5 Тема №1 Введение
Целью изучения курса «Вычислительные сети» является получение систематизированных сведений о теоретических основах функционирования и построения вычислительных сетей разного назначения, об их аппаратном и программном обеспечении.
По прослушиванию курса необходимо будет знать:
— основные виды вычислительных сетей ЭВМ
— составные компоненты вычислительных сетей ЭВМ
— принципы их функционирования, используемые протоколы
— система используемых международных стандартов
— перспективы развития вычислительных сетей ЭВМ
Должны быть сформированы навыки и умения:
— формирование технических требований к сети на основании выполняемых ею функций
— выбор и обоснование оптимальной архитектуры сети
— выбор и обоснование необходимого специализированного программного обеспечения
— анализ параметров и возможностей функционирующей сети
Для успешного усвоения материала необходимо быть знакомым со следующими темами:
— Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы (Организация ЭВМ и систем)
— Сетевые технологии обработки данных. Виды и характеристики носителей и сигналов. Спектры сигналов. Модуляция и кодирование. Каналы передачи данных и их характеристики. Методы повышения помехоустойчивости передачи и приема. Современные технические средства обмена данными и каналообразующая аппаратура. (Информатика)
— Основные виды сетевого взаимодействия приложений в сетях ЭВМ. Современные технологии организации распределенных вычислений. (Программирование в сетях)
Список рекомендованной литературы
- Олифер В.Г. Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. -СПб.:Питер, 2007, 960 стр.
- Э. Таненбаум. Компьютерные сети. — СПБ.:Питер, 2002, 848 стр.
- Палмер М, Синклер Р.Б. Проектирование и внедрение компьютерных сетях. Учебный курс. – 2-е изд. СПб.БХВ-Петербург, 2004. – 732 с.
- Дж. Уолренд. Телекоммуникационные и компьютерные сети. Вводный курс. — М.: Постмаркет, 2001. — 480с.
- Подготовка администраторов сегментов информационной компьютерной сети Саратовского государственного университета. – Саратов, СГУ, 2007, — 120 с.
Вычислительные сети — основные понятия и определения.
Обзор темы:
Основные понятия о назначении и применении различных вычислительных сетей в сфере науки, образования, управления, бизнеса. В прикладной области это прежде всего задачи обработки (поиск, анализ, навигация) данных, например в глобальной сети Интернет. Так, на поисковый запрос «паровоз» Google всего за 0,24 сек сообщает у наличии у него примерно 555 000 000 ссылок на страницы в Сети, на которых упоминается это слово. Воспользовавшись его же сервисом для перевода слова «паровоз» на английский язык получаем «engine» (плюс еще варианты «puffer» «locomotive»). Вернувшись к поиску уже на англоязычное слово «engine» за 0,15 сек находим примерно 337 000 000 ссылок. При этом появление рисунков примерно такого вида: заставляет нас усомниться в правильности ответа. Воспользовавшись еще раз переводчиком, теперь уже в обратном направлении, узнаём, что «engine» это прежде всего двигатель, и только в гораздо меньшей степени «паровоз» но и в некоторой степени и «локомотив». Поиск по «puffer» приводит к появлению картинок с какими-то рыбками. Обратный перевод показывает, что это в первую очередь «подставное лицо на аукционе» (невольная ассоциация с «пойти паровозом» в определенной лексической группе), хотя и паровоз и пароход тоже. А вот поиск по «locomotive» приносит удачу, и мы за 0,27 сек получаем 10 400 000 ссылок примерно на то что нас и интересовало. Хотя соотношение количества представленных ссылок и удивляет. Сделаем последний шаг. Ищем по слову «Локомотив». За 0,13 секунды поисковик предлагает 5 520 000 ссылок. Но первая же из них на (Кто угадает?) официальный сайт футбольного клуба «Локомотив». Инженерные Приложения: Расчет траектории запуска космических аппаратов (первый спутник). Прочностные и механические расчеты (Боинг 747, ГТД). Проектирование СБИС (Pentium Pro). Расчет оптических многолинзовых систем с асферическими элементами. В научной сфере необходимость использовать вычислительные сети может являться как прямым следствием прогресса в развитии вычислительных ресурсов, так и природой изучаемых явлений и используемыми при этом методами. Задачи квантовой механики. Их приложение к молекулам и наноразмерным структурам. Высокотемпературная сверхпроводимость. Характерный пример: БАК (LHC) – большой адронный коллайдер 40 000 000 столкновений в секунду После фильтрации, остаётся только 100 событий в секунду Объём оцифрованных данных для одного события ~ 1Мб За год необходимо записать 10 000 000 000 событий = 15 Петабайт данных в год Анализ этого потока данных потребует работы примерно 100 000 процессоров Научно-технические проблемы создания единой и непрерывной во времени и пространстве вычислительной среды. Прикладной характер предмета изучения. Исторический обзор: ЭВМ, их эволюция. Датой рождения принято считать 1946 год – появление первой универсальной ЭВМ ЭНИАК До середины 50-х годов программирование на машинном языке с вводом программ с пульта управления программистом-пользователем. С середины 50-х переход на полупроводниковую элементную базу, рост производительности, появление алгоритмических языков программирования, усложнение процедуры запуска заданий, появление первых систем пакетной обработки заданий и отстранение программиста-пользователя от непосредственного контакта с ЭВМ. С середины 60-х рост производительности сделал неэффективным последовательное выполнение пользовательских заданий. Переход к мультипрограммной работе сначала в пакетной реализации открыл дорогу многотерминальным системам разделения времени, которые вернули пользователю возможность непосредственного общения с компьютером. Появление терминалов обусловило появление у ЭВМ аппаратных и программных компонент, реализующих протоколы связи между ними и терминалами. И соответствующего каналообразующего оборудования для обмена данными. Вполне естественным оказалось при отнесении терминала на большое расстояние воспользоваться каналами связи общего пользования. Последнее предопределило идею использовать эти каналы для непосредственного обмена данными между удаленными ЭВМ. Первоначальной целью было объединение вычислительных ресурсов имевшихся в распоряжении различных организаций суперкомпьютеров для их коллективного использования. Именно так формулировалась цель программы создания сети АРПАНЕТ, инициированной в 1969 году министерством обороны США и ставшей прообразом сегодняшнего Интернет. В начале 70-х появились большие интегральные схемы (БИС). Это позволило резко удешевить стоимость «средней» ЭВМ, сделать её компактной и передать в пользование отдельному специалисту. Первоначально это были весьма не дешевые персональные рабочие станции или малые ЭВМ для обслуживания небольшой группы пользователей. Важно то, что из единого вычислительного центра, обслуживавшего все предприятие, ЭВМ начали «расползаться» по подразделениям и отделам. Для взаимодействия и обмена данными между ними появились первые локальные сети. Уже к концу 80-х персональный компьютер стал на многих предприятиях обязательным инструментом на столе не только инженера, но и бухгалтера, экономиста или управленца. При этом его основной функцией уже было отнюдь не решение вычислительных задач, а доступ к информации. Обязательным атрибутом стала локальная сеть, технологии построения которых устоялись и стандартизировались. Параллельно, достигнув определенного ценового рубежа, персональные компьютеры стали массово появляться у домашних пользователей. Понятно, что они покупались отнюдь не для решения систем линейных уравнений. Конечно, первые их владельцы по привычке и дома использовали их для написания текстов или доделывания других офисных заданий, принесенных с работы. Но выяснилось, что персональный компьютер это такой неиссякаемый ящик с игрушками, о котором совсем недавно не смел и мечтать любой ребенок да и взрослый тоже.
Определение понятия архитектура и организация вычислительных систем
Вычислительная машина – комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.
Вычислительная система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для подготовки и решения задач пользователя.
Основной отличительной чертой вычислительных систем является наличие в них средств, реализующих параллельную обработку за счет построения параллельных ветвей в вычислениях.
Под архитектурой вычислительных машин, как правило, понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой представляется машина программисту, разрабатывающему программу на машинноориентированном языке. Это определение архитектуры в “узком” смысле. Оно охватывает следующее: перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода-вывода, способы адресации памяти, назначение и состав регистров общего назначения, а также других адресуемых регистров. Однако при таком подходе из рассмотрения выпадают такие важные вопросы как состав устройств, сложность процессора, емкость памяти, тактовая частота. Круг этих вопросов принято определять понятием организация или структурная организация.
Более часто применительно к ВМ используется понятие архитектуры в “широком“ смысле или просто архитектуры, объединяющее в себе как архитектуру в “узком” смысле, так и организацию ВМ.
Термин “архитектура” применительно к вычислительным системам дополнительно включает в себя вопросы выделения составляющих ВС (иерархии ВС), распределения функций между ними и определение взаимодействия между составляющими.
Компьютерные сети. Основные понятия
Компьютерная сеть представляет собой совокупность компьютеров, а так же различных электронных систем и устройств, подключаемых к компьютерам, обеспечивающую управление и обмен информацией между компьютерами в сети без каких – либо промежуточных носителей информации. Главное назначение компьютерных вычислительных — упростить и ускорить процесс взаимодействия между конечными пользователями, т.е. клиентами сети, а так же организация доступа пользователей к общим сетевым ресурсам. Компьютерные сети бывают различных видов: например, по их масштабу и территории они подразделяются на локальные(LAN) и глобальные(WAN), по уровню организации: одноранговые и на основе сервера, по скорости передачи информации на низко-, средне- и высокоскоростные, по типу соединения: на коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалу и в инфракрасном диапазоне, по топологии сети т.е. структуре связей между ее основными функциональными элементами: звездная, шинная, кольцевая. Функции компьютеров, входящих в сеть: — Организация доступа к сети, — Управление передачей информации, — Предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети. Любая компьютерная сеть характеризуется: топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами, используемыми в этой сети: — Сетевые технические средства представляют собой различные электронные устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в вычислительную сеть (кабеля, коммутаторы, концентраторы(Hab), серверы, маршрутизаторы); — Протокол это набор определенных правил взаимодействия и обмена информации между компьютерами и другими функциональными элементами данной сети; — Сетевые программные средства обеспечивают корректную работу сети, осуществляют программное управление работой сети и интерфейс с конечным пользователем (сетевая операционная система, программное обеспечение управления сетью); — Интерфейс – это средства сопряжения функциональных элементов сети. Интерфейсы разделяются на аппаратные и программные.
3. Фон-неймановская архитектура
Д ля современных ВМ исходной является концепция Дж. фон Неймана, согласно которой определяется автономно работающая универсальная машина, объединяющая устройство управления, двоичное арифметическое устройство, память, устройства ввода и вывода.
Вычисления осуществляются последовательно под централизованным управлением от команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня реализации простых операций над элементарными операндами. Память достаточно большой емкости, хранящая как команды, так и данные, состоит из ячеек фиксированного размера, линейно организованных в линейном пространстве.
Концепция неймановской архитектуры предусматривает единственное арифметическое устройство и одну глобальную основную память, что обуславливает последовательную обработку и тем самым ограничивает скорость выполнения вычислений. Это узкое место последовательной неймановской архитектуры призваны устранить параллельные архитектуры. Для этих архитектур во всех случаях независимо от формы реализации обработка распараллеливается по нескольким процессорам и осуществляется с совмещением по времени.