ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
Компьютерная сеть – множество автономных компьютеров, соединенных между собой и способных обмениваться информацией [1]. Компьютерные сети представляют собой сложную и интенсивно развивающуюся область компьютерной индустрии, однако определенные знания в этой области совершенно необходимы для понимания принципов построения распределенных СУБД. За последних несколько десятилетий был пройден путь от использования полностью автономных отдельных компьютеров до современного состояния, когда сети компьютером, получили повсеместное распространение. Размеры компьютерных сетей варьируются от нескольких соединенных между собой персональных компьютеров до сетей глобального масштаба, насчитывающих тысячи машин и сотни тысяч пользователей. В нашем конкретном случае распределенные СУБД устанавливаются поверх компьютерной сети таким образом, что работа последней оказывается полностью скрыта от конечного пользователя.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – совместное подключение нескольких компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных.
ЛВС – географически ограниченная (территориально или производственно) аппаратно-программная реализация, в которой несколько компьютерных систем связанны друг с другом последовательностью соответствующих средств коммутации. Благодаря такому со
единению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими местами, подключенными к этой ЛВС. Посредством ЛВС в систему объединяются ПК, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместное оборудование, программные средства и информацию. Преимущества сетевого объединения следующие [1].
1. Разделение ресурсов: позволяет экономично использовать ресурсы, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций.
2. Разделение данных: предоставляет возможность доступа и управления БД с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.
3. Разделение программных средств: предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств.
4. Разделение ресурсов процессора: дает возможность использовать вычислительные мощности для обработки данных двумя системами, входящими в сеть. Эта возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой станции.
5. Многопользовательский режим: содействует одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план.
6. Электронная почта: с ее помощью происходит интерактивный обмен информацией между рабочими станциями сети, а также с другими устройствами в ВС.
Отличие ЛВС от систем на основе мини-ЭВМ
Основными структурами в используемых ЛВС считаются ВС с расположенной в центре мини-ЭВМ. Однако более перспективны ВС на основе ПК. Объясняется это следующим [1].
1. Система с мини-ЭВМ располагает одним процессорным устройством. производительность такой системы определяется при проектировании. Дополнительно увеличить производительность очень дорого.
2. К мини-ЭВМ подключают терминалы, являющиеся «глупыми» рабочими местами. Поэтому необходимо распределить вычислительные мощности между такими рабочими местами.
3. Локальные терминалы в такой системе зависят от центрального процессора и применяемого программного обеспечения.
4. Локальные рабочие места в ЛВС обладают собственным интеллектом. Это увеличивает производительность вычислительной сети. Производительность возрастает при подключении к системе новых РМ и наоборот.
5. Локальные РМ обладают и собственными внешними носителями данных. Поэтому облегчается внешний обмен данными.
6. Если центральный процессор перегружен, то сеть должна уметь быстро перестраиваться. ЦП может быть заменен на более производительную систему при сохранении всех программных приложений.
7. ЛВС просто и недорого соединяется с другим ЛВС.
8. Для ПК существует необозримое множество приложений ПО и аппаратных решений (самые гибкие системы).
9. Производительность ПК сравнима с производительностью мини-ЭВМ. В ЛВС аккумулируется производительность всех присоединенных ПК.
10. ПК, подключенный как РМ в системе с ЦП не использует свои «интеллектуальные» возможности. Из-за этого теряются вычислительные мощности РМ, и в особенности, возможность передачи данных между ПК РМ и централизованными накопителями данных – файловыми серверами.
При использовании ЛВС, можно утверждать, что прикладные программы практически не влияют на; эффективность функционирования системы в целом. Обработка выполняется в рабочей станции на локальном уровне и не зависит от производительности ЦП сервера. Многотерминальная система с небольшим количеством РМ является более быстродействующей и производительной по сравнению с ЛВС.
Топология ВС
Под топологией ВС понимают конфигурацию физических соединений компонентов ВС.
Тип топологии определяет производительность и надежность сети РМ, для которой имеет значение время обращения к серверу.
1. Топология типа «звезда»
Вся информация между двумя РМ проходит через центральный узел ВС (рис. П.6.1). Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение простое. Затраты на прокладку высокие. Расширение дорогое. Является наиболее быстродействующей. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая.
Рис. П.6.1. Топология типа «звезда»
В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Центральный узел управления – сервер может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся ВС может управляться из ее центра.
2. Кольцо
Коммуникационная связь замыкается в кольцо (рис.П.6.2). Прокладка может быть дорогой. Пересылка очень эффективна. Продолжительность передачи информации пропорциональна количеству РМ.
Рис. П.6.2. Топология типа «кольцо»
Основная проблема – каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной, вся сеть парализуется.
Неисправности локализируются легко.
Подключение нового РМ требует кратковременного отключения сети. Ограничения на протяженность не существуют, так как определяется расстоянием между .соседними РМ.
Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть (рис. П.6.3). Физически это соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются специальными коммутаторами (концентраторами).
Активные концентраторы (АК) содержат усилители для подключения от 4-х до 16-ти РМ.
Пассивные концентраторы (ПК) – разветвительное устройство (mах – 3 РМ).
Рис. П.6.3. Топология типа «логическое кольцо»
Управление отдельными РМ такое же, как и в обычной кольцевой. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему, и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного ближайшего) узла ВС, так что лишь в редких случаях может нарушиться работа всей сети.
3. Шинная топология
При данной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех РМ, к которым они все должны быть подключены (рис.П.6.4). Все РМ могут вступить в контакт с любым РМ, имеющимся в сети.
Рис. П.6.4. Топология типа «шина»
РМ в любое время, без прерывания работы всей ВС, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование ВС не зависит от состояния отдельной РМ. Очень легко прослушивать информацию. В ЛВС с прямой (немодулированной) передачей данных всегда может существовать только одна передающая станция. В ЛВС с модулируемой широкополосной передачей каждой станции присваивается своя частота, на которой они принимают и отправляют информацию. Одновременно транспортируется большой объем информации.
4. Древовидная структура ЛВС
На практике применяются и комбинированные структуры, например, древовидная (рис.П.6.5). Она образуется в виде комбинации вышеназванных топологий. Основание дерева ВС располагается в точке (корень), в которой собираются коммутационные линии (ветви дерева).
Древовидная структура применяется там, где невозможно применение чистой базовой топологии.
Рис. П.6.5. Древовидная структура
Объединение ВС
Классификация региональных соединений следующая[1].
GAN - глобальная сеть, общепланетное соединение ВС.
WAN – широкомасштабная, континентальное на уровне государства объединение ВС.
MAN – междугородная сеть, междугороднее и областное объединение сетей.
LAN (ЛВС) -локальная, функционирует в пределах нескольких зданий, территории предприятия.
Соединение ВС будет лишь тогда гибким и широко используемым, если различные системы, которые в обычных условиях не могут взаимодействовать (Macintosh и MS-DOS) находят взаимопонимание посредством пересылки информации друг другу.
Объединение таких ВС осуществляется через мосты (bridges) или межсетевые шлюзы (gateways).
Скорость передачи данных в глобальных сетях обычно находится в пределах от 2 до 2000 Убит/с. Скорость передачи данных в локальных сетях намного больше и составляет от 10 до 100 Мбит/с, а надежность установленных соединений существенно выше. Очевидно, что распределенные системы, построенные на основе локальных сетей, будут обеспечивать меньшее время реакции' системы, чем системы, использующие глобальные сети.
Если классифицировать сети на основе метода выбора пути (или маршрутизации), то их можно разделить на широковещательные и одноадресные.
В случае одноадресной сети при необходимости разослать сообщения всем узлам сети потребуется отправить несколько отдельных сообщений.
В случае широковещательной сети все узлы получают все сообщения, однако в каждом из сообщений присутствует префикс, идентифицирующий узел-получатель, а все остальные узлы сети просто проигнорируют поступившее сообщение.
Глобальные сети обычно строятся по одноадресному принципу, тогда как в локальных сетях, как правило, используется широковещательный принцип. Сводка типичных характеристик глобальных и локальных сетей представлена в табл. П.6.1.
Таблица П.6.1
|
Глобальные сети |
Локальные сети |
|
Удаленность узлов до тысяч километров |
Удаленность узлов до нескольких километров |
|
Связывают автономные компьютеры |
Связывает компьютеры, совместно использующие распределенные приложения |
|
Сеть управляется независимой организацией (используются телефонные или спутниковые каналы связи) |
Сеть управляется ее пользователями (используются собственные кабельные соединения) |
|
Скорость передачи данных до 2 Мбит/с (линии T1) или до 45 Мбит/с (линии T3) |
Скорость передачи данных до 100 Мбит/с |
|
Сложные протоколы |
Более простые протоколы |
|
Используется одноадресная маршрутизация |
Используется широковещательная маршрутизация |
|
Используется нерегулярная топология |
Используется топология шины или звезды |
|
Вероятность ошибки порядка 1:105 |
Вероятность ошибки порядка 1:109 |
Международная организация стандартов (ISO) установила набор правил (или протоколов), регламентирующих способы взаимодействия систем [7]. Выбранный подход состоит в разделении сетевого аппаратного и программного обеспечения на несколько уровней, каждый из которых предоставляет определенные услуги расположенным выше уровням, одновременно скрывая от них все подробности реализации нижних уровней. Протокол, получивший название «модель OSI» (Open System Interconnection), предусматривает использование семи уровней, логически не зависящих от изготовителя оборудования или программ. Отдельные уровни отвечают за передачу последовательностей битов информации по сети, за установку соединений и
контроль наличия ошибок, маршрутизацию и устранение заторов в сети, организацию сеансов связи между отдельными машинами и устранение различий в формате и способе представления данных в компьютерах различных платформ. Модель OSI является международным стандартом для передачи данных. Модель содержит семь отдельных уровней.
Уровень 1: физический – битовые протоколы передачи информации.
Уровень 2: канальный – формирование кадров, управление доступом к среде.
Уровень 3: сетевой – маршрутизация, управление потоком данных.
Уровень 4: транспортный – обеспечение взаимодействия удаленных процессов.
Уровень 5: сеансовый – поддержка, диалога между удаленными процессами.
Уровень 6: представления данных – интерпретация передаваемых данных.
Уровень 7: прикладной – пользовательское управление данными.
Основная идея этой модели в том, что каждому уровню отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные легкообозримые задачи. Необходимые соглашения для связи одного уровня с выше- и нижестоящими называют протоколом.
Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычислительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей.
Отдельные. уровни базовой модели. проходят в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1).
Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень.
На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень.
Уровень 1. Физический
На этом уровне определяются электрические,, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физическая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня.
В качестве среды передачи используют трехжильный медный провод (экранированная витая пара), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию.
Уровень 2. Канальный
Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-ым уровнем, так называемые «кадры» или последовательности кадров. На этом уровне осуществляется управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок.
Уровень 3. Сетевой
Сетевой уровень устанавливает связь в ВС между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличие сетевого адреса в пакете. Сетевой уровень так же должен обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных.
Уровень 4. Транспортный
Поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами. Качество транспортировки, безошибочность передачи, независимость ВС, сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных.
Уровень 5. Сеансовый
Координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координации необходимы контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу, имеющихся в распоряжении данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительные функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхронизации и отмене связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях.
Уровень 6. Представления данных
Предназначается для интерпретации данных, а также для подготовки данных для пользовательского уровня. На этом уровне происходит преобразование данных из кадров, используемых для передачи данных в экранный формат или формат для печатающих устройств оконечной системы.
Уровень 7. Прикладной
На этом уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское прикладное программное обеспечение. Для передачи информации по коммутационным ЛС данные преобразуются в цепочку друг за другом следующих битов («0» и «1»).
Передаваемые знаки представляются с помощью битовых комбинаций. Битовые комбинации располагают в определенной кодовой таблице, содержащей 4-х, 5-и, 6-и, 7-и или 8-и битовые коды.
На международном уровне передача символьной информации осуществляется с помощью 7-и битового кодирования, позволяющего закодировать заглавные и строчные буквы английского алфавита и некоторые специальные символы. Национальные и специальные знаки с помощью 7-ми битового кодирования закодировать нельзя. Для этих целей применяется 8-ми битовый код.
Для правильной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться согласованных и установленных правил. Все они оговариваются в протоколе передачи данных.
Протокол передачи данных требует определения следующих аспектов обмена информацией [1].
1. Синхронизация – механизм распознавания начала блока данных и его конца.
2. Инициализация – установление соединения между взаимодействующими процессами.
3. Блокирование – разбиение передаваемой информации на блоки данных строго определенной длины.
4. Адресация – идентификация различного используемого оборудования данных, которое обменивается друг с другом информацией.
5. Обнаружение ошибок – установка битов четности и вычисление контрольных битов.
6. Нумерация блоков – позволяет установить ошибочно передаваемую или терявшуюся информацию.
7. Управление потоком данных – для распределения и синхронизации информационных потоков. Так, например, если не хватает места в буфере устройства данных или данные недостаточно быстро обрабатываются в периферийных устройствах (например, принтерах), сообщения и/или запросы накапливаются.
8. Методы восстановления – используются после прерывания процесса передачи данных, чтобы вернуться к определенному положению для повторной передачи информации.
9. Разрешение доступа – для распределения, контроля и управления разграничением доступа к данным. Вменяется в обязанность пункта разрешения доступа.
Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (CCITT) разработал стандарт, получивший название Х.25 и охватывающий три нижних уровня описанной выше модели. Большинство распределенных СУБД было разработано с целью использования поверх протокола Х.25. Однако позже были выпущены новые стандарты, охватывающие более высокие уровни модели и способные предоставить СУРБД полезные дополнительные функциональные возможности. К ним можно отнести протоколы RDA (Remote Database Access – ISO, 9579) и DTP (Distribution Transaction Processing – IS0, 10026).
Время передачи
Время, необходимое для доставки сообщения, зависит от размеров посылаемого сообщения и типа используемого сетевого соединения. Оно может быть определено по следующей формуле:
 |
|||||
|
где |
 |
– |
время передачи; |
||
 |
– |
затраты времени на инициацию сообщения, называемые задержкой доступа; |
|||
 |
– |
количество бит сообщения; |
|||
 |
– |
скорость передачи. |
|||
