Вычислительные сети. Основы моделирования. Информационная образовательная сеть
----------------------------------------------------------------
 Список контрольных вопросовСписок практических заданийЛокальное тестированиеГлоссарийЗадать вопрос в режиме реального времениПомощь в использовании электронного учебника (Руководство по использованию)Перейти на первую страницу электронного учебника
Теоретическая часть.
  1. Введение
  2. Классификация вычислительных сетей
  3. Структура локальных вычислительных сетей
  4. Аппаратные средства вычислительных сетей
  5. Доступ в локальных вычислительных сетях
  6. История Интернет(Глобальной вычислительной сети)
  7. Моделирование.(Проектирование)
Введение

   В современном сложном и многоликом мире ни одну крупную технологическую проблему нельзя решить без переработки значительных объемов информации и коммуникационных процессов. Наряду с энерго и фондовооруженностью современному производству необходима и информационная вооруженность, определяющая степень применения прогрессивных технологий.Особое место в организации новых информационных технологий занимает компьютер. Телефонная сеть, а затем специализированные сети передачи данных послужили хорошей основой для объединения компьютеров в информационно-вычислительные сети. Компьютерные сети передачи данных являются результатом информационной революции и в будущем смогут образовать основное средство коммуникации.
    Сети появились в результате творческого сотрудничества специалистов по вычислительной технике, техники связи и являются связующим звеном между базами данных, терминалами пользователей, компьютерами.
Классификация вычислительных сетей

   Классификация возможна по различным признакам. По типу ЭВМ, объединяемых в сеть, различают однородные вычислительные сети, объединяющие программно-совместные ЭВМ, и неоднородные. По распределению функций управления сетью могут быть централизованные и вычислительные сети, управляемые центральной ЭВМ, и децентрализованные.
   По пропускной способности каналов передачи данных сети ЭВМ делят на три категории: с малой пропускной способностью (менее 1 Мбит/с), средней пропускной способностью (1...10 Мбит/с) и с высокой пропускной способностью (более 10 Мбит/с). В САПР целесообразно применение с малой и средней пропускной способностью, поскольку они обеспечивают достаточную скорость обмена данными при приемлемых затратах на приобретение и эксплуатацию сети

   По принципу передачи данных между узлами различают сети ЭВМ:
    1. с некоммутируемыми каналами передачи данных, используемые для передачи больших объемов информации с малым временем установления связи между ЭВМ;
   2. с коммутируемыми каналами передачи данных, имеющие специальные переключатели каналов связи;
   3. с коммутацией сообщений;
   4. с коммутацией пакетов, в которых все сообщения разбиваются на части - пакеты, передаваемые по отдельности и собираемые в узле назначения в единое сообщение;
   5. сети ЭВМ со смешанной коммутацией. Значительное влияние на характеристики вычислительной сети оказывает ее конфигурация или структура.

Структура локальных вычислительных сетей

   Из разработанных структур локальных сетей для использования в САПР наиболее подходят: иерархическая, кольцевая, магистральная и звездная (типа "звезда").

   Иерархическая вычислительная сеть
   Такой вид сети наиболее распространена в САПР. Возможности ЭВМ в такой сети увеличиваются от нижних уровней к верхним. На надежность сети основное влияние оказывает ЭВМ верхнего уровня.

   Кольцевая вычислительная сеть
    Кольцевая сеть основана на использовании однонаправленного высокоскоростного канала связи, образующего замкнутое кольцо или петлю. ЭВМ подключаются к кольцевой сети через активные элементы, входящие в состав сети и транслирующие циркуляцию в ней сообщения. По кольцевой структуре построена, например, сеть Flashnet фирмы "Ford Aerospase". Достоинства кольцевой сети - простота организации связи между отдельными ЭВМ и высокая скорость обмена. Недостатки - малая надежность при использовании единственной однонаправленной линии связи (для повышения надежности используют двойные линии связи с возможностью переключения при отказе одной из них).

   Магистральная вычислительная сеть
    Сеть строится на основе одного общего канала связи и коллективном использовании его в режиме разделения времени. Примером такой сети может служить сеть Ethernet, разработанная фирмой "Xorox corp".
   Магистральная сеть имеет те же достоинства, что и кольцевая, однако ее проще реализовывать и расширить. Надежность магистральной сети определяется надежностью общего канала связи.

   Вычислительная сеть типа "звезда"
    Сеть типа "звезда" имеет центральный переключатель, осуществляющий коммутацию двунаправленных каналов связи, связывающих все ЭВМ сети с центральным переключателем (ПЦ). Последний помимо коммутации линий связи может выполнять обработку данных. Звездную конфигурацию имеет сеть GRNET фирмы "GRI". Надежность сети типа "звезда" определяется надежностью центрального переключателя.


Аппаратные средства вычислительных сетей

   Они объединяют несколько групп технических средств ЭВМ, устанавливаемые в узлах сети, устройства сопряжения ЭВМ с аппаратурой передачи данных по линиям связи, аппаратуру передачи данных (АПД) и физические каналы связи, используемые для передачи данных. Все группы технических средств соединяются через специальные стандартные интерфейсы.
   В локальных вычислительных сетях для физической реализации последовательной передачи данных выделяют две группы технических средств. К первой группе относится канал связи для последовательной передачи данных. Конструктивно он может быть выполнен в виде одиночного проводника, витой пары проводов, высокочастотного коаксиального кабеля или волокно - оптического кабеля. Вторую группу составляют сетевые контроллеры или сетевые интерфейсные модули различных устройств, подключаемых к локальной сети. Из-за сложности реализуемых функций сетевые контроллеры часто выполняют на базе микропроцессоров или специальных БИС.
   Передачу информации по линии связи осуществляют в соответствии с каким-либо последовательным интерфейсом периферийных устройств.


Доступ в локальных вычислительных сетях

   Он обеспечивается в соответствии с протоколами линий передачи данных. Обеспечение доступа в сетях с общим каналом передачи данных (кольцевая и магистральная сети) связано с проблемой распределения времени использования линии связи. В настоящее время эта проблема решается в основном двумя способами:

   1. использование маркерного доступа;
   2. коллективного доступа с контролем несущей и обнаружением столкновений.

   В локальных сетях ЭВМ, обеспечивающих коллективный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений, контроллер ЭВМ, пытающийся осуществить передачу данных, выясняет, занят ли канал связи. Если канал занят, т. е. имеет место "столкновение", контроллер повторяет попытку передать данные спустя некоторое время. Для оптимального использования канала связи моменты попыток повторной передачи определяются с учетом предыстории "столкновений".
   В локальных сетях ЭВМ с маркерным (эстафетным) доступом узел сети, в данный момент времени владеющий маркером управления, получает право передавать данные в течении некоторого интервала времени, определяемого размерами сети. Заканчивая передачу данных, узел сети уступает право доступа к каналу связи соседнему узлу, посылая ему маркер управления. Сети ЭВМ с маркерным доступом позволяют связывать оборудования с различными скоростными характеристиками и различными требованиями к времени доступа, кроме того, эти сети проще в реализации.


История Интернет(Глобальной вычислительной сети)

   Интернет - это компьютерная сеть, обеспечивающая гибкие технологии распространения научной информации и поддержку коллективной работы специалистов, занимающихся прикладными исследованиями. Мировое научное общество быстро осознало полезность и важность использования интернет-технологий, и уже к середине 80-х годов Интернет становится международной научной сетью.
   Понятие Интернет связано и с таким понятием как локальная сеть. Локальная вычислительная сеть – компьютерная сеть, объединяющая машины в пределах одного здания или ограниченной территории. Локальная вычислительная сеть создается на базе сети с одним или несколькими серверами. В отличие от одноранговой сети, локальная вычислительная сеть имеет, как правило, иерархическую структуру. Управление такой сетью возлагается на администратора. В его задачи входит наделение правами доступа к данным, службам и другим сетевым ресурсам отдельных пользователей и групп. Иерархическая структура локальной вычислительной сети и принятая в них система защиты во многом отвечают актуальным требованиям обеспечения максимального доступа к корпоративной информации, а также ее сохранности
   Термин глобальная вычислительная сеть обозначает компьютерную сеть, выходящую за пределы здания или территории компании. Глобальная сеть представляет собой объединение нескольких территориально удаленных локальных сетей, которые могут находиться в разных городах, странах и даже частях света

   Ранние эксперименты по передаче и приему информации с помощью компьютеров начались еще в 50-х годах и имели лабораторный характер. В США решение о создании первой глобальной сети национального масштаба было принято в 1958 г. Оно стало реакцией на запуск в СССР первого искусственного спутника Земли
   Поводом для создания глобальной компьютерной сети стала разработка Пентагоном глобальной системы раннего оповещения о пусках ракет. Центр управления пусками был введен в действие в 1964 г., и, собственно, с этого времени можно говорить о работе первой глобальной компьютерной сети, хотя и ведомственной. С середины 60-х годов к ней стали подключаться авиационные, метеорологические и другие военные и гражданские службы.
   Основным недостатком централизованной сети была низкая устойчивость, связанная с тем, что при выходе из строя какого-либо из узлов полностью выходил из строя и весь сектор, находившийся за ним, а при выходе из строя центра управления выходила из строя вся сеть. Во времена ядерного противостояния сверхдержав этот недостаток был критичным
   Полигоном для испытаний новых принципов стали крупнейшие университетские и научные центры США, между которыми были проложены линии компьютерной связи. Первая вневедомственная национальная компьютерная сеть получила название ARPANET. Ее внедрение состоялось в 1969 г. Основным назначением её стал обмен электронной почтой и файлами с научной и проектно-конструкторской документацией. Второй датой рождения Интернета принято считать 1983 г. В этом году произошли революционные изменения в программном обеспечении компьютерной связи. Проблема устойчивости глобальной сети была решена внедрением протокола TCP/IP, лежащего в основе всемирной сети по нынешний день. Так в 1983 г. образовалась глобальная сеть NSFNET. В середине 80-х к ней начали активно подключаться академические и научные сети других стран, например академическая сеть Великобритании JANET (Joined Academic Network). Годы, когда глобальной сетью руководил Национальный научный фонд США, вошли в историю как эпоха решительной борьбы с попытками коммерциализации сети. Сеть финансировалась на правительственные средства. Национальный научный фонд распределял их между узлами и материально наказывал тех, кто пытался иметь от сети побочные доходы. В то же время, развитие сети после внедрения протокола TCP/IP значительно ускорилось, и он уже не успевал отслеживать деятельность каждого узла, а с подключением иностранных секторов его роль стала чисто символической. Во второй половине 80-х годов произошло деление всемирной сети на домены по принципу принадлежности. Домен gov финансировался на средства правительства, домен sci - на средства научных кругов, домен edu - на средства системы образования, а домен com (коммерческий) не финансировался никем, то есть его узлы должны были развиваться за счет собственных ресурсов. Национальные сети других государств стали рассматриваться как отдельные домены, например uk - домен Великобритании, su - домен Советского Союза, ru - домен России. Когда во второй половине 80-х годов сложилась и заработала система доменных имен (DNS, Domain Name System), Национальный научный фонд США утратил контроль за развитием сети. Тогда и появилось понятие Интернет как саморазвивающейся децентрализованной иерархической структуры

Моделирование.(Проектирование)

   Цели и задачи
    Каждая организация обладает своей спецификой и поставщик вычислительной сети при выполнении проектных работ должен обосновывать структуру, хард- и софтвер, состав и организацию информационного обеспечения. Часто при проектировании ВС используют аналоги известные, хорошо зарекомендовавшие себя в работе проектные решения, накопленный опыт. Однако, своеобразие и уникальность функций, выполняемых каждой организацией, их постоянное развитие, возникновение новых информационных технологий обгоняют накопленный опыт и тогда ВС, даже содержащая все современные средства, может работать с точки зрения пользователя недостаточно эффективно. Именно поэтому особый интерес в настоящее время приобретают методы, которые на основе моделирования позволяют оценить: структуру вычислительной сети, организацию баз данных, характеристики компьютеров и каналов связи, состав и функции программных продуктов, состав и организацию информационного обеспечения. Таким образом, цель проектирования вычислительных сетей состоит в том, чтобы на основании характеристик функционирующего объекта выбрать состав технических устройств, средств связи, информационное и программное обеспечение, структуру и организацию вычислительной сети, которые выполняли бы основные требования к качеству информационного обеспечения при заданных ограничениях на затраты.
   В процессе проектирования вычислительной сети разработчику на различных этапах проектирования необходимо генерировать варианты проектных решений, рассчитывать функциональные характеристики для каждого варианта вычислительной сети. Для повышения точности определения функциональных характеристик вычислительной сети необходимо использовать большое число параметров математической модели, которая описывает функционирование вычислительной сети. Это усложняет расчетные соотношения и увеличивает объем вычислений. Преодолеть отмеченные трудности можно посредством создания комплексной системы автоматизированного проектирования вычислительной сети. В настоящее время имеется широкая гамма отдельных методик, каждая из которых позволяет определить свой, достаточно узкий набор функциональных характеристик вычислительной сети [2]. Учитывая, что основные требования пользователь ВС предъявляет временным характеристикам, которые являются основной оценкой качества функционирования, в настоящей главе основное внимание уделено именно этим методам.

   Методы оценки характеристик вычислительных сетей
    Для развития, проектирования и управления вычислительными сетями необходимо оценивать следующие характеристики:
   - время реакции,
   - время передачи,
   - коэффициент загрузки и другие.
   Полные и достоверные данные о параметрах каждого компонента вычислительной сети можно получить только в том случае, когда ВС введена в эксплуатацию (хотя бы в пусковом, неполном объеме), либо в том случае, когда введена в эксплуатацию аналогичная сеть. В этом случае на функционирующей вычислительной сети проводятся изменения требуемых параметров. Если имеется в наличии вычислительная сеть - аналог, то после проведения измерений следует производить тщательный анализ адекватности полученных данных для разрабатываемой сети. Однако, проведение измерений трудоемко и дорого, не все параметры поддаются непосредственному измерению, не все параметры, измеренные в вычислительной сети — аналоге могут быть адекватны разрабатываемой сети, поэтому для получения требуемых временных параметров широко используются методы моделирования (рис. 1).
   Модель системы — это материальный или логической объект, построенный по определенным правилам представления моделируемых свойств системы с целью изучения функционирования системы. Поскольку перед разработчиком ВС возникает очень много вопросов, может быть создан ряд различных моделей системы. Все эти модели отображают одну и ту же систему, но либо рассматривают ее с различных точек зрения, либо имеют различную степень детальности.

Окно "Методы Определения сетевых характеристик"
Рис.1


   Разработка всякой модели начинается с создания концептуальной модели, которая является основой для любой модели: аналитической или имитационной.
   Достаточно широко распространенным классом моделей являются имитационные модели, в которых воспроизводится во времени поведение реальной системы введением в модель условий и временных задержек, которые определяют последовательность переходов компонентов системы из одного состояния в другое. Имитационная модель ВС или ее компонент описывает их функционирование в виде последовательности операций или групп операций, выполняемых компьютерами. Составными частями имитационной модели являются описания элементов, составляющих систему, и описание структуры системы. Описание представляются в виде программ. Поэтому процесс имитационного моделирования сводится к проведению экспериментов, состоящих из серии реализации программ на компьютере при различных исходных данных.
   Имитационные модели ВС в зависимости от используемых входных данных можно разделить на трассоориентированные и статистические. В трассоориентированных имитационных моделях входные данные задаются трассой, т.е. потоком событий, имеющих место при работе системы, которые регистрируются в хронологическом порядке. В статистических имитационных моделях входные данные задаются с помощью датчиков случайных чисел, характеристики которых известны. Важным преимуществом имитационных моделей перед аналитическими, является потенциальная возможность приблизить ее введением дополнительных усложнений к моделируемому объекту. Но при этом следует учитывать, что сложные имитационные модели требуют для своей реализации больших вычислительных ресурсов, поэтому целесообразно применение имитационных моделей в тех случаях, когда аналитические методы являются непригодными. Кроме того, следует подчеркнуть, что имитационное моделирование, не проконтролированное измерениями на реальном объекте, не может быть достаточной гарантией точности полученных результатов.
   Аналитическая модель представляет собой набор математических соотношений, которые могут быть использованы для вычисления количественных значений требуемых параметров системы по заданным параметрам системы и рабочей нагрузки. Аналитические модели используют для описания объектов и отношений математические символы. Любая аналитическая модель строится на основе понятий и символики некоторой теории. По специфике математического аппарата различают детерминированные и вероятностные модели. К категории детерминированных относятся модели, использующие теоретические концепции машины Тьюринга, сетей Петри, автоматы, графические модели программ. Несмотря на то, что некоторые из этих моделей могут оказать существенную помощь в понимании вычислительных систем и их компонент в получении строгого описания функционирования, а также в создании их имитационных моделей, пока их приложения в качестве аналитических моделей для оценки производительности систем ограничены. Одним из главных препятствий для использования детерминированных моделей в исследованиях оценки производительности является их относительная неспособность отображать изменчивость рабочей нагрузки, наблюдаемую в любой вычислительной сети.
   Детерминированная модель рабочей нагрузки применима в том случае, если делается предположение, что рабочая нагрузка состоит из нескольких заданий, которые возникают периодически. В этом случае поведение этих заданий может быть охарактеризовано с большей детальностью, чем в случае непериодической рабочей нагрузки. Частным случаем, для которого детерминированная модель обычно легко применима, является периодическая рабочая нагрузка, состоящая из одинаковых заданий. Такая модель рабочей нагрузки не слишком далека от действительности для многих специализированных вычислительных устройств.
   Существенно расширяют возможности исследования ВС применение аналитических моделей, использующих приближенные методы, среди которых наиболее распространенными являются методы диффузионной аппроксимации [5] и методы декомпозиции. Когда неизвестно точное решение сетевой модели с очередями в замкнутой форме, то иногда оказывается возможным определить приближенное решение. Приближенные методы позволяют решать более сложные и поэтому потенциально более точные модели вычислительных систем. Однако окончательное решение о возможности применения приближенных методов может быть принято, если вносимые ими погрешности менее значимы, чем та точность, которую обеспечивает детализация модели. Модели диффузионной аппроксимации [5] можно применять к разомкнутым и замкнутым сетям с одноканальными центрами обслуживания, имеющими один обслуживающий прибор, характеризуемые произвольными распределениями и непрерываемыми тактиками планирования без использования априорной информации о времени обслуживания. Этот метод заключается в моделировании числа заданий в сети или в центре обслуживания стохастическим процессом с непрерывным, а не дискретным временем. Функция плотности вероятности этого числа при соответствующих предположениях соответствует диффузионному уравнению. Это уравнение может быть решено в тех случаях, когда исходный процесс, имеющий дискретное время, не вызывает непреодолимых трудностей. Использование в моделях метода декомпозиции, предусматривает разбиение сети на подсети, которые исследуются раздельно, а затем заменяются приближенной моделью подсети. Таким образом, окончательный анализ сети использует вместо подсетей упрощенные компоненты [1 — 5]. Развитие метода декомпозиции, называемое методом контуров [1], предусматривает выделение маршрутов движения однотипных транзакций, для которых составляется математические модели, каждая из которых учитывает взаимное влияние контуров и может учитывать их приоритетность
   Аналитические методы требуют для вывода расчетных соотношений, составляющих математические модели, введения ограничений и допущений, которые в значительной степени сужают область их использования. Так, в математических моделях, разработанных Л. Клейнроком и М. Шварцем [3,4], рассматривается сеть связи с коммутацией сообщений, имеющая М каналов и N узлов коммутации. При построении математической модели принимаются следующие допущения:
   - все каналы и все узлы коммутации являются бесшумными и абсолютно надежными;
   - время обработки в узлах коммутации равно нулю;
   - на передающей стороне канала могут организовываться очереди из сообщений, размещаемых в памяти неограниченной емкости;
   - трафик, поступающий в сеть передачи из внешних источников (например, из хостмашин) образует пуассоновский процесс ;
   - во многих аналитических соотношениях для каждой пары источник-получатель известен единственный путь, а в некоторых задачах вводится вероятность p(j,k) перехода из j-го узла в k-й;
   - длины сообщений независимы и распределены по показательному закону.
   Введенные ограничения и допущения обеспечивают решение задач анализа, позволяющих определять: время tпребывания сообщений в сети передачи данных, коэффициенты r(r,v) загрузки каналов связи, длины li очередей, а также решать задачи эффективного проектирования.

   * Более подробную информацию по теме "Моделирование ВС" вы можете найти здесь