Качество работы сети характеризуют следующие свойства: производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость.
Существуют два основных подхода к обеспечению качества работы сети. Первый - состоит в том, что сеть гарантирует пользователю соблюдение некоторой числовой величины показателя качества обслуживания. Например, сети frame relay и АТМ могут гарантировать пользователю заданный уровень пропускной способности. При втором подходе (best effort) сеть старается по возможности более качественно обслужить пользователя, но ничего при этом не гарантирует.
К основным характеристикам производительности сети относятся: время реакции, которое определяется как время между возникновением запроса к какому-либо сетевому сервису и получением ответа на него; пропускная способность, которая отражает объем данных, переданных сетью в единицу времени, и задержка передачи, которая равна интервалу между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства.
Для оценки надежности сетей используются различные характеристики, в том числе: коэффициент готовности, означающий долю времени, в течение которого система может быть использована; безопасность, то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа; отказоустойчивость - способность системы работать в условиях отказа некоторых ее элементов.
Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, сервисов), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.
Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.
Прозрачность - свойство сети скрывать от пользователя детали своего внутреннего устройства, упрощая тем самым его работу в сети.
Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.
Совместимость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.
Топология – конфигурация физических связей между узлами сети. Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет:
На состав необходимого сетевого оборудования;
Возможности сетевого оборудования;
Возможности расширения сети;
Способ управления сетью.
Под термином «топология КС» может подразумеваться физическая топология (конфигурация физических связей) или логическая топология – маршруты передачи сигналов между узлами сети. Физическая и логическая топологии КС могут совпадать или различаться. Локальные сети строятся на основе трех базовых топологий, известных как:
· общая шина (bus);
· звезда(star)
5. Compose the final formal specification, using algorithm 3.
A sample of formal specification for "Store" particle
shown in figure 5, is specified in figure 7.
In order to verify the usability of the requirements particle networks, we conducted a workshop of developing software functional requirements specification of a small software system. A sample of software requirements for "Video Shop" in is selected. More than 80 attendants with experience in writing data flow diagram are gathered. Five requirements primitives are selected as follows: 1) primitive for registering a new video title in the video stock, 2) primitive for searching video stock for the existing of the video title, 3) primitive for registering a new member, 4) primitive for searching the existing of the member name in the member list, and 5) primitive for keeping the video hiring record of each member.
Average time to accomplish the specification procedure is 50 minutes and more than 90% of the attendants produce the complete requirements particle networks. The final formal specifications are consequently mapped from their requirements particle networks without any major complication.
We have developed an approach to software functional requirements specification using requirements particle networks. Our approach emphasizes that requirements particle is the atomic task and a well-defined formal specification template is relevantly assigned to each requirements parti-
cle. Moreover, we introduce the explicit definition of preconditions in the requirements particle networks so that software analyst is capable to specify when a particular particle is activated in the consequences of preconditions. A number of requirements particles are proposed to deal with store and retrieve functions in software system.
We intend to investigate and define more relevant requirements particles for the another part of software system for business information system. A set of requirements particles to perform calculation is required as well. In addition, the reuse features of several common requirements particle networks will be considered.
J. J. P. Tsai, T. Weigert, M. Aoyama, A Declarative Approach to Software Requirements Specification Languages, Proceedings of International Computer Languages, 1988, 414-421.
H. M. Jarvinen, R. K. Suonio, DisCo Specification Language: Marriage of Actions and Objects, Proceedings of Conference on 11th International Distributed Computing Systems, 1991, 142-151.
B. H. C. Cheng, G. C. Gannod, Abstraction of Formal Specifications from Program Code, Proceedings of IEEE International Conference on Tools for AI, 1991.
L. Jin, H. Zhu, Automatic Generation of Formal Specification from Requirements Definition, Proceedings of First IEEE Format Engineering Methods, 1997, 243-251.
W. Vatanawood and P. Chongstitvatana, A Genetic Algorithm Approach to Software Components Search using Software Functional Requirements Checklist, Proceedings of 3rd Annual National Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE), 1999.
R. Barden, S. Stepney, D. Cooper, Z in Practice, (Prentice-Hall, 1994).
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОПОТОКОВЫХ СЕТЕЙ
ОБСЛУЖИВАНИЯ
А.А.Алиев, Б.Г.Исмайлов
Рассмотрены модели многопотоковых компьютерных сетей обслуживания. Поставлены задачи минимизации математического ожидания вероятностной функции потерь информации при минимально необходимой производительности сети. Разработаны процедуры анализа характеристик сети и приведены результаты численных экспериментов.
Itistream computer networks of service are considered. The tasks of minimization of expectation of a probability loss function of the information are posed at minimum of necessary productivity of the network. The procedures of the analysis of the characteristics of the network are developed and the results of numerical experiments are indicated.
В современных сетях компьютеры должны обслуживать большое число источников информации. По этой причине им необходимо работать оперативно и выполнять несколь-
ко операций одновременно. Таким требованиям отвечает мультипроцессорная обработка информации. В таких сетях операционная система позволяет добавить дополнительные процессоры, и она позволяет распределять процессы по нескольким компьютерам, управляя выполняемыми ими задачами. Поэтому с целью ее построения в работе дается анализ характеристик многопотоковых сетей.
В рассмотренной многопотоковой сети имеется т очередей и N мест в очереди. Интенсивность потока заявок, количество заявок в группе, время обслуживания заявок заданы. Характеристики такой сети, в частности, вероятность возникновения заявок на обслуживание, вероятность прихода заявок за время цикла, среднее время цикла и т.д. неизвестны. С целью построения сети необ-
ISSN 1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2001
ходимо определить ее характеристики при заданных условиях.
Разработка современных компьютерных систем и сетей сопряжена с применением математических методов моделирования. В условиях случайного характера процессов поступления и обслуживания информации необходимо использование моделей и методов теории массового обслуживания.
В работе рассматривается многопотоковая модель, учитывающая мультипроцессорный принцип построения, позволяющий обеспечить высокие характеристики оперативности и надежности компьютерных сетей; приоритетное обслуживание запросов, ориентированное на повышение общей эффективности компьютерной сети.
На выбор типа используемой модели системы массового обслуживания (СМО) существенно влияет структурная организация анализируемой многопотоковой мультипроцессорной сети.
Теория анализа приоритетных процессов обслуживания достаточно полно разработана в [ 1].
Однако в отличие от [ 1 ] здесь исследуются модели многопотоковых систем с ограничением на время ожидания заявки в очереди.
Рассматриваются многопотоковые компьютерные сети, предназначенные для обслуживания потоков информации поступающих от большего числа источников. Основу системы составляют т периферийных компьютеров (ПК;). Эти ПК; объединяются в мультипроцессорные сети (МС) с помощью координирующего компьютера (КК). ПК; организуют сбор и обработку информации. КК соединяет ПК; с линией связи или терминалом. Конструктивная однородность ПК; дает возможность наращивания их числа при увеличении количества источников информации, приближения МС к источникам, реализации широкого набора вычислительных процедур.
При организации СМО имеющей много источников информации одним из основных вопросов может являться выбор дисциплины опроса источников.
В обычном случае (без прерывания) КК опрашивает все источники информации по порядку. Если на входе имеется достаточное количество информации, то выполняются операции по ее обслуживанию. В противном случае КК переходит к опросу следующих источников информации.
МС работает в реальном режиме времени, что характерно для управляющих систем и сетей .
При моделировании МС основной задачей может являться оптимальное распределение ресурсов сети и программное обеспечение ПК;, которое включает средства программирования и пакет прикладных программ. При этом рассматриваются некоторые вопросы моделирования МС, связанные с оптимальным выбором нагрузочных и структурных параметров. Оптимизация ресурса позволяет получать требуемые значения выбранного критерия функционирования сети в зависимости от параметров обрабатываемой информации.
Одним из показателей качества функционирования МС является минимизация потерь информации, полученной от источников. Следует отметить, что сложность методов
оптимизации ресурсов зависит от вида обработки информации. Если на входе ПК; дискретная информация, которая поступает в детерминированный момент времени, и известно время обслуживания, то анализ характеристик сети не является трудным. Анализ характеристик сети значительно усложняется при наличии в МС информационных потоков, составляющие которых случайны по моментам поступления.
Если рассматривать сообщения как заявки, а КК, занимающийся сбором сообщений, как обслуживающий прибор, то МС в целом можно рассматривать как однофазную, однолинейную СМО.
Предполагается, что источники заявок выдают стационарные пуассоновские потоки.
Замечание 1. Кроме упрощения анализа, это предположение позволяет получить верхние оценки параметров сети для других законов распределений.
В случае отсутствия потерь интенсивность потока заявок, поступающего на КК равна X = ^ и считается,
что в установившемся режиме интенсивности входящих и обслуженных заявок одинаковы.
В сети ПК; выступают по отношению к КК как устройства ввода-вывода и с помощью критерия эффективности анализируются потери информации как в СМО, имеющей т источников заявок. В каждом источнике имеется конечная очередь заявок; время обслуживания одной заявки и время переключения КК от источника к источнику являются постоянными величинами и заявки могут обслуживаться группами.
В сети имеется т очередей и N мест в очереди. Время обслуживания заявки обозначается Тобсл, А(- время
переключения прибора, X - интенсивность потока заявок, Б - количество заявок в группе.
Запрос на обслуживание возникает в очереди в том случае, когда в ней находятся не менее Б заявок, после окончания;-ой очереди прибор переходит к опросу (;+1)-ой, цикл работы СМО завершается опросом т-ой очереди.
Заявки, поступившие в очередь, после того как был произведен ее опрос, рассматриваются в данном цикле.
Оценка характеристик сети осуществляется путем минимизации математического ожидания вероятности потерь информации при заданном количестве источников, т.е.
М[ Р(т, N Б, Х,тобсл ш1п, Х<Х0, £ < Ьч < Ь 0, (1)
где X0 , Ь0 - максимальные допустимые значения X , Ьч;
Ьп - количество заявок в очереди. ч
Однако строгое аналитическое выражение для определения потерь Р(т, N Б, X, Тобсл) в таких СМО в настоящее время отсутствует и, следовательно, аналитическое решение постановки (1) представляет большую сложность.
Вместе с тем в таких СМО потери вида (1) могут быть определены с помощью следующих характеристик:
Вероятность возникновения заявок на обслуживание в
п из т очередей как :
Рп + 1 = П^Тобсл + Т)/(1 - П*((п + 1)*Тобсл + Т)) ,
где Т = тАг, (ns"lобсл + Т) - вероятность появления заявок в очереди, с которой начинается цикл;
Заявки на обслуживание заявок появляются при наличии в очереди Б и более заявок, при этом для простейшего потока вероятность прихода заявок, за время цикла
Х (п ^обсл + тА г) " к!
п^Тобсл + тАг);
Среднее время цикла
Тс = I (п*Тобсл + тАг)Рп; п = 0
Вероятность появления заявок в первой очереди
П = I ПЛп*Тобсл + тАг)Рп. п = 0
Следовательно, вероятность потери заявок
Р = 1 - П/^с.
Данное соотношение в нормализованном виде может быть косвенным решением постановки (1). Под нормализацией подразумевается выбор из множества значений
Р лишь тех, при которых для количества заявок Ьч,
ожидающих обслуживания, выполняется условие
£ < Ьч < Ь0 .
Таким образом, при выполнении условия Б < Ь < Ь0 ,
рассмотренная СМО обеспечивает обслуживание потока заявок в пределах допустимых потерь и, следовательно, система имеет минимально необходимую производительность.
В СМО среди источников заявок в первую очередь выделяют приоритетные. Приоритетность в СМО определяется таким образом, что для группы заявок, ожидающих обслуживания |Л,г-, является самой большой по значению, т.е. классы приоритетов упорядочиваются согласно соотношению :
11С1 <12 С2 <-<1кск,
где с{ - стоимость обслуживания за единицу времени.
При решении задачи (1), устанавливая приоритетность по (3), осуществляется выбор из множества значений Р лишь тех, при которых выполняется условие Ь > Б.
Предлагаются прерывания двух типов: прерывания с относительным и абсолютным приоритетами. При этом во
втором случае прерванные заявки вновь поступают в КК и их обслуживание начинается с прерванного места.
Данная задача для небольших значений интенсивностей потоков информации на входе СМО может быть решена при отсутствии приоритетов. Здесь в рассмотренную систему вводятся к различных приоритетных классов (к> 3) , т.е. в системе имеются три крупных приоритетных класса заявок. При функционировании системы внутри потоков может быть дальнейшее разделение на под-потоки. Заявки приоритетного класса К К = 1, 2, ..., к поступают как пуассоновские потоки с интенсивностью Хк, каждая заявка из приоритетного класса К имеет время обслуживания, выбранное независимо из экспоненциального распределения со средним значением 1/|к.
Кроме того, применение приоритетности в данном случае показывает, что значение математического ожидания вероятностной функции потери заявок существенно меньше для прерывания с абсолютным приоритетом, чем для прерывания с относительным приоритетом. Предложенный подход обеспечивает исследование многопотоковых СМО с относительным и абсолютным приоритетами. В его основе лежит решение задачи анализа характеристик компьютерной сети с групповым обслуживанием.
Данная процедура определения характеристик СМО обобщена в виде алгоритма, который имеет следующие шаги:
Для простейших потоков вводятся значения т, N Б с целью определения основных характеристик СМО.
Для количества заявок, ожидающих обслуживания
проверяется условие Ьч > Б. Если данное условие удовле-ч
творяется для относительных и абсолютных приоритетов, то вычисляются и выводятся на печать характеристики СМО.
Если цикл опроса не завершен, осуществляется переход к первому шагу. В противном случае процесс анализа характеристик СМО завершается.
На основе вышеизложенной процедуры анализа для определения характеристик систем проведены объемные вычислительные эксперименты и получены численные результаты. В этих экспериментах при заданном количестве источников информации определены потери информации в зависимости от интенсивности входного потока.
Потери информации в такой СМО могут возрастать засчет появления потерь в ПК;, и МС можно рассматривать как двухфазные СМО . Предполагая что, потоки заявок в обеих фазах пуассоновские, время обслуживания одной заявки, как в первой, так и во второй фазе постоянно. Для оценки параметров СМО можно использовать результаты приведенные здесь для однофазной СМО.
Следует отметить, что при более детальном изучении СМО такого вида целесообразно применять методы имитационного моделирования, так как аналитическое описание двухфазной СМО с не пуассоновскими потоками заявок и ограниченной очередью во второй фазе представляется очень сложным.
1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2001
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Лто1
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 Лто6
I-1-1-1-1-1-1-
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.14 0.16 Лто6сд
Рисунок 1
В качестве примера, для Аt = 0,1 Тобсл: а) т = 4, Б = N = 1 (кривая 1); б) т = 4, Б = N = 2 (кривая 2); в) т = 16, Б = 1 , N = 10 (кривая 3); г) т = 2,5 , Б = 1 , N = 10 (кривая 4); д) т = 16, Б = N = 1 (кривая 5); е) т = 16, Б = N = 2 (кривая 6) исследованы зависимости при различных т, N и Б. Из рисунка 1 видно, что при т = 4, Б = N = 1 и т = 4, Б = N = 2 значения кривых 1, 3 вероятностной функции по сравнению с другими кривыми находятся в пределах допустимых потерь и полученные характеристики СМО считаются оптимальными.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Процедура анализа многопотоковых сетей обслуживания позволяет сделать следующие выводы:
1. Разработанная процедура анализа оптимальных характеристик многопотоковых сетей является удобной для описания сети с групповым обслуживанием. Использование разработанного алгоритма вычисления характеристик сетей может значительно облегчить анализ характеристик подобных сетей.
2. Разработка такой модели позволяет определить не только вероятностно-временные характеристики сети в рамках системы массового обслуживания, но и повысить надежность системы в целом.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Меликов А.З., Пономаренко Л.А., Рюмшин H.A. Математические модели многопотоковых систем обслуживания. - К. 1991, - 264 с.
2. Меликов А.З., Исмайлов Б.Г. О моделировании процесса маршрутизации сообщений в распределенных компьютерных сетях обслуживания. Известия АН Азербайджана. Серия физико-технических и математических наук, XVIII том, №1, 1998 г. - с. 54-56.
3. Исмайлов Б.Г. Анализ характеристик взаимодействия компьютеров распределенных сетей обслуживания. Изв. АН Азерб., Серия физико-технических и математических наук, XIX том, №3-4, 1999г.- с.130-136.
Сеть представляет собой множество узлов, объединённых между собой связями. Железные дороги, где узлами являются вокзалы и станции, а связями - рельсы, служат примером транспортных сетей, организуемых для решения транспортных проблем. Для обеспечения информационных процессов используют персональный компьютер, с помощью которого возможно решать широкий круг задач. Но также существует ряд важных и ответственных процессов, которые с помощью одного компьютера решить невозможно. Например, это полёт ракеты, сборка сложной конструкции на заводе, ядерная реакция на атомной станции и т.д. Для решения таких проблем в сеть соединяют несколько компьютеров, дублируя основной и повышая тем самым надёжность работы.
Также важнейшей составляющей деятельности человека является обмен информацией и налаживание коммуникационных связей. Уже традиционными являются телекоммуникации (от греч. tele - «вдаль, далеко» и лат. communicato - «связь»), служащие обменом информации на расстоянии. Наиболее привычными примерами технических средств телекоммуникаций являются радиопередатчик, телефон, телеграф, телетайп, факсимильный аппарат, телевидение и почта. Сейчас широко распространены компьютеры, что привело к созданию компьютерных коммуникаций (сетей), которые уже вытеснили факсимильную и телетайпную связь.
Компьютерная (электронная) сеть - это система обмена информацией между различными компьютерами на расстоянии, дающая возможность пользователям применять их в качестве средств передачи и приёма информации. Электронная сеть объединяет компьютеры разных типов с разными операционными системами. Компьютерные сети включают в себя вычислительные сети, предназначенные для распределенной обработки данных (совместное использование вычислительных мощностей), и информационные сети, предназначенные для совместного использования информационных ресурсов. Таким образом, пользователи или абоненты компьютерной сети получают возможность совместно использовать её программные, технические, информационные и организационные ресурсы.
Целесообразность создания компьютерной сети обуславливается следующим:
Компьютерные сети представляют собой комплекс технических, программных и информационных средств. Технические средства - это ЭВМ различных типов (от микро до суперЭВМ); системы передачи данных, включая каналы связи, модемы и сетевые адаптеры для подключения ЭВМ к линиям связи; шлюзы, распределители, маршрутизаторы и другое оборудование. Информационные средства - это единый информационный фонд, содержащий данные разных типов для общего и индивидуального применения: базы данных, базы знаний - локальные и распределенные. Программные средства сети предназначены для организации коллективного доступа к ее ресурсам, динамического распределения и перераспределения ресурсов сети, для оптимальной загрузки технических средств, координации работы основных звеньев сети.
Практически любая сеть строится на основе нескольких мощных компьютеров, называемых серверами (от англ. serve - «обслужить»). К этим серверам обычно подключены серверы сети второго порядка (региональные), третьего порядка (отраслевые или корпоративные) и четвёртого порядка (локальные), а к ним - пользователи отдельных компьютеров. Компьютерные сети передают данные в различных средах - домах, мелких фирмах и огромных корпорациях, в которых возможно большое количество подразделений, разделённых территориально.
Принципы функционирования различных электронных сетей примерно одинаковы, так как все они представляют собой информационную систему, складывающуюся из компьютеров (как источников информации), канала связи, по которому информация в форме материально-энергетического сигнала может поступать к адресату-адресату, а также некоторого соглашения (кода), которое позволит компьютеру-адресату преобразовать воспринятый сигнал в форму понятную потребителю-человеку. Компьютерная сеть позволят коллективно решать различные прикладные задачи, увеличивает степень использования имеющихся в сети ресурсов (информационных, вычислительных, коммуникационных) и обеспечивает удаленный доступ к ним. Для эффективной работы сетей используются специальные операционные системы (сетевые ОС), которые, в отличие от персональных операционных систем, предназначены для решения специальных задач по управлению работой сети компьютеров. Они устанавливаются на специально выделенные компьютеры.
Сетевые приложения - это прикладные программные комплексы, которые расширяют возможности сетевых ОС. Среди них можно выделить почтовые программы (e-mail, веб-браузер, Instant messaging), системы коллективной работы (Collaboration), сетевые базы данных и др.
Компьютерные сети бывают локальные, отраслевые, региональные, глобальные. Локальная вычислительная сеть (LAN - Local Area Network) объединяет компьютеры чаще одной организации, расположенных компактно в одном или нескольких зданиях. Её пропускная способность достигает 10 Гбит/с, а размер не превышает нескольких километров. Высокое качество передачи данных дает возможность предоставлять пользователю сети широкий спектр услуг: печать, факс, сканер, файловую службу, электронную почту, базы данных и другие услуги, реализация которых отдельно на локальном компьютере очень дорога. Каналы связи могут использоваться совместно сразу многими компьютерами сети.
Глобальная вычислительная сеть (WAN - Wide Area Network) объединяет компьютеры, которые находятся в разных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе уже существующих линий связи, например, телефонных линий, радиосвязи и систем спутниковой связи. Так как эти линии прокладывались для целей, отличных от передачи компьютерных данных, то их качество, как и скорость обмена данных, чаще очень низкое, что требует использования специальных сложных алгоритмов и процедур передачи данных и дорогой аппаратуры.
Функциональные компоненты компьютерных сетей.
Все устройства, подключаемые к сети, можно разделить на три функциональные группы, с точки зрения их отношения к ресурсам:
Рабочая станция (workstation) - это ПК, подключенный к сети, на котором пользователь сети выполняет свою работу. Каждая рабочая станция обрабатывает свои локальные файлы и использует свою операционную систему. Но также пользователю доступны и ресурсы сети. Можно выделить три типа рабочих станций: рабочая станция с локальным диском (ОС загружается с данного локального диска), бездисковая рабочая станция (ОС загружается с диска файлового сервера) и удаленная рабочая станция (подключается к локальной сети через телекоммуникационные каналы связи - например, с помощью телефонной сети).
Сервер (от англ. serve - «обслужить») - это компьютер, подключенный к сети и предоставляющий пользователям сети определенные услуги. Например, хранение данных общего пользования, обработка запроса к СУБД, печать заданий и т.д.
Коммуникационные узлы. К коммуникационным узлам сети относятся такие устройства, как: коммутаторы, мосты, повторители, маршутизаторы, концентраторы, шлюзы. Часть сети, в которую не входит устройство расширения, принято называть сегментом сети.
Физические компоненты сети.
Существует 4 основных категории физических компонентов сети:
1. Компьютер (англ. computer - «вычислитель»). Это устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако, сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) является синонимом компьютера. Это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. ЭВМ подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах - он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т.д. По типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ);
компьютерный сеть программный сканированный
Рисунок 1. Схема персонального компьютера.
1. Монитор; 2. Материнская плата; 3. Процессор; 4. Порт АТА; 5. Оперативная память; 6. Карты расширений; 7. Компьютерный блок питания; 8. Дисковод; 9. Жёсткий диск; 10. Клавиатура; 11. Компьютерная мышь;
Interconnections представляют собой компонент, передающий данные от одной точки сети к другой. Эта категория включает в себя следующие виды компонентов:
Коммутатор, или свич (от англ. switch - переключатель). Это устройства, объединяющие оконечные устройства и осуществляющие интеллектуальную передачу данных между ними. Коммутаторы одновременно поддерживает несколько процессов обмена данными для каждой пары станций разных сегментов. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и поэтому часто рассматриваются как многопортовые мосты. Коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых не известен исходящий порт коммутатора);
Сетевой коммутатор на 48 портов (с гнездами для четырёх дополнительных портов).
Маршрутизаторы (от англ. router) осуществляют эффективную передачу данных между сетями (анализирует адрес назначения и направляет данные по оптимально выбранному маршруту). Маршрутизатор представляет собой специализированный сетевой компьютер, имеющий как минимум один сетевой интерфейс и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети.
Маршрутизатор работает на более высоком «сетевом» уровне 3, нежели коммутатор (или сетевой мост) и концентратор (хаб), которые работают соответственно на уровне 2 и уровне 1 модели OSI. При работе маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.
Программными компонентами являются сетевые операционные системы и сетевые приложения. Администрирование сетей включает конфигурирование, мониторинг и обнаружение неисправностей, а также расширение и развитие сети при росте количества пользователей или требований к связи. Инструментами для управления компьютерными сетями являются программы мониторинга сетей, анализаторы протоколов, снифферы (сетевой анализатор трафика, программа или программно-аппаратное устройство, предназначенное для перехвата и последующего анализа, либо только анализа сетевого трафика, предназначенного для других узлов) и программы по управлению сетью. Многие крупные компании предлагают системы управления сетью, включая Microsoft Systems Management Server (SMS), IBM (Tivoli Enterprise) и Hewlett-Packard (OpenView).
Возможности компьютерной сети определяются характеристиками компьютеров, включенных в сеть. Для описания и сравнения сетей могут использоваться множество параметров, но с точки зрения исполнения и структуры они описываются следующими параметрами:
Часть этих характеристик (требований) заложена в международных или национальных стандартах, другие служат предметом межфирменных соглашений и дополнений.
Глава 3. Общие сведения о компьютерных сетях
Материал, изложенный ранее, будет необходим нам для изучения компьютерных сетей, так как компьютерные сети являются дальнейшим развитием ввода-вывода и позволяют пересылать данные между компьютерами, а также использовать общие ресурсы вычислительных систем
Определение, терминология и назначение компьютерных сетей
Человек без общения - что птица без крыльев.
В общем случае сетью связи является распределенная система коммуникаций, служащая для передачи информации на расстоянии. К ним относятся теле- и радиовещательные сети, сети телефонной и сотовой связи, сети кабельного телевидения и т. д. Синоним связи - передача данных. Понятие телекоммуникационная сеть подразумевает территориально распределенную сеть передачи данных.
Отдельный компьютер - пример централизованной вычислительной системы. В отличие от централизованной, вычислительная сеть - распределенная вычислительная система. Это совокупность компьютерной и коммуникационной техники, каналов связи и специального программного обеспечения, управляющего процессом распределенных вычислений между членами данной сети.
Поскольку в последнее время повысилась роль передачи нечисловой информации через вычислительные сети, теперь для них часто используется термин сеть передачи данных. Чтобы избежать путаницы с сетью связи, в которых также передаются данные, для вычислительной сети применяется термин компьютерная сеть.
Компьютерные сети служат для выполнения следующих задач:
o проведения распределенных вычислений;
o организации доступа при централизованной (серверной) обработке информации;
o общего использования аппаратных ресурсов;
o оперативного поиска и получения данных в корпоративных ресурсах;
o оперативного поиска и получения различной информации в глобальных сетях;
o обмена сообщениями, переписки, передачи информации различных видов и т. д
Общие понятия. Сетевые топологии
Любая сеть состоит из узлов и соединяющих их линий связи. Узлы бывают конечными и промежуточными. Конечный узел имеет 1 соединение с линией связи, промежуточный - более одного.
Узлы сети могут быть станциями (хостами, компьютерами-членами сети), либо специальным коммуникационным оборудованием (на рис. 10 узлы, обозначенные символом « »). Простейшая сеть содержит 2 узла-станции (рис. 10, а).
Сетевая топология - это граф связей компьютерной сети, то есть тип соединения узлов и линий связи. Различают следующие основные сетевые топологии (рис. 10):
o типовые: а) точка-точка - содержит 2 узла; б) шина (линейная сеть) - содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов и имеет только один путь между любыми двумя узлами; в) звезда - сеть, в которой имеется только один промежуточный узел; г) дерево (иерархическая звезда) - сеть, которая содержит более двух оконечных узлов и по крайней мере два промежуточных узла, и в которой между двумя узлами имеется только один путь; д) кольцо - сеть, в которой к каждому узлу присоединены только две ветви;
o производные: е) смешанная (комбинированная) - образована соединением типовых; ж) полносвязная - каждый узел соединен со всеми остальными; з) ячеистая - сеть, которая содержит по крайней мере два узла, имеющих два или более пути между ними (вид смешанной, в которой разделение на типовые топологии не просматривается явно);
Рис. 10 Основные сетевые топологии.
Линии, связывающие узлы сети передачи данных, называются каналами передачи данных или каналами (линиями) связи. Физические среды, используемые для каналов связи, будут рассмотрены в этой главе ниже.
Некоторые важные понятия.
Трафиком называется поток данных по каналу связи или через сетевое устройство, а также объем этого потока в байтах.
Протоколом называются правила передачи информации по сети.
Адресом узла сети (сетевым адресом) называется его уникальный идентификатор, описывающий местона-хождение узла сети и позволяющий пересылать информацию именно этому узлу.
Уточненное определение протокола и более подробно об адресации в компьютерных сетях будет рассказано в этой главе при изучении модели OSI.
Классификация и характеристики компьютерных сетей
Диаметром сети называется расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга станциями данной сети.
Компьютерные сети подразделяются в зависимости от диаметра сети и типа используемого оборудования на следующие виды (в скобках указан приблизительный диапазон диаметров):
o локальные (1-3000 м) - объединяют компьютеры в пределах нескольких зданий;
o кампусные (100-10000 м) - локальные сети масштаба «кампуса» - небольшого городка;
o городские (5-20 км) - высокоскоростные каналы связи в пределах большого города;
o региональные (территориальные) (100-1000 км) - объединяют компьютеры географической области;
o глобальные (10000-20000 км) - объединение компьютеров в различных частях света (Интернет).
Важнейшая характеристика компьютерной сети - ее пропускная способность. Пропускная способность (битовая скорость передачи информации) - это количество информации, которое можно передать по данной сети за единицу времени. Пропускная способность измеряется в бит/с. 1 бит/с равен 1 биту информации, переданному за 1 с. Используются кратные единицы: кбит/с, Мбит/с, Гбит/с.
В зависимости от характера распределения функций различают:
o одноранговые сети - небольшие локальные сети, в которых все компьютеры являются функционально равноправными; обычно включают в себя до 15 станций;
o сети с выделенными серверами (двухранговые сети) - средние и крупные сети, в которых часть выполняемых функций по обслуживанию станций возложена на серверы.
Сети с выделенными серверами характеризуются типами используемых в них сетевых служб (серверов), которые будут описаны ниже.
Среды передачи данных
В качестве носителей информации в современной коммуникационной технике используются электромагнитные сигналы в виде колебаний различных частот. Под средой передачи данных (связи) понимается физическая среда, по которой распространяется сигнал при его прохождении по линии связи.
В линиях связи используются 2 основные технологии: проводниковая и беспроводная.
Проводники , используемые в компьютерных сетях, подразделяются на:
1. 1) Медные электрические проводники . Наиболее распространенная среда передачи. В качестве носителя информации используется переменный электрический ток различных частот и форм сигнала. Наиболее распространенные виды кабелей, используемых в компьютерных сетях:
o коаксиальный кабель - изолированная медная жила, экранированная металлической оплеткой;
o экранированная или неэкранированная витая пара - пара изолированных скрученных проводов;
o телефонные линии общего пользования (ТфОП) - двухжильные изолированные провода абонентских линий и многожильные кабели телефонных коммуникаций.
2. 2) Волоконно-оптические (оптоволоконные) линии связи (ВОЛС) представляют собой полый гибкий проводник (световод), покрытый изнутри отражающим веществом. В качестве носителя используется модулированный световой луч, испускаемый лазером.
При беспроводной связи в качестве среды передачи используется окружающий воздух, вода, вакуум или другая среда, не задерживающая электромагнитные волны, являющиеся в данном случае носителем информации. По частотному диапазону беспроводная связь подразделяется на:
o радиосвязь - используется в спутниковой связи и при удаленном доступе;
o инфракрасную - используется в основном для связи с беспроводными периферийными устройствами;
o оптическую - используется редко из-за наличия помех на пути распространения сигнала;
o сверхвысокочастотную (СВЧ) - используется в локальных сетях.
Введение
История компьютерных сетей берёт своё начало с момента понимания человеком необходимости объединения вычислительных и иных возможностей нескольких ЭВМ для совместной работы над большими информационными массивами, а также хранения, обработки и передачи больших объёмов данных. Характеристика компьютерных сетей может нести в себе различные сведения, но, пожалуй, самыми важными компонентами, которые включают в себя компьютерные сети основные понятия для построения которых будут рассмотрены ниже, являются продукты межсетевого обмена.
Актуальность темы. Планирование IP-адресов, безусловно, является одной из критически важных функций, необходимых в общем процессе планирования и выполнения проекта развертывания IPv6. Это понятно, поскольку для внедрения IPv6 требуется адресное пространство IPv6, а также необходимо обеспечить управление текущим пространством IPv4 одновременно с добавлением пространства IPv6. Однако общий процесс развертывания IPv6 требует не только адресного пространства IPv6, но и уверенности в том, что сетевая и компьютерная инфраструктура сможет обеспечить обработку и поддержку адресного пространства IPv6.
Цель курсовой работы – рассмотреть планирование адресации в компьютерной сети.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Дать определение компьютерной сети и охарактеризовать ее;
2. Рассмотреть протоколы IPv4 и IPv6, провести сравнительный анализ;
3. Охарактеризовать планирование IP адресации для компьютерной сети VLSM.
Курсовая работа состоит из введения, трех параграфов, заключения и списка литературы.
Современное человечество практически не представляет свою жизнь без компьютеров, а ведь они появились не так уж давно. За последние двадцать лет компьютеры стали неотъемлемой частью всех сфер деятельности: от офисных нужд до образовательных, тем самым создав необходимость развивать возможности вычислительной техники и разрабатывать сопутствующее программное обеспечение.
Объединение компьютеров в сеть позволило не только повысить производительность труда, но и снизить затраты на их содержание, а также сократить время передачи данных. Другими словами, компьютерные сети преследуют две цели: совместное использование программного обеспечения и аппаратуры, а также обеспечение открытого доступа к ресурсам данных.
Компьютерные сети – средства межсетевого обмена. Стоит отметить, что ранок этих устройств является одним из самых быстрорастущих. Основным предназначением средств межсетевого обмена является обеспечение взаимосвязи между пользователями, объединёнными в огромную, и часто распределённую по большой территории локальную сеть.
Компьютерные сети включают в себя шесть видов продуктов, осуществляющих межсетевой обмен.
Повторители. Повторителем называется аппаратное устройство, которое функционирует на физическом уровне модели OSI и обеспечивает возможность соединение воедино пары сегментов одной компьютерной сети.
Концентраторы. Основным предназначением концентраторов является выполнение задачи монтажных узлов, которые обеспечивают соединение каждого автономного сетевого устройства и сегмента. Существует несколько видов концентраторов, представленных пассивными, активными и интеллектуальными.
Мосты. Данным термином обозначаются средства, которые предназначены для осуществления передачи пакетов данных между двумя сетями. Мосты делают возможной ситуацию, когда программы и протоколы рассматривают объединённые сети в качестве единого целого. Помимо передачи данных, мостами может выполняться их фильтрация.
Маршрутизаторы. С помощью маршрутизаторов осуществляется логическое соединение необходимое отдельным сетям. При этом объединяемые сети используют один и тот же протокол. Понятно, что маршрутизаторы – это протоколозависимые устройства, которые должны быть наделены способностью поддерживать определённые протоколы маршрутизации. Именно наличие маршрутизаторов в сети делает возможным наличие множества путей передачи пакетов. Кроме того маршрутизатор – это "интеллектуальное" устройство, способное определить оптимальный путь каждого пакета из широкого перечня возможных маршрутов.
Шлюзы. Самое распространённое определение термина "шлюз", относит это понятие к любому аппаратному средству либо программному пакету, предназначенному для объединения пары разнородных систем. В этом понимании, шлюз можно считать коммуникационным сервером или сервером доступа.
Тот факт, что работа шлюзов отличается «многоуровневостью» выделяет их среди маршрутизаторов, мостов и повторителей, способных работать только на одном иерархическом уровне (это может быть сетевой, канальный или физический уровень, соответственно). Кроме того маршрутизаторы, мосты и повторители не способны выполнять преобразование данных.
Коммутаторы. Коммутатор – это устройство, главным предназначением которого является перенаправление входных данных на один из выходов. К примеру, на вход коммутатора поступают пакеты данных, а его выход подключен к шине Ethernet. В данном варианте устройство получит название коммутатор Ethernet
В коммутаторе должны присутствовать средства организации нужных соединений, а также инструменты, позволяющие преобразовывать входную информацию в корректный формат на выходе.
Построение компьютерных сетей происходит по принципу «клиент-сервер». При этом клиент – это архитектурный компонент, который с помощью логина и пароля пользуется возможностями сервера. Сервер же, в свою очередь, предоставляет свои ресурсы остальным участникам сети. Это может быть хранение, создание общей базы данных, использование средств ввода-вывода и т.д.
Рис. 1. Построение компьютерных сетей по принципу «клиент-сервер»
Компьютерные сети бывают нескольких видов:
Локальные;
Региональные;
Глобальные.
Здесь справедливо будет отметить, на каких принципах строятся различные компьютерные сети.
Организация локальных компьютерных сетей. Обычно такие сети объединяют людей, находящихся на близком расстоянии, поэтому используются чаще всего в офисах и на предприятиях для хранения и обработки данных, передачи её результатов остальным участникам.
Существует такое понятие, как «топология сети». Проще говоря, это геометрическая схема объединения компьютеров в сеть. Таких схем существуют десятки, однако мы рассмотрим лишь базовые: шина, кольцо и звезда.
Рис. 2. Топология сети «Кольцо»
1. Шина – это канал для связи, который объединяет узлы в сеть. Каждый из узлов может принимать информацию в любой удобный момент, а передавать - только если шина свободна.
2. Кольцо. При такой топологии рабочие узлы связаны последовательно по кругу, то есть первая станция связана со второй и так далее, а последняя связывается с первой, тем самым замыкая кольцо. Основной недостаток такой архитектуры состоит в том, что при сбое работы хотя бы одного элемента парализуется вся сеть.
3. Звезда – соединение, при котором узлы лучами соединяются с центром. Эта модель соединения пошла с тех далёких времён, когда ЭВМ были довольно большими и только головная машина получала и обрабатывала информацию.
Рис. 3. Топология сети «Звезда»
Что касается глобальных сетей, то тут всё гораздо сложнее. На сегодняшний день их существует более 200. Самая известная из них – Интернет.
Основное их отличие от локальных – отсутствие основного управленческого центра.
Такие компьютерные сети осуществляют работу по двум принципам:
Программы-серверы, размещённые на узлах сети, которые занимаются обслуживание пользователей;
Программы-клиенты, размещённые на пользовательских ПК и пользующиеся услугами сервера.
Глобальные сети дают пользователям доступ к различным услугам. Подключиться к таким сетям можно двумя способами: через коммутируемую телефонную линию и по выделенному каналу.
2. Основные понятия IPv4 и IPv6 (сравнительная характеристика)
IP-адреса(Internet Protocol version 4 , интернет протокол версии 4) – представляют собой основной тип адресов, используемый на сетевом уровне модели OSI, для осуществления передачи пакетов между сетями. IP-адреса состоят из четырех байт, к примеру 192.168.100.111.
Присвоение IP-адресов хостам осуществляется:
§ вручную, настраивается системным администратором во время настройки вычислительной сети;
§ автоматически, с использование специальных протоколов (в частности, с помощью протокола DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol, протокол динамической настройки хостов).
Протокол IPv4 разработан в сентябре 1981 года.
Протокол IPv4 работает на межсетевом (сетевом) уровне стека протокола TCP/IP. Основной задачей протокола является осуществление передачи блоков данных (дейтаграмм) от хоста-отправителя, до хоста-назначения, где отправителями и получателями выступают вычислительные машины, однозначно идентифицируемые адресами фиксированной длины (IP-адресами). Также интернет протокол IP осуществляет, в случае необходимости, фрагментацию и сбору отправляемых дейтаграмм для передачи данных через другие сети с меньшим размером пакетов.
Недостатком протокола IP является ненадежность протокола, то есть перед началом передачи не устанавливается соединение, это говорит о том, что не подтверждается доставка пакетов, не осуществляется контроль корректности полученных данных (с помощью контрольной суммы) и не выполняется операция квитирования (обмен служебными сообщения с узлом-назначения и его готовностью приема пакетов).
Протокол IP отправляет и обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую порцию данных, то есть не имея никаких других связей с другими дейтаграммами в глобальной сети интернет.
После отправки дейтаграммы протоколом IP в сеть, дальнейшие действия с этой дейтаграммой никак не контролируются отправителем. Получается, что если дейтаграмма, по каким-либо причинам, не может быть передана дальше по сети, она уничтожается. Хотя узел, уничтоживший дейтаграмму, имеет возможность сообщить о причине сбоя отправителю, по обратному адресу (в частности с помощью протокола ICMP). Гарантию доставки данных возложены на протоколы вышестоящего уровня (транспортный уровень), которые наделены для этого специальными механизмами (протокол TCP).
Как известно, на сетевом уровне модели OSI работают маршрутизаторы. Поэтому, одной из самых основных задач протокола IP – это осуществление маршрутизации дейтаграмм, другими словами, определение оптимального пути следования дейтаграмм (с помощью алгоритмов маршрутизации) от узла-отправителя сети к любому другому узлу сети на основании IP адреса.
Рис. 4. Алгоритм работы протокола IP на каком-либо узле сети принимающего дейтаграмму из сети выглядит
Хотя сегодня наиболее распространенным протоколом доступа ко Всемирной паутине и средством передачи данных является IPv4 (по крайней мере, для Windows-систем), новая разработка шестой версии с заявленной поддержкой в последних «операционках» Windows выглядит намного предпочтительнее.
Как известно, в компьютерных системах с ОС Windows на борту для доступа в интернет используется система протоколов TCP/IP, предусматривающая присвоение каждому терминалу определенного уникального IP-адреса, который ни у одной машины не повторяется (имеется в виду внешний IP). Но сегодня многие все больше поглядывают в сторону протокола IPv6. Что это такое, как его включить и настроить, сейчас и будет рассмотрено. Кроме того, можно будет увидеть существенную разницу между IPv4 и IPv6, а также узнать перспективы внедрения новой технологии в недалеком будущем.
Что представляет собой протокол IPv6? Если говорить кратко и понятно, то это система, отвечающая за генерирование, присвоение и распределение уникальных статических и динамических IP-адресов компьютерным терминалам, разбросанным по всему миру, посредством DHCP-сервера, причем таким образом, чтобы ни один адрес никогда не повторялся. В принципе, все сегодня известные распределительные протоколы работают по этому принципу. Но самым перспективным из всех них считается IPv6. Без доступа к Интернету сегодня мало кто себя представляет, количество компьютеров или тех же мобильных девайсов возросло настолько, что существующая система просто не в состоянии генерировать новые адреса.
В принципе, в плане основных алгоритмов, заложенных в систему функционирования IPv6, этот протокол практически идентичен изначальному подходу. Разница только в присвоении и распределении адресов компьютерным терминалам и системе безопасности.
Рядовой пользователь при использовании доступа в интернет в большинстве случаев с IP-адресами практически не сталкивается, поскольку за все процедуры установки соединения отвечает так называемая система доменных имен, сокращенно обозначаемая DNS. Однако, чтобы лучше понять тему: «IPv6: что это такое?», следует немного разобраться в основных принципах функционирования этого протокола.
На заре развития интернет-технологий был разработан специальный метод идентификации компьютерных терминалов для быстрого и удобного доступа во Всемирную паутину. Как тогда предполагалось, каждая машина должна иметь уникальный идентификатор, причем такой, который бы не повторялся ни разу.
Цель такого подхода заключалась в маршрутизации и передаче данных в Сети или объединенных сетях между серверами и отдельными компьютерами (например, электронная почта). Ведь отсылка письма или сообщения должна производиться конкретному адресату. А при двух и более одинаковых IP-адресах терминалов доставка может быть осуществлена кому угодно. Тогда-то еще не было официальных почтовых серверов, а использовались протоколы POP3 и SMTP.
Рис. 5. Структура IP пакетов версии 4 представлена
§ Версия - для IPv4 значение поля должно быть равно 4.
§ IHL - (Internet Header Length) длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.
§ Тип обслуживания (Type of Service, акроним TOS) - байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов, представлен на рисунке.
Именно в те годы был разработан протокол IPv4, предполагавший создание уникального адреса в виде четырех чисел по 8 бит каждое, что в сумме давало 32 бита. Таким образом, речь шла о создании порядка четырех миллиардов ни разу не повторяющихся адресов.
Сегодня ситуация изменилась, и, как оказалось, протокол IPv4 уже не в состоянии генерировать новые адреса. Некоторые специалисты утверждают, что он исчерпал свои возможности еще к 2009 году. Тут-то многие ученые умы и задумались над тем, как расширить основные параметры. Вообще-то эти разработки в виде дополнительной надстройки для IPv4 были начаты еще в конце 70-х и тогда получили название протокола ST, потом – ST2, а чуть позже – неофициальное название IPv5. Но эта разработка так и не прижилась, даже не была взята на вооружение в плане перспективного развития. Сегодня же считается, что самым новым и наиболее востребованным вскоре станет протокол IPv6.
