Вычислительные сети (стр. 2 )

Основные режимы функционирования ОВС.

ОВС - это конечное множество элементарных машин (ЭМ), функциональное взаимодействие между которыми осуществляется через регулярную программно настраиваемую сеть связи. Чем больше число ЭМ в системе, тем выше суммарная мощность ОВС. Использование потенциальных возможностей ОВС сильно зависит от организации функционирования ОВС. Функционирование ОВС должно быть эффективным, под эффективностью мы здесь понимаем не только то, что методы и алгоритмы организации функционирования ОВС должны обеспечивать эффективное решение задач, но и то, чтобы они сами были эффективно реализуемы на ЭВМ и на системах.

В зависимости от сложности задач и характера их поступления выделяются три режима функционировани ОВС:

1.  Режим решения сложной задачи. Все ресурсы отдаются одной задаче, представленной в параллельной форме. Каждый ее фрагмент - ветвь параллельной задачи (параллельные ветви доложны быть слабо связаны). Для ВС, состоящей из 10-103 машин, сложной можно считать задачу с количеством операций порядка .

2.  Режим обработки набора задач. Для каждой задачи известны требования к памяти и др. ресурсам, ранг задачи (число параллельных ветвей). Цель - распределить задачи по машинам. (Это мультипрограммный режим. Пространственное разделение ресурсов). Возможено использования методов математического программирования, но они громоздки и сами требуют много ресурсов. Вместо них используются эвристические методы, они дают субоптимальный результат, работают быстро.

Режим обработки потока заданий (задания поступают в произвольные моменты времени). (Все аналогично 2. Но методы планирования - используются стохастическое программирование и теория игр). При число_машин = ранг_задачи используется режим 1.

10. Основные свойства ОВС с программируемой структурой. ОВС «Минимакс».

ВС с программируемой структурой реализуются применением модели коллектива вычислителей. В основу построения таких систем положены следующие принципы: 1.Массовый параллелизм - параллельность выполнения большого числа операций. 2.Программируемость сети связи между вычислителями. 3. Конструктивная однородность. Наиболее полно принципы коллектива вычислителей реализуются на ОВС, т. к. их возможности существенно богаче остальных классов систем.

Вычислительная система с программируемой структурой есть коллектив вычислительных средств, связанных между собой регулярной программно управляемой сетью связи. Вычислитель - элементарная машина, состоящая из ЭВМ и системного устройства. Различают 2 типа ВС с программируемой структурой - сосредоточенная и распределенная. В сосредоточенных ВС вычислители находятся в непосредственной близости друг от друга, что во-первых, позволяет сократить время обмена, во-вторых вести параллельный обмен; стоимость такой сети связи по сравнению с вычислителем минимальна. В распределенных ВС, состоящих из сосредоточенных расстояние между вычислителями значительно. Поэтому: 1.появляется необходимость в аппартуре передачи данных (модемах). 2.число каналов связи как правило ограничено. 3.в качестве канала связи может использоваться любой канал. Распределенные ВС - достаточно мощные системы, и наращивать их просто, если имеются достаточные средства связи. Появляется необходимость контроля передачи (аппаратура с обнаружением и исправлением ошибок). Распределенная ВС может работать и в режиме сети и в режиме параллельной обработки. Важным фвктором ВС является их надежность и живучесть. Надежность достигается за счет множества вычислительных модулей. Распределенные ВС имеют еще одно требование: если канал свяи медленный, то время на обмен может превысить время на вычисления. Необхдимо предусмотреть меры по преодолению этого. Один из путей - совмещение вычислений с обменом. Это достигается за счет соответствующей организации алгоритма.

Свойства архитектуры с программируемой структурой: 1.Универсальность - очевидно, можно решать любые задачи. 2.Производительность - теоретически, наращивание производительности таких систем может быть неограниченным. основной путь повышения производительности - увеличение количества ЭМ, можно также за счет скорости работы; 3.Реконфигурируемость: а) статическая; б) динамическая. Реконфигурация возможна за счет программируемости и регулярности структуры. позволяет организовать любые алгоритмы (матричная и конвеерная обработка), при выходе из строя отдельных машин систему можно реконфигурировать; 4.Надежность и живучесть - под живучестью понимается способность системы выполнять параллельные программы и перестраиваться в случае выхода из строя отдельных машин. Выход из строя отдельных машин снижает производительность, но система продолжает функционировать; 5.Самоконтроль и самодиагностика - создается ядро из основных машин, которые диагностируют другие машины; 6.Хорошие технико-экономические параметры - все компоненты одинаковые, их нужно разарабатывать один раз, стоимость снижвется за счет снижения требований к элеметам (проще использовать дешевые элементы и обеспечивать работоспособность за счет резервирования). (и два следующих вопроса)

Примеры ВС с программируемой структурой. Минск-222. могла расширяться до 16-ти машин. Система имела линейную структуру. в ней были реализованы все системные опреации, использующиеся в настоящее время. Системное устройство являлось внутренней частью машины и системные операции реализовывались аппаратно.

Архитектура ОВС “МИНИМАКС”

1- двумерная связь

2 - одномерная связь

2

2

1

1

1

1

ЭМ

Типичные системные операции

- программное изменение структуры ОВС

- обмен

-обобщ усл переход

-синхронизация работы ЭМ

Обобщенный условный переход

СУ MINIMAX

 

Настройка осуществляется по связям 2 БМУ – блок4 местного управления

БН – блок настройки

БО – блок обена

БΩ - блок обобщенного признака.

Межмашинное взаимодействие при функционировании ОВС реализ с помощью систем драйверов и команд.

11. Вычислительные среды. Функциональные и коммуникационные элементы среды.

Вычислительная среда может рассматриваться как микроуровень выч. Системы. Важное значение среды приобретают для аппаратной реализации математического и программного обеспечения.

Основные свойства универсальных вычислительных сред:

- однородность – вычислительная среда состоит из одних и тех же элементов с одинаковой конфигурацией соединений между ними.

- принцип близкодействия – элементы им. Связи только со своими ближ соседями

- универсальность – каждый элемент среды выполняет полный набор функций

- возможность настройки элементов

Выделяют 3 типа сред:

- континуальные (в основе принцип взаимодействия волн)

- с коллективным поведением элементов (трудность – одновременное возбуждение)

- с индивидуальным поведением элементов

Элементы выч. Среды состоят из коммутационных элементов (триконов) К1,К2,К3,К4 и функц. Элементов F

Входы х – информационные, у – настроечные

К11,К12,К13 – работают на трикон К1 (при его возбуждении замыкаются)

К1~K2K3~K4

Типы коммутационных элементов

~K1K2~K3K4

12. Отказоустойчивые вычислительные системы. Эффект «Домино». Вычислительная система космического корабля «Шаттл».

Отказоустойчивость – это свойство ВС, которые позволяют Вирт системе продолжать работать тогда, когда в физич сист. Возможны сбои и отказы компонентов. Обязательным элементом в отказоустойчивых системах является механизм обнаружения ошибок, позволяющий выявлять сигналы, отличные от тех, которые д. б. при нормальной работе ВС.

При обнаружении ошибки ВС д. Вып-ть следующие действия:

- выдача сигнала оператору системы сигнала о том, что могут содерж. Ошибки

- повтор операции, прерванной ошибкой

-выдача информации о состоянии системы в момент ошибки

-выдача информации о самой ошибке и на ее основе проведение реконфигурации.

Необходимо иметь информацию о состоянии программы в контрольных точках для исправления ошибок.

Основные требования к системе обнаружения ошибок:

-обнаружение ошибки в момент возникновения искаженной информации

-остановка процессов, вызываемых ошибкой

-обеспечение сист. Управления повторным запуском

Эффект домино

Возникает в мультипрограммных режимах.

Устранение

- можно потребовать от программиста тщательно структурировать программы, так, чтобы интерактивные процессы имели КТ хорошо скоординированные –очень трудоемкая задача

- Использование интеллекта процессора, который автоматически устанавливает КТ в дополн к КТ, которые устанав разработчик.

-- процесс никогда не вып 2 послед возврата без восстановления м/у 2 КТ

-- каждый возвратный процесс становится возвратом с минимальным шагом

- метод маскирования ошибок.

ВС SHUTTLE

Основные требования:

-автоматическое восстановление счета

-гарантированное получение результата до и после двух отказов

В системе используется 5 ЭВМ. 4 ЭВМ сост избыточный набор и программируются все идентично. Пятая ЭВМ программируется независимо.

Каждая ЭВМ управляет одной из шин и обеспечивает прием информации из нее и только принимает информацию из 3 других шин. После обработки фаз происходит голосование в подсистеме голосования.

13. Модель OSI. Понятие «открытая система».

Основные требования, которым должна удовлетворять организация выч. сетей:

1)  открытость - возможность включения дополнительных главных ЭВМ, терминалов, узлов и линий связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов.

2)  гибкость - сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ, линий и узлов связи, допустимость изменений линий и узлов связи, а также возможность работы любых главных ЭВМ с терминалами различных типов.

3)  эффективность -обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

Указанные принципы реализуются за счет модульного принципа организации управления процессами в сети по многоуровневой схеме, в основе которой лежат понятия процесса, уровня управления, интерфейса и протокола.

Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию (рис. 1) разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной - соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.

14. Уровни, протоколы, интерфейсы.

Уровни управления:

1  - физический - реализует управление каналом связи. (Подключение и отключение канала связи; формирование сигналов, представляющих передаваемые данные

2  - канальный - обеспечивает надежную передачу данных через физический канал, организуемый на уровне 1. Для обеспечения надежности используются средства контроля принимаемых данных, позволяющие выявлять ошибки в поступающих данных. При обнаружении ошибок производится перезапрос данных.

3  - сетевой - обеспечивает передачу данных через базовую СПД (сеть передачи данных). Управление сетью, реализуемое на этом уровне, состоит в выборе маршрута передачи данных по линиям, связывающим узлы сети.

4  - транспортный - реализует процедуры сопряжения абонентов сети (главных и терминальных ЭВМ) с базовой СПД. На этом уровне возможно стандартное сопряжение различных систем с сетью передачи данных и тем самым организуется транспортная служба для обмена данными между сетью и системами сети.

5  - сеансовый - организует сеансы связи на период взаимодействия процессов. На этом уровне по запросам процессов создаются порты для приема и передачи сообщений и организуются соединения - логические каналы.

6  – представления(представительный) - осуществляет трансляцию различных языков, форматов данных и кодов для взаимодействия разнотипных ЭВМ, оснащенных специфичными ОС и работающих в различных кодах, между собой и с терминалами различных типов. Взаимодействие процессов, базирующихся на различных языках представления и обработки данных, организуется на основе стандартных форм представления заданий и наборов данных.

7 - прикладной. Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

Каждый модуль взаимодействует только с модулями на один уровень выше и ниже его.

Взаимосвязь одноименных уровней программной структуры вычислительной сети определяется сводом стандартных для всей сети правил, включающих обязательные характеристики этих элементов и процедуры их взаимодействия. Эти правила принято называть протоколами. Взаимосвязь соседних (в одной машине) слоев программной структуры определяются стандартами, называемыми интерфейсами. Интерфейсы имеют локальное значение, так как определяют стыковку соседних слоев программной структуры. Протоколы же характеризуют функционирование всей вычислительной сети в целом.

Многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т. д. Заголовок и концевик называются обрамлением сообщения (данных).

Сформированное сообщение передается на уровень ниже, где оно обрамляется заголовком и концевиком и передается на следующий уровень. При передаче от низших уровней к высшим сообщение освобождается от обрамления. Таким образом, каждый уровень оперирует собственным заголовком и концевиком, а находящаяся между ними последовательность символов рассматривается как данные более высокого уровня. За счет этого обеспечивается независимость данных, относящихся к различным уровням управления передачей сообщений.

Вычислительная сеть имеет иерархию протоколов, определяемую числом взаимодействующих друг с другом одинаковых уровней программной структуры. Протоколы делятся на три группы.

Первая группа включает:

1)  управление физическим каналом

2)  управление информационным каналом

Эти протоколы определяют взаимодействие двух машин любого типа, соединенных друг с другом физическим каналом:

хостмашина - коммуникационная машина

терминальная машина - коммуникационная машина

интерфейсная машина - коммуникационная машина

машина управления вычислительной сетью - коммуникационная машина

коммуникационная машина - коммуникационная машина и т. д.

Во вторую группу входят два протокола, определяющие стандарты и процедуры транспортировки пакетов от одного порта к другому:

1)  управление сетью

2)  управление передачей

Эти протоколы описывают правила передачи информации между абонентскими машинами вычислительной сети:

хостмашина - хостмашина

хостмашина - терминальная машина

терминальная машина - терминальная машина и т. д.

При этом взаимодействие двух абонентских машин, определяемое протоколами этой группы, не зависит от числа физических каналов и коммуникационных машин, расположенных между ними.

Над рассмотренными протоколами находится группа, включающая три протокола:

1)  управление сеансами

2)  управление представлением

3)  управление программами пользователей

Эти протоколы определяют правила взаимодействия процессов, расположенных в различных абонентских машинах.

Каждый из рассмотренных протоколов должен быть прозрачным для всех протоколов более высокого уровня, т. е. обязан обеспечить транспортировку любых символов управления программных слоев верхних уровней и передачу массивов информации с любыми кодами. Как и модули программного обеспечения, протоколы должны быть относительно независимы друг от друга.

Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфейсов:

1)  параллелизм взаимодействующих процессов

2)  взаимная неопределенность состояния процессов, связанная с отсутствием у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса

3)  отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями, выполняемыми при их наступлении

4)  отсутствие полной гарантии доставки сообщений

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики. Логическая характеристика протокола - структура (формат) и содержание (семантика) сообщений. логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называется процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может быть задана в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

15. Прикладной, представительный уровни.

Представительный уровень (presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информации, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень (application layer) – это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message). Существует большое разнообразие служб прикладного уровня. Например, наиболее распространенных реализаций файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

16. Сеансовый, транспортный уровни.

Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Транспортный уровень (transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. ТУ предоставляет 5 классов сервиса: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное – способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

17. Сетевой уровень.

Сетевой уровень (network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции СУ достаточно разнообразны. Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается СУ, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения. Проблема выбора пути для передачи данных между сетями называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач СУ. СУ решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями. Сообщения СУ наз. Пакетами (packets). На СУ определяются два вида протоколов : сетевые – реализуют продвижение пакетов через сеть и маршрутизации – протокол обмена маршрутной информацией.

18. Канальный, физический уровни.

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким как например, коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. На этом уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодировки, скорость передачи сигналов. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Пример 10Base-T технологии Ethernet.

Канальный уровень (data link layer) одной из задач решает проверку доступности среды передачи. Другая задача реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого биты группируются в наборы – кадры (frames). КУ обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. КУ может также исправлять ошибки за счет повторной передачи поврежденных кадров. К в компьютерах функции КУ реализуются сетевым адаптером и его драйвером. В целом КУ – мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети.

19. Коммуникационные подсети.

В последние годы наметилась тенденция интегрирования систем связи.

Коммуникационная подсеть представляет собой совокупность физической среды, программных и аппаратных средств, обеспечивающих передачу информации между группой абонентских систем

Требования к коммуникационным подсетям:

1)  высокая надежность передачи блоков данных

2)  небольшая стоимость передачи

3)  высокая скорость передачи

4)  высокая долговечность и износоустойчивость оборудования

5)  малые потери информации

6)  малый штат обслуживания

7)  передача информации, закодированной любым способом

Важным моментом является интерфейс. Есть такие системы, которые преобразуют любой интерфейс к интерфейсу КС, такие интерфейсы называют интеллектуальными

Существует 2 вида оценки скорости: - в собственной физической среде (бод); - скорость передачи сообщений (бит/с). Важной характеристикой является вид используемой среды (эфир, световод, коаксиальный кабель, витая пара и т. п.) У каждой среды существуют свои ограничения на использование.

20. Одно, многоузловая коммуникационная подсеть.

одноузловая коммуникационная сеть

недостатки:

одно из самых уязвимых мест – центральный узел ограничение скорости передачи данных большая суммарная длина каналов

достоинства:

простота невысокая стоимость простое подключение абонентских систем

многоузловая коммуникационная сеть

в подобных сетях вводится административная подсистема. Ее функция – управление подсетью (администрирование).

Особенности – это распределенная структура передачи, способность передавать цифровую информацию и речь. Широкое распространение в таких сетях получили всевозможные необслуживаемые коммутаторы. В коммуникационных каналах используются специальные каналы связи.

21. Моноканал, Поликанал.

Для моноканала не выделяется никаких частотных полос – это физическая среда, обеспечивающая одновременную передачу блоков данных всем подключенным к нему системам.

Типы: звезда древовидный

магистральный кольцо

использование разных линий

Поликанал – в одном канале выделяется несколько частот и осуществляется имитация «несколько каналов в канале» несколькими способами:

использование головного преобразователя петлеобразные поликаналы

в поликанале передача односторонняя

петлеобразный

22. Циклическое кольцо.

Циклическое кольцо

Если система передает информацию, то логическое кольцо в точке передачи рвется.

23. Технология Ethernet.

Ethernet - сеть с шинной архитектурой. Родоначальник - фирма Xerox. Максимальная скорость передачи - 2.9 Мбайт/сек (75г.). Поздний Ethernet строится на аппаратуре DEC и Intel. Максимальная скорость увеличилась до 10 Мбайт/сек. Если использовать оптоволокно: скорость достигает 100 Мбайт/сек; структура сети как правило петлевая - есть один диспетчер, на который заходят все каналы; трудности с ответвлением - на каждом ответвлении мощность уменьшается в 2 раза. В Ethernet между станцией и коаксиальным кабелем находятся следующие устройства: 1) Интерфейс со станцией. 2) Формирователь кадра. 3) Управление связью. 4) Кодер/декодер. 5) Приемо-передатчик. 2) и 3) составляют канальный контроллер. 4) и 5) относятся к физическому каналу. Длина отрезка кабеля - не более 500м (это о толстом Ethernet-е, для тонкого – 90м). Возможно использовать несколько сегментов, которые соединяются повторителями: локальными или удаленными (расстояние до 1000м, соединение "точка-точка").