26. Топология физических связей компьютеров в сети.
Известно, что наибольшая эффективность и производительность компьютерной системы достигается при организации распределенной модели обработки информации.
Основным признаком распределенной вычислительной системы является наличие нескольких центров обработки данных, очевидно к распределенным системам относятся многомашинные вычислительные комплексы, мультипроцессорные системы и компьютерные сети. Мультипроцессорная система(мультипроцессор) представляет собой несколько процессоров, которые разделяют общую физическую память и работают под управлением единой ОС. Взаимодействие между процессорами организуется через единое виртуальное адресное пространство.
Многомашинная система(мультикомпьютер) – это вычислительный комплекс (ВК), включающий в себя несколько компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной ОС), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают передачу данных в транспортной системе ВК. Связь между компьютерами многомашинной системы менее тесная, чем между процессорами в мультипроцессоре.
Компьютерные сети, также могут быть отнесены к распределенным вычислительным системам, в которых программные и аппаратные связи являются еще более слабыми, а автономность процессов проявляется в наибольшей степени. Каждый компьютер (узел сети) работает под управлением собственной ОС, взаимодействие между компьютерами осуществляется за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры (сетевые карты) и каналы связи, содержащие наряду с линиями связи коммутационное оборудование. С их помощью один компьютер обычно запрашивает доступ к ресурсам (аппаратным и программным) другого компьютера. Разделение локальных ресурсов каждого узла между всеми пользователями сети реализуется посредством сетевых технологий и является основной целью создания вычислительной сети.
Сетевая технология– это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например: сетевых карт, драйверов, кабелей и разъемов, коммуникационного оборудования и т.д.) достаточный для построения вычислительной сети.
Простейшие виды связи сети передачи данных
Разработка вычислительной сети, как и всякой сети передачи данных призвана решать множество самых разных задач как на физическом уровне (кодирование, синхронизация сигналов, конфигурация связей …), так и на логическом уровне (адресация, коммутация, мультиплексирование, маршрутизация …). Попытаемся вначале сформулировать эти задачи, а потом и решать их вместе с разработчиками сетевых технологий. Начнем с самого простого случая, на первый взгляд не относящегося к сети, непосредственного соединения двух устройств физическим каналом «точка-точка» (point—to—point).
27. АрхитектураNuma.
Сегодня стало уже общепринятым, что в многопроцессорных системах с общим полем памяти для достижения наилучшего масштабирования необходимо отказаться от классической архитектуры SMP (узким местом которой является общая шина или коммутатор) в пользу ccNUMA. В последнем случае многопроцессорные системы строятся на базе SMP-узлов, содержащих процессоры и оперативную память, а узлы связываются между собой посредством общесистемного межсоединения, в роли которого обычно выступает коммутатор. Поэтому доступ процессоров к локальной оперативной памяти своего узла осуществляется быстрее, чем к оперативной памяти другого узла; таким образом, доступ оказывается «неоднородным», о чем и говорит сокращение NUMA (Non-Unifrom Memory Access), а сс означает coherent cash («когерентный кэш»). Замедление доступа к удаленной оперативной памяти — это плата за масштабируемость, и разработчики стремятся по возможности нивелировать различия в скорости доступа к локальной и удаленной памяти.
Главная особенность такой архитектуры — неоднородный доступ к памяти. Гибридная архитектура воплощает в себе удобства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с раздельной памятью. Суть этой архитектуры — в особой организации памяти, а именно: память является физически распределенной по различным частям системы, но логически разделяемой, так что пользователь видит единое адресное пространство. Система состоит из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной. По существу архитектура NUMA является MPP (массивно-параллельная архитектура) архитектурой, где в качестве отдельных вычислительных элементов берутся SMP (cимметричная многопроцессорная архитектура) узлы.
Структурная схема компьютера с гибридной сетью: четыре процессора связываются между собой при помощи кроссбара в рамках одного SMP узла. Узлы связаны сетью типа «бабочка» (Butterfly):
Впервые идею гибридной архитектуры предложил Стив Воллох и воплотил в системах серии Exemplar. Вариант Воллоха — система, состоящая из 8-ми SMP узлов. Фирма HP купила идею и реализовала на суперкомпьютерах серии SPP. Идею подхватил Сеймур Крей (Seymour R.Cray) и добавил новый элемент — когерентный кэш, создав так называемую архитектуру cc-NUMA(Cache Coherent Non-Uniform Memory Access), которая расшифровывается как «неоднородный доступ к памяти с обеспечением когерентности кэшей». Он ее реализовал на системах типа Origin.
4 Проблемы связи нескольких компьютеров
В лекции обсуждаются различные типы физической конфигурации сетей, их достоинства и недостатки. Описываются иерархическая и плоская схемы адресации, числовые и символьные адреса, групповые, широковещательные и индивидуальные адреса.
4.1 Топология физических связей
Как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам — электрические и информационные связи между ними.
Число возможных конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами, то для четырех компьютеров (рис. 4.1) можно предложить уже шесть топологически различных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров).
Рис. 4.1. Варианты связи компьютеров.
Мы можем соединять каждый компьютер с каждым или же связывать их последовательно, предполагая, что они будут общаться, передавая друг другу сообщения «транзитом». При этом транзитные узлы должны быть оснащены специальными средствами, позволяющими выполнять эту специфическую посредническую операцию. В роли транзитного узла может выступать как универсальный компьютер, так и специализированное устройство.
От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной балансировку загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.
Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные :
Рис. 4.1.1. Типы конфигураций
Полносвязная топология (рис. 4.2) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи. (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, т.е. имеет место квадратическая зависимость. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Рис. 4.2. Полносвязная конфигурация.
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистая топология (mesh 1 ) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей (рис 4.3).
Рис. 4.3. Ячеистая топология.
В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4.4) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство «кольца» в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. «Кольцо» представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство «кольца» используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями «кольца».
Рис. 4.4. Топология «кольцо».
Топология «звезда» (рис.4.5) образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором 2 . В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В роли концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовый повторитель, коммутатор или маршрутизатор. К недостаткам топологии типа «звезда» относится более высокая стоимость сетевого оборудования, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.
Рис. 4.5. Топология «звезда».
Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа «звезда» (рис. 4.6). Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.
Рис. 4.6. Топология «иерархическая звезда» или «дерево».
Особым частным случаем конфигурации звезда является конфигурация «общая шина» (рис. 4.7). Здесь в роли центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем присоединенным к нему компьютерам.
Рис. 4.7. Топология «общая шина».
Основными преимуществами такой схемы являются низкая стоимость и простота наращивания, т.е. присоединения новых узлов к сети.
Самым серьезным недостатком «общей шины» является ее недостаточная надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другой недостаток «общей шины» — невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети. До недавнего времени «общая шина» являлась одной из самых популярных топологий для локальных сетей.
В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — «звезда», «кольцо» или «общая шина», для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Смешанная топология.