22. Лекция: Сети и сетевые структуры

В лекции рассмотрены: сети и сетевые структуры; распределенные и сетевые системы; топологии и типы сетей; коммуникации по сети; маршрутизация; именование и разрешение имен.

Содержание

• Введение

• Распределенные системы

• Сетевые и распределенные операционные системы

• Сетевые топологии

• Типы сетей

• Глобальные и региональные сети

• Проблема организации коммуникаций по сети.

• Стратегии маршрутизации

• Стратегии соединения и разрешение коллизий

• Ключевые термины

• Краткие итоги

• Набор для практики

  • Вопросы

  • Упражнения

  • Темы для курсовых работ, рефератов, эссе

Введение

Данная и следующая лекция посвящены сетям и сетевым структурам. Поддержка сетевых технологий и работы в сетях – неотъемлемая часть современных операционных систем. В лекции рассмотрены следующие вопросы:

• Мотивация использования сетей

• Топологии сетей

• Типы организации сетей

• Коммуникация в сетях.

Распределенные системы

Мотивация сетей. Использование компьютеров в современных условиях осуществляется не изолированно, а в распределенных системах и сетях – домашней или офисной локальной сети, сети Интернет, корпоративных сетей и др. На рис. 22.1 показана структура типичной распределенной системы.

Рис. 22.1.  Распределенная система.

Пользователь с сетевого сайта B работает с сервером, расположенным на сетевом сайте B. На сетевом сайте C пользователям предоставлены полезные ресурсы.

Таким образом, использование сетей и сетевых структур имеет следующую мотивацию:

• Совместное использование ресурсов. Ресурсы, предоставляемые различными узлами (сайтами) сети, могут совместно использоваться всеми ее сайтами.

• Совместное использование и публикация файлов на удаленных сайтах. Сети позволяют пользователям публиковать информацию на удаленных сайтах для ее использования другими пользователями сети.

• Обработка информации в распределенной базе данных. С помощью сетей пользователям предоставляются удаленные и распределенные базы данных с разнообразной информацией из области бизнеса, экономики, образования, туризма и др.

• Использование удаленных специализированных устройств. Через сеть пользователи могут обращаться к специализированным устройствам, отсутствующим на их локальных компьютерах – например, принтерам.

• Ускорение вычислений – распределение загрузки. С использованием сети могут быть организованы распределенные вычисления, в которых каждый узел сети решает свою часть задачи, благодаря чему вычисления могут быть значительно ускорены.

• Надежность – обнаружение отказа машины, реинтеграция отказавшей машины. Сетевые архитектуры позволяют в случае сбоев или отказов одного из узлов сети (например, сервера) перераспределить его рабочую нагрузку на другой аналогичный узел сети и вывести дефектный узел из конфигурации сети, с целью его последующего ремонта или замены.

• Коммуникация – с помощью передачи сообщений. Сеть – удобный способ коммуникации, делового и личного общения.

Сетевые и распределенные операционные системы

По отношению к сетям, операционные системы можно разделить на сетевые ОС и распределенные ОС.

В сетевых ОС пользователи осведомлены относительно множественности машин. Доступ к ресурсам на различных машинах выполняется явно с помощью:

• Удаленного входа на соответствующую машину.

• Передачи данных с удаленной машины на локальную машину с помощью механизма FTP (File Transfer Protocol).

В распределенных ОС пользователи не осведомлены относительно множественности машин. Доступ к удаленным ресурсам осуществляется аналогично доступу к локальным ресурсам (пример – уже рассмотренная сетевая файловая система NFS). Методы использования распределенной ОС следующие:

• Миграция данных – передача данных по сети путем передачи целого файла, или передачи только тех частей данного файла, которые необходимы для выполнения непосредственно наиболее срочной задачи.

• Миграция вычислений – передача по сети вычислений, а не данных, всей остальной системе.

• Миграция процессов – исполнение процесса или его частей на удаленных машинах.

Преимущества миграции процессов:

• Балансировка загрузки – распределенное выполнение процессов в сети.

• Ускорение вычислений – процессы могут исполняться параллельно на разных машинах.

• Потребность в оборудовании – для исполнения процесса может потребоваться какой-либо конкретный процессор.

• Потребность в программном обеспечении – требуемое программное обеспечение может быть доступно только на какой-либо конкретной машине.

• Доступ к данным – процесс исполняется удаленно, вместо того, чтобы пересылать все данные на локальную машину.

Сетевые топологии

Машины в системе могут быть физически соединены разнообразными способами – например, проводной связью (кабелями "витая пара" или коаксиальными, волоконно-оптическими кабелями, телефонными кабелями), беспроводной связью – Wi-Fi / Wi-MAX, Bluetooth, инфракрасной связью и др. Способы объединения машин в сеть могут анализироваться и сравниваться с учетом следующих критериев:

• Базовая стоимость. Насколько дорогостоящим может быть соединение всех машин в системе?

• Стоимость коммуникации. Сколько времени требуется для посылки сообщения от машины A машине B?

• Надежность. Если соединение или машина отказывают, то могут ли, тем не менее, остальные машины нормально осуществлять коммуникацию?

Различные топологии представляются в виде графов, вершины которых соответствуют машинам. Дуга из вершины A в вершину B соответствует непосредственному соединению двух машин.

Схемы на рис. 22.2 поясняют основные сетевые топологии.

Рис. 22.2.  Сетевые топологии.

Основные топологии сетей, изображенные на схемах, - полностью соединенная сеть (любая машина соединена с любой другой), частично соединенная сеть, сеть древовидной структуры, сеть типа звезда, сеть типа кольцо.

На практике, практически любая проводная локальная сеть организована логически по принципу полностью соединенной сети, но физически сеть реализована следующим образом: каждая машина подсоединена к концентратору (hub) – устройству для установки коммуникаций между машинами в сети, а непосредственные соединения каждой машины с любой другой отсутствуют. В беспроводных сетях, аналогично, используются особые сетевые концентраторы для коммуникации машин друг с другом, так что можно также считать, что беспроводная локальная сеть – это полностью соединенная сеть.

В клиент-серверных региональных и глобальных сетях, разумеется, схема иная – компьютеры-клиенты соединяются только со своим сервером.

Более старый способ непосредственного соединения в сеть двух компьютеров – это их соединение по нуль-модемному кабелю. Также для непосредственного беспроводного соединения двух портативных компьютеров можно использовать инфракрасные порты, если они есть, или Bluetooth.

Типы сетей

Локальные сети. По числу машин, размеру и протяженности сети подразделяются на локальные и глобальные.

Локальная сеть - Local-Area Network (LAN) – это сеть, расположенная на небольшой площади, например, в пределах здания или нескольких соседних зданий – офисов, либо даже в одной комнате (например, домашняя локальная сеть). Пример относительно большой локальной сети (из нескольких тысяч машин) – локальная сеть Петродворцового учебно-научного комплекса СПбГУ, включающего четыре факультета, несколько НИИ и студенческие общежития.

Локальная сеть организуется на основе многопользовательской шины, топологии кольца или звезды.

Скорость работы в локальной сети – порядка 10 мегабит в секунду при использовании кабеля типа витая пара (twisted pair) и сетевых концентраторов (hubs). Эта скорость невелика, особенно если машины расположены на расстоянии несколько сот метров друг от друга; при работе чувствуется замедление. Если используются волоконно-оптические кабели (fiber optic cables) и оптические переключатели (optical switches), то скорость работы сети возрастает до 100 мегабит в секунду, но такое способ соединения в сеть гораздо более дорогой. Современные сетевые адаптеры персональных компьютеров позволяют осуществлять соединение в сеть на скорости до 1 гигабита в секунду.

Узлами локальной сети являются, как правило, рабочие станции и (или) персональные компьютеры. В локальной сети могут быть также несколько (обычно одна или две) mainframe-машин или даже суперкомпьютеров или компьютерных кластеров (последнее характерно для университетов и крупных исследовательских центров)

В локальной сети доступны такие разделяемые сетевые ресурсы, как сетевые принтеры и другие устройства (например, сетевые диски – mass storage devices). Такие устройства имеют сетевые карты (адаптеры), свои сетевые адреса и свои имена в сети, так что они являются полноправными элементами сети, наряду с компьютерами. Если у принтера нет сетевой карты (в стандартных конфигурациях), то для его использования его необходимо подключить к какому-либо компьютеру сети, внести его в список разделяемых сетевых ресурсов и для его использования постоянно держать этот компьютер включенным (что не всегда удобно). Подобные нюансы необходимо иметь в виду тем, кто только приступает к организации домашней или офисной локальной сети.

Таким образом, тот минимум, который необходимо иметь для организации локальной сети, – это два или более компьютеров, сетевой концентратор (hub) и сетевые кабели типа витая пара с разъемами типа RJ45 для подсоединения к концентратору каждого компьютера локальной сети. В стандартной TCP/IP – сети каждый компьютер должен иметь свой IP-адрес и свое сетевое имя. Кроме того, необходимо не забыть выделить на каждом компьютере сети хотя бы один разделяемый сетевой ресурс (например, диск или принтер), который "видят" на этом компьютере другие компьютеры сети, иначе (по личному опыту автора) могут быть проблемы с распознаванием этого компьютера как элемента сети.

На рис. 22.3 изображена схема типичной организации локальной сети. В схеме, кроме компьютеров и сетевых ресурсов, присутствует шлюз (gateway) – вход в локальную сеть: обычно это одна выделенная машина, которая играет роль входной в данной локальной сети. Она занимается фильтрацией сетевых пакетов, их передачей другим компьютерам, защитой от внешних сетевых атак.

Рис. 22.3. 

Глобальные и региональные сети

Глобальные сети - Wide-Area Network (WAN) – связывают географически удаленные машины. Используются соединения типа "точка-точка" (point-to-point) по линиям большой протяженности (часто арендуемым у телефонных компаний) – выделенным линиям (dedicated lines). Более современные способы организации глобальных сетей – волоконно-оптические кабели и беспроводная связь типа Wi-FI.

Взаимодействие в глобальной сети обычно требует нескольких сообщений.

Узлами глобальной сети могут быть как персональные компьютеры, так и mainframe-компьютеры, суперкомпьютеры, кластеры компьютеров.

Одним из современных видов глобальных и региональных сетей является WWAN (Wireless Wide Area Network) – беспроводная региональная сеть. Подобные сети реализуются фирмой Cingular (США). Распространены в США и Канаде. Основаны на протоколах мобильной связи GSM и CDMA. Скорость такой сети - порядка 100 МБит / с. Современные лэптопы (например, Sony VAIO) оборудуются WWAN – адаптерами и антеннами. В России аналогом являются беспроводные сети Wi-MAX, которые в настоящее время находят все более широкое распространение.

Как показано на рис. 22.4, в глобальных сетях для коммуникации используются специальные коммуникационные процессоры.

Рис. 22.4.  Коммуникационные процессоры в глобальной сети

Проблема организации коммуникаций по сети.

При проектировании коммуникационной сети должны быть решены следующие основные проблемы:

• Именование и разрешение имен. Как два процесса найдут друг друга для коммуникации?

• Стратегии маршрутизации (routing). Каким образом сообщения посылаются по сети?

• Стратегии соединения (connection). Каким образом два процесса обмениваются сообщениями?

• Разрешение конфликтов. Сеть – разделяемый ресурс; каким образом разрешаются конфликтующие запросы на ее использование?

Именование и разрешение имен в сети. Системы (машины) в сети имеют имена. Сообщения идентифицируются номерами процессов (process ids). Процесс на удаленной системе идентифицируется парой <host-name, process-identifier>.

Для глобального разрешения сетевых имен используется Domain Name Service (DNS), обеспечивающий структуру именования машин, а также преобразование имени в IP-адрес (в сети Интернет). Пример доменного имени (domain name) машины в сети Интернет: spbu.ru – доменное имя Санкт-Петербургского университета. С помощью протокола и сервисов DNS доменные имена преобразуются в числовые IP-адреса конкретных машин в сети, например, 100.200.150.2.

Стратегии маршрутизации

Маршрутизация (routing) – поиск маршрута для каждого сетевого пакета и направление его по найденному маршруту. Для маршрутизации в сетях используется специальное сетевое оборудование – маршрутизаторы (routers), которые обязательно должны использоваться в больших локальных сетях. Наиболее известные компании, выпускающие маршрутизаторы, - Cisco и 3COM. Рассмотрим возможные стратегии маршрутизации.

Фиксированная маршрутизация. Путь от A к B задан заранее; он изменяется, только если им невозможно воспользоваться из-за отказов аппаратуры. При этом:

• Поскольку выбирается кратчайший путь, затраты на коммуникацию минимизированы.

• Фиксированная маршрутизация не может быть адаптирована к изменению загрузки.

• Обеспечивается получение сообщений в том же порядке, в каком они были посланы.

Виртуальная цепочка. Путь от A к B фиксируется на время одного сеанса. Различные сеансы, включающие сообщения от A в B, могут иметь различную маршрутизацию. Особенности данного способа маршрутизации:

• Это частичное средство адаптации к изменениям загрузки.

• Обеспечивается получение сообщений в том же порядке, в каком они были посланы.

Динамическая маршрутизация. Путь для отправки сообщения от A к B определяется только в момент отправки данного сообщения.

Обычно система посылает сообщение другой системе через соединение, наименее используемое в данный момент времени.

Метод адаптирован к изменениям загрузки, так как избегает отправки сообщений через интенсивно используемые соединения.

Сообщения при данном методе могут приходить в другом порядке. Эта проблема может быть решена путем присваивания номера последовательности каждому сообщению (что и реализовано в сетях TCP/IP).

Стратегии соединения и разрешение коллизий

Сети с кольцевой топологией. Для осуществления сетевой коммуникации необходимо установить сетевое соединение (connection). Различаются следующие виды сетевых соединений.

Переключение схем. Устанавливается постоянное физическое соединение на все время коммуникации (например, по телефонной линии или по кабелю "витая пара").

Переключение сообщений. Устанавливается временное соединение на период передачи сообщения (например, пересылка электронной почты).

Переключение пакетов. Сообщения переменной длины делятся на пакеты фиксированной длины, которые и посылаются адресату. Пакеты могут передаваться по сети различными путями. Пакеты должны быть вновь собраны в сообщения по их прибытии. Пример – основной протокол Интернета TCP/IP.

Переключение схем требует времени для установки, но меньших накладных расходов на посылку каждого сообщения; при этом могут иметь место потери пропускной способности сети. Переключение сообщений и пакетов требует меньшего времени на установку, но накладные расходы на передачу сообщений больше, чем в первых двух методах.

Коллизии в сети возникают, если несколько систем одновременно обращаются к одному и тому же участку сети для передачи информации.

Для разрешения коллизий в сетях используется метод CSMA/CD (Carrier sense with multiple access; collision detection: носитель, чувствительный к одновременному доступу; обнаружение коллизий). Суть метода в следующем. Система определяет, не передается ли одновременно по данному участку сети сообщение другой системой. Если две или более систем начинают передачу сообщений в точности в одно и то же время, то фиксируется коллизия, и передача прекращается.

Недостаток метода: если система сильно загружена, то может возникнуть множество коллизий, что приведет к падению производительности.

Метод CSMA/CD успешно используется в сетях типа Ethernet – наиболее распространенном типе сетей.

Методы сетевого соединения в сетях с кольцевой топологией. В России пока не столь популярны сети с кольцевой топологией, однако их изучение и освоение представляет несомненный интерес. Известны следующие методы организации сетевого соединения и коммуникации в сетях с кольцевыми топологиями.

• Передача маркера (token). Специальные сообщения, называемые маркерами, постоянно циркулируют в системе (обычно – при кольцевой топологии сети). Машина, которой требуется передать информацию, должна дождаться получения сообщения-маркера. Когда машина завершает свой раунд передачи сообщения, она передает по сети маркерное сообщение. Схема передачи маркерных сообщений используется в системах IBM и Apollo. Такая архитектура сети называется маркерным кольцом (token ring).

• Слоты для сообщений. Несколько слотов для сообщений фиксированного размера постоянно циркулируют в системе (обычно – кольцевой структуры). Поскольку слот может вмещать только сообщения фиксированного размера, единое с логической точки зрения сообщение может быть разбито на несколько пакетов меньшей длины, каждый из которых пересылается в отдельном слоте. Такая схема была опробована в экспериментальной архитектуре сети Cambridge Digital Communication Ring (Кембриджское кольцо).

Ключевые термины

Cambridge Digital Communication Ring (Кембриджское кольцо) – разновидность исследовательской сетевой системы с кольцевой топологией.

CSMA/CD (Carrier sense with multiple access; collision detection: носитель, чувствительный к одновременному доступу; обнаружение коллизий) – распространенный метод разрешения коллизий в сетях.

Domain Name Service (DNS) – сервис в сети Интернет, обеспечивающий структуру именования машин, а также преобразование доменного имени в IP-адрес.

Виртуальная цепочка – метод маршрутизации, при котором путь сетевых пакетов между двумя заданными сетевыми узлами фиксируется на время одного сеанса связи.

Витая пара (twisted pair) - распространенный тип сетевого кабеля, используемый в сетях Ethernet, с разъемами типа RJ45.

Волоконно-оптический кабель (fiber optic cable) – быстродействующий сетевой кабель со скоростью передачи данных до 100 МБит / с, принцип действия, которого основан на волоконной оптике.

Выделенная линия (dedicated line) – телефонная линия связи, используемая только для сетевого взаимодействия двух узлов (компьютеров) локальной или глобальной сети.

Глобальная сеть - Wide-Area Network (WAN) – сеть, связывающая географически удаленные машины.

Динамическая маршрутизация - метод маршрутизации, при котором путь для отправки сообщения между двумя заданными сетевыми узлами определяется только в момент отправки данного сообщения.

Доменное имя (domain name) – составное символьное имя компьютера в сети Интернет (например, spbu.ru).

Коллизия в сети – ситуация, когда несколько систем одновременно обращаются к одному и тому же участку сети для передачи информации.

Коммуникационный процессор – специализированный процессор, используемый в глобальных сетях для сетевой коммуникации.

Концентратор (hub) – устройство для установки коммуникаций между машинами в локальной сети, к которому подключены все сетевые компьютеры.

Локальная сеть - Local-Area Network (LAN) – сеть, расположенная на небольшой площади, например, одной комнате, в пределах здания или нескольких соседних зданий.

Маршрутизатор (router) – сетевое устройство для маршрутизации.

Маршрутизация (routing) – поиск маршрута для каждого сетевого пакета и направление его по найденному маршруту.

Оптический переключатель (optical switch) – быстродействующее сетевое устройство, аналогичное концентратору, используемое в сетях с волоконно-оптическими кабелями.

Передача маркера (token), или маркерное кольцо (token ring) – метод коммуникации в сети с кольцевой топологией, при котором специальные сообщения, называемые маркерами, постоянно циркулируют в системе.

Переключение пакетов - метод сетевого соединения, при котором сообщения переменной длины делятся на пакеты фиксированной длины, которые и посылаются адресату.

Переключение схем – метод сетевого соединения, при котором устанавливается постоянное физическое соединение на все время коммуникации.

Переключение сообщений - метод сетевого соединения, при котором устанавливается временное соединение на период передачи сообщения.

Полностью соединенная сеть – сеть, в которой любая машина соединена с любой другой.

Распределенная операционная система – ОС, в которой пользователи не осведомлены относительно множественности машин; доступ к удаленным ресурсам осуществляется аналогично доступу к локальным ресурсам.

Сетевая карта (сетевой адаптер) – специализированный сетевой процессор, встроенный в компьютер и обеспечивающий доступ компьютера к локальной сети при подключении к нему сетевого кабеля.

Сетевая операционная система – ОС, в которой пользователи осведомлены относительно множественности машин и осуществляют доступ к ресурсам на удаленных машинах явно с помощью удаленного входа или передачи данных с удаленной машины по протоколу FTP.

Сетевое соединение (connection) – способ соединения компьютеров в сети, обеспечивающий их сетевую коммуникацию.

Сетевой диск – жесткий диск, являющийся частью сетевого компьютера или отдельным элементом сети (со своей сетевой картой), к которому разрешен общий доступ компьютеров локальной сети.

Сетевой принтер – принтер, подключенный к сетевому компьютеру или являющийся отдельным элементом сети (со своей сетевой картой), к которому разрешен общий доступ компьютеров локальной сети.

Слоты для сообщений - метод коммуникации в сети с кольцевой топологией, при котором несколько слотов для сообщений фиксированного размера постоянно циркулируют в системе.

Фиксированная маршрутизация – метод маршрутизации, при котором путь сетевого пакета между двумя сетевыми узлами известен заранее и изменяется только при неисправности сетевых устройств.

Шлюз (gateway) – выделенный компьютер локальной сети, играющая роль входного компьютера в данную локальную сеть.