Как вычислительные сети классифицируются по способу управления

Классификация сетей. Способы коммутации и передачи данных

Вычислительные сети классифицируются по различным признакам. Сети, состоящие из программно-совместимых ЭВМ, являются гомогенными или однородными. Если ЭВМ, входящие в сеть, программно несовместимы, то такая сеть называется неоднородной или гетерогенной.

По типу организации передачи данных различают сети:

с коммутацией каналов;
с коммутацией сообщений;
с коммутацией пакетов.

Иногда сети используют смешанные системы передачи данных. По характеру реализуемых функций сети подразделяются на:

вычислительные, предназначенные для решения задач, требующих вычислительной обработки исходной информации;
информационные, предназначенные для получения справочных данных по запросам потребителей информации;
смешанные, в которых реализуются вычислительные и информационные функции.

По способу управления вычислительные сети делятся на сети с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением. В первом случае каждая ЭВМ, входящая в состав сети, включает полный набор программных средств для координации выполняемых сетевых операций. Сети такого типа сложны и дороги, так как операционные системы отдельных ЭВМ разрабатываются с ориентацией на коллективный доступ к общему полю памяти сети. При этом в каждый конкретный момент времени доступ к общему полю памяти предоставляется только для одной ЭВМ. А координация работы ЭВМ осуществляется под управлением единой операционной системы сети. В условиях смешанных сетей под централизованным управлением ведется решение задач, обладающих высшим приоритетом и, как правило, связанных с обработкой больших объемов информации. По структуре построения (топологии) сети подразделяются на одноузловые и многоузловые, одноканальные и многоканальные. Топология вычислительной сети во многом определяется структурой сети связи, то есть способом соединения абонентов друг с другом и ЭВМ. Различают следующие топологии сетей: радиальная или звездообразная, кольцевая, многосвязная («каждый с каждым»), иерархическая, «общая шина» и др., рис. 23. В сети с общей шиной одна из машин служит в качестве системного обслуживающего устройства, обеспечивающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим вычислительным ресурсам. Сети данного типа приобрели большую популярность бла- годаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, лег- Рис. 23. Основные типы структур сетей ЭВМ кости расширения сети (подключение новых абонентов к сети не сказывается на ее основных характеристиках). К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.Кольцевая топология характеризуется тем, что информация по кольцу может передаваться только в одном направлении, и все подключенные компьютеры могут участвовать в ее приеме и передаче. При этом абонент-получатель должен пометить полученную информацию специальным марке- ром, иначе могут появиться «заблудившиеся» данные, мешающие нормальной работе сети. Кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей (последовательная структура — ничего не поделаешь). Разработчики сетей приложили немало усилий, чтобы справиться с этой проблемой. Защита от повреждений или отказов обеспечивается либо замыканием кольца на обратный (дублирующий) путь, либо переключением на запасное кольцо. И в том, и в другом случае сохраняется общая кольцевая технология. Иерархическая сеть (конфигурация типа «дерево») представляет собой более развитой вариант структуры, построенной на основе общей шины. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты сети. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами сети несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и сотни абонентов. Радиальную или звездообразную конфигурацию можно рассматривать как дальнейшее развитие структуры «дерево с корнем» с ответвлением к каждому подключенному устройству. В центре сети обычно размещается коммутирующее устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы, рис. 24. Сети подобной конфигурации находят наиболее частое применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные сети, как правило, менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические, но путем дублирования оборудования центрального узла эта проблема решается просто. К недостаткам можно отнести также значительное потребление кабеля (иногда в несколько раз превышающее расход в аналогичных по функциональным возможностям сетях с общей шиной или и иерархических). Наиболее сложной и дорогой является многосвязная топология, в которой каждый узел связан со всеми другими узлами сети. Эта топология применяется очень редко, в основном там, где требуются исключительно высокие надежность сети и скорость передачи данных. На практике чаще встречаются гибридные сети, приспособленные к требованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты шинной, звездообразной и других топологий. В зависимости от используемых систем передачи данных и средств вычислительной техники локальные сети подразделяются на четыре группы. К первой группе относятся сети, ориентированные на массового пользователя. Такие сети объединяют в основном персональные компьютеры с помощью недорогих систем передачи данных, обеспечивающих передачу информации на расстояние 100-500 метров со скоростью 2400 — 19200 бод  . Ко второй группе относятся сети, объединяющие, кроме персональных компьютеров, микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование (кассовые аппараты, средства автоматизации проектирования, обработки документальной информации и др.), а также средства электронной почты. Система передачи данных таких сетей обеспечивает передачу информации на расстояние до 1 км со скоростью от 19200 бод до 1 Мбод. Стоимость передачи данных в таких сетях примерно на 30% превышает стоимость передачи в сетях первой группы. К третьей группе относятся сети, объединяющие персональные компьютеры, миниЭВМ и ЭВМ среднего класса. Эти сети используются для организации управления сложными производственными процессами с применением робототехнических комплексов и гибких автоматизированных модулей, а также для создания крупных систем автоматизации проектирования, систем управления научными исследованиями и т.д. Системы передачи данных в таких сетях имеют среднюю стоимость и обеспечивают передачу информации на расстояние до нескольких километров со скоростью 120 Мбод. Для четвертой группы характерно объединение в своем составе всех классов ЭВМ. Такие сети применяются в сложных системах управления крупными производственными объединениями и даже отдельной отраслью. Они включают в себя основные элементы всех предыдущих групп. В рамках данной группы сетей могут применяться различные системы передачи данных, в том числе обеспечивающие передачу информации со скоростью от 10 до 50 Мбод на расстояние до 10 км. В своем составе они могут содержать разветвленную сеть соединений между различными абонентами, по функциональным возможностям сети этой группы мало, чем отличаются от региональных сетей, обслуживающих крупные города, районы и области. Способы коммутации и передачи данных. Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования вычислительных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее десятилетие произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется тем, что затраты на техническое обеспечение вычислительных сетей сократились за этот период примерно в десять раз, а затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только вдвое. Важнейшая характеристика сетей передачи данных — время доставки информации — зависит от структуры сети передачи данных, пропускной способности линий связи, а также от способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и коммутацией на время передачи информации по этим каналам. При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, то есть находятся в режиме «on—line«. В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии полной загрузки этих каналов. При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации, то есть в режиме «off—line«, принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Передача информации в сети между абонентами осуществляется многоуровневыми протоколами обмена, что позволяет максимально эффективно организовать взаимодействие абонентов сети. Как правило, обмен информацией между абонентами сети на нижнем уровне осуществляется с помощью фиксированных блоков (фрагментов) информации, которые называют пакетами или кадрами. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. Сетевой адаптер и его управляющая программа ориентированы на передачу и прием именно пакетов. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, то пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, то есть скорость передачи превышает аналогичную скорость при коммутации сообщений целиком. Кадры сообщений могут быть переданы в самых разных ситуациях, в том числе:

для открытия сеанса связи с другим адаптером;
при передаче данных, например, файла;
для подтверждения приема кадра данных;
при посылке общего сообщения всем адаптерам;
при закрытии сеанса связи.

Формат типичного кадра приведен на рис. 25. Структуры кадров в различных сетях могут быть разными, но некоторые разделы присутствуют во всех вариантах. К ним относятся:

сетевой адрес отправителя;
сетевой адрес получателя;
идентификатор содержимого кадра;
данные или сообщение;
контрольная сумма или код CRC (Cyclic Redundancy Check) — цикли-ческий избыточный контроль для обнаружения возможных ошибок при пе- редаче.

Адрес отпра- вителя

Адрес полу-чателя

Тип кадра

Сообщение (данные)

Контрольная cумма (CRC)

Рис. 25. Типичная структура кадра информации

Источник