На каждой из машин работает своя операционная система (этот признак отличает ММВК от многопроцессорного вычислительного комплекса)

1.   На каждой из машин работает своя операционная система (этот признак отличает ММВК от многопроцессорного вычислительного комплекса).

2.   В ММВК имеются общие физические ресурсы (а следовательно имеются проблемы синхронизации доступа).

ММВК использовались в качестве систем сбора и обработки больших наборов данных, и для организации глобальных терминальных комплексов. ММВК появились в начале 60-х и сейчас продолжают успешно существовать. Одно из основных применений ММВК - это дублирование вычислительной мощи, примером таких систем может служить любая система управления важными технологическими процессами.

Вычислительные сети

И терминальные комплексы, и ММВК можно считать частным случаем вычислительных сетей, однако хронология развития многомашинных ассоциаций была именно такой - сначала появились терминальные комплексы, потом ММВК, потом вычислительные сети.

Предположим у нас есть некоторая группа вычислительных машин, которые мы будем называть абонентскими машинами (АМ). Имеется некоторое образование, которое называется коммутационной средой. Коммутационная среда включает каналы передачи данных, обеспечивающие взаимодействие между машинами, специальные вычислительные машины, которые мы будем называть коммутационными машинами. Абонентские машины могут осуществлять взаимодействие друг с другом через коммутационную среду, в рамках которой используются каналы передачи данных и коммутационные машины.

Существует ряд классических разновидностей сетей.

Сеть коммутации каналов. Суть ее заключается в том, что если надо связать АМ2 с АМ3, то происходит соединение каналов и коммутационных машин между этими АМ. Это соединение будет существовать до конца взаимодействия АМ2 и АМ3. Достоинство этой сети в том, что скорость взаимодействия между машинами равна скорости самого медленного компонента сети, участвующего в связи (это максимально возможная скорость). Недостаток в том, что такая связь может блокировать другие соединения (в данном случае АМ1 и АМ4 не свяжутся до конца связи между АМ2 и АМ3). Уйти от этой проблемы можно потребовав от коммутационной среды большой избыточности, т.е. организовать дополнительные (дублирующие) каналы.

Сеть коммутации сообщений. Если коммутация каналов - это коммутация на время всего сеанса связи, то коммутация сообщений - это связь, при которой весь сеанс разделяется на передачу сообщений (сообщение - некоторая, логически завершенная, порция данных), и коммутация происходит на период передачи сообщения. В такой сети на коммуникационные машины ложатся большие нагрузки, они должны обладать возможностью буферизации сообщений в связи с неравномерной скоростью передачи на разных участках сети. Достоинства - простота логическая и физическая, недостатки - снижение скорости работы в сети, и потери, связанные с буферизацией.

Сеть коммутации пакетов. Сеанс разбивается на сообщения, сообщения разбиваются на порции данных одинакового объема - пакеты. По сети перемещаются не сообщения, а пакеты. Здесь действует принцип горячей картошки: основное действие коммутационной машины - как можно быстрее избавиться от пакета, определив кому его дальше можно перекинуть.. Т.к. все пакеты одинакового объема, не возникает проблем с буферизацией, потому что мы всегда можем рассчитать необходимую буферную способность коммутационных машин. Логически происходит достаточно быстрое соединение, потому что сеть коммутации пакетов практически не имеет ситуаций, когда какие-то каналы заблокированы. За счет того, что происходит дробление сеанса на пакеты, имеется возможность оптимизации обработки ошибок при передаче данных. Если мы получаем ошибку в режиме коммутации каналов, то надо повторять весь сеанс, если в режиме коммутации сообщений, то надо повторять сообщение, здесь же достаточно повторить передачу пакета, в котором обнаружена ошибка.

В реальных системах используются многоуровневые сети, которые в каких-то режимах работают в режиме коммутации каналов, в каких-то режимах работают в режиме коммутации сообщений и т.д. На сегодняшний день можно сказать, что сетей, принадлежащих чисто к одному из вышеперечисленных типов, нет.

Стандарт ISO/OSI

Развитие многомашинных ассоциаций вообще, и сетей ЭВМ в частности, определило возникновение необходимости стандартизации взаимодействия, происходящего в сети. Поэтому в конце 70-х начале 80-х годов ISO (International Standard Organization) предложила т.н. стандарт взаимодействия открытых систем ISO/OSI (Open System Interface).

Была предложена семиуровневая модель организации взаимодействия компьютеров со средой передачи данных, с программами, функционирующими на разных компьютерах, и в общем случае организация взаимодействия в сети. Предлагались к рассмотрению семь уровней взаимодействия:

VII	Прикладной уровень
VI	Представительский уровень
V	Сеансовый уровень
IV	Транспортный уровень
III	Сетевой уровень
II	Канальный уровень
I	Физический уровень

1.   Физический уровень или уровень сопряжения с физическим каналом. На этом уровне решаются самые земные вопросы организации взаимосвязи: это вопросы уровней и типов сигналов, и т.д. Этот уровень определяет конкретную физическую среду. Предположим, физической средой может быть среда, которая называется "витая пара", или среда, которая называется "коаксиальный провод", или средой может быть оптоволокно, и т.д. Каждая из этих физических сред определяет свои правила общения через них.

2.   Канальный уровень. На этом уровне формализуются правила передачи данных через канал. Если физический уровень связан непосредственно со средой (с каналом), то канальный уровень связан с передачей информации по этому каналу.

3.   Сетевой уровень. Этот уровень управляет связью в сети между машинами. Здесь решается вопрос адресации и маршрутизации данных.

4.   Транспортный уровень. Этот уровень иногда называют уровнем логического канала. На этом уровне решаются проблемы управления передачей данных, и связанные с этими проблемами задачи - локализация и обработка ошибок и непосредственно сервис передачи данных.

5.   Сеансовый уровень обеспечивает взаимодействие программ (понятно, что машины сами по себе не взаимодействуют, а взаимодействуют программы). При этом решаются проблемы синхронизации обмена данных, отмены сеанса в результате фатального исхода, подтверждения паролей.

6.   Представительский уровень. На этом уровне решается проблема с представлением данных. Понятно, что разные системы имеют разные формы представления данных.

7.   Прикладной уровень. На прикладном уровне решаются проблемы стандартизации взаимодействия с прикладными системами.

Итак, была предложена такая семиуровневая модель, и было предложено использовать эту модель в двух качествах: стандартизация взаимодействия в сети (разработка стандартов) и применение этой модель для практических решений. Стандарты на физический уровень уже разработаны, разрабатываются стандарты на канальный уровень. К сожалению, реальные сети не соответствуют такой семиуровневой модели, хотя иногда можно найти некоторое соответствие.

Считается, что на каждой из ВС, функционирующих в сети, существует набор уровней сетевого взаимодействия, соответствующий такой семиуровневой модели. При этом считается, что гарантированно в сети существуют подряд идущие уровни снизу вверх. Т.е. если есть сеансовый уровень, то гарантированно есть все нижестоящие.

У нас есть две машины, на каждой из которых реализована эта семиуровневая модель. Система взаимодействия предусматривает такое взаимодействие между машинами, при котором каждый уровень общается с себе подобным уровнем. Правило взаимодействия систем на одноименных уровнях, называется протоколом передачи данных. При этом одноименные уровни реально напрямую друг с другом оперировать не могут. Они оперируют друг с другом через нижестоящие уровни и физическую среду. Любой уровень нашей модели может непосредственно взаимодействовать только с соседним уровнем (либо соседним сверху, либо снизу). Правила взаимодействия между уровнями называются интерфейсом. Если один уровень обращается к другому (в другой машине) через протокол передачи данных, на самом деле происходит обращение через соответствующую последовательность интерфейсов к нижестоящим уровням, далее происходит передача через физическую среду, и затем происходит последовательная передача от нижестоящего уровня к нужному.

Сущность стандартизации заключается в том, что после принятия стандарта этих уровней, можно уже менять реализации уровней либо добавлять новые уровни, не беспокоясь об интерфейсах и протоколах. Стандартизация определяет совместимость.

Немного об Интернет

Мы с вами поговорим немного об Интернет, но не с точки зрения того, что нам говорят по телевизору, причем часто говорят вещи откровенно глупые, а сточки зрения ее устройства.

Несколько слов предыстории. В конце 60-х годов американское агентство перспективных исследований в обороне DARPA приняло решение о создании экспериментальной сети с названием ARPANet. Основным свойством этой сети было то, что предполагалось отсутствие какой-либо централизации. Этот проект начал развиваться. В 70-ом году ARPANet стала считаться действующей сетью США, и в частности, через эту сеть можно было добираться до ведущих университетских и научных центров США. В начале 80-х годов началась стандартизация языков программирования, а затем протоколов взаимодействия сетей. Здесь есть два момента, повлиявших на появление Интернет. Первый - это сам факт стандартизации. Второе - появление модели ISO/OSI. Этогт момент можно считать началом появления Интернета.

Лекция №23

Мы начали обсуждать проблемы организации Интернет и обозначили основное качество этой системы, заложенное изначально - что эта сеть абсолютна симметрична с той точки зрения, что она не подразумевала какой-либо централизации и иерархии. Это свойство, которое легло в основу сети, и создало тот бум, который наблюдается сейчас, то есть Интернет может свободно расширяться.

Мы с вами рассмотрели вкратце предысторию сети. Изначально сеть подразумевала чисто экспериментальную работу и уже в дальнейшем получила университетскую распространенность, коммерция же пришла в Интернет где-то в 1994-95 годах.

Èíòåðíåò основан на протоколах TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol). Иногда говорят: “протокол TCP/IP” - но это неправильно, так как под этой аббревиатурой скрывается целый набор протоколов, объединенных под одним названием. Кстати, здесь есть отдельно протокол TCP и отдельно протокол IP.

Семейство TCP/IP строится по четырехуровневой схеме. Рассмотрим таблицу соответствия TCP/IP модели ISO/OSI:

Уровни TCP/IP	Уровни ISO/OSI
I. Прикладных программ	I.   Прикладных программ II.  Представление данных
II. Транспортный	III.Сеансовый IV.Транспортный
III. Межсетевой	V.  Сетевой
IV. Доступа к сети	VI.Канальный VII.Физический

Уровень доступа к сети TCP/IP обеспечивают аппаратные интерфейсы и драйверы этих аппаратных интерфейсов. К примеру, протоколами уровня доступа к сети являются протоколы Ethernet. Их суть в следующем.

Ethernet - это система, обеспечивающая "мгновенный" доступ с "контролем несущей" и обнаружением столкновений. Ethernet - широковещательная сеть, это означает, что любое сообщение, выходящее из источника становится видимым всем остальным Ethernet- устройствам. Ethernet симметрична (нет никакого физического главенства), она предполагает наличие некоторой физической среды (разновидности коаксиального кабеля, кабель “витая пара”, СВЧ диапазон и др.), Ethernet-устройства, которое осуществляет взаимодействие в рамках данной среды. Так как сеть симметрична, то возникает проблема столкновения пакетов передающихся данных, то есть, когда одновременно посылаются два пакета данных из разных устройств - в этом случае происходит отказ передачи данных у обоих устройств, после этого они замирают на некоторое время, а затем делают еще одну попытку. Это напоминает разговор вежливых людей в темной комнате: если один человек говорит, то остальные молчат; когда, два человека, начинают говорить, то оба одновременно замолкают и делают паузу.

Следующее свойство Ethernet çàêлþ÷àåòся â òîì, ÷òî êàæäîå èз Ethernet-устройств имеет уникальный адрес, этот адрес присваивается ему при изготовлении. Существует ряд международных правил, которые создают невозможным появление в мире двух Ethernet-устройств с одинаковым номером, будь-то уже сгоревшие устройства или еще находящиеся в строю. Этот адрес можно сравнить со штрих-кодом, который встречается на различных продуктах.

Еще одно свойство Интернет - широковещательность. Реально, любое сообщение, посланное в сеть, проходит через все Ethernet-устройства сети. Соответственно все сообщения имеют адресацию, и сообщения могут адресоваться всем устройствам, либо какому-то отдельному, но в любом случае - сообщение пройдет через все устройства, а уж каждое из них само решит - оставить его или нет.

Вот в нескольких словах о примере четвертого уровня доступа протоколов TCP/IP, это наиболее распространенный вариант. Можно сказать о том, что такая сеть проста, но имеет ряд недостатков, заключающихся в том, что когда в сети возникает много активных пользователей, то учащаются столкновения сообщений и пропускная способность существенно снижается.

Следует обратить внимание, что когда мы говорим Интернет - сеть, то это также верно, как и то, что TCP/IP - протокол. То есть Интернет - это объединение сетей.

С этой точки зрения можно выделить два вида компьютеров, которые можно выделить в сети:

Это хост-компьютеры (host) и шлюзы (gate). В двух словах покажем, что есть что. Реально, каждый из компьютеров, который работает в сети, может классифицироваться по двум признакам. Если в компьютере расположена только одна сетевая карта или интерфейс, то это хост-компьютер и обычно он принадлежит какой-нибудь одной сети. Если в компьютере находятся две и более сетевых карт, при этом каждая из карт подключается к своей сети, то такой компьютер называется компьютером-шлюзом. Соответственно, через шлюзы можно объединять сети.

То есть, если смотреть с точки зрения принадлежности к сетям - хост принадлежит одной сети, а шлюз принадлежит сразу двум или более сетям. Через шлюзы осуществляется взаимодействие между компьютерами в различных сетях. И этот механизм объединения и доступа является одной из отличительных черт Интернета, которая базируется на межсетевом уровне TCP/IP, который в свою очередь базируется на протоколе IP.

Основная функция протокола IP - уникальная межсетевая адресация. Одним из основных свойств или качеств IP-протокола является IP-адрес. Это адрес, который приписывается как конкретной сети, так и конкретному компьютеру в сети. Исходя из этого, мы можем сказать, что шлюз - это компьютер, имеющий два или более IP-адреса (адрес в одной сети и в другой сети), хост - компьютер, имеющий один IP-адрес. Также, в функции IP входит маршрутизация, то есть выбор пути, по которому будут передаваться сообщения, определение базовых блоков данных (они называются дейтаграммы), которые передаются, и взаимодействие с транспортным уровнем и уровнем доступа к сети. Соответственно, в связи с этим взаимодействием возможна фрагментация и дефрагментация дейтаграмм.

Два слова об IP-адресации. IP-адрес - это четырехбайтовый код, в котором может размещаться информация об адресе сети и об адресе компьютера в сети. Существует несколько категорий IP-адресов:

Класс А.

0
1 байт		2 байт	3 байт	4 байт

Первый байт кодирует номер сети, при этом его старший бит является нулевым (это признак класса А), остальные биты определяют номер сети. Сетей класса А может быть 126 штук. Соответственно, последние три байта - номер компьютера в сети. Сети класса А - гигантские сети, которые могут принадлежать крупнейшим корпорациям.

Класс B.

1	0
1 байт			2 байт	3 байт	4 байт

Признак класса B - старшие два бита равны “10”. Для нумерации сети используется остаток первого и целиком второй байт. 3 и 4 байты - номер компьютера в сети. Это также большие сети, их может быть большое количество, но также ограниченное.

Класс C.

1	1	0
1 байт				2 байт	3 байт	4 байт

Признак класса C - старшие три бита равны “110”. Для нумерации сети используются: остаток первого байта, второй и третий байты целиком. Номер компьютера определяется четвертым байтом. Соответственно, класс C представляет гигантское количество небольших сетей.

Есть еще два класса - D и Е, но они достаточно специфичны, и мы не будем о них говорить.

Существует международная организация, которая распределяет номера сетей. Здесь действует определенная иерархия. Организация, получившая номер сети может распределять номера компьютеров в пределах этой сети по собственному усмотрению.

Следует отметить, что, несмотря на огромное число адресов, которое можно представить четырьмя байтами, существует проблема их узкости, и идут разговоры о расширении IP адресации. Это колоссальная проблема, сравнимая разве что с проблемой 2000 года.

На межсетевом уровне кроме протокола IP существует еще группа вспомогательных протоколов. Часть из них зависит от того, чем мы будем пользоваться и что мы будем делать. В любом случае - основа для них - протокол IP.

Следующие протоколы - транспортные. Здесь присутствует два типа протоколов - UDP (User Datagram Protocol) и TCP.

Протокол TCP обеспечивает передачу данных с контролем и исправлением ошибок. Кроме того, TCP гарантирует логическое соединение. То есть TCP позволяет создавать логические каналы, гарантируя отправку и прием порций данных в определенном порядке. Протокол жесткий, так как контролирует ошибки. Но за все надо платить, и TCP является ресурсоемким протоколом.

Протокол UDP - это быстрая доставка сообщений без осуществления контроля доставки. Протокол TCP больше рассчитан на использование в Интернете (для передачи на дальние расстояния, где не может гарантироваться безошибочность передачи). UDP ориентирован на работу в локальной сети, где гарантирован определенный уровень качества передачи данных. Протоколы транспортного уровня общаются с прикладными протоколами и межсетевыми протоколами.

Далее идет уровень прикладных систем. TCP/IP обладает тем свойством, что в семействе этих протоколов стандартизованы протоколы, на которых базируются прикладные системы. В частности, FTP (File Transfer Protocol). Реально система FTP присутствует в каждой операционной системе и в каждой набор FTP систем может быть значительным. Но за счет того, что имеется стандарт FTP, все эти приложения работают единообразно. Есть сетевой продукт Telnet - сетевая эмуляция алфавитно-цифрового терминала.

То есть в системе стандартизованы протоколы с помощью которых организованы прикладные системы. И мы можем строить свои приложения FTP или Telnet из предоставленных кирпичиков.

Разные прикладные системы общаются с разными протоколами - кто-то с UDP, кто-то с TCP. FTP è Telnet, например, работают через TCP, а сетевая файловая система NFS, которая позволяет объединять файловые системы разных машин в одну (и видеть их, как свою локальную), основывается на UDP, потому что NFS работает в рамках локальной сети.

Вот и все, что можно было сказать о многомашинных ассоциациях, протоколах и по курсу в целом.