СуперЭвм

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.

Типичными областями применения суперЭВМ являются; научные исследования, прогнозирование погоды, проектирование авиационной и космической техники, ядерные исследования, сейсмический анализ и другие области, требующие быстрой обработки очень большого количества данных.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по технологии на одном МП нельзя, из-за ограничения обусловленного конечным значением скорости распространения эл.маг. волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько мм (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд.оп/сек становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВм создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МВПС).

Аппаратно современный параллелизм ЭВМ поддерживается на четырех основных уровнях:

-многомашинном;

-мультипроцессорном;

-однопроцессорном с несколькими исполнительными устройствами;

-конвейеризацией обработки данных;

Подход на основе многомашинных ВС не дает качественного скачка повышения производительности. Идея симметричной мультипроцессорной системы или SMP довольно проста. Несколько одинаковых центральных процессоров совместно используют память и шины данных компьютера. В идеальных условиях производительность такой системы должна быть в N раз выше производительности одного процессора (где N- число процессоров). Однако это неверно, такт как , когда несколько процессоров пытаются обратится к совместно используемому ресурсу.

Все современные параллельные ВС являются мультипрорцессорными с различной архитектурой.

Параллельные и конвейерные архитектуры

Рассмотрим также понятие параллельной обработки. Затраты времени как при числовой, так и нечисловой обработке легко снизить путем распараллеливания операций. Это означает, что сходные действия над группами данных выполняются одновременно одинаковыми процессорами. Параллелизм – это естественное решение проблемы обработки больших наборов данных с повторяющейся структурой.

Для организации параллельной обработки требуется:

Составление параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью специальных конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления;

Автоматическое обслуживание параллелизма. Последовательная программа может быть автоматически проанализирована и выявлена явная или скрытая параллельная обработка. Она должна быть преобразована в явную

Отображение параллельной обработки вручную или автоматически на рабочие алгоритмы, использующие специфические характеристики заданной архитектуры.

При этом параллельные архитектуры, в особенности такие как матричные процессоры достигают высокой производительности именно с учетом архитектурных ограничений.

Конвейерная обработка. Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов. Пример конвейерной организации сборочный транспортер на производстве. Если транспортер использует аналогичные, но не тождественные изделия, то это – последовательный конвейер, если же все изделия одинаковые, то это – векторный конвейер. В архитектуре вычислительных машин традиционными примерами последовательных конвейеров являются конвейерное устройство обработки команд и арифметико-логическое устройство. Конвейеры содержащие циклы называются циклическими. Конвейеры можно подразделять на однофункциональные и многофункциональные, а также на статические и динамические. Многофункциональный конвейер может перестраиваться при переходе от одной группы заданий к другой, тогда как в динамическом конвейере такая перестройка может производится между отдельными заданиями. Конвейерное устройство умножения, выполняющее одну определенную функцию, называется однофункциональным статическим конвейером.

Неклассические типы архитектур вычислительных машин

В ЭВМ классической архитектуры, чтобы найти значение элемента данных мы указываем начальное значение адреса блока памяти, а затем смещение конкретно элемента относительно начального адреса. Эти два значения складываются и получается искомый адрес. Этот вид памяти называется адресуемым. При ассоциативной адресации данные выбираются не по адресу, а по содержимому полей. Вначале пытались отразить ассоциативную адресацию и параллельную обработку на ЭВМ классической архитектуры, в которой один процессор обращается к памяти по адресу. В этой архитектуре для обработки всей информации мы располагаем всего лишь одним процессором. При этом миллиарды символов информации находятся в состоянии ожидания передачи через канал и обработки. При этом затраты времени будут очень большими. При использовании вышеизложенных концепций на этом уровне требуется внести в архитектуру два изменения:

А) использовать параллельные процессоров, т.е. параллелизм обработки;

Б) приблизить процессоры к данным, чтобы устранить постоянную передачу данных, т.е. распределенную логику. Кроме того в ЭВМ классической архитектуры обращение к памяти происходит по адресу, что приемлимо при числовой обработке, однако для организации нечисловой обработки, где обращение происходит по содержание приходится вводить режим эмуляции ассоциативной адресации с помощью основного адресного доступа. При этом создаются специальные таблицы для перевода ассоциативного запроса в адрес. Учитывая, количество информации , легко представить с какими затратами связана обработка этих таблиц.

Современные же СУБД должны уметь эффективно работать и с системами нечисловой обработки. В общих чертах современные архитектуры должны удовлетворять следующим требованиям:

-параллелизм и использование процессоров в памяти;

-ассоциативная память с ориентацией на обработку наборов данных;

-специализированный набор команд с непосредственной аппаратной поддержкой;

-эффективная работа в режиме разделения времени.

В прошлом разработка новых архитектур ЭВМ шла в двух направлениях. Одно направление, целью которого было устранении ограничений традиционной архитектуры при числовой обработке, концентрировалось на вопросах параллелизма и векторных операциях. Другое было посвящено параллельным ассоциативным структурам – ассоциативным процессорам. Однако отсутствие четко сформулированных проблем и недостаточное развитие технологий не позволяло до последнего времени реализовать эти проекты.

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

- магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком дан­ных (МКОД или MISD – Multiple Instruction Single Data);

- векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различ­ными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple Data);

- матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с много­кратным потоком данных (МКМД или МIМD – Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD – Single Instruction Single Data) и названных много­процессорных вычислительных систем показаны на рис. 1.7.

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

- структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs);

- параллельно-конвейерная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере Эльбрус 3);

- параллельно-векторная модификация, или MMISD, т. е. многопроцессорная SIMD‑архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Рис. 1.7 Условные структуры вычислительных систем: А – SISD (однопроцессорная); Б – MISD (конвейерная); В – SIMD (векторная); Г – MIMD (матричная)

Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура.

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производи­тельностью 20 MFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 с производительностью 160 MFLOPS и объемом оператив­ной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. – ЭВМ Cray 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Cray 2 составляла 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти – 2 Гбайта. Классическое соотношение, так как критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ – каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

Виды сетей. Основные понятия

Простейшей «сетью» является речевой обмен, при котором слова передаются от одного человека к другому. Этой «технологией» люди овладевают сразу же, как только начинают говорить. Другим типом сетей, с которым люди знакомятся с детского возраста, является телефон. Два телефона отделяют друг от друга многие километры провода и разнообразное коммуникацион­ное оборудование. Телефонные линии, связывающие дома и города, легко увидеть вдоль улиц и дорог, в то время как сотовые телефоны могут взаимо­действовать через спутниковые сети.

По сути, компьютерные сети представляют собой более сложный вариант тех элементов, которые лежат в основе речевых и телефонных коммуникаций. Как и при речевом диалоге, компьютерная сеть передает информацию от одного человека (или группы людей) другому. Помимо этого, как и теле­фонные системы, для передачи информации от одного узла к другому компьютерные сети используют коммуникационный кабель и радиоволны, при этом специальное оборудование между узлами обеспечивает гарантирован­ную доставку каждого сообщения.

Рис. 1.8 Сетевые коммуникации с использованием кабеля, оптоволокна и радиоволн

Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров, устройств печати, се­тевых устройств и компьютерных программ, связанных между собой кабе­лями или радиоволнами. Большинство первых сетей передавало данные по медному проводу, а сегодня они могут обеспечивать обмен данными, рече­выми и видеосигналами, используя провода, оптоволоконную среду, радио и УКВ‑волны (рис. 1.8). Компьютерные сети разви­ваются со скоростью света, если сравнивать их с другими коммуникацион­ными технологиями, такими как радио, телевидение и телефония.

Компьютерные сети, обычно классифицируемые по радиусу действия и сложности, делятся на три группы: локальные сети, региональные сети и глобальные сети (рис. 1.9). На одном конце этой классификации находятся локальные сети (local area network, LAN), состоящие из связанных между собой компьютеров, принтеров и другого компьютерного оборудования, причем все эти устройства совместно используют аппаратные и программные ресурсы, расположенные на небольшом удалении друг от друга. Радиус действия (область обслуживания) локальной сети может представлять небольшой офис, этаж здания или все здание целиком. Примером такой сети может служить химический факультет университета, в котором компьютеры, расположенные в офисах и лабораториях, соединены коммуникационным кабелем, как показано на рис. 1.10.

Рис. 1.9 Сравнение локальных, региональных и глобальных сетей

Рис. 1.10 Локальная сеть (LAN) в здании факультета

Региональная, или городская сеть (metropolitan area network, MAN) имеет большую область обслуживания, чем локальная сеть, и обычно в ней для обеспечения передачи данных на средние расстояния используется более сложное сетевое оборудование. Региональная сеть объединяет несколько локальных сетей, находящихся в большом городе или некотором регионе, и обычно простирается на расстояния не более 40-50 километров. Например, описанная выше локальная сеть химического факультета университета мо­жет быть связана с локальной сетью исследовательской клиники и сетью фармацевтической компании, расположенной в том же городе, что в сово­купности составляет региональную сеть, показанную на рис. 1.11. Отдельные локальные сети, образующие региональную сеть, могут принадлежать как одной организации, так и нескольким различным организациям. Высоко­скоростные каналы между локальными сетями в составе региональной сети обычно выполняются с использованием оптоволоконных соединений.

Рис. 1.11 Региональная (городская) сеть (MAN), соединяющая три задания в одном городе

Глобальная сеть (wide area network, WAN) представляет собой высший уровень в классификации сетей, поскольку она является крупномасштабной системой сетей, образующих единое целое со сложной структурой. Глобаль­ная сеть образуется из нескольких локальных (или региональных) сетей, ох­ватывающих расстояния свыше 40-50 километров. В состав крупных глобальных сетей может входить множество локальных и региональных сетей, находящихся на разных континентах.

Примечание

Примером простейшей глобальной сети может служить модемное подключение к поставщику сетевых услуг по обычным телефонным линиям. Более сложная глобальная сеть – спутниковый мост между локальными сетями, расположенными в разных странах. Самой известной всемирной глобальной сетью является Интер­нет, состоящая из тысяч локальных и региональных сетей, связанных между со­бой с помощью разнообразных технологий глобальных коммуникаций.

Помимо рассмотренной классификации сетей, существует еще один тип – корпоративная сеть. Подобные сети объединяют различных пользователей в пределах одной или нескольких организаций и предоставляют им множество ресурсов. Несмотря на то, что большую локальную сеть можно рассматривать как корпоративную, все же корпоративная сеть обычно состоит из нескольких локальных сетей, образующих региональную или глобальную сеть.

Одной из главных характеристик корпоративной сети является наличие раз­ных ресурсов, позволяющих пользователям решать офисные, исследователь­ские и образовательные задачи. Примером корпоративной сети может слу­жить университет, объединяющий в своем составе самые разные службы и имеющий в локальной сети множество раз­личных компьютеров и устройств печати.

Определение типа сети

Иногда различия между локальными, региональными и глобальными сетями (или границы между рабочей группой или корпоративной сетью) являются размытыми, бывает трудно определить, где заканчивается одна сеть и начи­нается другая. Однако тип сети чаще всего можно установить по результа­там анализа следующих четырех сетевых характеристик:

- коммуникационная среда;

- протокол;

- топология;

- тип использования сети (частная или общедоступная).

Рассмотрим первую характеристику. В качестве коммуникационной среды может выступать токопроводящий кабель, оптоволокно, радио или УКВ-волны. С ее помощью компьютеры и сети соединяются между собой. Не­редко локальная сеть может заканчиваться там, где одна передающая среда меняется на другую (например, обычный кабель сменяется оптоволокон­ным). Часто отдельные локальные сети на основе медных кабелей с помо­щью оптоволоконного кабеля подключаются к другим локальным сетям, образуя глобальную сеть. В других случаях граница сети может пролегать там, где происходит переход от оптоволокна к УКВ-волнам.

Перейдем ко второй характеристике. Границу локальных и глобальных сетей можно определить по типу используемых протоколов. Протокол определяет способ форматирования сетевых данных в виде пакетов или фреймов, а также методы передачи каждого блока данных и способы интерпретации данных на принимающем узле. Пакет – это модуль данных, имеющий определенный формат, пригодный для передачи информации по сети в виде некоторого сигнала.

Обратите внимание на то, что в одной локальной сети могут существовать несколько протоколов, однако границу сетей определяет только изменение типа используемых протоколов или увеличение их количества. Например, для сетей Ethernet используется один протокол, а для сети с маркерным кольцом – другой. Такие сети можно объединить, однако на границе сетей необходимо поместить устрой­ства, преобразующие фреймы или пакеты Ethernet во фреймы или пакеты маркерного кольца, и наоборот.

Третьей характеристикой, позволяющей определить границы сетей, является топология. Одним из важнейших отличий между разными типами сетей является их топология. Топология – это физическая конфигурация сети в совокупности с ее логическими характеристиками. Физическая конфигурация подобна плану разводки кабелей в офисе, здании или кампусе. Иногда ее называют кабельным участком (cable plant). Логические характеристики сети описы­вают способ передачи сигнала по кабелю от одной точки к другой.

Термин «топология сети» характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети.

Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет на:

• состав необходимого сетевого оборудования;

• характеристики сетевого оборудования;

• возможности расширения сети;

• способ управления сетью.

Четвертой характеристикой, определяющей границы сетей, является тип их использования; например, граница проходит там, где заканчивается частная сеть и начинается сеть общего пользования, или наоборот. Частная сеть принадлежит одной организации и поддерживается ею; примером может служить университетская сеть, которой управляет один из колледжей. Общедоступной называется такая сеть, которая предлагает свои услуги всем чле­нам некоторого сообщества (например, сеть, поддерживаемая телекоммуни­кационной компанией или компанией кабельного телевидения).

Для понимания классификации сетей по типу использования рас­смотрим пример некоторой компании, имеющей локальные сети в трех своих подразделениях, связанных между собой через региональную телефонную службу. Граница между частными локальными сетями и общедоступной гло­бальной сетью будет проходить там, где локальные сети подключаются к региональной телефонной сети. В другом случае компания может предложить своим сотрудникам виртуальную частную сеть (virtual private network, VPN), передающую данные через Интернет и позволяющую им обращаться к кон­фиденциальным данным и файлам так, будто они работают в сети из дома, используя компьютер и модем. VPN – это частная сеть, функционирующая как туннель через большую сеть (такую как Интернет или корпоративная сеть) и доступная только для авторизованных клиентов.

Интеграция локальных и глобальных сетей

С 1960-х и до начала 1980-х годов процедура передачи цифровых данных подразумевала непосредственное подключение неинтеллектуальных (без своего центрального процессора) терминалов к мэйнфреймам и мини-ЭВМ с использованием протокола Systems Network Architecture (SNA) компании IBM. На рис. 1.12 изображена простая сеть, в которой терминалы непосредственно подключены к мэйнфрейму через шлюз SNA (шлюзы будут рас­сматриваться позже). В настоящее время SNA является про­веренным традиционным методом коммуникаций, однако с началом распространения локальных сетей в 1982 году пользователи персональных компьютеров и рабочих станций применяют для сетевого подключения к мэйнфреймам как протокол SNA, так и более совершенные методы доступа. Кроме того, хотя мэйнфреймы могли одновременно выполнять множество задач, в настоящее время серверы меньшей мощности, такие как файловые серверы, серверы приложений, баз данных и электронной почты выполня­ют те же задачи. Устаревший метод непосредственного подключения к мэйнфреймам почти повсеместно заменен сетями, которые позволяют со­единяться с любыми сетевым и устройствами,

Рис. 1.12 Использование протокола SNA для непосредственного подключения к компьютеру без использования сети

Компьютерные сети также позволяют реализовать клиент-серверные вычис­ления, при которых вычислительные мощности распределяются между сер­верами и клиентскими рабочими станциями. Такой тип обработки данных позволяет объединить мощности новых настольных персональных компь­ютеров и специализированных серверов, которые не всегда превосходят по параметрам эти настольные компьютеры. Мэйнфреймы по-прежнему по­зволяют компаниям сохранять средства, вложенные в программное обеспечение 10-20-летней давности, в то время как клиент-серверные системы поддерживают самые современные технологии обработки данных, позволяя при этом использовать графический пользовательский интер­фейс (GUI) и новые возможности обращения к базам данных. Оба типа организации вычислительных мощностей сосуществуют в локальных и глобальных сетях, чтобы пользователи могли работать с важны­ми программами и данными.

Дальнейшим развитием клиент-серверных систем является архитектура .NET, разработанная компанией Microsoft. Она взаимодействует с Интерне­том и предназначена для такой интеграции данных и пользовательских функций, чтобы их выполнение могло осуществляться в любой точке и на устройствах различных типов, включая карманные компьютеры и сотовые теле­фоны. Кроме того, архитектура .NET позволяет объединять различные язы­ки программирования и использовать их для построения крупномасштабных приложений. Например, некоторая компания может применять существую­щий, давно проверенный программный код и объединять его с новым кодом, который может использоваться веб-сервером, отдельным персональ­ным компьютером или устройством с перьевым вводом. С внедрением архитектуры .NET граница между настольными компьютерами и серверами становится менее заметной, поскольку настольные компьютеры могут, в принципе, выполнять те же роли в совместном использовании данных и ресурсов, которые имеются у существующих серверных систем.

Каждый день растут требования к комплексным сетям, которые могли бы связать организации, находящиеся в разных странах или на разных конти­нентах. Перед сетевыми администраторами ставится множество задач, в т. ч. подключение к различным локальным и глобальным сетям, обеспечение деятельности надомных сотрудников, развертывание служб мультимедиа, а также поддержка старых и новых компьютеров в пределах одной сети. Дру­гой важнейшей задачей является увеличение пропускной способности маги­стральных каналов локальных и глобальных сетей с целью удовлетворения потребностей возросшего сетевого трафика.

Типы сетей

Существуют два основных типа сетей: одноранговые сети и сети на основе сервера. Различия между ними имеют принципиальное значение, поскольку определяют разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от многих факторов:

• размера предприятия;

• необходимого уровня безопасности;

• вида бизнеса;

• уровня доступности административной поддержки;

• объема сетевого трафика;

• потребностей сетевых пользователей;

• финансовых затрат.

В локальных сетях ПК могут выступать в роли:

• Клиентов, которые используют сетевые ресурсы, но не предоставляют свои ресурсы другим ПК;

• Одноранговых узлов, работающих с сетевыми ресурсами и поддерживающих доступ других ма­шин к своим ресурсам;

• Серверов, предоставляющих ресурсы сети другим машинам.

Одноранговая сеть

В одноранговой сети все ПК равноправны; нет иерархии среди ПК и нет выделенного сервера. Нет отдельного ПК, ответственного за администрирование всей сети. Пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем ПК сделать доступными всей сети.

Одноранговые сети называют также рабочими группами. Рабочая группа обычно включает не больше 10 ПК.

Одноранговые сети относительно просты. Поскольку каждый ПК является одновременно и кли­ентом, и сервером, то нет необходимости в мощном центральном сервере или других компонен­тах, обязательных для более сложных сетей. Одноранговые сети обычно дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных (и более дорогих) ПК.

В операционные системы из семейства Windows встроена поддержка одноранговой сети. Поэтому, чтобы установить такую сеть, дополнительного программного обеспечения не требуется. В больших сетях типа NetWare одноранговые сети могут функционировать в качестве рабочей группы в составе большой сети.

Одноранговая сеть подходит там, где число пользователей не превышает 10 человек, пользователи расположены компактно, защита данных не критична, так как в одноранговой сети каждый поль­зователь может иметь доступ к ресурсам других ПК.

Сети на основе сервера

Большинство сетей использует выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер. Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой информации. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

В серверных сетях (например, Windows NT) существует понятие домена. Домен – это совокупность сетей и клиентов, совместно использующих информацию системы защиты. Защитой домена и пол­номочиями на регистрацию управляют специальные серверы – контроллеры домена. Ни один из компьютеров в сети не сможет обращаться к разделяемым ресурсам сервера, пока не пройдет ау­тентификацию на контроллере домена.

Круг задач, решаемых серверами, многообразен и сложен. Чтобы приспосо­биться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализи­рованными. Существуют различные типы серверов: Файл-серверы и принт-серверы, серверы приложений, почтовые серверы. факс-серверы. коммуникационные серверы

Существуют и комбинированные типы сетей, совмещающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера.

Гибридные сети

В гибридных сетях имеются клиенты всех трех типов, а также активные домены и рабочие группы. Это означает, что хотя большинство общих ресурсов находится на серверах, пользователи имеют доступ к любым ресурсам, определенным как разделяемые на ПК в рабочей группе. Для доступа к ресурсам рабочей группы, с которой совместно работают одноранговые узлы сети, необязательно регистрироваться на контроллере домена.

Защита в одноранговых и серверных сетях

Одно из самых больших различий между одноранговыми и серверными сетями заключается в реа­лизации защиты. Одноранговые сети обычно менее защищены, чем серверные. В одноранговой среде защита, как правило, реализуется на уровне разделяемых ресурсов, а в среде клиент/сервер – на уровне файлов или полномочий доступа.

Другим ограничением в одноранговой сети является то, что каждый ресурс, доступом к которому нужно управлять, должен иметь свой собственный пароль. В крупной сети число таких паролей становится слишком большим. В большинстве серверных сетей достаточно одного пароля, контро­лирующего доступ ко всем ресурсам сети, на которые имеется доступ.

Преимуществом защиты в одноранговых сетях является то, что каждый пользователь сам управ­ляет доступом к своим ресурсам. Недостаток – нельзя дифференцировать сетевых пользователей. Достоинство защиты в серверных сетях – доступ только к тем ресурсам, на которые у пользователя имеются полномочия. Недостаток – необходимость должности системного администратора.

В большинстве случаев ЛВС ограничена комнатой, этажом или небольшим зданием. Чтобы вы­вести сеть за эти пределы, несколько ЛВС можно соединить с помощью маршрутизатора (router), сформировав из них интрасеть. По существу интрасеть представляет собой сеть сетей. Компью­тер в одной ЛВС может соединяться с компьютером в другой ЛВС, так как все они взаимосвя­заны. Связывая локальные вычислительные сети, можно построить интрасеть любого размера.

Примечание

Не надо путать интрасеть, т. е. совокупность связанных ЛВС, с Интернетом. Хотя Ин­тернет и является интрасетью, не каждая интрасеть является частью Интернета.

Выбор типа сети

При принятии решения о выборе типа сети основной вопрос состоит в том, можно ли позволить себе файловый сервер, сетевую ОС и администратора сети. Если да, то можно использовать гиб­ридную сетевую среду, получив преимущества обоих моделей. Если нет, то следует остановиться на одноранговой сети. Можно организовать одноранговую сеть, аналогичную серверной, используя для хранения файлов и обслуживания разделяемых ресурсов (например, принтеров) один мощный од­норанговый ПК. Это позволит централизованно администрировать ресурсы и выполнять резервное копирование на одной машине. Такой ПК будет испытывать большую нагрузку, поэтому с ним должно работать ограниченное количество ПК. Такие ПК называются невыделенными серверами.

Тип сети	Преимущества	Недостатки
Одноранговая	Нет дополнительных расхо­дов на серверы и ПО Просты в установке Не требуют должности адми­нистратора сети Позволяют пользователям управлять разделением ресур­сов При работе не надо пола­гаться на другие ПК Низкая стоимость небольшой сети	Дополнительная нагрузка на ПК из-за совместного исполь­зования ресурсов Одноранговые узлы не могут обслуживать, как серверы, большое количество соединений Отсутствие централизации, что затрудняет поиск данных Нет центрального хранилища файлов, что затрудняет их ар­хивацию Необходимость самостоя­тельного администрирования Плохая защита Отсутствие централизован­ного управления, не позво­ляющее работать в больших сетях
Сеть на основе выделенного сер­вера	Сильная централизованная защита Центральное хранилище фай­лов Простота резервного ко­пирования Возможность совместного использования серверами ап­паратного и программного обеспечения ведет к снижению затрат Способность совместного ис­пользования дорого оборудо­вания, например, лазерного принтера Оптимизированные выделен­ные серверы функционируют в режиме разделения ресурсов быстрее, чем одноранго­вые узлы Простая система защиты – доступ к сети по одному па­ролю Освобождение пользователей от задачи управления разде­ленными ресурсами Простая управляемость при большом числе пользовате­лей Централизованная организа­ция, предотвращающая по­терю данных	Дорогое специализированное аппаратное обеспечение Дорогие ОС и клиентское обеспечение Наличие специального адми­нистратора сети
Гибридная сеть	Достоинства серверной мо­дели Преимущества одноранговых вычислений Позволяют пользователям и администраторам управлять защитой в зависимости от важности разделяемого ре­сурса	Все недостатки серверных се­тей

Сегменты и магистрали

Термин «сегмент» иногда используют в качестве синонима терминов «ЛВС» или «сеть» для обозна­чения любой группы работающих в сети компьютеров, но в данном случае сегментом называют сеть, в состав которой входят рабочие станции и другие пользовательские устройства, например, принтер. Крупная корпоративная сеть состоит из множества таких ЛВС, причем все они подсоеди­нены к общей сети, которая называется магистралью. Магистраль выполняет в основном функции канала, по которому сегменты связываются друг с другом.

За счет использования магистрали для передачи потока данных из одного сегмента в другой эффек­тивность работы сети существенно возрастает. Часто магистральная сеть обладает более высоким быстродействием, чем сегменты, и, кроме того, основана на сетевой среде другого типа. Есть две причины для использования в магистрали другой сетевой среды. Во-первых, она по определению переносит межсетевой трафик, сгенерированный всеми сегментами интерсети, и быстрый протокол необходим магистрали во избежание перегрузки. Во-вторых, протяженность магистрали зачастую существенно превышает протяженность сегментов, а для работы на значительных расстояниях оп­товолоконный кабель подходит гораздо лучше.

Топология сети

Любая сеть состоит из совокупности кабелей, сетевого оборудования, фай­ловых серверов, рабочих станций и программного обеспечения. Комбинируя эти элементы, можно создать сеть, соответствующую задачам и возможно­стям конкретной организации. Первоначальная установка некоторых типов сетей не требует больших расходов, однако расходы появляются при эксплуатации или модернизации. Другие сети, наоборот, требуют значительных капиталовложений на этапе развертывания, но они просты в обслуживании и их легко расширять.

Многозначность понятия «топология»

Топология сети определяет не только физическое расположение ПК, но и характер связей между ними. Именно характер связей определяет степень отказоустойчивости сети, требуемую сложность сетевой аппаратуры, типы сред передачи, допустимый размер сети и многое другое.

Под понятием «топология сети» в литературе могут подразумеваться четыре разных понятия, отно­сящихся к различным уровням сетевой архитектуры.

• Физическая топология – схема расположения ПК и прокладки кабеля;

• Логическая топология – структура связей, характер распространения сигналов по сети;

• Топология управления обменом – принцип и последовательность передачи права на захват сети между отдельными ПК;

• Информационная топология – направление потоков информации, передаваемых по сети.

Сетевая топология имеет две составляющие: физическую развод­ку кабеля и логические маршруты, по которым следуют пакеты или фрей­мы, передаваемые по сетевому кабелю. Разводка кабеля определяется реаль­ным расположением кабеля в коробках на потолке и стенах. Логический маршрут соответствует направлению передачи пакетов или фреймов, и это направление может как соответствовать, так и не соответствовать физиче­ской разводке.

Рассмотрим пример, когда физическая конфигурация сети совпадает с логи­ческой. Физическая разводка может иметь звездообразную форму, при этом в центре звезды располагается сетевое устройство. Логические маршруты могут соответствовать звездообразной конфигурации, когда пакеты и фрей­мы передаются всем конечным узлам одновременно. Это напоминает одновременное зажигание всех лампочек в иллюминации.

Описанную топологию можно изменить и посылать фреймы и пакеты в не­которой логической последовательности (притом, что физическая разводка по-прежнему представляет собой звезду). Фреймы или пакеты могут поступать сначала на один узел, а затем на другой. Такая конфигурация будет на­поминать «бегущий огонь» в иллюминации, когда лампочки зажигаются по­очередно.

Изменения топологии определяются изменениями физической конфигурации и/или логических маршрутов. Например, пакеты и фреймы в сети могут фи­зически перемещаться в шинной топологии, имеющей конечные точки, а за­тем через некоторое сетевое устройство могут подключаться к топологии, где они будут передаваться по кольцу, у которого конечные точки отсутствуют.

Конфигурация сети может быть или децентрализованной (когда кабель «обегает» каждую станцию в сети), или централизованной (когда каждая станция физически подключается к некоторому центральному устройству, распределяющему фреймы и пакеты между станциями). Примером цен­трализованной конфигурации является звезда с рабочими станциями, рас­полагающимися на концах ее лучей. Децентрализованная конфигурация похожа на цепочку альпинистов, где каждый имеет свое поло­жение в связке, а все вместе соединены одной веревкой. Логические ха­рактеристики топологии сети определяют маршрут, проходимый пакетом при передаче по сети.

Существуют три основных топологии: шина, кольцо и звезда. При выборе топологии необходимо, чтобы тип сети соответствовал ее предназначению внутри организации. Например, некоторые организации более интенсивно используют свои сети по сравнению с другими. Количество и тип приклад­ных программ внутри организации влияют на количество и частоту переда­чи фреймов и пакетов, что в совокупности образует сетевой трафик. Если пользователи сети в первую очередь работают с текстовыми редакторами, то сетевой трафик будет относительно небольшим и большая часть работы бу­дет выполняться на рабочих станциях, а не в сети.

Клиент-серверные приложения, в зависимости от своей архитектуры, создают сетевой трафик средней и высокой интенсивности. В тех сетях, где про­исходят частые обращения к базам данных, таким как Microsoft SQL Server или Oracle, трафик средний или высокий. Научные программы и серверы публикаций создают трафик высокой интенсивности, поскольку они рабо­тают с очень большими файлами. Также большой трафик вызывает работа программ обработки графики (например, серверы потокового мультимедиа или телеконференций).

Влияние на сеть количества хостов и серверов определяется типом используемых прикладных программ. К примеру, сервер базы данных, к которому часто обращаются для получения отчетов и финансовых сведений, будет создавать значительно больший сетевой трафик, чем файловый сервер, с которого изредка получают деловую корреспонденцию или бланки писем.

При выборе топологии сети нужно учитывать, будет ли она связана с другими сетями. Сетевая топология для малого предприятия, в котором используют­ся несколько компьютеров, отличается от топологии сети промышленного предприятия, связанного через глобальную сеть с сетями других предпри­ятий. Малое предприятие вряд ли взаимодействует с другими сетями, за исключением разве что подключения к Интернету. Корпоративная сеть может состоять из нескольких взаимосвязанных сетей, в число которых, напри­мер, могут входить сеть для управления производственным оборудованием, сеть настольных систем, исследовательская сеть и внешняя глобальная сеть для связи с удаленными площадками. Одни топологии имеют лучшие воз­можности для объединения сетей, чем другие.

Топология сети непосредственно влияет на возможность ее расширения. После установки сети наверняка потребуется подключение новых пользова­телей – в том же офисе или в других помещениях или зданиях. Также весь­ма вероятно, что для удаленного доступа к данным потребуется подключить локальную сеть к какой-нибудь глобальной сети.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

• шина (bus);

• звезда (star);

• кольцо (ring).

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля (сегмента), топология называется шиной. В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим их одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца.

Шинная топология

Шинная топология (bus topology) представляет собой кабель, последовательно соединяющий компьютеры и серверы в виде цепочки.

Топология «шина» относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, следует уяснить следующие понятия:

• передача сигнала;

• отражение сигнала;

• терминатор.

Данные в виде электрического сигнала передаются всем компьютерам сети, но информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от коли­чества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т. е. чем больше компьютеров, ожи­дающих передачи данных, тем медленнее сеть.

Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством ком­пьютеров в ней нельзя, ведь помимо числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

• характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

• частота, с которой компьютеры передают данные;

• тип работающих сетевых приложений;

• тип сетевого кабеля;

• расстояние между компьютерами в сети.

Шина – пассивная топология. Это значит, что ПК только «слушают» передаваемые по сети дан­ные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один ПК выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях ПК регенерируют сигналы и передают их по сети.

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети – от одного конца кабеля к другому. Если не предпринять никаких действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отра­жаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как дан­ные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить. Для предотвращения отра­жения электрических сигналов на каждом конце сетевого кабеля, который к чему-либо не подключен, устанавливают специальные заглушки – терминаторы, поглощающие эти сигналы.

В случае физического разрыва сети ПК не смогут взаимодействовать друг с другом. Если требу­ется соединить два конца кабеля в шине или удлинить кабель, то это делается двумя способами:

1. С помощью баррел-коннектора. При этом сигнал ослабевает;

2. При помощи репитера. В отличие от коннектора, он усиливает сигнал перед подачей его в сле­дующий сегмент.

Рис. 1.13 Шинная топология

Традиционная шинная топология, показанная на рис. 1.13, хорошо работает в небольших сетях, и стоимость ее реализации относительно невелика. При развертывании сети расходы минимальны, поскольку кабеля требуется меньше, чем для других топологий. Также легко можно добавить новые ра­бочие станции и немного удлинить шину в пределах комнаты или офиса. Недостатком этой топологии является высокая стоимость ее эксплуатации. Например, трудно обнаружить отдельный неисправный узел или сегмент кабеля и связанные с ним разъемы, а один отказавший узел или сегмент с разъемами может вывести из строя всю сеть (хотя современное сетевое обо­рудование уменьшает вероятность такой ситуации). Другим недостатком яв­ляется то, что трафик по шине может оказаться слишком большим, из-за чего для управления им потребуются дополнительные коммутаторы, мар­шрутизаторы и другое оборудование.

Примечание

Традиционная шинная топология используется все реже и реже, поскольку не­которые производители сетевого и компьютерного оборудования больше не поддерживают применяемые в ней методы передачи сигналов.

Звездообразная топология

Звездообразная топология (star topology), или просто «звезда», является ста­рейшим способом передачи сигналов, имеющим свое начало в коммутаци­онных телефонных станциях. Несмотря на возраст, значительные достоинства делают звездообразную топологию удачным выбором для исполь­зования в современных сетях. Физически звездообразная топология состоит из мно­жества узлов, подключенных к центральному компоненту. Этим компонентом может быть компьютер или концентратор (hub). Каким образом рабочие станции и сервер подключены к концентратору, показано на рис. 1.14.

Сигналы от передающего компьютера поступают через центральный абонент ко всем остальным. Центральный ПК должен быть самым мощным и на него возлагаются все функции по управлению обменом. В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля к управлению конфигурацией сети централизовано.

Рис. 1.14 Звездообразная топология

В настоящее время начальные затраты на реализацию звездообразной топо­логии ниже, чем для традиционной шинной топологии и сравнимы с рас­ходами на создание кольца. Это объясняется понижением цен на сетевое оборудование и кабель, вызванным широким распространением этой архитектуры. Как и кольцо, звездообразная топология проще в управлении, чем традиционная шинная (отказавшие узлы обнаруживаются очень быст­ро). Если узел или кабель неисправны, сетевое оборудование легко может изолировать их от сети и работоспособность других узлов не нарушится. Звезду легче расширить, подключив дополнительные узлы или сети. Также она наилучшим образом может быть модернизирована для работы на боль­ших скоростях. Звезда – это наиболее распространенная топология и по­этому для нее существует широкий выбор оборудования. Недостатком звезды является то, что при отказе концентратора все подключенные узлы теряют воз­можность передачи данных (если отсутствуют дополнительные меры обеспечения избыточности). Другим недостатком является то, что для звезды требуется больше кабеля, чем для шины, однако кабели и разъемы для звез­дообразной топологии в настоящее время дешевле, чем для шинной. А если выйдет из строя только один ПК (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот ПК не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные ПК это не по­влияет.

Звезда, у которой центральным элементом является ПК, называется «активной» или «истинной» звездой. Серьезный недостаток этой топологии состоит в жестком ограничении количества под­ключаемых абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных. Существует также топология, называемая «пассивной» звездой. В настоящее время она распространена гораздо шире, чем активная звезда. В центре сети с данной топологией помещается не ПК, а концентратор (hub), выполняющий те же функции, что и репитер. Он восстанавливает про­ходящие сигналы и посылает их в другие линии связи. Можно выделить также промежуточный тип топологии между активной и пассивной звездой. В этом случае концентратор не только ретрансли­рует поступающие из него сигналы, но и осуществляет управление обменом данными, хотя сам в об­мене не участвует.

Концентраторы делятся на активные, пассивные и гибридные. Активные концентраторы регенери­руют и передают сигналы так же, как и репитеры. Иногда их называют многопортовыми репите­рами. Пассивные концентраторы просто пропускают через себя сигнал. В отличие от активных, они не требуют подключения к источнику питания. Гибридными называю концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов.

Достоинство звезды в том, что точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет контро­лировать работу сети, локализовать неисправности путем отключения тех или иных узлов, что недоступно в случае шины. Кроме того, это позволяет повысить защищенность сети и упростить ее ад­министрирование. Общим недостатком является большой расход кабеля, что значительно влияет на стоимость сети.

Следует отметить, что с точки зрения физической топологии сети, пассивная звезда ничем не отли­чается от активной и называется просто звездой.

Кольцевая топология

Кольцевая топология (ring topology) представляет собой непрерывную маги­страль для передачи данных, не имеющую логической начальной или ко­нечной точек и, следовательно, терминаторов.

При топологии «кольцо» ПК подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый ПК. В отличие от пассивной тополо­гии «шина», здесь каждый ПК выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их сле­дующему ПК. Поэтому, если выйдет из строя один ПК, прекращает функционировать вся сеть.

Физически реальное «кольцо» выглядит так же, как и «звезда». Все компьютеры подключа­ются к концентратору, в котором и образуется логическое кольцо.

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его состоит в том, что маркер последовательно, от одного ПК к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий ПК изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через каждый ПК, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных.

После этого принимающий ПК посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема данных. Получив подтверждение, передающий ПК создает новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера занимает много времени, однако на самом деле маркер передается практически со скоростью света. В кольце диаметром 300 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Рис. 1.15 Кольцевая топология

Кольцевой топологией легче управлять, чем шинной, поскольку оборудова­ние, используемое для построения кольца, упрощает локализацию дефект­ного узла или неисправного кабеля. Данная топология хорошо подходит для передачи сигналов в локальных сетях, поскольку она справляется с большим сетевым трафиком лучше, чем шинная топология. В целом можно сказать, что по сравнению с шинной топологией, кольцевая обеспечивает более на­дежную передачу данных.

Однако кольцевая топология намного дороже шинной. Обычно для ее раз­вертывания требуется больше кабеля и сетевого оборудования. Кроме того, кольцо не так широко распространено как шинная топология, из-за чего ограничен выбор оборудования и меньше возможностей для осуществления высокоскоростных коммуникаций.

Коммутируемая топология

Коммутатор (switch) является многопортовым устройством. Между автором кадра и предполагаемым получателем коммутатор создает временное соединение, по которому и передается кадр. В стандартной локальной сети, реализующей коммутируемую топологию, все соединения устанавливаются через коммутирующий концентратор (switching hub), что проиллюстрировано на рисунке 1.17. Каждому порту, а, следовательно, и подключенному к порту устройству, выделена собственная полоса пропускания.

Рис. 1.16 Звездообразная топология

Рис. 1.17 Коммутируемая топология

Коммутаторы повышают производительность локальной сети двумя способами. Первый способ заключается в расширении полосы пропускания, доступной сетевым устройствам. Например, коммутатор-концентратор Ethernet с восемью портами обладает таким же количеством отдельных доменов по 10 Мбит/с каждый, обеспечивая суммарную пропускную способность 80 Мбит/с. Второй способ повышения производительности локальной сети сводится к уменьшению количества устройств, которые вынуждены использовать все сегменты полосы пропускания. В каждом выделенном коммутатором домене находятся только два устройства: собственно сетевое устройство и порт коммутатора-концентратора, к которому оно подключено. Вся полоса пропускания 10 Мбит/с принадлежит двум устройствам сегмента. В сетях, которые не поддерживают конкурирующие методы доступа к среде передачи, например, в Token Ring или FDDI, область циркуляции маркера будет ограничена меньшим количеством сетевых устройств. Открытым остается вопрос изоляции трафика в больших сетях. Приемлемая производительность поддерживается исключительно сегментацией конфликтных, но не передающих доменов. Чрезмерно насыщенный трафик в значительной степени снижает производительность локальной сети.