Вычислительная система: понятие, классификации, закон Гроша

Вычислительная система: понятие, классификации, закон Гроша

Понятие ВС

Отличительной особенностью вычислительных систем по отношению к компьютерам является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Это приводит к повышению производительности, надежности, возможности предоставления дополнительных сервисов, но в то же время сопряжено со сложностью управления.
Основные причины появления вычислительных систем обусловлены экономическими факторами. Анализ характеристик компьютеров различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности компьютеров выражается законом Гроша::::

Производительность компьютера пропорциональна квадрату его стоимости

Классификация

Вычислительные системы классифицируются следующим образом: По назначению вычислительных систем. Универсальные – предназначены для решения самых разных задач. Специализированные – для решения узкого круга задач. Специализация может достигаться как структурой системы (целочисленные, матричные вычисления), так и использованием специального ПО. По типу вычислительных систем. Многопроцессорные. Используют общую оперативную память, работают под управлением одной ОС. Многомашинные вычислительные системы (кластеры) – вычислительный комплекс, состоящий из нескольких, как правило однотипных, компьютеров (каждый работает по управлением собственной ОС), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, обеспечивающие работу компьютерного комплекса как единого целого. При этом каждый компьютер (узел кластера) может быть как одно-, так и многопроцессорным. По типу вычислителей (компьютеров или процессоров). Однородные – построенные на комплексировании однотипных компьютеров или процессоров. При их использовании упрощается обслуживание, модернизация, разработка ПО. Неоднородные. По территориальной разобщённости вычислительных модулей. Сосредоточенные. Распределённые. По методам управления элементами вычислительной системы. Централизованные – функции управления системой выполняет мэйнфрейм или сервер или ЦП. Децентрализованные. Смешанные (гибридные).

Компьютерные сети: понятие, достоинства и недостатки.

Достоинства сетей:

совместное использование информации

Совместное использование программных ресурсов

Обеспечение единой политики безопасности для узлов сети

Разграничение полномочий узлов сети

Обеспечение защиты информации совместного использования

Обеспечение обмена данными между узлами сети

Недостатки:

Сеть требует дополнительных, иногда значительных материальных затрат на покупку сетевого оборудования, программного обеспечения, на прокладку соединительных кабелей и обучение персонала.

Сеть требует приема на работу специалиста (администратора сети), который будет заниматься контролем работы сети, ее модернизацией, управлением доступом к ресурсам, устранением возможных неисправностей, защитой информации и резервным копированием. Для больших сетей может понадобиться целая бригада администраторов.

Сеть ограничивает возможности перемещения компьютеров, подключённых к ней, так как при этом может понадобиться перекладка соединительных кабелей.

Сети представляют собой прекрасную среду для распространения компьютерных вирусов, поэтому вопросам защиты от них придется уделять гораздо больше внимания, чем в случае автономного использования компьютеров. Ведь достаточно инфицировать один – и все компьютеры в сети могут оказаться поражены.

Сеть резко повышает опасность несанкционированного доступа к информации с целью её кражи или уничтожения, Информационная защита требует проведения целого комплекса технических и организационных мероприятии

3.Классификации компьютерных сетей;
1.Локальные сети

2.Региональные (городские) сети

Глобальные сети

4.проводная

5.безпроводная

6.сеть с выделенным сервером или клиент сервирная связь

7.смешанная сеть

8.одноранговые

Аналоговый (непрерывный) сигнал – непрерывно изменяющаяся электромагнитная волна, распространяющаяся в различных средах. Такой сигнал принимает бесконечное число сколь угодно близких значений из непрерывного множества и описывается как непрерывная функция времени.

Дискретный (цифровой) сигнал – сигнал, изменяющийся только через регулярные интервалы времени и имеющий одну, две или несколько предварительно определенных амплитуд для каждого интервала.

Физическое кодирование

Преобразование двоичных данных в элементы сигнала называется физическим (линейным) кодированием, а способ такого преобразования – схемой кодирования. От способа кодирования зависит спектр и, следовательно, пропускная способность линии. Например, UTP Cat3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе физического кодирования по стандарту 10Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования 100Base-T4.

Большинство способов кодирования используют для представления информации изменение какого-либо параметра периодического сигнала (частоты, амплитуды, фазы синусоиды), при этом сам сигнал называется несущим (несущей частотой). Если можно различить 2 состояния сигнала, то любое его изменение соответствует 1 биту информации. Количество изменений информационного параметра несущего сигнала (скорость модуляции) измеряется в бодах, период времени между соседними изменениями сигнала есть такт работы передатчика

Пример: различаются 4 фазы и 2 значения амплитуды, т. е. сигнал имеет 8 различимых состояний. В этом случае модем, работающий с тактовой частотой 2400 Гц (скорость 2400 бод) передаёт информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передаётся три бита (при помощи 3 бит можно представить 8 различных состояний).

Связь между пропускной способностью и полосой пропускания вне зависимости от способа физического кодирования установил Клод Шеннон. Формула Шеннона: C = F * log2(1 + Pc/Pш). C – максимальная пропускная способность линии, F – ширина полосы пропускания, Pc – мощность сигнала, Pш – мощность шума. Ключевым параметром является соотношение сигнал/шум: SNR (S/N).

Пример: при соотношении Pc/Pш = 100 увеличение мощности передатчика в 2 раза приведёт к увеличению пропускной способности на 15 %. Формула Найквиста-Котельникова: C = 2F * log2M, М – количество различимых состояний сигнала. Существует 2 основных типа физического кодирования:

Аналоговая модуляция

Чаще всего используется в телефонных сетях с каналом тональной частоты, который передаёт частоты от 300 до 3400 Гц (полоса пропускания 3100 Гц), что хватает для приемлемого качества передачи голоса (от 100 до 10000 Гц). Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на принимающей, называется модем. Он модулирует (изменяет) одну из трёх характеристик несущей: амплитуду, частоту или фазу (или их комбинацию). Основные методы аналоговой модуляции:

1. Амплитудная модуляция ( Amplitutde - Shift Keying , ASK ). Двоичные нули и единицы представлены в виде двух амплитуд, иногда одна из них равна нулю. Является неэффективной из-за низкой помехоустойчивости, хотя часто используется в сочетании с фазовой модуляцией. Обычно служит для передачи сигналов по оптоволокну (1 – импульс света, 0 – отсутствие). Скорость передачи данных, как правило, не превышает 1200 бит/с.
2. Частотная модуляция ( FSK ). Значения 0 и 1 передаются синусоидами с различной частотой. Скорость около 1200 бит/с.
3. Фазовая модуляция ( PSK ). Значениям 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но различной фазы. Скорость около 9600 бит/с.

Для повышения скорости передачи данных в скоростных модемах используют комбинированные методы модуляции. Например, метод квадратурной амплитудной модуляции ( QAM ), основанный на сочетании фазовой модуляции (8 значений сдвига фаз) и амплитудной (4 уровня амплитуды), при этом из возможных 32 комбинаций используются лишь некоторые, в результате за счёт избыточности кодирования повышается распознавание ошибочных сигналов.

Цифровое кодирование

Цифровое кодирование есть преобразование цифровой информации в цифровой сигнал. Различают потенциальные коды и импульсные. В потенциальных для представления 0 и 1 используется только значение потенциала, в импульсных – либо импульсы определённой полярности, либо перепад потенциала определённого направления. Основные схемы цифрового кодирования:

1. Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero (Level), NRZ или NRZ-L). Отрицательное напряжение служит для передачи 1, положительное – для 0. Сигнал никогда не равен 0. Используется в очень коротких каналах связи (ПК—модем), прост в реализации, обладает хорошим распознаванием ошибок. Недостатки: не обладает само синхронизацией: приемник не может по входным сигналам определить моменты времени, когда нужно считывать данные; частота основной гармоники N/2 (N – битовая скорость передачи данных); наличие низкочастотной составляющей.
2. Биполярный код с альтернативной инверсией (AMI). Для кодирования 0 используется нулевой потенциал, а 1 кодируется попеременно положительным и отрицательным потенциалом. Основная гармоника N/2. Нет низкочастотной составляющей, более узкий спектр сигнала. Требуется более мощный передатчик для обеспечения той же достоверности, что и при 2 уровнях сигнала.
3. Потенциальных код с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). При передаче 0 потенциал не меняется, а при передаче 1 инвертируется на противоположный.
4. Манчестерский код. Для кодирования используется перепад потенциала (фронт импульса). Каждый такт делится на 2 части. 1 кодируется перепадом в середине такта от низкого уровня к высокому, 0 – обратным перепадом. При передаче нескольких единиц или нулей подряд в начале такта происходит служебный перепад сигнала. Хорошая само синхронизация. Нет постоянной составляющей. Основная гармоника от N/2 до N Гц. Используется в сетях, основанных на технологии Ethernet.
5. Относительный манчестерский код. Изменение уровня в середине такта служит только для синхронизации. 0 представлен в виде перехода в начале такта, а 1 – отсутствием такого перехода. Используется в сетях, основанных на технологии Token Ring.
6. Потенциальный код 2B1Q. Каждые два бита (2B) передаются за 1 такт (1Q) сигналом, имеющим 4 состояния. Паре 00 соответствует потенциал -2,5 В, 01 – -0,833 В, 11 – +0,833 В, 10 – +2,5 В.

Передача.

Существует два подхода к синхронизации приемника и передатчика.

1. Асинхронная передача.

При использовании этого метода данные передаются посимвольно, длина каждого символа составляет от 5 до 8 бит. Каждый символ сопровождается сигналами «старт» и «стоп». «Старт» извещает приемник о приходе данных и имеет продолжительность в один тактовый интервал (двоичный ноль). Минимальная длительность стопового сигнала (двоичная единица) в зависимости от спецификации составляет 1, 1,5 или 2 такта. Если символы не передаются, линия находится в состоянии простоя, что эквивалентно передаче сигнального элемента, соответствующего двоичной единице. Таким образом, максимальная длительность стопового сигнала не определена.

За битами данных, обычно следует бит четности, который устанавливается передатчиком таким образом, чтобы общее число единиц в символе было четность (проверка на четность) или нечетным (проверка на нечетность), в зависимости от соглашения. Этот бит служит для выявления ошибок.

Асинхронным режим называется потому, что каждый бит может быть смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего символа. Асинхронная передача является простым и дешёвым средством, однако в этом режиме требуется 2 – 3 бита служебной информации на один символ. Например, при передаче 1 байта с 1-разрядным стоповым элементом получается, что 2 из 10 передаваемых битов не будут нести информации, что увеличивает общий объём передаваемых данных (трафик) на 20 %.

1. Синхронная передача

Блок битов передаётся в виде непрерывного потока без стартовых и стоповых элементов. Одним из вариантов предотвращения рассинхронизации является использование специальной линии между приёмником и передатчиком для передачи сигналов времени. Эта методика хорошо работает на коротких расстояниях, однако при увеличении расстояния импульсы времени искажаются по тем же причинам, что и импульсы данных.

Другим вариантом является встраивание информации о времени в сигнал с данными. В частности, при передаче цифровых сигналов это используется в манчестерском и относительном манчестерском коде.

Кроме того, для обеспечения синхронизации используются различные технологии канального уровня связи. Например, специальные форматы кадров, предусматривающие поля для указания преамбулы, заключения и информации управления каналом связи (эта информация позволяет автоматически выявлять ошибки передачи и повторно передавать ошибочные кадры). При этом доля служебной информации в общем объёме передаваемых данных не превышает нескольких процентов.

Данный режим обеспечивает большую эффективность по сравнению с асинхронной передачей.

Технологии коммутации

1. Коммутация каналов.

Коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединённых коммутаторами промежуточных канальных участков. При этом скорость передачи на всех участках должна быть одинаковой, а перед началом передачи данных необходимо выполнять процедуру установления соединения.

Достоинства:

• Постоянная и известная скорость передачи данных.
• Постоянный низкий уровень задержки, что позволяет качественно передавать трафик реального времени (голос, видео).

Недостатки:

• Возможен отказ сети при обработке запроса на установление соединения, если по какому-то участку канала связи уже проходит максимальное для данной техники мультиплексирования количество информационных потоков. Отказ также возможен, если конечный абонент поддерживает только одно соединение и это соединение уже установлено.
• Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Это связано с тем, что абонентам часто не требуется выделяемая пропускная способность на всё время соединения: например, в телефонном разговоре часто возникают паузы, взаимодействие компьютеров также происходит неравномерно.
• Обязательная задержка перед передачей данных, вызванная фазой установления соединения.

1. Коммутация пакетов.

Данная технология была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Согласно исследованиям, коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя (отношение средней интенсивности обмена данными к максимальной) составляет от 1:50 до 1:100. При коммутации пакетов все передаваемые данные разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части (пакеты). Каждый пакет снабжается заголовком, где указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения при сборке данных. Пакеты передаются по сети как независимые блоки. Коммутаторы пакетной сети имеют внутренние буферы для временного хранения пакетов на случай, когда выходной интерфейс коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. Аналогия с многозадачными ОС.

21. Разделяемая среда передачи данных. Режимы передачи данных. Сетевая топология:

Логические топологии

1. Широковещательные
2. Последовательные

Стандартизацией ЛВС и MAN, способных передавать пакеты переменной длины, занимается комитет 802 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике IEEE (eye-triple-e). Стандарты касаются физического и канального уровней модели OSI.

Современные тенденции в ЛВС

1. постепенный отказ от разделяемых сред за счёт соединения узлов индивидуальными связями, использования коммутации и микросегментации;
2. использование полнодуплексного режима передачи (передача происходит одновременно в обоих направлениях; полудуплексный режим обеспечивает передачу в обоих направлениях, но попеременно во времени; симплексный – только в одном направлении).

Ethernet

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox Робертом Меткальфом. Впервые она была развёрнута в 1973 г., а в 1975 г. Xerox запатентовала её. В 1980 г. совместно с DEC и Intel был предложен стандарт Ethernet DIX, или Ethernet II, на основе которого был разработан официальный стандарт IEEE 802.3. Часто слово Ethernet используется по отношению ко всем 3 технологиям. На физическом уровне стандарт IEEE 802.3 определяет проводные соединения и электрические сигналы, а на канальном – формат кадров и протоколы управления доступом к среде.

В сетях Ethernet любой разновидности используется метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD.

CSMA/CD

Carrier Sense – опознавание несущей: перед передачей данных узел должен убедиться в том, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники (несущей).

Multiple Access – множественный доступ: к одной физической среде подключено множество узлов и каждый из них может передавать данные.

Collision Detect – обнаружение коллизий. Когда две или более станций решают, что среда свободна и начинают одновременно передавать данные, содержимое кадров сталкивается и происходит искажение информации. Коллизия – столкновение, конфликт. Узел обнаруживает коллизию, если в передаваемых и наблюдаемых сигналах есть расхождение, в этом случае он усиливает ситуацию коллизии, посылая в сеть специальную jam-последовательность из 32 бит, и прекращает передачу на короткий случайный интервал времени (от 0 до 524000 битовых интервалов). Все станции, которые прослушивают передаваемый трафик, находятся в одном домене коллизий (ДК). Все станции, получающие широковещательный трафик, находятся в одном широковещательном домене (ШД). Станции, подключенные к одному концентратору, находятся в одном ДК и в одном ШД. Станции, подключенные к одному коммутатору, находятся в одном ШД, однако у каждого сегмента свой ДК. Т.о., станции, находящиеся в одном ДК, находятся также и в одном ШД; обратное неверно.

Gigabit Ethernet.

5. 100-Gigabit Ethernet;

Power over Ethernet, PoE – технология одновременной передачи данных и электроэнергии по 4 жилам стандартной витой пары 3 или 5 категории. С одной стороны ставится PoE injector, с другой – PoE splitter. Используется в IP-телефонии, при установке точек доступа беспроводных сетей, веб-камер, сетевых концентраторов, где нежелательно проводить отдельный электрический кабель. IEEE 802.3af, 2003 г. Постоянное напряжение 48 В, максимальный ток 400 мА (мощность около 15 Вт).

Часть 2

Тип B

1. бело-оранжевый
2. оранжевый
3. бело-зеленый
4. синий
5. бело-синий
6. зеленый
7. бело-коричневый
8. коричневый

Тип А

1. бело-зеленый
2. зеленый
3. бело-оранжевый
4. синий
5. бело-синий
6. оранжевый
7. бело-коричневый
8. коричневый

Прямой кабель служит для соединения типа компьютер-свитч/хаб, свитч/хаб-маршрутизатор. Обжимать с обоих сторон только по одному типу!!!

Тип B

1. бело-оранжевый
2. оранжевый
3. бело-зеленый
4. синий
5. бело-синий
6. зеленый
7. бело-коричневый
8. коричневый

Тип А

1. бело-зеленый
2. зеленый
3. бело-оранжевый
4. синий
5. бело-синий
6. оранжевый
7. бело-коричневый
8. коричневый

Уровни модели OSI

Модель состоит из семи уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции.

Тип данных Уровень Функции

Данные 7. Прикладной Доступ к сетевым службам

6. Представления Представление и кодирование данных

5. Сеансовый Управление сеансом связи

Сегменты 4. Транспортный Прямая связь между конечными пунктами и надежность

Пакеты 3. Сетевой Определение маршрута и логическая адресация

Кадры 2. Канальный Физическая адресация

Биты 1. Физический Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Широковещательный адрес.

В терминологии сетей TCP/IP маской подсети или маской сети называется битовая маска, определяющая, какая часть IP-адреса узла сети относится к адресу сети, а какая — к адресу самого узла в этой сети. Например, узел с IP-адресом 12.34.56.78 и маской подсети 255.255.255.0 находится в сети 12.34.56.0/24 с длиной префикса 24 бита. В случае адресации IPv6 адрес 2001:0DB8:1:0:6C1F:A78A:3CB5:1ADD с длиной префикса 32 бита (/32) находится в сети 2001:0DB8::/32.

Широковещательный адрес — условный (не присвоенный никакому устройству в сети) адрес, который используется для передачи широковещательных пакетов вкомпьютерных сетях.

Вычислительная система: понятие, классификации, закон Гроша

Понятие ВС

Отличительной особенностью вычислительных систем по отношению к компьютерам является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Это приводит к повышению производительности, надежности, возможности предоставления дополнительных сервисов, но в то же время сопряжено со сложностью управления.
Основные причины появления вычислительных систем обусловлены экономическими факторами. Анализ характеристик компьютеров различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности компьютеров выражается законом Гроша::::