Принципы организации сетей ЭВМ

Так как сети являются сложными системами, принципы их организации можно разделить:

1. Общесистемные;

2. Специфические для сетей.

Общесистемные принципы.

1.Стратификация – выделение в структуре сетей нескольких взаимодействующих уровней, причём каждый уровень объединяет некоторую совокупность технических или программных средств, выполняющих свою совокупность функций. Первые сети представляли собой клубок из программ и железа. Эти сети было трудно связать между собой. Сетевые технологии быстро зашли в тупик. И было принято решение, что надо сложность упростить. Разбить станции на уровни. Логически взаимодействовать должны были только уровни.

Проиллюстрируем принцип стандартной многоуровневой системы, которая называется эталонной моделью взаимодействия открытых систем:

 

 

Этот стандарт разбивает каждую систему на 7 уровней. Каждый уровень – это совокупность программ.

Взаимодействие систем включает 2 его разновидности:

1) Физическое взаимодействие;

2) Логическое взаимодействие.

Физическое взаимодействие обеспечивает передачу информации между станциями через физическую среду передачи данных.

Логическое взаимодействие обеспечивает координацию процедуры синхронизации обмена, т.е. логику обмена. Логическое взаимодействие в сетях должно происходить только между уровнями с одинаковым номером: na ↔ nb. Поэтому протоколы взаимодействия тоже должны быть «своими» на каждом уровне взаимодействия.

2-ой принцип называется принципом иерархизации. Это принцип подчинённости. Уровни неравноправны: уровни с наибольшим номером являются командующими ниже лежащим уровням. Верхний уровень выставляет запросы на сервис нижним уровням, а нижние уровни его предоставляют.

na ↔ nb 1

На каждом уровне формируются и существуют свои информационные объекты. На транспортном уровне сообщения преобразуются в пакеты. Поэтому на сетевом уровне информационными объектами являются пакеты, трафики. На канальном уровне пакет превращается в кадр, на физическом в байты, биты и сигналы. В физической среде только сигналы. Иерархия бывает древовидной и ромбической. Это мощное средство экономии ресурсов. При решении творческих задач иерархия не используется. Она используется в любой технической работе. 

3. Принцип децентрализации.

Децентрализация – это распределение интеллектуальных функций в сети между узлами, компьютерами. Она принципиально важна для сети. В первой сети одной из главных задач было децентрализировать сеть. Централизация связана с экономией ресурсов. А децентрализация связана с дополнительными расходами ресурсов. Децентрализация и централизация в сетях, как правило, сочетаются в различных пропорциях.

Централизованная система:

 

 

 

В данной централизованной системе весь интеллект сосредоточен вверху, (2) строго выполняет команды (1). Недостатком системы является то, что если (1) выходит из строя, система не может существовать, необходимо резервирование.

Децентрализованная система:

 

 

Все компьютеры равноправны, поэтому каждая станция должна быть умной. Такие системы очень живучи. Децентрализованные системы часто называют гетерархическими.

4. Принцип унификации.

Унификация – это стремление к уменьшению разнообразия технических, программных средств и придание им одинаковости. Унификация очень полезна на уровне предприятия. Сети пронизаны различными стандартами, и многие организации занимаются этим вопросом. У унификации есть соперник – рынок. Рынок генерирует разнообразие, творчество и т.д. Унификация является средством экономии ресурсов.

5. Принцип стандартизации.

Стандарт – это документ. Его назначение:

  1) обеспечить совместимость разных систем.

  2) стимулирование работ в данном управлении (ускоряющая функция                                                       стандарта).

Стандарты всегда перспективны. Стандартизируются протоколы,

 интерфейсы и т.д. Стандарты: МЭК, ISO, IEEE.

6. Модульность. Модульность – это разбиение сложных технических объектов на части (модули), которые самостоятельно развиваются в технических и программных средах, оставаясь при этом средством создания разнообразных систем путём выборочного объединения.

Агрегирование – создание агрегатов, совокупности систем и их объединение в комплекс.

Фрагментирование – разбиение сложных задач на подзадачи.

7. Эволюционность.

Любая большая сеть является результатом эволюции. В процессе эволюции сети выбирают лучшие стандарты, протоколы и т. д. Вся техника, всё программное обеспечение развивается, и этот процесс очень похож на процессы эволюции живой природы. Улучшать сложные системы можно только путём небольших локальных приращений, резкие изменения способны разрушить систему.

8.Живучесть (робастность) – это свойство системы сохранять работоспособность при разнообразных мешающих воздействиях.

Живучесть – это способность систем деградировать, сохраняя выполнение своих функций, но на меньшем уровне. Обеспечить живучесть очень сложно.

Надёжность – это характерное свойство систем работать нужное время без отказов. Повышение надёжности обеспечивается двумя способами:

1) Снижение загруженности элементов и подсистем, тем самым замедляется их износ;

2) Резервирование элементов и подсистем.

9. Адаптивность – приспособляемость. В процессе адаптации система должна изменить своё состояние. Средством адаптации является обучение - процесс улучшения некоторых алгоритмов путём их изменения. Обучающая информация – это наборы образцов, примеров, которые заведомо правильные.

Специфические принципы:

1. Открытость. Этот принцип предполагает возможность развития путём лёгкого присоединения новых станций. Он основывается на использовании открытых стандартах взаимодействия. Принцип открытости не означает абсолютной доступности информации.

2. Гибкость – это возможность взаимодействия различных систем на разных стандартах. Сеть должна объединить людей, говорящих на разных языках.

3. Коллективность или кооперативность.

4. Принцип дефрагментации информационных объектов: в соответствии с этим принципом информационные объекты больших и произвольных размеров делятся на фиксированные длины. Самым большим является сообщение (электронное письмо). Сообщение – это пакет или кадр.

1) Фрагментация информационных объектов (сообщения, файлы, пакеты).

2) Сегментация коммуникационной среды (разбиение на домены).

3) Расслоение канала связи (расслоение на частотные полосы).

5. Принцип агрегирования (дефрагментации) информационных объектов и процессов.

6. Принцип коммутации является одним из важнейших механизмов организации коммуникационных структур и сетей. Коммутацией называется механизм манипулирования информационными объектами и потоками для их перенаправления в требуемом направлении. Процессы коммутации в сетях очень разнообразны. Выделяют следующие виды коммутации:

1) Коммутация канала - объектом коммутации являются физические объекты, собирающиеся в физический канал.

2) Коммутация пакетов - сам пакет перенаправляется в нужную сторону, для этого пакет должен иметь адрес получателя, тогда устройство, получит пакет и отправит его в выходной порт. Это и есть основная технология работы сетей.

3) Коммутация сообщений - при этой технологии перенаправляется целое сообщение. Средством хранения не может являться стандартный буфер (хранение только определенной длины) и поэтому хранятся только на диске.

4) Совместная коммутация каналов и пакетов – динамическая коммутация. Это асинхронный метод доступа. Ячейки маленькие. Каждая ячейка содержит информацию о пути, которой она должна пройти. Пакеты и физические объекты объединены вместе. Это самый быстрый способ манипулирования объектами.

1)Коммутация канала. При такой коммутации в её результате перекоммутируются физические линии связи (каналы).

 

 

 

Штриховые линии обозначают возможные соединения.

В результате коммутации канала образуются временные физические соединения между абонентами. Такое соединение характерно для телефонных систем связи.

Коммутатор, имеющий 1 вход и много выходов, работающий под управлением управляющих сигналов, называется демультиплексором. А мультиплексор имеет много входов и один выход.

 

где СИ – синхроимпульсы, вырабатываемые для обоих устройств.

 

Мультиплексоры и демультиплексоры используют технологии TDM (разделение во времени).

2) Коммутация пакета. Объектом перенаправления являются пакеты, а не каналы. Устройством, которое их перенаправляет, является коммутатор, маршрутизатор.

3) Коммутация сообщения. Редко используется, так как неэффективна из-за неопределённой длины сообщения. На промежуточных узлах нужны винчестеры для хранения.

4) Динамическая коммутация является частью технологии АТМ (АТМ – асинхронная среда доступа). Технология была создана для объединения в единую среду передачи данных всех систем передачи информации. Скорость такой передачи огромная, схемы достаточно сложные. Коммутируются и каналы, и пакеты, ячейки имеют свой адрес.

7. Принцип буферизации. В сетях под буферизацией понимается временное хранение или накопление информационных объектов устройствами, осуществляющими коммутацию, маршрутизацию данных. Буфер - это средство временного хранения пакета. Существует два вида буферов: входные и выходные буферы. Наличие буфера большого размера коммутирующих устройств является признаком качества. Эта память должна быть быстродействующей, но она является дорогой. Буферное устройство имеют сетевые адаптеры. Сетевой адаптер принимает пакеты, а затем их передает.

8. Принцип избыточности информации. Это главный метод повышения достоверности передачи.

Избыточность:

а) технических средств (дублирование, зеркалирование, организация параллельных каналов (передавая данные одновременно по нескольким каналам, повышается надёжность));

б) избыточность объёма передаваемой информации позволяет помимо основной информации пересылать служебную информацию.

Передающее устройство подсчитывает количество единиц в поле данных, и если количество чётное, ставится «0», если количество нечётное, ставится «1». Это отправляется в канал передачи данных, приёмное устройство тоже подсчитывает количество единиц и сравнивает результаты. Если цифры совпали, то передача произошла правильно, если не совпали, осуществляется повторная передача.

в) повторная передача информации. Как правило, повторная передача осуществляется, как уже было сказано выше, при обнаружении ошибки.

г) избыточность кодов. Передаваемый полубит (4 бита) кодируется пятью битами: 0001→00001. Можно из 32 кодов выбрать 16 хороших, происходит улучшение качества кодов.

В модемах используется Треллис- модуляция, которая также основана на выборке хороших кодов.

9. Принцип расширяемости и масштабируемости. Свойство расширяемости – это свойство сетей увеличивать свои размеры без потери работоспособности, однако производительность сетей при этом может уменьшаться из-за увеличения нагрузки на каналы связи, задержки процедур адресации и т.д.

Масштабируемость – это свойство сетей расширяться, то есть увеличивать свои масштабы без потери производительности. Средством обеспечения масштабируемости являются коммутаторы и маршрутизаторы.

10. Принцип прозрачности.

Обозначает в сетях 2 разных эффекта:

1) Прозрачность кодов – это свойство кодов иметь в поле данных информационного объекта (кадра) символы либо сочетания битов, совпадающие со служебными. Такими являются флаги, ограничители и т.д. Если коды непрозрачны, то приёмник, обнаружив в поле флажок, решит, что это новый пакет и прекратит приём, начнёт принимать следующий. Это ошибка.

2) Второй смысл прозрачности относится к процессам данными в сетях:

обозначает невидимость для пользователя процедур, протоколов, технических средств, которые взаимодействуют в ходе передачи данных.

11. Принцип распределённости информационных ресурсов. Информация распределена по всему миру.

12. Принцип кватируемости обмена. Этот принцип говорит, что получение письма нужно подтверждать сигналами, пакетами.

13. Принцип «мастер – слуга». В обмене устройства, ведущие обмен неравноправны. Первый – мастер, он инициатор обмена, второй – слуга.

14. Автономность. Этот принцип говорит о том, что возможны равноправные сети, где все мастера.

15. Принцип толерантности (терпимости) к отказам, коллизиям. В сетях отказ, ошибка, столкновение пакетов, блокировки каналов не являются катастрофическими, а являются нормальным явлением и многие протоколы предполагают их наличие как рабочую ситуацию и обеспечивают связь при их ликвидации.