имеет второй номер (это важно для оценки систем с возвращением на Nk кадров).

Постановка задачи иллюстрируется на рисунке ниже. Данные передаются от узла А к узлу В по прямому каналу. В семикадровом окне на приёмном пункте (в узле В) во втором кадре обнаружены ошибки, и сигнал об этом (NAK 2) по обратному каналу передаётся в узел А (рис."а"). В протоколе АRQ реализуется один из двух методов обнаружения и повторной передачи искаженных данных:

• выборочное повторение (рис."б"), когда повторно передаётся только искаженный кадр данного окна. Все другие кадры этого окна, поступившие в узел В после искаженного кадра (в нашем примере это кадры с номерами от 3 до7), временно хранятся на приёмном пункте в буферном ЗУ;

• возвращение на Nк кадров (рис."в"), когда повторно передается не только искаженный кадр, но и все кадры данного окна, поступившие вслед за искаженным (предполагается, что источник, послуживший причиной искажения второго кадра, продолжает действовать). Здесь надобность в буферном ЗУ пропадает.

Рассчитаем показатели для первого варианта системы ARQ - с выборочным повторением.

Время на передачу заданного объёма информации определяется по формуле:

Т1 = Nok • (Lk +Nош)• Rk / Vк ,

где Nok - количество окон в передаваемом объёме информации, причем

Nok = Еинф / Lk • Rk ;

Nok = 2000000 / 7 • 4096 70.

Следовательно,

Т1 = 70 • (7+1) • 4096 / 9600 = 238,9 с.

Необходимый объём буферного ЗУ:

Езу = Lзу • Rk • M,

где Lзу - количество кадров данного окна, временно сохраняемых в

буферном ЗУ (в нашем примере Lзу = 5).

Следовательно, Езу = 5 • 4096 • 1000 = 20480000 бит.

Для второго варианта системы ARQ - с возвращением на Nk кадров (в нашем примере Nk = 6) определяется только время на передачу информации:

T2 = Nок(Lк+Nк) • Rк/Vк; Т2 = 70(7+6) • 4096/9600 = 388,3 с.

Как видно, первый вариант предпочтительнее по времени на передачу заданного объема информации, зато требует на приемном пункте буферной памяти. Разница в значениях показателей Т1 и Т2 будет тем больше, чем выше интенсивность ошибок в линиях связи.

Рис. .9.11.1. Система с решающей обратной связью ARQ.

17.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay

Ниже даются краткие сведения о наиболее распространенных телекоммуникационных системах, или территориальных сетях связи. К ним относятся Х.25, Frame Relay (FR), IP, ISDN, SDH, АТМ (сведения о сетях IP даются при рассмотрении глобальной сети Internet). При этом обращается внимание на их "прогрессивность", т.е. возможность предоставления полного сервиса в настоящее время и степень актуальности в перспективе. Особенно важным преимуществом той или иной сетевой технологии является ее возможность наиболее полно использовать имеющуюся в распоряжении пользователя полосу пропускания канала связи и адаптироваться к качеству канала.

17.12.1. Сети и технологии Х.25

Сетями Х.25 называются сети, доступ к которым производится в соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ), первый вариант которой появился в 1976 году. Эта рекомендация описывает интерфейс доступа пользователя в сеть передачи данных, а также интерфейс взаимодействия с удаленным пользователем через СПД. Передача данных в сети Х.25 производится по протоколам, описанным в рекомендации Х.25. С момента выпуска первого варианта рекомендации Х.25 все стандарты были практически проверены, расширены и дополнены, и сегодня достигнут высокий уровень совместимости оборудования, выпускаемого различными фирмами для сетей Х.25.

Несмотря на появление новых интегральных технологий сетей связи, рассчитанных на высокоскоростные каналы связи, сети Х.25 все еще являются наиболее распространенными СПД. Это объясняется тем, что именно сети Х.25 с наибольшим основанием можно сравнить с телефонными сетями: установив соединение компьютера с ближайшим узлом сети Х.25, можно связаться с любым из многих тысяч пользователей сетей Х.25 по всему миру (для этого надо лишь знать его сетевой адрес) точно так же, как подняв трубку телефонного аппарата, подключенного к ближайшей АТС, можно соединиться практически с любым абонентом. Технология Х.25 особенно актуальна для России и других стран, где пока отсутствует развитая инфраструктура высокоскоростных первичных каналов связи.

На основе технологий Х.25 построено большинство эксплуатируемых в настоящее время СПД с коммутацией пакетов, предназначенных для организации и обеспечения надежной передачи данных в условиях разветвленных территориальных сетей на базе низко- и среднескоростных каналов. При этом за счет повторной передачи искаженных кадров между каждой парой соседних узлов сети обеспечивается достоверная и упорядоченная передача данных. Однако в сети с каналами низкого качества из-за повторных передач возникают нерегламентированные и непостоянные задержки передаваемых данных, поэтому передача трафика, чувствительного к задержкам (например, оцифрованного голоса) по сетям Х.25 с удовлетворительным качеством невозможна.

Рекомендация Х.25 описывает три уровня протоколов: физического, канального и сетевого. Они реализуют функции соответственно физического, канального, сетевого и частично транспортного уровней модели взаимодействия открытых систем (BOC - OSI).

Физический уровень, широко представленный в оборудовании массового спроса, описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса.

Канальный уровень, также широко представленный в оборудовании (например, в модемах), отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении "точка-точка", т.е. между соседними узлами сети Х.25. На этом уровне осуществляется защита от ошибок при передаче между соседними узлами, управление потоком данных и, кроме того, обеспечивается получение оптимального по скорости передачи режима в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передаче), что важно при оценке эффективности функционирования двухточечного соединения.

Для реализации указанных выше функций поток информации разбивается на кадры (frame), каждый из которых представляет собой организованную определенным образом последовательность битов. Кадр обрамляется "флагами" (уникальными последовательностями битов, являющимися разделителем между кадрами) и состоит из служебных полей (поля адреса, поля управления с циклическим номером кадра, поля проверочной последовательности кадра) и информационного поля для информационных кадров. Длину кадра можно менять при настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии связи. Чем короче кадр, тем меньше вероятность его искажения при передаче. С другой стороны, если линия хорошего качества, то информацию лучше передавать более длинными кадрами, обеспечивающими уменьшение процента избыточной информации (флаги, служебные поля кадра).

Наконец, на сетевом уровне, определяющем специфику сетей Х.25, производится маршрутизация пакетов (на этом уровне информация также структурируется, т.е. разбивается на "порции", называемые "пакетами") и доведение информации от "точки входа в сеть" до "точки выхода" из нее. Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. При передаче пакет помещается в поле данных информационного кадра (кадра канального уровня).

В сетях Х.25 реализуется метод "коммутации пакетов", в соответствии с которым перед передачей информации от одного абонента к другому между ними сначала устанавливается виртуальное (логическое) соединение, т.е. происходит обмен пакетами "запрос вызова" - "вызов принят", после чего производится обмен информацией. Виртуальные соединения могут быть как постоянными, так и коммутируемыми, когда соединение устанавливается под каждый сеанс обмена информацией. Число виртуальных соединений, которые могут одновременно поддерживаться на базе одного физического канала, зависит от конкретного типа оборудования, используемого для поддержания таких соединений.

Доступ пользователей к сети Х.25 осуществляется водном из двух режимов - в пакетном или монопольном. Доступ с персонального компьютера (ПК) в сеть в пакетном режиме реализуется путем установления в ПК специальной платы, обеспечивающей обмен данными в соответствии со стандартом Х.25. Подключение ЛВС через сеть Х.25 осуществляется с помощью сетевых плат (например, производимых компаниями Microdyne, Newport Systems Solutions и др.) или для этого могут использоваться мосты-маршрутизаторы удаленного доступа, включенные в виде отдаленных устройств и поддерживающие протокол Х.25. Преимущество таких устройств по сравнению с встроенными в компьютер платами (помимо большей производительности) состоит в том, что они не требуют установки специального программного обеспечения, а сопрягаются с ЛВС по стандартному интерфейсу локальной сети, что позволяет реализовать более гибкие и универсальные решения. Подключение пользовательского оборудования к сети в пакетном режиме удобно, когда требуется многопользовательский доступ к этому оборудованию через сеть.

Подключение к сети Х.25 в монопольном режиме производится по стандартам Х.3, Х.28, Х.29, которые определяют функционирование специальных устройств доступа в сеть - "сборщиков-разборщиков пакетов" - ПАД ("packet assembler-dissasembler"). Эти устройства используются для доступа в сеть абонентов в асинхронном режиме обмена информацией, т.е. через последовательный порт компьютера (непосредственно или с применением модемов). ПАД обычно имеет несколько асинхронных портов и один синхронный порт (порт Х.25). ПАД накапливает поступающие по асинхронным портам данные, упаковывает их в пакеты и передает через порт Х.25. В разных сетях могут быть установлены различные значения параметров передачи по каналам Х.25 (длина кадра и пакета, система адресации и др.). Для обеспечения стыковки этих сетей была разработана рекомендация Х.75, определяющая правила согласования параметров при переходе из одной сети в другую. Сопряжение сетей обычно производится через ЦКП, в котором реализована поддержка шлюзовых функций.

Метод коммутации пакетов, лежащий в основе сетей Х.25, определяет основные преимущества таких сетей, а следовательно, и области их применения. Преимущества сетей Х.25 заключаются в следующем.

1. Сети Х.25 позволяют в режиме реального времени разделять один и тот же физический канал между несколькими абонентами. Благодаря этому во многих случаях оказывается экономически выгодней для передачи данных пользоваться сетью Х.25, производя оплату за каждый байт переданной информации, а не оплачивать время использования телефонной линии. Метод разделения физического канала между абонентами в сетях Х.25 называют еще логическим, или статистическим уплотнением (в отличие от временного разделения канала). При статистическом разделении канала нет строго регламентированной степени загрузки канала каждым абонентом в определенный момент времени. Эффективность использования статистического уплотнения зависит от статистических или вероятностных характеристик уплотняемых потоков информации. Имеется большой опыт эффективного использования сетей Х.25 для широкого спектра задач передачи данных, когда трафик в сети не является равномерным во времени: обмен сообщениями между пользователями, обращение большого числа пользователей к удаленной базе данных или к удаленному хосту электронной почты, связь локальных сетей (при скоростях обмена не более 128 Кбит/с), объединение удаленных кассовых аппаратов или банкоматов.

2. Сети Х.25 позволяют передавать оптимальным образом данные по выделенным и коммутируемым каналам телефонной сети общего пользования. Критериями оптимизации являются максимально возможные на этих каналах скорость и достоверность передачи данных.

3. В сетях Х.25 имеется механизм альтернативной маршрутизации, с помощью которого, помимо основного маршрута, задается ряд альтернативных (резервных) маршрутов, за счет чего значительно увеличивается надежность работы сети. Однако это означает, что между любыми двумя точками подключения пользователя к сети должно быть, по крайней мере, два различных маршрута.

При всех достоинствах сетевой технологии Х.25 у нее есть и свои довольно серьезные ограничения:

• невозможность передавать по сетям Х.25 такие виды информации, как голос и видеоинформацию;

• существенное ограничение скорости передачи, основной причиной которого является наличие в таких сетях развитых механизмов коррекции ошибок. Эти механизмы требуют подтверждения информации между каждыми соседними узлами сети, что приводит к значительным задержкам распространения информации. Поэтому технология Х.25 обычно применяется в сетях, использующих каналы связи со скоростью передачи не более 128 Кбит/с.

Указанные ограничения преодолены в технологии Frame Relay.

17.12.2. Сети и технологии Frame Relay (ретрансляция кадров)

Сетью Frame Relay (в дальнейшем - FR) называется сеть коммутации кадров, в которой используется технология (протокол) передачи данных одноименного названия. Протокол FR - это интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик.

Отличительные особенности протокола FR:

• малое время задержки при передаче информации через сеть,

• высокие скорости передачи,

• "высокая степень связности",

• эффективное использование полосы пропускания. По сетям FR возможна передача не только собственно данных, но и оцифрованного голоса.

Для оценки FR-сетей (как и АТМ-сетей) важным фактором является не столько высокая "физическая" скорость передачи данных (т.е. скорость "физических" каналов), сколько реализация методов статистического уплотнения информации, обеспечивающих существенное повышение информационной скорости передачи в условиях дефицита физической пропускной способности канала, а также наличие интерфейсов для эффективного подключения к сети различных типов оконечных пользовательских устройств.

Протокол FR выполняет функции первого, частичного второго и третьего уровней модели ВОС. Он позволяет устанавливать соединение между взаимодействующими узлами сети, что аналогично соединению по Х.25 в случае, когда используется постоянное виртуальное соединение (PVC). Внутри каждого физического канала может быть создана совокупность PVC (логических каналов), что и объясняет "высокую степень связности", обеспечиваемую протоколом FR. Что касается коммутируемых виртуальных соединений (SVC), то их использование в FR-сетях описывается специальными протоколами.

Сети FR могут выступать альтернативой сетей Х.25. Например, ЛВС могут подключаться к сети непосредственно по интерфейсу FR, и тогда FR-сеть выполняет те же функции по обеспечению взаимодействия удаленных ЛВС, что и сеть Х.25. В других случаях сеть FR выступает в качестве высокоскоростной магистрали для объединения ряда сетей Х.25. Такое решение легко реализуется, так как большинство современных устройств центров коммутации пакетов сетей Х.25 оборудованы портами FR.

В отличие от сетей Х.25, где на сетевом уровне обеспечивается гарантированная передача пакетов (в случае искажения при передаче какого-либо пакета происходит его повторная передача), кадр FR не содержит переменных нумераций передаваемых и подтверждаемых кадров. При межузловом обмене информацией в сетях FR ошибочные кадры просто "выбрасываются", их повторная передача средствами FR не происходит. Для обеспечения гарантированной и упорядоченной передачи кадров необходимо использовать либо протоколы более высокого уровня (например, протокол ТСР/IР), либо дополнение к протоколу FR (например, Q.922).

Кадр FR-сети имеет минимальную избыточность, т.е. доля служебной информации в кадре по отношению к передаваемым данным пользователя минимальна. Это способствует сокращению времени на передачу фиксированного объема информации. Кроме того, в сети FR может производиться маршрутизация своими средствами (без задействования механизмов маршрутизации по Х.25 или по протоколу IP), что значительно увеличивает скорость маршрутизации. Однако такой эффект достигается только при использовании каналов, качество которых соответствует требованиям технологии FR. В противном случае сравнительно много кадров будут передаваться с ошибкой, и потребуется повторная передача кадров, обеспечиваемая дополнительными средствами. Это снизит информационную скорость передачи информации и более эффективной в этом случае станет сеть Х.25.

Эффективность технологии FR достигается также использованием специфических механизмов, управляющих загрузкой сети. Эти механизмы обеспечивают практически гарантированное время доставки кадров через сеть и одновременно дают возможность сети адаптироваться к крайне неравномерным во времени типам трафика (например, к трафику ЛКС).

Стремительному развитию технологии FR и повышению ее эффективности способствует ряд факторов, в частности улучшение качества каналов связи, использование современного многофункционального каналообразующего оборудования. К новому классу такого оборудования относятся мультимедийные пакетные коммутаторы (МПК).

Коммутаторы МПК, использующие технологию FR для транспортировки информации, совмещают несколько функций:

• статистическое уплотнение каналов передачи данных, при котором фиксированные промежутки времени в уплотняемом канале не предоставляются отдельно каждому каналу, как это имеет место при использовании метода временного уплотнения; информация каждого канала разбивается на отдельные блоки, к блоку прибавляются заголовок, содержащий идентификатор соответствующего канала, и хвост, что образует единицу передачи информации - кадр, с помощью которого могут передаваться все виды трафика. Основные преимущества такого уплотнения: динамическое распределение пропускной способности уплотненного канала связи в зависимости от активности в каналах передачи данных, возможность предоставления пропускной способности по требованию, возможность установки приоритетов для различных видов трафика;

• коммутация и передача различных видов трафика;

• управление потоком информации и установка приоритетов;

• поддержка функций телефонных станций. К функциям АТС, выполняемым МПК, относятся оцифровка и коммутация голоса, передача факсимильных сообщений. Для технологии FR характерным является возможное увеличение задержки при передаче голоса по сравнению с обычной телефонной сетью. Устранить это явление можно путем установления более высокого приоритета для голосового трафика и применения фрагментации кадров.

Распространению технологии FR способствует также наличие стандартов, обеспечивающих совместимость сетей FR с другими сетями. Например, имеется стандарт IETF 1294 для преобразования пакетов TCP/IP в кадры FR. Есть стандарты, обеспечивающие совместимость FR с самыми высокопроизводительными и современными сетями - сетями АТМ. При "входе"в сеть АТМ длинные кадры FR разбиваются на короткие, размещаемые внутри АТМ-ячеек, а при "выходе" из сети АТМ из ячеек АТМ-сети извлекаются фрагменты кадров FR и из них собираются полные кадры FR.

В настоящее время за рубежом, особенно в США, наблюдается стремительное развитие сетей FR. За один 1996-й год число пользователей этих сетей выросло более чем в три раза. В начале 1997 г. около 1800 фирм США строили свои корпоративные сети на базе магистральных сетей FR. Наиболее распространенные способы доступа к сетям FR: использование выделенных линий; через сети Х.25 по обычным коммутируемым телефонным линиям; через ISDN для передачи данных и голоса.

В России большинство сетей передачи данных общего пользования также предоставляют пользователям FR-сервис. Основная проблема с реализацией магистральной сети FR заключается в том, что те магистральные междугородние каналы, которые построены на базе телефонных линий (линий тональной частоты), не обеспечивают необходимое для сети FR качество передачи. Для построения сетей FR самые широкие возможности имеют те предприятия, решения которых основаны на базе оптоволоконных или спутниковых каналов связи.

Технология FR и в будущем сохранит свои преимущества и актуальность, поскольку она обеспечивает идеальный доступ к высокоскоростной магистральной АТМ-сети по низкоскоростным каналам связи. Эта технология в настоящее время является наиболее эффективной для приложений, связанных с интеграцией неравномерного (пульсирующего) трафика локальных сетей и чувствительной к задержке голосовой информации.

17.13. Сети и технологии ISDN и SDN

17.13.1. Сети и технологии ISDN

Сети ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией услуг) относятся к классу сетей, изначально предназначенных для передачи, как данных, так и голоса. Это сети, обеспечивающие цифровое соединение между оконечными абонентами сети для предоставления широкого набора услуг, к которым пользователи получают доступ через ограниченное число стандартных многофункциональных интерфейсов.

В сетях ISDN используется цифровая технология, получающая все большее распространение, так как:

• цифровые устройства, используемые в ISDN, производятся на основе интегральных схем высокой интеграции; по сравнению с аналоговыми устройствами они отличаются большой надежностью и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуатации, как правило дешевле;

• цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу (акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных данных);

• цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи и хранения, которые присущи аналоговым технологиям.

В сетях ISDN при передаче аналогового сигнала осуществляется преобразование его в последовательность цифровых значений, а при приеме - обратное преобразование.

Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени. Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электрические, механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажение сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затухание сигнала при передаче через среду, подверженность влиянию шумов в канале и др.

В ISDN эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения амплитуды огибающей синусоидальных колебаний в точках, на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут ниже порогового значения.

Подключение пользовательского оборудования к сети ISDN производится на одной из двух стандартных скоростей [62]. Первая из них - "базовая" скорость (BRI - Basic Rate Interface), а вторая - "первичная" (PRI - Primary Rate Interface). При передаче информации по BRI в канале создаются три логических подканала, два из которых, называемые В-каналами, предназначены для передачи "полезной" информации пользователя (в частности, голоса). Каждый из В-каналов требует полосы пропускания 64 Кбит/с. Третий подканал, называемый D-каналом, требует такой же полосы пропускания и используется, прежде всего, для передачи служебной информации, которая определяет порядок обработки информации, передаваемой по В-каналам. Иногда Dканал используется для передачи полезной информации, его полоса пропускания равна 16 Кбит/с. Следовательно, общая полоса пропускания, т.е. скорость передачи, соответствующая интерфейсу BRI, составляет 144 Кбит/с.

Канал PRI имеет свою специфику в разных странах. В США, Канаде и Японии он состоит из двух В-каналов и одного D-канала, каждый из них имеет пропускную способность 64 Кбит/с, а общая пропускная способность PRI-канала равна 1536 Кбит/с (с учетом служебной информации). В Европе канал PRI занимает полосу пропускания 1920 Кбит/с.

Большая полоса пропускания каналов, необходимая для построения сетей ISDM, является основным препятствием на пути их распространения, особенно в странах со слабо развитой инфраструктурой высокоскоростных каналов связи. Однако существуют механизмы, позволяющие строить такие сети, более экономно используя полосу пропускания каналов связи. Один из таких механизмов позволяет уплотнять В-каналы, используемые для передачи голоса. При этом реализуется техника кодирования (преобразования акустических сигналов в цифровой код), получившая название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В настоящее время техника кодирования голоса шагнула далеко вперед, обеспечивая вполне приемлемое качество голосовой связи при гораздо меньшей полосе пропускания (в одном из практических случаев голосовая информация, передаваемая по каждому из В-каналов, сжимается и передается со скоростью 6,33 Кбит/с).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется различными методами. Один из них - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938г. А.Х. Ривсом (США).

17.13.2. Импульсно-кодовая модуляция

При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование (рис. 9.13.2.1).

Рис. 9.13.2.1. Преобразование аналогового сигнала в 8-элементный цифровой код

Первый этап основан на теории отображения Найквиста. Основное положение этой теории гласит: "если аналоговый сигнал отображается на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше максимальной частоты исходного сигнала в канале, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала". При передаче акустических сигналов (речи) представляющие их электрические сигналы в телефонном канале занимают полосу частот от 300 Гц до 3300 Гц. Поэтому в ISDN принята частота отображений, равная 8000 раз в секунду. Отображения, каждое из которых называется сигналом импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ), запоминаются, а затем трансформируются в двоичные образы.

На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ - сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256 - шаговом квантовании) двоичный код. На рис. 5.10.2.1 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантовому сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8элементными кодами -64 Кбит/с.

В современных ISDN используется и другая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же.

Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

17.13.3. Факторы, способствующие развитию технологий ISDN

По мнению специалистов, развитию сетей и технологий ISDN способствуют такие факторы:

• либерализация и приватизация в области телекоммуникаций (это приводит в появлению новых конкурентов и новых сетевых продуктов);

• сближение технологий информатизации, телекоммуникаций и отрасли развлечений (это положительно воздействует на развитие кабельного телевидения, спутниковой связи и радиодоступа, при этом на первое место выходит задача обеспечения комплексности предоставления услуг связи);

• развитие сети Internet;

• непрекращающийся рост сетей подвижной связи (эти сети растут значительно быстрее фиксированных сетей, причем наблюдается перераспределение трафика - с фиксированных сетей на сети подвижной связи).

Разное состояние этих факторов, выступающих в роли движущих сил развития ISDN-сетей, приводит к различию стратегических и тактических подходов в деле их внедрения в разных странах.

17.13.4. Роль ISDN-сетей

Резкое возрастание роли ISDN-сетей объясняется тем, что они обеспечивают интегрированный доступ к речевым и неречевым услугам, имеют сложившуюся инфраструктуру, являются цифровыми сетями, основанными на использовании цифровых каналов 64 Кбит/с, обладают достаточной гибкостью. Популяризация ISDN-сети возрастает, поскольку по определению она является мультисервисной (обеспечивает услуги по предоставлению связи, доставке информации, а также дополнительные услуги), ориентированной на приложения. Термин "приложение" означает определенную сферу применения ISDN (например, дистанционное обучение), а термин "решение" используется для объяснения, каким образом данное приложение реализуется средствами ISDN (дистанционное обучение осуществляется с помощью услуги видеоконференц-связи).

Технология ISDN стабильно развивается, а сеть на ее основе имеет необходимые интерфейсы с не ISDN-сетями. Кроме того, имеется большой набор терминального оборудования для ISDN-сетей.

Терминальное оборудование ISDN разбивается на такие группы:

цифровые телефонные аппараты, терминальные адаптеры для ПК, оборудование видеосвязи.

Основные средства доступа к сети ISDN: маршрутизаторы или мосты локальных сетей, оконечные сетевые устройства базового и первичного доступа для ВОЛС и медных линий связи, мультиплексоры (для сбора и передачи информации от удаленных абонентов), системы для проведения видеоконференций, мини-УАТС (управленческие автоматические телефонные станции).

Цифровые УАТС с функциями ISDN позволяют: более полно использовать каналы связи для передачи данных и речи, выйти абоненту в сеть ISDN с различных устройств (телефона, факса, компьютера), одновременно передавать речь и данные (если в составе УАТС имеются двухпроводные цифровые телефонные аппараты с расширенными функциями и портом для подключения ПК), подключать мосты или маршрутизаторы для взаимодействия удаленных ЛВС.

Сети и технологии ISDN предоставляют пользователям следующие основные услуги: передача данных со скоростью 64 Кбит/с, передача речи в цифровом виде, телетекст, факс, видеосвязь. При использовании каждой из них абонент может воспользоваться такими дополнительными услугами: организация замкнутых групп пользователей, организация конференцсвязи, предоставление сети своего номера или отказ на предоставление и др.

Таким образом, сети ISDN, основной целью разработки которых было объединение в одной сети трафиков цифровых телефонных сетей и компьютерных данных, в настоящее время широко используются для решения задач по передаче информации в следующих областях: телефония, передача данных, объединение ЛВС, доступ к глобальным компьютерным сетям, интеграция различных видов трафика, передача трафика, чувствительного к задержкам (звук, видео).

17.13.5. Сети и технологии SDH

В сетях стандарта SDH (Synchronous Digital Hierarchy - синхронная цифровая иерархия) реализуется технология синхронных волоконно-оптических сетей. Это высокоскоростные сети цифровой связи, которые строятся на базе оптоволоконных кабельных линий или цифровых радиорелейных линий. Основу инфраструктуры современных высокоскоростных телекоммуникационных сетей (магистральных, региональных или городских) составляют цифровые линии и узлы сети стандарта SDH.

При построении сетей SDH используются следующие модули:

• мультиплексоры SDH - это основные функциональные модули сетей SDH, предназначенные для сборки высокоскоростного потока информации из низкоскоростных потоков и разборки

высокоскоростного потока на низкоскоростные;

• коммутаторы - обеспечивают связь каналов, закрепленных за пользователями, путем полупостоянного перекрестного соединения между ними;

• концентраторы - служат для объединения однотипных потоков нескольких удаленных узлов сети в одном распределенном узле;

• регенераторы - это устройства мультиплексирования с одним оптическим каналом доступа и одним - двумя выходами, используемыми для увеличения расстояния между узлами сети SDH.

Сети и технологии SDH отличаются высоким уровнем стандартизации (что позволяет в одной сети использовать оборудование разных фирм-производителей), высокой надежностью

(централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния узлов), наличием полного программного контроля (отслеживание и регистрация аварийных ситуаций, управление конфигурацией сети осуществляется программными средствами с единой консоли управления), возможностью оперативного предоставления услуг по требованию, сравнительно простой схемой развития сети. Благодаря этим преимуществам технология SDH стала основной при построении цифровых транспортных сетей самого различного масштаба.

Топология всей SDH-сети формируется из отдельных базовых топологий типа "кольцо", "линейная цепь", "звезда", "точка-точка", которые используются в качестве сегментов сети. Чаще применяется радиально-кольцевая архитектура SDH-сети, построенная на базе кольцевой и линейной топологий.

В России наибольшую активность в использовании SDHтехнологии проявляет АО "Ростелеком". Это АО ежегодно строит 5-6 тыс. км магистральных цифровых линий на основе волоконнооптических кабелей (ВОЛС) и цифровых радиорелейных линий. Компанией RASCOM построена в 1994 г. и эксплуатируется высокоскоростная цифровая оптоволоконная магистральная линия стандарта SDH между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 690 км.

17.14. Сети и технологии АТМ

17.14.1. Общие сведения

Технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи) является одной из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей. Она обеспечивает максимально эффективное использование полосы пропускания каналов связи при передаче различного рода информации: голоса, видеоинформации, данных от самых разных типов устройств - асинхронных терминалов, узлов сетей передачи данных, локальных сетей и т.д. (к таким сетям относятся практически все ведомственные сети). Сети, в которых используется АТМ-технология, называются АТМ-сетями. Эффективность АТМ-технологии заключается в возможности применения различных интерфейсов для подключения пользователей к сетям АТМ.

Основные особенности АТМ-технологии:

1. АТМ - асинхронная технология, т.к. пакеты небольшого размера, называемые ячейками (cells), передаются по сети, не занимая конкретных временных интервалов, как это имеет место в В-каналах сетей ISDM.

2. Технология АТМ ориентирована на предварительное (перед передачей информации) установление соединения между двумя взаимодействующими пунктами. После установления соединения АТМячейки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая ячейка имеет поля, идентифицирующие соединение, к которому она относится.

3. По технологии АТМ допускается совместная передача различных видов сигналов, включая речь, данные, видеосигналы. Достигаемая при этом скорость передачи (от 155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с) может быть обеспечена одному пользователю, рабочей группе или всей сети. В АТМ-ячейке не предусматриваются позиции для определенных видов передаваемой информации, поэтому пропускная способность канала регулируется путем выделения полосы пропускания потребителю.

4. Поскольку передаваемая информация разбивается на ячейки фиксированного размера (53 байта), алгоритмы их коммутации реализованы аппаратно, что позволяет устранить задержки, неизбежные при программной реализации коммутации ячеек.

5. АТМ-технология обладает способностью к наращиваемости, т.е. к увеличению размера сети путем каскадного соединения нескольких АТМ-коммутаторов.

6. Построение АТМ-сетей и реализация соответствующих технологий возможны на основе оптоволоконных линий связи, коаксиальных кабелей, неэкранированной витой пары. Однако в качестве стандарта на физические каналы для АТМ выбран стандарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой иерархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации, разработанная для SDH, стала АТМ-технологией.

7. АТМ-технологии могут быть реализованы в АТМ-сетях практически любой топологии, но оконечное оборудование пользователей подключается к коммутаторам АТМ индивидуальными линиями по схеме "звезда".

Главное отличие АТМ-технологии от других телекоммуникационных технологий заключается в высокой скорости передачи информации (в перспективе - до 10 Гбит/с), причем привязка к какой-либо одной скорости отсутствует. Важным является и то обстоятельство, что АТМ-сети совмещают функции глобальных и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для "прозрачной" транспортировки различных видов трафика и доступа к услугам и службам взаимодействующих с сетью АТМ-сетей.

17.14.2. Каналы, используемые АТМ-технологией

АТМ-технология допускает использование как постоянных (PVC), так и коммутируемых виртуальных каналов (SVC).

PVC представляет собой соединение (после предварительной настройки) между взаимодействующими пользователями сети, которое существует постоянно. Устройства, связываемые постоянным виртуальным каналом, должны вести довольно громоздкие таблицы маршрутизации, отслеживающие все соединения в сети. Следовательно, рабочие станции, соединенные PVC, должны иметь таблицы маршрутизации всех остальных станций сети, что нерационально и может вызывать задержки в передаче.

Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) позволяют устранить необходимость ведения сложных таблиц маршрутизации и таким образом повысить эффективность функционирования сети. Здесь соединение устанавливается динамически, при этом используются АТМ-маршрутизаторы. В отличие от традиционных маршрутизаторов, которые требуют физического подключения сетевого сегмента к каждому из своих портов, в АТМ-маршрутизаторах используется не физическая архитектура с ориентацией на соединения, а виртуальная сетевая архитектура, ориентированная на протоколы. Такие маршрутизаторы необходимы и удобны для создания виртуальной сети, для которой характерной является возможность переключения пользователей, находящихся в любой точке сети, с одного сегмента на другой с сохранением виртуального адреса рабочей группы, что упрощает администратору сети задачу учета изменений списка пользователей.

АТМ-технология способна обрабатывать трафики различных классов.

17.14.3. Трафики, допустимые в режиме АТМ

В существующих спецификациях предусмотрены четыре класса трафика, которые могут быть в режиме АТМ:

Класс А - синхронный трафик с постоянной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения. Протокол, обслуживающий трафик этого класса, предназначен для обеспечения потребностей в сетевых услугах при передаче информации с постоянной скоростью (передача и прием АТМ-ячеек по АТМ-пути осуществляются с одной и той же скоростью). Примеры такого трафика - несжатая речь, видеоинформация.

Класс В - синхронный трафик с переменной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения (например, сжатая речь, видеоинформация). Здесь, как и в случае трафика класса А, необходимы синхронизация аппаратуры отправителя и получателя и предварительное установление связи между ними, но допускается переменная скорость передачи. Информация передается через фиксированные промежутки времени, но ее объем в течение сеанса передачи может изменяться. Если объем передаваемой информации превышает фиксированный размер одной ячейки, эта информация разбивается на несколько ячеек, сборка которых осуществляется в пункте назначения.

Класс С - асинхронный трафик с переменной скоростью передачи с предварительным установлением соединения. Здесь синхронизации аппаратуры отправителя и получателя не требуется. Такой способ передачи необходим в сетях с коммутацией пакетов (сети Х.25, Internet, сети с ретрансляцией кадров). Трафик класса С, видимо, станет основным для передачи информации в глобальных сетях.

Класс D - асинхронный трафик с переменной скоростью передачи и без установления соединения. Протокол, управляющий доставкой трафика класса D, разработан для обеспечения многобитовой коммутации данных без установления соединения. В этом протоколе предусматривается использование кадров переменной длины: с помощью передатчика каждый кадр делится на сегменты фиксированного размера, которые помещаются в АТМ-ячейки; приемник собирает сегменты в исходный кадр, завершая таким образом процесс, который называется сегментацией и сборкой.

Режим асинхронной передачи основан на концепции двух оконечных пунктов сети (абонентских систем, терминалов), осуществляющих связь друг с другом через совокупность промежуточных коммутаторов. При этом используются интерфейсы двух типов: интерфейс пользователя с сетью (UNI - User-to-Network Interface) и интерфейс между сетями (NNI - Network-to-Network Interface). UNI соединяет устройство оконечного пользователя с общедоступным или частным АТМ-коммутатором, а NNI представляет собой канал связи между двумя АТМ-коммутаторами сети

(рис.9.14.3.1).

Рис. 9.14.3.1. Сеть на базе АТМ

Соединение между двумя оконечными пунктами сети (напомним, что АТМ-технология ориентирована на предварительное установление соединения) возникает с того момента, когда один из них передает через UNI запрос в сеть. Этот запрос через цепочку АТМ-коммутаторов отправляется в пункт назначения для интерпретации. Если узел-адресат принимает запрос на соединение, то в АТМ-сети между двумя пунктами организуется виртуальный канал. UNI-устройства этих пунктов и промежуточные узлы сети (т.е. АТМ-коммутаторы) обеспечивают правильную маршрутизацию ячеек за счет того, что каждая АТМ-ячейка содержит два поля - идентификатор виртуального пути (VPI - Virtual Path Identifier) и идентификатор виртуального канала (VCI - Virtual Circuit Identifier). Информация, содержащаяся в полях VPI и VCI АТМячейки, используется для однозначного решения задачи маршрутизации даже в случае, если у оконечной системы организовано несколько виртуальных связей.

17.14.4. Развитие технологии АТМ

Движущей силой развития технологии АТМ является ее эффективность в обслуживании низкоскоростных приложений и возможность работы на сравнительно низких скоростях (от 2 Мбит/с). Говорить о "конкуренции" сетей FR и АТМ неправомочно, т.к. в настоящее время FR является основным интерфейсом доступа к сетям АТМ, позволяющим обеспечивать передачу по сети АТМ разнородного трафика, динамически распределяя полосу пропускания.

Совмещение разнородных телекоммуникационных сетей, построенных на базе различных технологий (Х.25, FR, IP и др.), для предоставления пользователям всего спектра услуг в настоящее время возможно только при использовании технологии АТМ. Возможности этой технологии по совмещению различных ТСС возрастают, несмотря на их существенные различия, главные из которых состоят: в приспособленности к передаче разнородной информации (данных, голоса, видеоинформации), возможности полного использования имеющейся полосы пропускания и адаптации к качеству каналов связи, в наличии и качестве интерфейсного оборудования связи с другими сетями, в степени рассредоточенности элементов сети, а также в степени распространенности в том или ином регионе.

18. Эффективность функционирования и перспективы развития

компьютерных сетей

18.1. Понятие эффективности функционирования компьютерных сетей

Эффективность функционирования КС как некоторой человекомашинной системы - это ее способность достигать поставленную цель в заданных условиях применения и с определенным качеством или иначе: это комплексное операционное свойство целенаправленного процесса ее функционирования, характеризующее приспособленность этого процесса к достижению цели реализуемой системой операции. Под целью понимается желаемый результат функционирования, достижимый в течение определенного времени. Операция - это упорядоченная совокупность взаимосвязанных действий, направленных на достижение заданной цели. Под системой понимается совокупность взаимосвязанных эргатических и неэргатических элементов (аппаратных, программных, информационных средств, обслуживающего их персонала, пользователей), непосредственно участвующих в процессе выполнения операции.

Объектом исследования теории эффективности является операция, т.е. процесс применения (функционирования) системы. Применительно к КС под операцией понимается упорядоченная совокупность взаимосвязанных действий эргатических и неэргатических элементов сети, направленных на удовлетворение запросов пользователей.

Предметом исследования этой теории являются закономерности оптимальной организации процесса функционирования системы.

Следовательно, понятие эффективности относится к операции, к процессу функционирования системы, а не непосредственно к системе, когда используется другое понятие - качество. Качество системы - это совокупность ее свойств, обусловливающих пригодность системы удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Под свойством системы понимается ее объективная особенность, проявляемая при создании и эксплуатации (использовании) системы. Важно подчеркнуть, что понятие эффективности функционирования системы является более широким, чем понятие качества системы. Эффективность зависит от качества, но не наоборот. Оценивание эффективности связано не только со свойствами системы, но и со свойствами результата ее функционирования и ресурсов, затрачиваемых на достижение данного результата, т.е. с оцениванием объектов, не включаемых в систему. Иначе говоря, эффективность функционирования системы определяется не только свойствами системы, но и способами и условиями ее применения. Понятие эффективности предусматривает совместный анализ эффекта и затрат на его достижение.

Иногда для краткости вместо длинного термина "эффективность процессов функционирования системы" употребляют более короткий термин "эффективность системы", имея в виду при этом ту же трактовку.

Вопросы оценки эффективности функционирования КС необходимо рассматривать в тесной связи с теми целями, которые достигаются (или должны быть достигнуты) при их использовании. Это положение является ключевым в самом определении эффективности.

18.2. Факторы, определяющие эффективность функционирования

компьютерных сетей

При оценке эффективности функционирования КВС следует базироваться на основополагающих, методологических предпосылках, которые заключаются в следующем.

1. КС принадлежит к классу человеко-машинных систем (СЧМ). Это относится и к отдельным функциональным частям сети (подсистемам): абонентским системам, сетям передачи данным и их звеньям и узлам, центрам обработки информации КС и др. Следовательно, при исследовании эффективности сетей, независимо от их принадлежности к тому или иному типу СЧМ, необходимо учитывать параметры и характеристики всех трех компонентов: человека (обслуживающего персонала сети и пользователей), машины (программно-аппаратных средств сети) и производственной среды.

2. Оценка эффективности функционирования КС должна осуществляться всесторонне, так как сама эффективность является наиболее общим, интегральным свойством, обусловливающим качество операции. Она зависит от всех факторов, влияющих на процесс проведения операции.

В связи с этим эффективность целесообразно рассматривать как интегральное свойство, определяющее:

• степень соответствия сети своему назначению (целевая эффективность);

• техническое совершенство сети (техническая эффективность);

• экономическую целесообразность (экономическая эффективность);

3. Эффективность КС должна оцениваться с учетом влияния на процессы функционирования сети всех факторов.

Факторы, определяющие эффективность функционирования КС, можно разбить на такие группы:

a) свойства самой сети:

• общие: готовность, надежность, живучесть, ремонтопригодность;

• индивидуальные: структура сети, функциональные возможности сети в целом и ее эргатических и неэргатических элементов;

b) свойства привлекаемых ресурсов: • количество ресурсов каждого типа;

• качество привлекаемых ресурсов;

c) свойства условий функционирования сети:

• неуправляемые (природные условия, воздействие источников помех, интенсивность неуправляемых потоков запросов пользователей и др.);

• управляемые (организация функционирования, реализуемые способы доступа к передающей среде и управления обменом данных и др.).

4. В рамках комплексного исследования эффективности КС (подсетей, систем, узлов и звеньев) должна предусматриваться оценка эффективности внедрения новой техники (новых аппаратных, программных и информационных средств) и технологий.

Новая техника и технологии (НТТ), внедряемые в КС, могут быть разделены на три группы:

• НТТ-1 - новая техника и технологии, непосредственно участвующие в процессе производства продукции, т.е. в процессе удовлетворения запросов пользователей. К ним относятся: новые аппаратные и программные средства, непосредственно участвующие в передаче и обработке информации по запросам пользователей; новые информационные средства, используемые для удовлетворения этих запросов; новые сетевые технологии, также непосредственно используемые в процессе производства продукции сетей;

• НТТ-2 - новая техника и новые информационные технологии, используемые для управления деятельности организации, использующей КС. К ним относятся новые средства информатизации этой организации и автоматизации управления ее деятельностью. Непосредственно в производстве продукции они не участвуют;

• НТТ-3 - новые средства, входящие в состав

эргономического обеспечения и предназначенные для повышения эффективности трудовой деятельности операторов (администраторов, пользователей) человеко-машинных систем, функционирующих в составе КС.

Принадлежность внедряемых средств и технологий к одной из указанных групп определяется их назначением.

5. КС - сложная человеко-машинная система, процесс функционирования которой определяется и характеризуется многими показателями и параметрами. В связи с этим проводить оценку эффективности такой системы как единого и неделимого целого не всегда целесообразно и нередко трудно осуществимо. Оценку можно проводить отдельно для крупных функциональных частей КС, таких как ЛК, входящих в состав КС, сети связи, центры обработки информации и др. Полученные дифференциальные оценки используются для формирования интегральных оценок всей сети.

6. Оценка эффективности функционирования системы эргономического обеспечения разработки и эксплуатации (СЭОРЭ) КС или ее функциональных частей может осуществляться автономно ввиду специфичности такой оценки. Эргономическое обеспечение (ЭО) оказывает существенное влияние на выходные техникоэксплуатационные и технико-экономические характеристики сети, а также на качество производимой сетью продукции с учетом того, что эта продукция имеет специфический характер (это результаты удовлетворения запросов пользователей сети). Требования по качеству продукции КС во многом определяются ее видом. На первый план могут быть поставлены своевременность, достоверность, объем предоставляемой информации и др. Расходы на формирование и функционирование СЭОРЭ КС, связанные с обеспечением требуемого качества продукции сети, должны иметь обоснованные ограничения, так как по мере роста требований по качеству эти расходы увеличиваются форсированно.

При эксплуатации (использовании) КС увеличиваются также расходы на контроль качества продукции, обусловленного эргономическим обеспечением. Здесь важное значение приобретают организационные формы и мероприятия по контролю, методы и средства контроля, задачи, функции и технология работы службы контроля (если есть необходимость в ее организации), методы и средства оценки эффективности контроля.

Таким образом, при оценке эффективности (тем более экономической эффективности) системы эргономического обеспечения должны учитываться расходы на достижение требуемого качества продукции КС, обусловленного функционированием этой системы, а также расходы на упомянутый выше контроль качества продукции.

18.3. Основные показатели эффективности компьютерных сетей

Показатель эффективности (ПЭ) сети - это количественная характеристика КС, рассматриваемая применительно к определенным условиям ее функционирования. При оценке эффективности КС необходимо учитывать характеристики трудовой деятельности человека, взаимодействующего с ЭВМ и другими техническими средствами сети. Следовательно, сеть рассматривается как система "человек-машина" (СЧМ).

Показатель эффективности КС определяется процессом ее функционирования, он является функционалом от этого процесса. В общем виде

W=W(t, Lп, Lтп, Lа, Lд, Lу),

где W - множество ПЭ сети; t - время;

Lп, Lтп, Lа, Lд, Lу - множества параметров соответственно входящих потоков запросов на обслуживание пользователей (Lп), технических и программных средств сети (Lтп), алгоритмов обработки и передачи информации в сети (Lа), деятельности пользователей и администраторов (Lд), условий функционирования сети (Lу).

В свою очередь

Lд={Lт, Lв, Lн},

где Lт, Lв, Lн - множества выходных показателей деятельности пользователей КС соответственно точностных (Lт), временных (Lв), надежностных (Lн).

Значения компонентов множеств Lт, Lв, Lн определяются конкретными процессами деятельности пользователей в рассматриваемой КС, средствами, которые имеются в их распоряжении для выполнения своих функций, и условиями работы.

В соответствии с конкретизацией понятия эффективности показатели множества W можно разделить на три группы: W={Wц, Wт, Wэ},

где Wц - показатели целевой эффективности функционирования КС, или эффективности использования (целевого применения) КС, это количественная мера соответствия сети своему назначению;

Wт - показатели технической эффективности КС, это количественная мера, отражающая техническое совершенство сети;

Wэ - показатели экономической эффективности функционирования КС, это количественная мера экономической целесообразности использования сети.

Показатели целевой эффективности КС. Выбор показателей целевой эффективности сети определятся ее назначением, в связи с чем имеет место большое многообразие показателей группы Wц. С помощью этих показателей оценивается эффект (целевой результат), получаемый за счет решения тех или иных прикладных задач на ЭВМ сети (с использованием общесетевых ресурсов - аппаратных, программных, информационных), а не с использованием других, малоэффективных средств. Для количественной оценки этого эффекта могут применяться самые различные единицы измерения.

Примеры показателей целевой эффективности:

• точностные (Wтн), надежностные (Wн) и временные (Wв) показатели, применяемые в системах специального назначения для оценки эффективности использования в них сетевых структур. Например, прирост вероятности выполнения некоторого задания, сокращение времени на выполнение этого задания, повышение точности решения некоторой задачи;

• временные показатели целевого использования сетевых структур в управлении народным хозяйством на различных его уровнях, характеризующие повышение оперативности управления;

• показатели целевой эффективности КС при решении задач планирования народного хозяйства на различных его уровнях (отрасль, подотрасль, объединение, организация, фирма, предприятие и т.д.). Здесь могут быть две группы этих показателей: а) показатели эффективности использования ресурсов КС для составления краткосрочных, текущих планов. Эффект определяется тем, что разработка планов при этом осуществляется быстрее, точнее и полнее, с учетом большего количества факторов; б) показатели эффективности использования сетевых структур для составления долгосрочных (перспективных) планов. В этом случае эффект определяется не только тем, что разработанный с применением КС перспективный план будет получен быстрее и окажется точнее и полнее, но что он вообще стал возможным благодаря использованию сетевых ресурсов.

• показатели, характеризующие повышение качества продукции, технология производства которой включает использование КС (например, использование ЛК на предприятиях);

• показатели, характеризующие экономику производства продукции с применением сетевых структур (например, повышение производительности труда, увеличение объема выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости, увеличение доли экспортируемой продукции и т.д.), если цель использования КС заключается именно в улучшении характеристик производственно-хозяйственной деятельности предприятия или организации. В этом случае показатели целевой эффективности одновременно являются и показателями экономической эффективности.

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

Для оценки технической эффективности сети целесообразно использовать следующие показатели:

• Vпд - пропускная способность сети, т.е. средний поток данных, фактически передаваемых через сеть (измеряется в Мбит/с). Этот показатель может использоваться для оценки как многомагистральной КС, так и одномагистральной (например, локальной сети, где данные передаются по моноканалу). Следует отличать фактическую пропускную способность канала или линии связи от физической пропускной способности Vк, которая определяется возможностями и свойствами передающей среды и является одним из главных ее параметров. Очевидно, что величина Vпд существенно зависит от физической пропускной способности канала или линии связи. Но она определяется и многими другими факторами: используемыми методами доступа в передающую среду, загрузкой канала, способами управления сетью, качеством и возможностями сетевой операционной системы и т.д. Все эти факторы обусловливают потоки передаваемых данных и фактическую скорость их передачи, т.е. фактическую (а не физическую) пропускную способность канала;

• Тзс - задержка в сети, вносимая в передачу данных пользователя, т.е. время доставки сообщения от отправителя к получателю;

• Vф - скорость передачи фреймов (коротких сообщений длиной 1000-2000 бит), т.е. количество фреймов, передаваемых за единицу времени по сети. Это дополнительный показатель, используемый в случае, когда поток данных (трафик) содержит в основном только короткие фреймы;

• Тзс=?(Vпд) - зависимость времени задержки сообщения в сети от средней пропускной способности. Описание эффективности сети с помощью такой зависимости имеет большое значение, так как при увеличении загрузки сети (увеличении фактического потока данных) пользователь должен ожидать больше времени для начала передачи своих данных.

Для оценки технической эффективности отдельных звеньев КС (узлов обработки, узлов связи, центров коммутации пакетов и т.д.), обслуживающих запросы пользователей сети, удобными оказываются следующие показатели.

1. Интегральная пропускная способность звена сети на отрезке времени [0,t]:

?и (0,t) = no(0,t)/nп(0,t)

где nо(0,t), nп(0,t) - число запросов, соответственно

обслуженных звеном сети на отрезке времени [0,t] и поступивших на этом же отрезке.

Она показывает, как в среднем звено сети справляется с обслуживанием входящего потока запросов от момента начала отсчета работы до некоторого момента t (например, за смену, сутки, месяц).

2. Динамическая пропускная способность ?д(?t,t), представляющая собой отношение числа запросов no(?t,t), обслуженных звеном сети на сравнительно небольшом интервале ?t к моменту времени t, к числу запросов nп(?t,t), поступивших в звено на том же интервале и к тому же моменту t:

?д(?t,t) = no(?t,t)/nп(?t,t)

Динамическая пропускная способность позволяет судить о том, как звено сети справляется с обслуживанием входящего потока запросов на любом заданном (наиболее характерном) отрезке времени к любому текущему моменту. Она дает возможность отслеживать работу звена сети в динамике и вырабатывать рекомендации по обеспечению ритмичности его функционирования.

3. Среднее время реакции звена сети на запрос пользователя - Тр. Оно складывается из времени ожидания обслуживания запроса и времени собственно обслуживания. Этот показатель очень важен для оценки эффективности системы обслуживания при работе в интерактивном режиме.

4. Максимально возможное число активных абонентов, т.е.

абонентов, обращающихся с запросами на обслуживание в данный момент.

5. Коэффициент задержки обслуживания абонентов - это отношение среднего времени реакции на запрос абонента при максимальном количестве активных абонентов к этому же времени при минимальном их количестве.

Возможна ситуация, когда показатели технической эффективности звена сети одновременно являются и показателями целевой эффективности. Например, интегральная пропускная способность хозрасчетного звена сети, являющегося центром обработки информации (ЦОИ) по запросам пользователей. Поскольку удовлетворение каждого запроса сопровождается оплатой со стороны пользователей, для ЦОИ главной целью использования своих ресурсов является обеспечение максимальной пропускной способности. Но для пользователей, которые обращаются с запросами в ЦОИ, целевая эффективность ЭВМ будет определяться реализацией результатов решения задач по их запросам, т.е. тем, что находится за границами интересов ЦОИ.

18.4. Показатели экономической эффективности использования

компьютерных сетей

Для оценки экономической эффективности всей сети или отдельных ее элементов и звеньев могут использоваться две группы показателей: интегральные показатели и частные показатели.

С помощью интегральных показателей оценивается общий (суммарный, интегральный) эффект, а затем и интегральная экономическая эффективность ТВС (элемента или звена сети) с учетом всех капитальных и текущих (эксплуатационных) затрат и всей экономии за счет использования КС, т.е. по всем источникам прямой и косвенной экономии и по всем ее видам. Частные показатели необходимы для оценки частного экономического эффекта, получаемого по отдельным источникам экономии, которые создаются при внедрении новых аппаратных, программных, информационных средств или новых технологий работы КС.

В качестве интегральных показателей экономической эффективности ТВС можно рекомендовать давно апробированные показатели:

Эг - годовой экономический эффект, руб.;

Э~г - среднегодовой экономический эффект, руб.;

Эп - полный экономический эффект за расчетный период, руб.;

Еэ - коэффициент экономической эффективности капитальных вложений (или единовременных затрат, имеющих характер капитальных вложений) на создание и внедрение всей сети или отдельных ее элементов (звеньев) или на совершенствование и развитие сети, 1/год; Ток - срок окупаемости этих капитальных вложений, год.

Эти показатели могут быть как ожидаемыми (при априорной оценке), так и фактическими (при апостериорной оценке).

Величина Эг определяется как разность приведенных затрат, связанных с созданием, совершенствованием и эксплуатацией некоторой системы (сети в целом, ее отдельных элементов и звеньев) для базового и рассматриваемого (исследуемого) вариантов. В качестве базовой выбирается такая система, которая аналогична (является прототипом) исследуемой системе по назначению, структуре, объему и характеру выполняемой продукции или предоставляемых услуг и считается лучшей на данном этапе развития подобных систем. Однако в базовой системе отсутствуют новейшие средства и технологии, внедрение которых повышает ее эффективность. Рассматриваемая (исследуемая) система отличается от базовой использованием новейших средств и технологий, эффективность которых следует оценивать.

Приведенные затраты Зп представляют собой сумму текущих затрат С и капитальных вложений К, приведенных к одинаковой размерности с помощью нормативного коэффициента экономической эффективности капитальных вложений Ен:

Зп = С+Ен·К.

Следовательно,

Эг=Зп1-Зп2= (С1+ЕнК1)-(С2+ЕнК2) = (С1-С2)-Ен(К2-К1),

где Зп1, Зп2 - годовые приведенные затраты соответственно для

базового и исследуемого вариантов системы;

С1, С2 - годовые текущие затраты для этих же вариантов системы;

К2, К1 - капитальные вложения для базового и исследуемого вариантов системы.

Величины Еэ и Ток определяются по формулам:

Еэ = (С1-С2)/(К2-К1);

Ток = 1/Еэ

Использование исследуемой системы экономически

целесообразно, если выполняются условия

Еэ ? Ен или Ток ? Тн ,

где Тн - нормативный срок окупаемости капитальных вложений.

Оценка частного экономического эффекта от внедрения новых аппаратных, программных, информационных средств или новых технологий работы КС проводится с целью: обоснования экономической целесообразности их внедрения (особенно тех средств и технологий, экономическая эффективность которых вызывает сомнение и которые вместе с тем не дают сколько-нибудь заметного целевого эффекта, ради которого можно было бы пожертвовать экономическим эффектом); сравнения конкурирующих вариантов внедряемых средств и технологий по частным показателям, поскольку в ряде случаев именно эти показатели имеют решающее значение при выборе того или иного варианта.

Частные показатели отличаются большим многообразием. Примеры частных показателей: сокращение численности обслуживающего персонала всей сети или отдельных ее систем, элементов, звеньев за счет внедрения новых средств и технологий; годовая экономия на текущих затратах за счет продления эффективного срока эксплуатации сети, вызванного совершенствованием профподготовки ее обслуживающего персонала; годовая экономия на текущих затратах за счет реализации мероприятий, направленных на улучшение условий труда обслуживающего персонала и, следовательно, способствующих повышению эффективности их трудовой деятельности и др.

18.5. Перспективы развития компьютерных сетей

Высокие темпы совершенствования и развития компьютерных сетей обусловлены их важной ролью в решении задач информатизации общества, в обеспечении перехода от индустриального общества к информационному. КС аккумулируют все лучшее, что создано в области вычислительной техники и информатики, информационных технологий, средств и систем передачи данных. Для разработчиков открыты широкие возможности по развитию как сетей в целом, так и отдельных их систем, звеньев, узлов.

Можно выделить следующие направления и пути совершенствования и развития КС.

1. Развитие топологии сетей, направленное на обеспечение одновременного обслуживания запросов от большего количества абонентских систем и увеличение оперативности и надежности доставки пакетов адресатам за счет создания альтернативных маршрутов. Это касается как глобальных и региональных сетей, так и особенно локальных сетей. Стремление увеличить количество АС приводит к созданию локальных сетей со смешанной топологией - звезднокольцевой, звездно-шинной, сегментированной.

2. Развитие технических средств передачи и обработки информации в сетях: модемов, мостов, шлюзов, коммутаторов, маршрутизаторов, технического оснащения центров коммутации цепей, сообщений, пакетов, ЭВМ различного класса и назначения.

3. Развитие и совершенствование программного обеспечения сетей. В этом направлении постоянно работают многие коллективы, предлагающие новые версии сетевых операционных систем (обладающие более широкими возможностями по управлению функционированием сетей и более удобные для пользователей), прикладных программных систем, программ технического (в том числе дистанционного) обслуживания аппаратных средств КС.

4. Расширение перечня предоставляемых информационно-

вычислительных услуг, повышение их интеллектуального уровня за счет широкого использования интеллектуальных систем и баз знаний, дальнейшее развитие сетевых технологий.

5. Интенсивный переход на цифровые сети связи, обеспечивающие по сравнению с аналоговыми сетями более высокую надежность передачи сигналов любого вида.

6. Существенное увеличение доли спутниковых сетей связи в общем объеме циркулирующей в сетях информации, что обусловлено решающими преимуществами спутниковых сетей.

7. Повышение надежности КС, совершенствование и развитие методов и средств обеспечения высоких показателей по всем аспектам проблемы надежности КС - техническому, программному, информационному, функциональному.

8. Развитие методов и средств обеспечения более высокого уровня безопасности информации, циркулирующей в сетях, повышение эффективности служб безопасности и механизмов реализации их функций.

9. Создание и непрерывное совершенствование глобальной интеллектуальной сети, объединяющей сети всех государств. В рамках такой сети вполне реально решение задачи по удовлетворению запроса пользователя из любой точки планеты и в любое время.

Основные этапы создания и развития глобальной интеллектуальной сети:

• телефонизация страны, участвующей в создании сети;

• цифровизация сети, т.е. повсеместный переход на использование цифровых сетей связи, входящих в состав глобальной интеллектуальной сети;

• интеграция услуг, т.е. обеспечение возможности удовлетворения любого запроса (из числа тех, которые входят в перечень удовлетворяемых запросов) в любом звене сети;

• интеллектуализация сети, т.е. повышение интеллектуального уровня предоставляемых услуг, базирующееся на широком использовании интеллектуальных систем и баз знаний.

Очевидно, что эти этапы работы реализуются параллельно и по каждому из них государства, участвующие в создании и реализации глобальной интеллектуальной сети, находятся на различных уровнях.

Подводя итоги, можно отметить следующее.

Вычислительная техника все шире и глубже проникает во все области науки, техники и производственной деятельности человека. За полувековую историю своего существования она прошла впечатляющий путь развития, темпы которого не знала ни одна область.

Рынок современных компьютеров имеет широкую градацию классов, типов и моделей. Примерно через каждые два года появляются новые модели ЭВМ, постоянно совершенствуется элементная база, улучшаются технико-экономические показатели. Почти каждое десятилетие меняются поколения машин, наметилось появление нового класса ЭВМ - сетевых компьютеров, обеспечивающих быстрый и удобный доступ пользователей к ресурсам компьютерных сетей.

Теоретической основой построения современных ЭВМ остаются алгебра логики, двоичная арифметика и другие специальные дисциплины. Примечательно, что до сих пор структура всех ЭВМ не вышла за рамки классической структуры, реализующей методы последовательных вычислений. В настоящее время архитектурные и структурные возможности классической, последовательной структуры практически исчерпаны, наметился ее кризис. Возможности микроэлектроники также подходят к своим пределам. Дальнейшее поступательное развитие напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с построением вычислительных систем и развитием сетевых технологий. Интенсивно исследуются новые принципы построения машин: биомолекулярные, нейронные, квантовые, оптические и др.

Знание основных тенденций и принципов развития и построения ЭВМ, понимание закономерностей и стабильности архитектуры машин позволяет современным специалистам грамотно отслеживать и выделять существенные особенности имеющихся на рынке ЭВМ, дает им возможность объективно подходить к выбору аппаратных и программных средств и их применению.

Программное обеспечение в составе ЭВМ играет особую роль - посредника между пользователем и аппаратурой. Структурно оно также строится по иерархическому принципу. Центральное место здесь занимает операционная система, обеспечивающая организацию и управление вычислительным процессом. Она позволяет использовать различные режимы работы, что повышает эффективность применения системы в целом.

Наиболее динамично в составе программного обеспечения развиваются пакеты прикладных программ, предоставляющие пользователям самые различные виды услуг. Наиболее распространенными из них являются текстовые редакторы, табличные процессоры, системы управления базами данных, системы деловой графики, делопроизводства и др. Утвердилась тенденция к объединению этих пакетов в рамках единого офисного обеспечения на базе общей операционной среды.

Компьютерные сети являются одним из главных и наиболее эффективных средств информатизации общества и перехода от индустриального общества к информационному.

Создание, совершенствование и развитие КС различных классов - от локальных сетей до глобальной интеллектуальной сети - происходит с учетом требований по унификации и стандартизации аппаратных и программных средств и протекающих в сетях процессов. Базовой является семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Многообразие структур КС, сложность обеспечения взаимодействия прикладных процессов, рост перечня предоставляемых услуг и их интеллектуального уровня, повышение требований к полноте и оперативности предоставления услуг - все это требует от разработчиков КС постоянных усилий по внедрению новых, более эффективных методов доступа в сеть, протоколов обмена данными, сетевых технологий.

Для обеспечения безопасности информации, циркулирующей в КС, предотвращения несанкционированного доступа в сеть с учетом все более изощренных способов и средств преднамеренного нарушения нормального функционирования сети необходимы эффективные и непрерывно развивающиеся службы безопасности информации и механизмы реализации их функций.

В системах передачи данных, или ТКС, важным фактором в обеспечении надежного распознования принимаемой информации является синхронизация аппаратуры передающего и принимающего пунктов, с тем чтобы на приемной стороне опрос линии связи (замер уровня сигналов) происходил в момент поступления очередного бита данных. Задача синхронизации наиболее эффективно решается путем использования самосинхронизирующих кодов.

Для реализации различных режимов обмена информацией в КС (интерактивный режим, режим прямого доступа, режим отложенного доступа) применяются в необходимом сочетании и различные методы коммутации - коммутация цепей, коммутация сообщений, коммутация пакетов.

Эффективность работы КС в режиме коммутации пакетов существенно определяется реализуемыми методами маршрутизации пакетов. Многообразие алгоритмов маршрутизации обусловлено многообразием структур сетей и требований по оперативности предоставления услуг пользователям.

К числу наиболее распространенных и быстро развивающихся относятся локальные сети. Используемые в ЛКС аппаратные и программные средства ориентированы на обеспечение максимальных удобств пользователей в условиях непрерывно расширяющегося перечня предоставляемых услуг и повышения их интеллектуального уровня.

Разрабатываемые и внедряемые в последние годы образцы отечественных ЛКС отличаются сходством структур с зарубежными локальными сетями и сближением значений показателей качества, характеристик и параметров. Стремление увеличить количество абонентских систем в сети привело к широкому распространению сегментированных структур и смешанных топологий ЛКС - звезднокольцевых, звездношинных.

Расширение и углубление современного информационного рынка является следствием потребностей развития человеческого общества во всех сферах его деятельности. Наиболее ярко это проявляется в росте объемов циркулирующей информации в таких областях информационного рынка, как системы сетевых коммуникаций, электронная информация, программное обеспечение.

В используемых в настоящее время глобальных сетях довольно четко проявляется тенденция к интеграции предоставляемых услуг, к внедрению практически всех систем сетевых коммуникаций. Это особенно видно на примере "сети сетей" Internet, в которой реализованы возможности по предоставлению пользователям всех известных услуг.

Оценка эффективности КС должна быть комплексной и всесторонней. Для этого целесообразно использовать систему показателей, с помощью которых оценивается целевая, техническая и экономическая эффективность.

Существует множество путей повышения эффективности использования сетей, находящихся в эксплуатации. К ним относятся: оптимальное сочетание различных форм использования СВТИ в рамках КС, увеличение объемов работ по внедрению в КС нового базового и прикладного программного обеспечения, совершенствование и оптимальное сочетание различных организационных форм технического обслуживания КС, совершенствование эргономического обеспечения КС и др.

Развитие КС осуществляется одновременно по многим направлениям. Основные из них:

• совершенствование и усложнение структуры КС;

• разработка новых, более эффективных и надежных технических и программных средств обработки и передачи информации, в частности ЭВМ пятого поколения;

• широкое использование в КС цифровых сетей связи;

• развитие спутниковых сетей связи и увеличение объемов работ по их использованию;

• разработка новых, более эффективных методов и средств обеспечения безопасности информации, циркулирующей в сетях;

• расширение перечня услуг, предоставляемых пользователям, и повышение их интеллектуального уровня;

• создание глобальной интеллектуальной сети путем телефонизации участвующих в этом процессе стран, цифровизации сетей, интеграции услуг пользователям, интеллектуализации услуг;

• развитие сетевых технологий.

Показать полностью… https://vk.com/doc290023402_446825717
2 Мб, 15 июня 2017 в 22:41 - Россия, Москва, МЭСИ, 2017 г., pdf
Рекомендуемые документы в приложении