СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Т.И. Алиев СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2011

ВВЕДЕНИЕ

Специалисты по вычислительной технике утверждают, что 50% знаний в области компьютерных и сетевых технологий устаревает за 5 лет. С этой оценкой можно не соглашаться, но факт остается фактом: базовые технологии, представления о перспективности или бесперспективности той или иной технологии, подходы и методы решения ключевых задач и даже понятия о том, какие задачи при создании сетей являются основными

– всё это изменяется быстро и часто неожиданно.

Действительно, полностью осталась в прошлом традиционная модемная связь со скоростью передачи данных до 56 кбит/с, уступив место сначала ISDN-технологии, которая ещё лет 10 назад считалась основной технологией для доступа в Интернет по телефонным каналам и которая, так и не получив широкого распространения, в настоящее время практически полностью вытеснена ADSL-технологией. Точно так же АТМ-технология, на которую возлагались большие надежды и которая считалась одной из наиболее перспективной для передачи мультимедийных данных, постепенно вытесняется технологией MPLS. И таких примеров можно привести достаточно много.

Всё это делает проблематичным написание качественного учебного пособия по сетевым технологиям, рассчитанного на несколько лет, которое должно отражать современное состояние компьютерных сетей и определять направления развития сетевых технологий, давая молодым специалистам многообразные и в то же время фундаментальные знания.

Какова же цель данного пособия? Для кого оно предназначено, на какой круг читателей ориентировано? Ответы на эти вопросы определяют содержание и стиль изложения материала.

Пособие ориентировано, в первую очередь, на студентов, начинающих изучать компьютерные сети. Конечно, можно попытаться заставить студентов изучить одну из перечисленных в списке литературы книг, объёмом около 1000 страниц. Однако вряд ли стоит рассчитывать на успех, если этот материал должен быть освоен в течение одного семестра, тем более студентами младших курсов. Трудно представить, как за 4 месяца можно не просто прочитать, а разобраться и выучить материал примерно 10 дисциплин, если по каждой дисциплине будет использоваться учебник по 1000 страниц. Кроме того, для студентов, специализирующихся в области компьютерных сетей, на старших курсах предусматриваются специальные дисциплины, в которых более детально изучаются те или иные разделы, например, протоколы различных сетевых технологий, технологии беспроводных сетей, сетевые операционные системы, методы и средства защиты информации в компьютерных сетях, программирование Интернет-приложений и т.д.

3

В связи с этим, одна из целей написания этого пособия, состояла в создании учебного пособия приемлемого объёма, которое охватывало бы большинство вопросов компьютерных сетей, включая исторические аспекты развития сетевых технологий и сравнительный качественный, а в некоторых случаях и количественный анализ методов и средств, используемых в разных сетевых технологиях. Исходя из этого, автор стремился изложить основные концепции по каждому из рассматриваемых вопросов, не вдаваясь в детали, полагая, что продвинутые студенты, заинтересовавшиеся тем или иным разделом, самостоятельно могут расширить свои знания, обратившись к солидным источникам или к Интернету.

Основная цель пособия – дать начальное представление об общих принципах структурно-функциональной организации современных компьютерных сетей и средств телекоммуникаций, ознакомить с основными терминами и понятиями в области сетевых технологий, рассмотреть наиболее популярные технологии построения и функционирования локальных и глобальных сетей, провести качественный, и, по-возможности, количественный сравнительный анализ различного сетевого оборудования и разных сетевых технологий без использования сложных математических выкладок. Уровень изложения материала предполагает знание основ вычислительной техники, принципов построения и функционирования компьютеров, принципов организации программных и информационных средств.

Сформулированные выше цели достигаются за счёт следующих решений.

1.Предпринята попытка сформулировать чёткие однозначные определения терминов и понятий, используемых в процессе изложения материала. Часто в литературных источниках некоторые термины либо не определены, либо определены нечетко и неоднозначно.

2.Материал пособия сопровождается многочисленными рисунками, количество которых в каждом разделе превышает полсотни. Автор считает, что рисунки позволяют более успешно усваивать излагаемый материал и благодаря своей наглядности способствуют более эффективному запоминанию материала.

Автор сознательно не использовал подрисуночных подписей, сопровождая все рисунки только номерами, которые необходимы для указания ссылок на рисунки в тексте пособия. Автор полагал, что отсутствие подрисуночных подписей при желании или необходимости (при подготовке к контрольным работам или тестовым испытаниям) узнать, что же изображено на рисунке, заставит читателя с большим интересом прочитать текст, который относится к этому рисунку. А, как известно, то, что изучается или добывается с заранее сформированным

4

интересом, усваивается более прочно и запоминается гораздо лучше, чем простое чтение текста, тем более по принуждению.

3. В пособии для более эффективного усвоения материала фрагменты, представляющие наибольший интерес, выделяются разными шрифтами, что позволяет акцентировать внимание читателя на тех или иных аспектах, которые, по мнению автора, являются важными для понимания излагаемого материала.

Полужирный курсив выделяет наиболее важные и часто используемые термины и понятия, для которых дается определение или подробное описание.

Полужирным шрифтом выделяются прочие общепринятые термины и понятия, часто встречающиеся в литературе и не имеющие чёткого определения, а также вспомогательные заголовки, названия и т.д.

Курсив выделяет в тексте ключевые слова и фразы, на которые следует обратить внимание и которые раскрывают смысл излагаемого материала или имеют важное значение. Кроме того курсивом могут быть выделены термины и понятия, которые определены в других разделах и значения которых можно найти, используя алфавитный указатель.

Структура учебного пособия. Пособие содержит 4 раздела,

Заключение, Вопросы и задания для самостоятельной работы, Используемые аббревиатуры, Список литературы и Алфавитный указатель. Материал каждого раздела разбит на параграфы, которые имеют двойную нумерацию. Параграфы разбиты на пункты с тройной нумерацией, которые могут содержать подпункты с нумерацией из четырёх чисел.

Заключение содержит краткий обзор представленного в пособии материала, а также обсуждение некоторых проблемных вопросов, которые, по мнению автора, излагаются в литературе некорректно. По этим вопросам автор излагает свою точку зрения, надеясь на её понимание.

Вопросы и задания для самостоятельной работы охватывают практически весь излагаемый в пособии материал и позволяют читателю самостоятельно выполнить проверку степени усвоения изложенного материала, а также закрепить полученные знания в процессе решения предлагаемых задач. Для того чтобы можно было легко найти ответы, все вопросы и задания разбиты по разделам, а внутри каждого раздела (кроме первого) вопросы разбиты по параграфам.

Используемые аббревиатуры содержат кроме русскоязычных множество общепринятых англоязычных аббревиатур, широко используемых в различных публикациях по компьютерной и сетевой тематике. Для каждой англоязычной аббревиатуры даётся перевод на русский язык и в некоторых случаях – русскоязычный аналог.

Внастоящее время имеется большое количество книг, не говоря уже

остатьях и публикациях в Интернете, охватывающих практически все

5

вопросы компьютерных и телекоммуникационных технологий. Это, прежде всего, выдержавшее уже 4 издания книга Олиферов [1], в которой достаточно полно, последовательно и на хорошем уровне излагаются вопросы компьютерных сетей. Это и ряд переводных книг [2-4, 6, 7], в которых можно найти дополнительную информацию и ознакомиться с авторской трактовкой некоторых положений в области компьютерных и телекоммуникационных сетей.

Представленный в пособии Список литературы содержит минимальный перечень источников, которые автор рекомендует в первую очередь для получения более подробной информации по тем или иным вопросам [1-4] и материал из которых в той или иной степени был использован при написании данного пособия [1-8].

В конце пособия имеется Алфавитный указатель со ссылками на страницы, содержащие определения основных терминов и понятий, используемых в учебном пособии.

Учебное пособие предназначено, прежде всего, для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» и «Программная инженерия», изучающих дисциплину «Сети ЭВМ и телекоммуникации» и связанные с ней дисциплины. Пособие может быть полезным для выпускников (бакалавров, магистрантов и специалистов), подготавливающих выпускные квалификационные работы в области компьютерных сетей и технологий.

6

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Раздел 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТЕЙ ЭВМ

1.1.Основные понятия и терминология

Вданном параграфе вводятся используемые при изложении материала понятия и определения, позволяющие систематизировать средства вычислительной техники и средства телекоммуникаций, являющиеся объектами изучения в дисциплине "Сети ЭВМ и телекоммуникации".

К сожалению, для вычислительной техники характерна терминологическая неоднозначность и неопределённость, что проявляется

вразличном толковании в разных литературных источниках одного и того же термина (например «вычислительная система» или «вычислительный комплекс»), либо в использовании разных терминов для обозначения одного и того же понятия (например «вычислительная сеть», «сеть ЭВМ», «компьютерная сеть»). Всё это зачастую усложняет восприятие и усвоение материала.

Целью излагаемого в данном разделе материала является устранение терминологической неоднозначности и уточнение используемых ниже терминов и понятий. Предлагаемая классификация различных систем и объектов вычислительной техники направлена на выявление классов систем, характеризующихся одинаковыми или близкими свойствами, что позволяет унифицировать процесс изучения и исследования вычислительных систем и сетей.

1.1.1. Понятие сети ЭВМ

Сеть ЭВМ (рис.1.1) – совокупность средств вычислительной техники (СВТ), представляющих собой множество ЭВМ, объединённых с помощью средств телекоммуникаций (СТК). Сеть ЭВМ реализует две основные функции:

•обработку данных;

•передачу данных.

ЭВМ	ЭВМ
	ЭВМ

СТК

ЭВМ ЭВМ

СВТ

1.1

7

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Наряду с термином «сеть ЭВМ» широко используются близкие по смыслу термины «компьютерная сеть» и «вычислительная сеть», которые обычно рассматриваются как синонимы. Однако некоторые незначительные различия между указанными терминами мы будем иметь в виду при дальнейшем изложении материала.

Из данного выше определения (рис.1.1) следует, что «сеть ЭВМ» представляет собой множество ЭВМ (компьютеров), объединённых в единую сеть с помощью средств телекоммуникаций, образующих базовую сеть передачи данных (СПД). Другими словами, «сеть ЭВМ» или «компьютерная сеть» – это объединение ЭВМ (компьютеров), в отличие, например, от телефонной сети, объединяющей автоматические телефонные станции (АТС). Поэтому эти два термина будем рассматривать и использовать ниже как эквивалентные. Термин же «вычислительная сеть» скорее характеризует назначение сети – выполнение вычислений, что отличает её, например, от «информационной сети», предоставляющей информационные услуги, или от «телекоммуникационной сети», предназначенной для передачи данных.

Отдельные сети ЭВМ могут объединяться между собой, образуя большие компьютерные сети, которые в свою очередь могут объединяться и образовывать сверхбольшие глобальные сети. Такое объединение сетей приводит к иерархической структуре, в которой небольшие сети являются подсетями сетей более высокого ранга.

Итак, сеть ЭВМ реализует передачу и обработку данных. Однако часто можно услышать или прочитать, что в сети передаётся и обрабатывается информация. Так что же на самом деле передаётся и обрабатывается в сети: данные или информация? Для ответа на этот вопрос необходимо определить понятия «данные» и «информация».

Существуют различные подходы к определению понятий «данные» и «информация» в разных областях человеческой деятельности: в биологии, в кибернетике, в философии и т.д. Создана даже специальная научная дисциплина «Теория информации».

Среди всех существующих определений понятий «данные» и «информация» воспользуемся общепринятыми традиционными определениями, для чего обратимся к «Словарю русского языка» С.И.Ожегова, и попытаемся сформулировать разницу между этими двумя терминами.

1.1.2. Данные и информация

«Данные – сведения, необходимые для какого-нибудь вывода, решения.

Информация – сведения, осведомляющие о положении дел, о состоянии чего-нибудь». (Ожегов С.И. Словарь русского языка).

Из этих определений следует, что данные – это любое множество сведений, а информация – это сведения, полученные с некоторой целью и несущие в себе новые знания для того, кто эту информацию получает.

8

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Например, телефонная книга содержит данные в виде множества телефонных номеров различных организаций. Извлекая же номер некоторой конкретной организации, в которую мы хотим позвонить, мы получаем информацию в виде телефонного номера (или нескольких телефонных номеров) этой организации. По этой же причине мы говорим «база данных» (а не «база информации»), но, формируя запрос к базе данных, мы получаем информацию в виде сведений, представляющих для нас определённый интерес.

«Информация» – понятие субъективное. Сведения, которые являются информацией для одного человека, могут не быть информацией для другого. Например, сведения типа «Париж – столица Франции, а Лондон – столица Англии» являются информацией для школьника, который впервые узнал об этом, и не являются информацией (чем-то новым и ранее не известным) для взрослого человека.

Следует также иметь в виду, что количественной мерой данных является объём – количество единиц данных, измеренных в байтах, словах, страницах, количестве телефонных номеров в телефонной книге и т.п. В то же время, количественной мерой информации является энтропия – мера неопределенности информации. Чем больше энтропия, тем более ценной является информация.

Таким образом, можно сказать, что в компьютерной сети передаются и данные, и информация.

Взаимосвязь понятий «данные» и «информация» в рассматриваемом контексте иллюстрируется рис.1.2, показывающим, что информация извлекается из множества данных в результате некоторых манипуляций (обработки данных).

Данные

Обработка

Информация

1.2

1.1.3. Средства вычислительной техники

Средства вычислительной техники (СВТ) реализуют обработку данных и представляют собой совокупность ЭВМ, вычислительных комплексов и вычислительных систем различных классов.

Определим смысловое значение каждого из упомянутых терминов – «ЭВМ», «вычислительный комплекс», «вычислительная система» – и покажем существующую между ними разницу.

ЭВМ (электронная вычислительная машина, компьютер) –

совокупность технических средств, предназначенных для организации ввода, хранения, автоматической обработки по заданной программе и вывода данных (информации).

К техническим средствам относятся (рис.1.3):

• центральный процессор (ЦП);

9

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

•оперативная (основная) память (ОП);

•внешние устройства (ВУ), включающие устройства ввода-вывода (УВВ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ);

•процессоры (каналы) ввода-вывода (ПВВ, КВВ).

Вычислительный комплекс

(ВК) – совокупность технических

средств, содержащая

несколько

Технические средства ЭВМ

центральных процессоров

и

представляющая собой одну ЭВМ

ЦП

ОП

ВУ

ПВВ

с несколькими ЦП (МПВК –

многопроцессорный

ВК)

или

объединение нескольких однопро-

УВВ

ВЗУ

цессорных ЭВМ (ММВК –

1.3

многомашинный ВК) (рис.1.4).

				ВК
МПВК				МПВК
ЦП	ЦП	2		ЦП1	ЦП2
1
				ЭВМ1	ЭВМ2
ОП	ОП	2		ОП1	ОП2
1
ВУ			ЭВМ	ВУ	1.4
Основной целью построения ВК является обеспечение высокой
надежности и/или производительности, не достижимой для
однопроцессорных ЭВМ.
Вычислительная система (ВС) – совокупность технических и
программных средств, ориентированных на решение определенной
совокупности задач.
К программным средствам относятся (рис.1.5):

•системное программное обеспечение, представляющее собой совокупность стандартных программных средств, обеспечивающих функционирование ВС и включающих операционную систему (ОС), основными составляющими которой для организации эффективного функционирования ВС, являются управляющие программы (УП), а также трансляторы с алгоритмических языков и библиотеки математических и служебных программ;

•прикладное программное обеспечение в виде множества

прикладных программ (ПП), обеспечивающих ориентацию ВС на решение задач конкретной области применения.

10

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Программные средства

Системное программное			Прикладное программное
обеспечение (СПО)			обеспечение (ППО)

1.5

Понятие «вычислительная система» в рассматриваемом контексте полностью согласуется с понятием «система», сформулированным в общей теории систем, в соответствии с которым система должна обладать структурной и функциональной организацией, а также фундаментальными свойствами: целостностью, связностью, организованностью и интегративностью. Последнее означает, что система обладает свойствами (функциями), которые не присущи ни одному из элементов, входящих в состав системы.

Именно программные средства обеспечивают функциональную организацию ВС, реализуемую управляющими программами операционной системы и прикладными программами. Свойство интегративности в значительной степени обеспечивается прикладными программами. Действительно, элементы (устройства) ЭВМ обеспечивают функции обработки данных (ЦП), хранения данных (ОП, ВЗУ), ввода и вывода данных (УВВ). В то же время вычислительная система с соответствующим программным обеспечением может выполнять функции перевода с одного языка на другой, играть в шахматы и другие игры, воспроизводить звук, фото- и видеоизображения и т.д., то есть ВС обладает функциями, не присущими отдельным устройствам ЭВМ.

Таким образом, многопроцессорный (многомашинный) ВК, рассматриваемый в совокупности с программным обеспечением, можно называть многопроцессорной (многомашинной) вычислительной системой – МПВС (ММВС), а суперЭВМ с программным обеспечением –

высокопроизводительной ВС (ВПВС).

Ещё одной отличительной особенностью ЭВМ от ВС является единица измерения производительности. Производительность ЭВМ измеряется в MIPS (миллион инструкций, команд или операций в секунду) или в FLOPS (операций с плавающей точкой в секунду – для суперЭВМ), а производительность ВС – в количестве задач, выполняемых системой за единицу времени, называемой системной производительностью.

Очевидно, что системная производительность зависит как от параметров технических средств ВС, так и от параметров программных средств, в частности, прикладных программ. Ясно, что количество «коротких» задач, выполняемых системой за единицу времени в ВС, всегда будет больше, чем «длинных» задач.

11