И вычислительных сетях

Как показывает практика, совместное использование вычислительных ресурсов повышает надежность работы системы в целом, значительно (в 1,5÷2 раза) сокращает эксплуатационные расходы, составляющие основную долю расходов на обработку информации, позволяет рациональное сочетание преимуществ централизованной и децентрализованной обработки информации благодаря приближению средств сбора исходной и выдачи результатной информации непосредственно к местам ее возникновения и потребления. Поэтому уже в 70-е годы прошлого столетия предпринимались усилия к рассредоточенной обработке информации.

Начало совместному использованию вычислительных ресурсов положили системы телеобработки информации. К мощной ЭВМ или вычислительному комплексу подключался один или несколько комплексов телеобработки (дисплейные комплексы). Такие комплексы представляли собой программно-аппаратные системы, в состав которых входил центральный распределительный узел (стойка управления) и абонентские пункты или терминалы, состоящие из клавиатуры и монитора. Стойка управления подключалась к одному из каналов ЭВМ, а к ней подключались терминалы, количество которых составляло 8 шт. на один распределительный узел. Расстояние от терминалов до центральной машины составляло 5-8 метров. Но это уже позволяло одновременно работать за машиной нескольким операторам, выполняющим различную работу. Так, например, широко использовались дисплейные комплексы ЕС-7920, подключаемые к мейнфреймам Единой Системы.

Расширение состава и совершенствование аппаратуры приема-передачи, а также резкое снижение стоимости средств вычислительной техники привели к использованию в качестве абонентских пунктов систем телеобработки данных интеллектуальных терминалов, создаваемых на базе микропроцессоров и микроЭВМ и обеспечивающих частичную обработку информации (главным образом предварительную обработку исходной информации в виде ее логического контроля, агрегирования и т.д.) непосредственно до ее передачи по каналам связи. Использование интеллектуальных терминалов позволило сблизить функциональные возможности систем телеобработки данных и вычислительных сетей.

В настоящее время вычислительные сети представляют собой высшую организационную форму применения ЭВМ.

Для современных вычислительных сетей характерно:

· объединение многих достаточно далеко удаленных друг от друга ЭВМ или отдельных вычислительных систем в единую распределенную систему обработки данных;

· применение средств приема-передачи данных и каналов связи для организации обмена информацией в процессе взаимодействия средств ВТ;

· наличие широкого спектра периферийного оборудования, используемого в виде абонентских пунктов и терминалов пользователей, подключаемых к узлам сети передачи данных;

· использование унифицированных способов сопряжения технических средств и каналов связи, облегчающих процедуру наращивания и замену оборудования;

· наличие операционной системы, обеспечивающей надежное и эффективное применение технических и программных средств в процессе решения задач пользователей вычислительной сети.

Особенностью эксплуатации вычислительных сетей является не только приближение аппаратных средств непосредственно к местам возникновения и использования данных, но и разделение функций обработки и управления на отдельные составляющие с целью их эффективного распределения между несколькими ЭВМ, а также обеспечение надежного и быстрого доступа пользователей к вычислительным и информационным ресурсам и организация коллективного использования этих ресурсов.

Возможность концентрации в вычислительных сетях больших объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки и высокая надежность их функционирования – все это позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения ВТ.

В условиях вычислительной сети предусмотрена возможность:

· организовать параллельную обработку данных многими ЭВМ;

· создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных ЭВМ;

· специализировать отдельные ЭВМ (группы ЭВМ) для эффективного решения определенных классов задач;

· автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными ЭВМ и пользователями сети;

· резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;

· перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;

· стабилизировать и повышать уровень загрузки ЭВМ и дорогостоящего периферийного оборудования;

· сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, режимах "запрос-ответ", а также сбора, передачи и обмена информацией.

Рассмотрение вычислительных сетей начнем с локальных (корпоративных) сетей, создаваемых в пределах одной организации.

Локальная сеть (LAN – Local Area Network), или локальная вычислительная сеть (ЛВС) – это сочетание компьютеров, кабелей, плат сетевых адаптеров, сетевой операционной системы и сетевых прикладных программ. Локальные сети называются так потому, что сетевые адаптеры и прочие устройства не могут передавать сообщения на расстояния больше нескольких сотен метров. Локальная сеть позволяет организовать совместное использование файлов, программ-приложений, принтеров, модемов, электронной почты и дискового пространства, работать с многопользовательскими программами и т.д. В локальной сети каждый персональный компьютер называется рабочей станцией, за исключением одного или нескольких, на которые возложено выполнение функций серверов.

Сервер – наиболее сложный и дорогостоящий программно-аппаратный комплекс корпоративной сети, централизованный информационно-вычисли-тельный ресурс, предназначенный для коллективного использования и обеспечивающий возможности совместной работы пользователей сети. Сервер, в отличие от рабочих станций, которые должны быть снабжены максимально развитыми средствами ввода и отображения информации, представляет собой компьютер с оборудованием и программным обеспечением для обслуживания всей сети. В первую очередь, он обеспечивает доступ рабочих станций к файлам, хранящимся на его жестких дисках. К серверу подключаются принтеры, модемы, общие приложения (например, электронная почта), факсы и другое оборудование. В качестве серверов используются особо надежные, высокопроизводительные компьютеры, так как при обслуживании всей сети они выполняют намного больший объем работы, чем рабочие станции. Многие серверы стоят в несколько раз дороже обычных компьютеров. Для них очень важно иметь большой объем оперативной и дисковой памяти, обеспечение исключительной надежности, высокой производительности ввода/вывода, дублирование устройств и хранимых данных. Они должны иметь средства контроля за состоянием сервера, средства бесперебойного питания и т.д. Емкость и быстродействие жесткого диска в сервере должны быть максимальными. Но не всегда установка одного диска большой емкости бывает наилучшим решением. Если сервер должен одновременно отвечать на запросы многих пользователей, то лучше установить в нем, например, 9 SCSI дисков емкостью по 40 Гбайт каждый, чем один диск емкостью 360 Гбайт. В сервере должно быть достаточное количество слотов для установки как необходимых на данный момент адаптеров, так и тех, что могут понадобиться в дальнейшем. Обычно роль серверов выполняют специализированные компьютеры.

В зависимости от назначения сервера он может быть специализированным файл-сервером (сервером баз данных), принт-сервером, коммуникационным, Web-сервером, сервером приложений и т.д.

Впоследнее время наблюдается четкое разделение серверов на две линии: серверы башенного типа и серверы для рэков (Rack – стойка). Рэковые конструкции рекомендуются по следующим причинам:

· часто это является наиболее эффективным решением для крупных центров обработки данных, где требуется размещать большое количество серверов на ограниченной площади и где наблюдается тенденция отделения систем внешней памяти от систем обработки данных. Внешняя память должна развиваться независимо от процессорной обработки и представлять собой самостоятельный ресурс, доступный множеству процессоров. В этих случаях собственная внешняя память сервера может иметь всего несколько дисков для размещения операционной системы, служебных файлов или программных приложений;

· серверы в рэке значительно более удобно обслуживать, можно сэкономить на оборудовании, используя с помощью переключателя всего один монитор и одну клавиатуру для всех серверов рэка;

· в последние годы быстрыми темпами развивается рынок поставщиков услуг Интернет и приложений. Аналитики предсказывают, что корпорации будут предпочитать аренду этих услуг покупке своего оборудования и программного обеспечения. Этот растущий рынок провайдеров (поставщиков услуг) почти целиком ориентируется на использование рэковых моделей серверов.

На рынке серверов универсального типа наиболее распространены устройства, создаваемые в архитектуре Intel (IA). Ими, в частности, оснащена информационная система МПС, включающая центральное ядро министерства, 17 ИВЦ дорог и 17 ИВЦ в странах СНГ и Балтии. 75% серверов Intel-архитектуры выпускают четыре фирмы: Compaq Computer, IBM, Dell Systems и Hewlett-Packard. Сама фирма Intel не выпускает серверы под своей торговой маркой, но она производит "строительные блоки" в виде серверных компонент.

Основная стратегия Intel заключается в том, что компании-сборщики серверов на основе этих блоков изготавливают свои собственные изделия, подбирая то, что наиболее подходит заказчику с точки зрения характеристик конечного изделия.

Важнейший параметр сервера – его производительность напрямую зависит от специфики решаемых задач. Например, установка сервера начального уровня обеспечит нормальную работу рабочей группы, а это по меркам зарубежных менеджеров по информационным технологиям – от 50 до 300 человек. Если сервер будет использоваться исключительно как файловый, то в типовой конфигурации он сможет нормально обслуживать все 300 человек. Если добавить поддержку электронной почты, то размер обслуживаемой рабочей группы надо уменьшить до 100-150 человек. Если на сервере будет работать еще Web-сервер (для сети Интернет или IntraNet), то возможности сервера по обслуживанию рабочей группы окажутся еще меньше. Если же сервер выполняет еще и функции брандмауэра, который отделяет сеть предприятия от внешней сети c целью ее защиты, то количество активных рабочих станций сокращается до минимума.

Часто сервером называют совместно используемый в сети программный продукт, например, программы управления гетерогенными, разноплатформенными базами данных.

В каждой рабочей станции и сервере установлены платы сетевых адаптеров (карт). Все рабочие станции и серверы соединяются между собой с помощью кабелей. Адаптеры должны соответствовать типу системной шины компьютера, производительности и сетевому протоколу конкретной сети. Что касается младших моделей серверов, то подключение стандартного сетевого адаптера в условиях стандартных задач не оказывает существенного влияния на производительность сервера. Но, если сервер высокого уровня обслуживает транзакционные задачи (транзакция – прием порции данных от пользователя, ее обработка и выдача ответного сообщения, например, продажа билетов на поезда), а установлен в него тот же самый простой сетевой адаптер, будет наблюдаться существенная деградация производительности сервера. В виду того, что сетевая карта периодически обращается к процессору, то, например, в 4-х процессорном сервере из-за обращений сетевой карты будет постоянно нарушаться вычислительная работа всех четырех процессоров. В данном случае следует применять более сложную сетевую карту, которая берет на себя функции обработки сетевого трафика (потока сообщений в сети), освобождая тем самым ресурсы центрального процессора для счетной работы.

Ряд производителей, в частности Intel, 3Com, SMC Networks и др., поддерживают в своих сетевых адаптерах технологии, способные объединять несколько сетевых карт в единое виртуальное устройство с агрегированной пропускной способностью. Так, в сервер Intel-архитектуры можно установить до четырех 100-Мбит/с сетевых адаптера Intel Server PRO/100+ и получить максимально производительный канал связи сервера с сетью с пропускной способностью в дуплексном режиме 800 Мбит/сек. Следует подчеркнуть, что в сетевых картах, разработанных корпорацией Intel, нагрузка на центральный процессор сервера минимизирована.

Сети, в которых часть компьютеров выполняет функции серверов, являются неравноправными и называются сетями типа клиент/сервер. В дополнение к своей операционной системе на каждой рабочей станции устанавливается сетевая программа-клиент, которая позволяет ей взаимодействовать с серверами. В свою очередь, серверы работают под управлением сетевой программы-сервера (например, Novell NetWare), которая обеспечивает их взаимодействие с рабочими станциями и позволяет последним обращаться к файлам, хранящимся в сервере.

Технология обработки информации в сети по схеме клиент-сервер является в настоящее время во всем мире одной из передовых (составляет 88% успешно используемых технологий).

Для создания ответвлений от магистрального кабеля к компьютеру используют специальные согласующие устройства. Кроме того, могут понадобиться и другие специфичные узлы и блоки: распределительные щитки, трассовые усилители, коммутационные устройства и т.д. Прокладку линий связи, нарезку и монтаж кабелей и разъемов должны выполнять профессионалы, поскольку от качества выполнения этих работ зависит согласование импедансов линий. Если оно плохое, в сети появятся отраженные сигналы, а это неизбежно приведет к сбоям при передаче данных.

Сетевые адаптеры принимают и передают сообщения, а по кабелям эти сообщения распространяются. Однако набор соединенных между собой компьютеров становится сетью только тогда, когда оговорены протоколы обмена сообщениями различных уровней. Протокол – это правила взаимодействия компьютеров. Описать в одном протоколе все правила невозможно. Поэтому сетевые протоколы строят многоуровневыми. Например, на нижнем уровне описываются правила передачи небольших порций (пакетов) информации с одного компьютера на другой, в соответствии с которыми маршрутизаторы сети автоматически выбирают оптимальный маршрут для доставки пакетов данных до места назначения. Если какая-то часть была искажена помехами при передаче, то на этом уровне запрашивается повтор передачи только искаженной части информации. Протокол следующего уровня описывает, как большие массивы данных разбить на небольшие части (пакеты) для передачи и собрать их снова на приемном конце. При этом пакеты передаются по протоколу нижнего уровня.

Суммарная пропускная способность сети в значительной степени зависит от кабеля, используемого для соединения элементов сети, и составляет от 10 Мбит/c до 100 Мбит/с. Кабели на витой паре легко обеспечивают пропускную способность 10 Мбит/с. Современные кабели на витой паре категории 5 позволяют обеспечить пропускную способность 100 Мбит/с, однако для этого нужны более дорогие сетевые адаптеры и концентраторы. Концентратор, или хаб имеет несколько портов – гнезд для подключения сетевых кабелей, посредством которых он соединяется с сетевыми адаптерами компьютеров или иными сетевыми устройствами.

Для обеспечения передачи данных на значительные расстояния и для более быстрой передачи данных применяются линии связи на волоконно-оптическом кабеле. Такие сети, как правило, относятся к распределенным региональным или глобальным сетям, хотя могут быть и корпоративными, как сеть железной дороги.

В связи с тем, что сети объединяют все большее количество компьютеров (некоторые локальные сети состоят из нескольких тысяч компьютеров), то для безопасности и удобства работы в них сети стали программным образом (на логическом уровне) с помощью коммутаторов делить на отдельные сегменты – виртуальные компьютерные сети, аналогично делению одного физического жесткого магнитного диска на несколько логических. Организуется как бы ряд каналов доступа только к строго определенному числу компьютеров в сети.

В заключение необходимо сказать о появившейся в настоящее время проблеме при эксплуатации локальных сетей. Широкое использование компьютерных сетей в современной электронной экономике привело к тому, что на крупных предприятиях, в корпорациях, транспортных организациях, таких, например, как федеральные железные дороги, количество информационных сетей, взаимодействующих между собой, резко возрастает. Например, в корпоративной сети Свердловской железной дороги уже сейчас находится в эксплуатации порядка 350 локальных сетей. В условиях рынка требуется, чтобы информационные системы работали надежно и обеспечивали высокий уровень безопасности. Все приложения, особенно связанные с электронным бизнесом, должны быть доступны 24 часа в день и 365 дней в году. В каждой локальной сети имеется не по одному серверу, кроме того, эти сети структурно неоднородны, построены на различных программно-аппаратных платформах и имеют каждая свои средства управления. Остро встает проблема централизованного системного управления ресурсами сетей (не содержать же для каждой сети несколько администраторов!) и снижения эксплуатационных расходов. Для резкого снижения эксплуатационных затрат необходимы аппаратные и программные средства централизованного управления, что позволит предприятиям интегрировать информационные сети и управление бизнес-процессами. К счастью такие продукты начали появляться на рынке информационных технологий, например, OpenView от Hewlett-Packard, Unicenter от Computer Associates или NetView от Tivoli (подразделение фирмы IBM).

Лекция 22