Системы распределенной телеобработки информации. Сети ЭВМ

Введение

Тенденции развития средств обработки данных таковы, что информационно-вычислительные ресурсы становятся все более доступными для конечных пользователей с точки зрения физического распределения этих ресурсов по структуре организаций, где создаются ИВС. Конечный пользователь становится активным потребителем вычислительных мощностей и участником работ по созданию баз данных, непосредственно владеющим техникой доступа к информационно-вычислительным ресурсам. В распределенной системе возрастает роль коммуникации как на уровне баз данных и прикладных задач, так и на уровне технических систем. Такая система, связывающая разнесенные (распределенные) в пространстве ЭВМ на единых технических принципах, получила название «сеть ЭВМ».

4.2. Принципы организации распределенной обработки данных в сети ЭВМ

Развитие средств вычислительной техники, появление разнообразных структур и систем команд ЭВМ, необходимость объединения разнотипных ЭВМ в вычислительные сети требует решения проблемы совместимости ЭВМ, разработки концепции, которая позволила бы установить универсальные правила взаимодействия разнотипных ЭВМ между собой. По линии МОС (международной организации по стандартизации в области связи и коммуникаций) принята и рекомендована эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС), которая определяет стандарты соединения и взаимодействия элементов вычислительных сетей, соответствующих идеологии открытых систем.

Принцип 1.

По этой идеологии сеть ЭВМ должна удовлетворять некоторому набору универсальных соглашений (протоколов), точное выполнение которых гарантирует возможность взаимодействия различных ЭВМ (открытых систем) между собой. В соответствии с этой концепцией сеть ЭВМ делится на ряд функциональных систем-слоев, называемых уровнями. Каждый уровень состоит из объектов, выполняет определенную логическую функцию и обеспечивает определенный перечень услуг для расположенного над ним уровня. МОС рекомендовала к использованию семиуровневую иерархию функций, обеспечивающих взаимодействие прикладных процессов, распределенных в различных ЭВМ.

По данной концепции вычислительная сеть представляет собой распределенную информационно-вычислительную среду, реализуемую разнообразными аппаратными и программными средствами. Эта среда по вертикали делится на семь слоев, именуемых уровнями (см. рис.6).

Взаимосвязь одноименных уровней вычислительной сети определяется стандартными для всей сети правилами, включающими обязательные характеристики этих элементов и процедуры их взаимодействия. Набор правил взаимодействия объектов одноименных уровней сети друг с другом называется протоколом. Правила взаимодействия смежных уровней одной и той же ЭВМ определяют межуровневый интерфейс.

Рис. 6. Семиуровневая модель вычислительной сети.

Границы между уровнями устанавливаются таким образом, чтобы взаимодействие между смежными уровнями было минимальным и изменения, проводимые в пределах одного уровня, не требовали перестройки смежных уровней.

Одна из наиболее важных проблем при построении современных сетей ЭВМ состоит в обеспечении простоты погружения программных подсистем в сетевую среду (обстановку) и доступности их для пользователя. Решение этой проблемы оказывает определяющее влияние и на успешное создание средств распределенной обработки данных.

Семиуровневая архитектура открытых сетей ЭВМ в модели МОС решает эту проблему с существенным отличием от механизма, традиционно используемого для программирования при локальной обработке в ЭВМ, при которой в качестве механизма построения программ принят вызов некоторой операции, реализуемый либо вызовом процедуры, либо постановкой кода.

Принцип 2

При распределенной обработке вместо механизма вызова процедуры подход модели МОС предлагает протоколы обмена сообщениями между удаленными процессами, при которых необходим этап обмена служебной информацией между ЭВМ для установления связи между процессами.

В модели построения протоколов верхних уровней, основанной на принципе вызова процедур, все программные средства, включая системы, обеспечивающие ввод заданий, управления данными простой структуры, виртуальные терминалы, становятся идентичными для локальной и распределенной (удаленной) обработки. При этом обеспечивается двухсторонняя “прозрачность” среды. С одной стороны, пользователь функциональных подсистем вызывает операции в них независимо от того, как эти подсистемы расположены относительно него локально или удаленно. С другой стороны, подсистемы (программы) не зависят от того, как их вызывают - локально или удаленно. Тем самым обеспечивается простой интерфейс между пользователями и разработчиками функциональных подсистем в виде соглашений о связях при вызове программ.

Выбор целесообразного варианта построения протоколов верхнего уровня определяется приоритетами пользователя.

Принцип 3

Основу средств распределенной обработки данных в сети ЭВМ должны составлять:

1) машинно-независимый, унифицированный для всех ЭВМ сети язык управления обработкой информации,

2) аппарат крупноблочных как параллельных, так и параллельно-последовательных и асинхронных вычислений,

3) концепция семантической памяти, обеспечивающей обращение по имени на внутреннем языке машины к данным простой структуры (векторам, файлам).

Что касается нижних уровней модели МОС, то в их основе целесообразно использовать соответствующие рекомендации МККТТ (Х.25, Х.75 и др.), доработанные с учетом иерархической структуры сети, наличия в перспективе цифровых каналов связи, возможности реализации концепции удаленного вызова процедур в протоколах верхнего уровня, необходимости реализации спец. уровней, связанных с безопасностью информации (защита, доступ и т.п.), наличия в сети абонентов, представляющих собой только ЭВМ, и др.

Как следует из рисунка 6, соответствующим уровням информационно-вычислительной среды отвечают определенные протоколы управления передачей.

С точки зрения процессов обработки в ЭВМ определяется три вида протоколов:

- управление прикладными процессами,

- управление представлением информации,

- управление сеансами.

С точки зрения передачи данных, естественными представляются следующие протоколы:

- управление сообщениями (транспортный уровень),

- управление пакетами (сетевой уровень),

- управление кадрами (канальный уровень),

- управление линией (физический уровень).

Указанные уровни и протоколы будут обстоятельно рассмотрены на последующих занятиях.

4.3. Сети ЭВМ.

Основное назначение сетей ЭВМ - организация прямого доступа пользователя с рабочего места (с АП) к информационным и вычислительным ресурсам сети и одновременное решение задач территориально-распределенных АСУ различного уровня и назначения.

Сеть ЭВМ рассматривается как сложный человеко-машинный территориально рассредоточенный комплекс технических средств, включающий ЭВМ, оконечные пункты пользователей сети, линии (каналы) связи, центры коммутации.

В основе архитектуры практически всех известных описаний и реализаций сетей ЭВМ используется концепция предварительного установления соединений на период обмена данными между парой абонентов на различных уровнях иерархии взаимодействия процессов. Сюда относятся: установление сеансов между процессами на уровне пользователей; установление сеансов при взаимодействии процессов с файлами вне зависимости от места расположения процесса и файла - в одной или разных ЭВМ, установление соединений на уровне передачи сообщений и пакетов; установление соединений на канальном уровне. Однако, такая концепция оправдывает себя, когда число взаимодействующих пар объектов сети не превышает несколько сотен.

В крупномасштабных сетях ЭВМ, где число персональных ЭВМ может достигать миллионов, за основу взят принцип взаимодействия объектов сети без предварительного установления соединения, как это имеет место в почтовой службе при передаче писем.

Основное достоинство сетей ЭВМ в том, что их применение позволяет сочетать преимущества автономной обработки данных на ПЭВМ с возможностью индивидуального доступа со своего рабочего места к общим информационным и вычислительным ресурсам ИВС, развертываемой в организации, районе, отрасли и т.п.

Кроме того, большие возможности, которые предоставляют пользователю сети ЭВМ, связаны с реализацией электронной почты, т.е. возможностью обмена текстовыми и факсимильными (графика, документы с печатью, подписями и т.п.) документами, сообщениями между сотрудниками и подразделениями организации, отрасли, страны. Стоимость сообщения, передаваемого по каналам электронной почты, быстро подает и к концу 90-х годов уже стала сопоставима со стоимостью традиционного почтового отправления. Одним из существенных достоинств электронной почты является то, что она создает необходимые предпосылки для массового внедрения “безбумажной технологии” (в делопроизводстве организаций, индивидуальных архивах и т.п.). Документированные сообщения хранятся в базе данных ЭВМ организации, отделе или в ПЭВМ абонента сети, а на бумагу выводятся только по специальным запросам. Начало широкой реализации электронной почты возможно только в случае применения в сети ЭВМ больших объемов оперативной памяти ЭВМ (десятки Мбит) и высокой пропускной способности каналов связи (от 64 Кбит/с до 8 Мбит/с). Это стало реальным только при наличии в стране электронных систем коммутации, сети цифровых каналов связи, то есть после 2000 года.

Архитектура отечественных больших ЭВМ, в т.ч. ЕС ЭВМ «Ряд», СМ ЭВМ существенно не отличаются от архитектуры ЭВМ 80-х годов, что не позволяет в настоящее время создавать на их основе эффективные вычислительные системы и сети ЭВМ с возможностью их включения в реальный контур распределенных автоматизированных систем управления. Для преодоления этих трудностей необходимо значительное время, поэтому в ближайшие десятилетия получают развитие и применение сети ЭВМ и системы передачи информации на базе ПЭВМ (ПК, серверов, рабочих станций) и сетей ПЭВМ, опирающиеся на сети и средства коммутации и передачи данных и существующие телеграфные и телефонные каналы.

Необходимо отметить, что сети ЭВМ постепенно становятся одним из наиболее многофункциональных инструментов информационной технологии, в котором наиболее органично сочетаются возможности автоматизированной передачи, хранения и обработки информации.

Сети ЭВМ подразделяются на два больших класса:

- территориальные - объединяющие ЭВМ, расположенные на значительном удалении друг от друга и имеющие региональный, отраслевой или общегосударственный (глобальный) уровень.

- локальные - размещаемые, как правило, в пределах одного здания и принадлежащие одной организации;

4.4. Территориальные сети ЭВМ (рациональный вариант построения).

Как показали исследования архитектуры больших территориальных сетей ЭВМ (ТС ЭВМ) их целесообразно строить по радиально-кольцевому принципу. Все множество вычислительных машин ТС ЭВМ разбивается в соответствии с территориальным принципом на региональные сети (см.рис.7).

Сети регионов имеют иерархическую структуру, ядром которой является базовый ЦОКП (центр обработки и коммутации пакетов). На первом уровне иерархии региональная сеть включает сети ЭВМ городов, районов, крупных

Рис. 7. Структурная схема территориальной сети ЭВМ (вариант).

промышленных центров, предприятий и ведомств. На втором уровне иерархии сети региона могут находиться низовые сети: ВЦ и сети ЭВМ (локальные сети ЭВМ) объединений, построенные на базе КВЦ (кустовой ВЦ), вычислительные сети предприятий, НИИ и других организаций. Сети ЭВМ второго уровня, в свою очередь, как правило, имеет иерархическую структуру.

Низовые (локальные) сети ЭВМ, входящие в состав сетей регионов и строящиеся большей частью по иерархическому принципу, в максимальной конфигурации могут состоять из трех уровней иерархии: головной ЭВМ ВЦ или КВЦ на первом уровне, средних и малых ЭВМ на втором уровне; персональных и микро ЭВМ на третьем уровне. Допускается также построение локальной сети ЭВМ с общей магистралью или магистрально-кольцевой структурой. Включение такой сети в ТС ЭВМ осуществляется через “шлюз” (устройство сопряжения).

Взаимодействие региональных сетей между собой осуществляется через базовые ЦОКП, точнее через транспортные станции, входящие в состав ЦОПК через выделенные каналы связи. В ТС ЭВМ все базовые ЦОКП регионов объединяются через несколько (два-три) общих для всех регионов базовых ЦОКП. Все ЦОКП ТС ЭВМ образуют двухуровневую кольцевую структуру, в которую входят связанные прямыми каналами общие ЦОКП ТС ЭВМ, объединенные в кольцо первого уровня, и ЦОКП регионов, объединенные между собой в кольцо второго уровня. Это позволяет унифицировать технические и программные средства.

Основу ТС ЭВМ составляют следующие классы ЭВМ: высокопроизводительные вычислительные комплексы, средние, мегамини-ЭВМ, микро-ЭВМ и ПЭВМ.

ЭВМ каждого класса функционально ориентированы:

персональные ЭВМ - для решения задач редактирования, подготовки сообщений, хранения индивидуальной базы данных, решения задач и реализации средств общения с пользователем в форме, близкой к его профессиональной деятельности;

микро-ЭВМ - для применения в автоматизированных системах управления технологическими процессами, в измерительных комплексах и для обслуживания группы интеллектуальных терминалов;

мегамини- и средние ЭВМ (производительность 10-40 млн. опер./с) - для реализации локальных баз данных, диалогового режима, концентрации данных, управление широким рядом устройств ввода-вывода, решения задач;

высокопроизводительные вычислительные комплексы (200-2000 млн. опер./с) - для решения задач автоматизированного проектирования, научных вычислений, математического моделирования, реализации баз данных и баз знаний систем территориального, отраслевого и межотраслевого уровня.

Общее число уровней в ТС ЭВМ колеблется от четырех до шести. На первом, втором и третьем уровнях иерархии ЕСВМ, как правило, используется высокопроизводительный ВК, средняя или мегамини-ЭВМ, имеющие в своем составе программно-аппаратную систему передачи данных (транспортную станцию), выполняющую роль специализированных процессоров для передачи данных по различным каналам (линиям) связи. На остальных уровнях находят применение: средние ЭВМ, микро ЭВМ и ПЭВМ.

4.5. Пример сети передачи данных для ТС ЭВМ.

СПД ТС ЭВМ служит для передачи сообщений (пакетов) между машинами ТС ЭВМ по выделенным и коммутируемым каналам связи. В состав сети передачи данных ТС ЭВМ в общем случае могут входить:

- подсистемы передачи данных региональных сетей ЭВМ (высокопроизводительных, средних и мегамини-ЭВМ);

- программные и аппаратные средства локальных (низовых) сетей ЭВМ, реализующие протоколы коммутации сообщений, пакетов или каналов, протоколы управления передачей данных;

- различные адаптеры и интерфейсы;

- протоколы для подключения ЭВМ в сеть;

- протоколы для подключения к ТС ЭВМ сетей ЭВМ, построенных на аналоговых каналах, специализированных сетей и т.п.;

- программные подсистемы, выполняющие функции центров управления сетью;

- программные и аппаратные средства для проведения измерений и сбора статистики в сети передачи данных, контроля и диагностики средств передачи данных;

- специализированная аппаратура защиты (крипто-, имитозащита).

СПД ТС ЭВМ имеет двухкольцевую радиальную структуру. Первое кольцо образуется взаимодействием базовых ЦОКП (транспортных станций) первого уровня друг с другом с помощью системы выделенных каналов сети связи (см.

рис.7, 8). Второе кольцо образуется взаимодействием ЦОКП второго уровня иерархии сети между собой также посредством выделенных каналов связи. При выходе из строя базового ЦОКП первого уровня или канала связи к нему, такая

структура СПД обеспечивает взаимодействие региональных сетей ЭВМ через

каналы связи второго кольца.

Рис. 8. Структура сети передачи данных для ТС ЭВМ.

Иерархическая структура сети упрощает проблему установления маршрутов, т.к. на уровне региона или локальной сети ЭВМ маршрутизация, как правило, осуществляется по фиксированным маршрутам, с учетом иерархической структуры сети. В состав высокопроизводительных ЭВМ и мегамини-ЭВМ включаются подсистемы передачи данных (ППД), состоящие из одного или нескольких специализированных процессоров. ППД обеспечивают взаимодействие микро-ЭВМ и ПЭВМ, установленных на рабочих местах, с другими ЭВМ вычислительной сети. Они выполняют задачи пакетной коммутации, сборки-разборки сообщений на пакеты, маршрутизацию, прием-передачу пакетов с других ЭВМ и терминалов по линиям связи.

Одновременное взаимодействие транспортной станции с ЭВМ локальной сети и с удаленными ЭВМ требует унификации средств передачи данных как локальных, так и региональных сетей вычислительных машин.

Выделенные и коммутируемых каналы связи для СПД ТС ЭВМ предоставляет сеть связи страны независимо от методов коммутации, используемых в СПД.

Подключение ПЭВМ к удаленным малым и высокопроизводительным ЭВМ, в частности, к базовому ЦОКП, как правило, осуществляется с помощью коммутируемых каналов, а обмен между базовым ЦОКП целесообразен по выделенным каналам связи.

Особую роль в СПД играет сеть базовых ЦОКП. Взаимодействие между ЭВМ различных регионов, как правило, будет осуществляться через процессоры передачи данных (транспортные станции) базовых ЦОПК. Сеть базовых ЦОКП должна быть топологически сильносвязным графом, в котором: