Вычислительные и информационные сети

Коммуникационная сеть - система, состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети, и линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами.

Отличительная особенность коммуникационной сети - большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими  размерами участков пространства, занимаемых пунктами. В качестве продукта могут  фигурировать информация, энергия, масса, и соответственно различают группы сетей информационных, энергетических, вещественных. В группах сетей возможно разделение на подгруппы. Так, среди вещественных сетей могут быть выделены сети транспортные, водопроводные, производственные и др. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения продукта по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений.

Информационная сеть - коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация.

Вычислительная сеть - информационная сеть, в состав которой входит вычислительное оборудование. Компонентами вычислительной сети могут быть ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. Эти компоненты составляют оконечное оборудование данных (ООД или DTE - Data Terminal Equipment). В качестве ООД могут выступать ЭВМ, принтеры, плоттеры и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автоматизированных систем. Собственно пересылка данных происходит с помощью сред и средств, объединяемых под названием среда передачи данных.

Подготовка данных, передаваемых или получаемых ООД от среды передачи данных, осуществляется функциональным блоком, называемым аппаратурой окончания канала данных (АКД или DCE - Data Circuit-Terminating Equipment). АКД может быть конструктивно отдельным или встроенным в ООД блоком. ООД и АКД вместе представляют собой станцию данных, которую часто называют узлом сети. Примером АКД может служить модем. 

2. Классификация сетей

 

Вычислительные  сети классифицируются по ряду признаков.

В зависимости  от расстояний между связываемыми узлами различают вычислительные сети:

территориальные - охватывающие значительное географическое пространство;

среди территориальных  сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы; региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей - WAN (Wide Area Network);

локальные (ЛВС) - охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1...2 км); локальные сети обозначают LAN (Local Area Network);

корпоративные (масштаба предприятия) - совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Локальные и корпоративные вычислительные сети - основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Особо выделяют единственную в своем роде глобальную сеть Internet (реализованная в ней информационная служба World Wide Web (WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина); это сеть сетей со своей технологией. В Internet существует понятие интрасетей (Intranet) - корпоративных сетей в рамках Internet.

Различают интегрированные  сети, неинтегрированные сети и подсети.

Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями.

В автоматизированных системах крупных предприятий подсети включают вычислительные средства отдельных проектных подразделений. Интерсети нужны для объединения таких подсетей, а также для объединения технических средств автоматизированных систем проектирования и производства в единую систему комплексной автоматизации (CIM - Computer Integrated Manufacturing). Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п., и в этом случае они называются сетями интегрального обслуживания.

Развитие интерсетей заключается в разработке средств  сопряжения разнородных подсетей и  стандартов для построения подсетей, изначально приспособленных к сопряжению.

Подсети в интерсетях объединяются в соответствии с выбранной  топологией с помощью блоков взаимодействия.

В зависимости  от топологии соединений узлов различают  сети шинной (магистральной), кольцевой, звездной, иерархической, произвольной структуры.

Среди ЛВС наиболее распространены

шинная (bus) - локальная сеть, в которой связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же среде передачи данных (последнее свойство называют широковещательностью);

кольцевая (ring) - узлы связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только две линии); данные, проходя по кольцу, поочередно становятся доступными всем узлам сети;

звездная (star) - имеется центральный узел, от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов.

В зависимости  от способа управления различают  сети:

"клиент/сервер" - в них выделяется один или несколько узлов (их название - серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент/сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах;

одноранговые - в них все узлы равноправны; поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером - объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

Наконец появилась  сетецентрическая концепция, в соответствии с которой пользователь имеет лишь дешевое оборудование для обращения к удаленным компьютерам, а сеть обслуживает заказы на выполнение вычислений и получения информации. То есть пользователю не нужно приобретать программное обеспечение для решения прикладных задач, ему нужно лишь платить за выполненные заказы. Подобные компьютеры называют тонкими клиентами или сетевыми компьютерами.

В зависимости  от того, одинаковые или неодинаковые ЭВМ применяют в сети, различают  сети однотипных ЭВМ, называемые однородными, и разнотипных ЭВМ - неоднородные (гетерогенные). В крупных автоматизированных системах, как правило, сети оказываются неоднородными.

В зависимости  от прав собственности на сети последние  могут быть сетями общего пользования (public) или частными (private). Среди сетей общего пользования выделяют телефонные сети ТфОП (PSTN - Public Switched Telephone Network) и сети передачи данных (PSDN- Public Switched Data Network).

Сети также  различают в зависимости от используемых в них протоколов и по способам коммутации. 

3. Способы коммутации

Под коммутацией  данных понимается их передача, при  которой канал передачи данных может  использоваться попеременно для  обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие  от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие  способы коммутации данных:

коммутация каналов - осуществляется соединение ООД двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;

коммутация сообщений - характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;

коммутация пакетов - сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов. 

4. Коммутация  каналов

Коммутация каналов  может быть пространственной и временной.

Пространственный  коммутатор размера N*M представляет собой сетку (матрицу), в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а M выходов - к вертикальным (рис. 2).

В узлах сетки  имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки  может быть открыто не более чем  по одному элементу. Если N < M, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N*N.

Недостаток рассмотренной  схемы - большое число коммутирующих  элементов в квадратной матрице, равное N². Для устранения этого недостатка применяют многоступенные коммутаторы.

Достаточным условием отсутствия блокировок входов является равенство k > 2*n-1. Здесь k - число блоков в промежуточном каскаде, n = N/p; p - число блоков во входном каскаде. В приведенной на рис. 1.3 схеме это условие не выполнено, поэтому блокировки возможны. Например, если требуется выполнить соединение a1-d1, но ранее скоммутированы соединения a2-b2-c4-d3, a3-b3-c1-d2, то для a1 доступны шины b1,с3 и с5, однако они не ведут к d1.

В многоступенных коммутаторах существенно уменьшено  число переключательных элементов  за счет некоторого увеличения задержки. Так, при замене одноступенного коммутатора 1000*1000 трехступенным с n = 22 и k = 43 число переключателей уменьшается с 10 ⁶ до 2*46*22*43+43*46*46, т.е. примерно до 0,186*10 ⁶ .

Временной коммутатор построен на основе буферной памяти, запись производится в ее ячейки последовательным опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла "запись-чтение". В настоящее время преимущественно используются временная или смешанная коммутация. 

5. Виды  связи и режимы работы сетей передачи сообщений

Первоначальными видами сообщений могут быть голос, изображения, текст, данные. Для передачи звука традиционно используется телефон, изображений - телевидение, текста - телеграф (телетайп), данных - вычислительные сети. Передача документов (текста) может быть кодовой или факсимильной. Для передачи в единой среде звука, изображений и данных применяют сети, называемые сетями интегрального обслуживания.

Кодовая передача сообщений между накопителями, находящимися в узлах информационной сети, называется телетексом (в отличие от телекса - телетайпной связи), а факсимильная связь называется телефаксом. Виды телетекса: электронная почта (E-mail) - обмен сообщениями между двумя пользователями сети, обмен файлами, "доска объявлений" и телеконференции - широковещательная передача сообщений.

Установление  соединения между отправителем и  получателем с возможностью обмена сообщениями без заметных временных  задержек характеризует режим работы on-line ("на линии"). При существенных задержках с запоминанием информации в промежуточных узлах имеем режим off-line ("вне линии").

Связь может  быть односторонней (симплексной), с  попеременной передачей информации в обоих направлениях (полудуплексной) или одновременной в обоих направлениях (дуплексной).  

6. Протоколы

Это набор семантических  и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Другими словами, протокол - это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена.