Локальные и глобальные сети, компоненты сети

Причины объединения компьютеров в сети:

1. Одной из главных причин стала необходимость совместного использования ресурсов (как физических, так и информационных). Если в организации имеется несколько компьютеров и эпизодически возникает потребность в печати какого-нибудь текста, то не имеет смысла покупать принтер для каждого компьютера. Гораздо выгоднее иметь один сетевой принтер для всех вычислительных машин. Аналогичная ситуация может возникать и с файлами данных. Зачем держать одинаковые файлы данных на всех компьютерах, поддерживая их когерентность, если можно хранить файл на одной машине, обеспечив к нему сетевой доступ со всех остальных?

2. Второй причиной следует считать возможность ускорения вычислений. Здесь сетевые объединения машин успешно конкурируют с многопроцессорными вычислительными комплексами. Многопроцессорные системы, не затрагивая по существу строение операционных систем, требуют достаточно серьезных изменений на уровне hardware, что очень сильно повышает их стоимость. Во многих случаях можно добиться требуемой скорости вычислений параллельного алгоритма, используя не несколько процессоров внутри одного вычислительного комплекса, а несколько отдельных компьютеров, объединенных в сеть. Такие сетевые вычислительные кластеры часто имеют преимущество перед многопроцессорными комплексами в соотношении эффективность/стоимость.

3. Следующая причина связана с повышением надежности работы вычислительной техники. В системах, где отказ может вызвать катастрофические последствия (атомная энергетика, космонавтика, авиация и т. д.), несколько вычислительных комплексов устанавливаются в связи, дублируя друг друга. При выходе из строя основного комплекса его работу немедленно продолжает дублирующий.

4. Наконец, последней по времени появления причиной (но для многих основной по важности) стала возможность применения вычислительных сетей для общения пользователей. Электронные письма практически заменили письма обычные, а использование вычислительной техники для организации электронных или телефонных разговоров уверенно вытесняет обычную телефонную связь.

В сетевых операционных системах для того, чтобы задействовать ресурсы другого сетевого компьютера, пользователи должны знать о его наличии и уметь это сделать. Каждая машина в сети работает под управлением своей локальной операционной системы, отличающейся от операционной системы автономного компьютера наличием дополнительных сетевых средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения существенно не меняют структуру операционной системы.

Распределенная система, напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся, на локальной или удаленной машине, и где его программы выполняются. Он может вообще не знать, подключен ли его компьютер к сети. Внутреннее строение распределенной операционной системы имеет существенные отличия от автономных систем.

Все перечисленные выше цели объединения компьютеров в вычислительные сети не могут быть достигнуты без организации взаимодействия процессов на различных вычислительных системах. Будь то доступ к разделяемым ресурсам или общение пользователей через сеть – в основе всего этого лежит взаимодействие удаленных процессов, т. е. процессов, которые находятся под управлением физически разных операционных систем.

Средства обмена информацией по объему передаваемых между локальными процессами данных и возможности влияния на поведение другого процесса делятся на три категории: сигнальные, канальные и разделяемая память.

Семафоры представляют собой просто целочисленные переменные, лежащие в разделяемой памяти, к которым посредством системных вызовов, определяющих состав и содержание допустимых операций над ними, могут обращаться различные процессы.

Очереди сообщений и pip'ы базируются на буферах ядра операционной системы, которые опять-таки с помощью системных вызовов доступны различным процессам. Иного способа реально передать информацию от процесса к процессу в автономной вычислительной системе просто не существует.

Взаимодействие удаленных процессов принципиально отличается от ранее рассмотренных случаев. Общей памяти у различных компьютеров физически нет. Удаленные процессы могут обмениваться информацией, только передавая друг другу пакеты данных определенного формата (в виде последовательностей электрических или электромагнитных сигналов, включая световые) через некоторый физический канал связи или несколько таких каналов, соединяющих компьютеры. Поэтому в основе всех средств взаимодействия удаленных процессов лежит передача структурированных пакетов информации или сообщений.

При взаимодействии локальных процессов и процесс–отправитель информации, и процесс-получатель функционируют под управлением одной и той же операционной системы. Эта же операционная система поддерживает и функционирование промежуточных накопителей данных при использовании непрямой адресации. Для организации взаимодействия процессы пользуются одними и теми же системными вызовами, присущими данной операционной системе, с одинаковыми интерфейсами. Более того, в автономной операционной системе передача информации от одного процесса к другому, независимо от используемого способа адресации, как правило (за исключением микроядерных операционных систем), происходит напрямую – без участия других процессов-посредников. Но даже и при наличии процессов-посредников все участники передачи информации находятся под управлением одной и той же операционной системы. При организации сети, конечно, можно обеспечить прямую связь между всеми вычислительными комплексами, соединив каждый из них со всеми остальными посредством прямых физических линий связи или подключив все комплексы к общей шине (по примеру шин данных и адреса в компьютере). Однако такая сетевая топология не всегда возможна по ряду физических и финансовых причин. Поэтому во многих случаях информация между удаленными процессами в сети передается не напрямую, а через ряд процессов-посредников, "обитающих" на вычислительных комплексах, не являющихся компьютерами отправителя и получателя и работающих под управлением собственных операционных систем. Однако и при отсутствии процессов-посредников удаленные процесс-отправитель и процесс-получатель функционируют под управлением различных операционных систем, часто имеющих принципиально разное строение.

Физической основой "общения" процессов на автономной вычислительной машине является разделяемая память. Поэтому для локальных процессов надежность передачи информации определяется надежностью ее передачи по шине данных и хранения в памяти машины, а также корректностью работы операционной системы. Для хороших вычислительных комплексов и операционных систем можно забыть про возможную ненадежность средств связи. Для удаленных процессов вопросы, связанные с надежностью передачи данных, становятся куда более значимыми. Протяженные сетевые линии связи подвержены разнообразным физическим воздействиям, приводящим к искажению передаваемых по ним физических сигналов (помехи в эфире) или к полному отказу линий (разрыв кабеля). Даже при отсутствии внешних помех передаваемый сигнал затухает по мере удаления от точки отправления, приближаясь по интенсивности к внутренним шумам линий связи. Промежуточные вычислительные комплексы сети, участвующие в доставке информации, не застрахованы от повреждений или внезапной перезагрузки операционной системы. Поэтому вычислительные сети должны организовываться исходя из предпосылок ненадежности доставки физических пакетов информации.

При организации взаимодействия локальных процессов каждый процесс (в случае прямой адресации) и каждый промежуточный объект для накопления данных (в случае непрямой адресации) должны были иметь уникальные идентификаторы – адреса – в рамках одной операционной системы. При организации взаимодействия удаленных процессов участники этого взаимодействия должны иметь уникальные адреса уже в рамках всей сети.

Физическая линия связи, соединяющая несколько вычислительных комплексов, является разделяемым ресурсом для всех процессов комплексов, которые хотят ее использовать. Если два процесса попытаются одновременно передать пакеты информации по одной и той же линии, то в результате интерференции физических сигналов, представляющих эти пакеты, произойдет взаимное искажение передаваемых данных. Для того чтобы избежать возникновения такой ситуации (race condition!) и обеспечить эффективную совместную работу вычислительных систем, должны выполняться условия взаимоисключения, прогресса и ограниченного ожидания при использовании общей линии связи, но уже не на уровне отдельных процессов операционных систем, а на уровне различных вычислительных комплексов в целом.

К числу наиболее фундаментальных вопросов, связанных с логической организацией взаимодействия удаленных процессов, можно отнести следующие:

1. Как нужно соединять между собой различные вычислительные системы физическими линиями связи для организации взаимодействия удаленных процессов? Какими критериями при этом следует пользоваться?

2. Как избежать возникновения race condition при передаче информации различными вычислительными системами после их подключения к общей линии связи? Какие алгоритмы могут при этом применяться?

3. Какие виды интерфейсов могут быть предоставлены пользователю операционными системами для передачи информации по сети? Какие существуют модели взаимодействия удаленных процессов? Как процессы, работающие под управлением различных по своему строению операционных систем, могут общаться друг с другом?

4. Какие существуют подходы к организации адресации удаленных процессов? Насколько они эффективны?

5. Как организуется доставка информации от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю через компьютеры-посредники? Как выбирается маршрут для передачи данных в случае разветвленной сетевой структуры, когда существует не один вариант следования пакетов данных через компьютеры-посредники?

Разумеется, степень важности этих вопросов во многом зависит от того, с какой точки зрения рассматривать взаимодействие удаленных процессов. Системного программиста, в первую очередь, интересуют интерфейсы, предоставляемые операционными системами. Сетевого администратора больше будут занимать вопросы адресации процессов и выбора маршрута доставки данных. Проектировщика сетей в организации – способы соединения компьютеров и обеспечения корректного использования разделяемых сетевых ресурсов.

Выбор способа соединения участников сетевого взаимодействия физическими линиями связи (количество и тип прокладываемых коммуникаций, какие именно устройства и как они будут соединять, т.е. топология сети) определяется проектировщиками сетей исходя из имеющихся средств, требуемой производительности и надежности взаимодействия. Все это не имеет отношения к функционированию операционных систем.

В современных сетевых вычислительных комплексах решение вопросов организации взаимоисключений при использовании общей линии связи, как правило, также находится вне компетенции операционных систем и вынесено на физический уровень организации взаимодействия. Ответственность за корректное использование коммуникаций возлагается на сетевые адаптеры.

Понятие протокола

"Общение" локальных процессов напоминает общение людей, проживающих в одном городе. Если взаимодействующие процессы находятся под управлением различных операционных систем, то эта ситуация подобна общению людей, проживающих в разных городах и, возможно, в разных странах.

Для того чтобы удаленные процессы могли обмениваться данными, необходимо, чтобы сетевые части операционных систем руководствовались определенными соглашениями, или, как принято говорить, поддерживали определенные протоколы.

Необходимо отметить, что и локальные процессы при общении также должны руководствоваться определенными соглашениями или поддерживать определенные протоколы. Только в автономных операционных системах они несколько завуалированы. В роли таких протоколов выступают специальная последовательность системных вызовов при организации взаимодействия процессов и соглашения о параметрах системных вызовов.

Наличие сетевых протоколов позволяет организовать взаимодействие удаленных процессов.

В литературе принято говорить о локальных вычислительных сетях (LAN – Local Area Network) и глобальных вычислительных сетях (WAN – Wide Area Network). Строгого определения этим понятиям обычно не дается, а принадлежность сети к тому или иному типу часто определяется взаимным расположением вычислительных комплексов, объединенных в сеть. Так, например, в большинстве работ к локальным сетям относят сети, состоящие из компьютеров одной организации, размещенные в пределах одного или нескольких зданий, а к глобальным сетям – сети, охватывающие все компьютеры в нескольких городах и более. Зачастую вводится дополнительный термин для описания сетей промежуточного масштаба – муниципальных или городских вычислительных сетей (MAN – Metropolitan Area Network) – сетей, объединяющих компьютеры различных организаций в пределах одного города или одного городского района. Таким образом, упрощенно можно рассматривать глобальные сети как сети, состоящие из локальных и муниципальных сетей. А муниципальные сети, в свою очередь, могут состоять из нескольких локальных сетей. На самом деле деление сетей на локальные, глобальные и муниципальные обычно связано не столько с местоположением и принадлежностью вычислительных систем, соединенных сетью, сколько с различными подходами, применяемыми для решения поставленных вопросов в рамках той или иной сети, – с различными используемыми протоколами.

Даже беглого взгляда на перечень проблем, связанных с логической организацией взаимодействия удаленных процессов, достаточно, чтобы понять, что построение сетевых средств связи – задача более сложная, чем реализация локальных средств связи. Поэтому обычно задачу создания таких средств решают по частям, применяя многоуровневый подход.

Самым нижним уровнем в «слоеных» сетевых вычислительных системах является уровень, на котором реализуется реальная физическая связь между двумя узлами сети. Для обеспечения обмена физическими сигналами между двумя различными вычислительными системами необходимо, чтобы эти системы поддерживали определенный протокол физического взаимодействия – горизонтальный протокол.

На самом верхнем уровне находятся пользовательские процессы, которые инициируют обмен данными. Количество и функции промежуточных уровней варьируются от одной системы к другой. На каждом уровне взаимодействия исходные данные обрастают дополнительной служебной информацией. Соответствующие уровни принимающей вычислительной системы должны уметь понимать эту служебную информацию. Таким образом, для одинаковых уровней в различных вычислительных системах необходимо следование специальным соглашениям – поддержка определенных горизонтальных протоколов.

Формальный перечень правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты различных вычислительных систем, лежащие на одном уровне, называются сетевым протоколом.

Всю совокупность вертикальных и горизонтальных протоколов (интерфейсов и сетевых протоколов) в сетевых системах, построенных по "слоеному" принципу, достаточную для организации взаимодействия удаленных процессов, принято называть семейством протоколов или стеком протоколов. Сети, построенные на основе разных стеков протоколов, могут быть объединены между собой с использованием вычислительных устройств, осуществляющих трансляцию из одного стека протоколов в другой, причем на различных уровнях слоеной модели

Эталоном многоуровневой схемы построения сетевых средств связи считается семиуровневая модель открытого взаимодействия систем (Open System Interconnection – OSI), предложенная Международной организацией Стандартов (International Standard Organization – ISO) и получившая сокращенное наименование OSI/ISO.

Функции, выполняемые различными уровнями модели OSI/ISO:

Уровень 1 – физический. Этот уровень связан с работой hardware. На нем определяются физические аспекты передачи информации по линиям связи, такие как: напряжения, частоты, природа передающей среды, способ передачи двоичной информации по физическому носителю, вплоть до размеров и формы используемых разъемов. В компьютерах за поддержку физического уровня обычно отвечает сетевой адаптер.

Уровень 2 – канальный. Этот уровень отвечает за передачу данных по физическому уровню без искажений между непосредственно связанными узлами сети. На нем формируются физические пакеты данных для реальной доставки по физическому уровню. Протоколы канального уровня реализуются совместно сетевыми адаптерами и их драйверами (понятие драйвера рассматривалось в лекции 13).

Уровень 3 – сетевой. Сетевой уровень несет ответственность за доставку информации от узла-отправителя к узлу-получателю. На этом уровне частично решаются вопросы адресации, осуществляется выбор маршрутов следования пакетов данных, решаются вопросы стыковки сетей, а также управление скоростью передачи информации для предотвращения перегрузок в сети.

Уровень 4 – транспортный. Регламентирует передачу данных между удаленными процессами. Обеспечивает доставку информации вышележащим уровням с необходимой степенью надежности, компенсируя, быть может, ненадежность нижележащих уровней, связанную с искажением и потерей данных или доставкой пакетов в неправильном порядке. Наряду с сетевым уровнем может управлять скоростью передачи данных и частично решать проблемы адресации.

Уровень 5 – сеансовый. Координирует взаимодействие связывающихся процессов. Основная задача – предоставление средств синхронизации взаимодействующих процессов. Такие средства синхронизации позволяют создавать контрольные точки при передаче больших объемов информации. В случае сбоя в работе сети передачу данных можно возобновить с последней контрольной точки, а не начинать заново.

Уровень 6 – уровень представления данных. Отвечает за форму представления данных, перекодирует текстовую и графическую информацию из одного формата в другой, обеспечивает ее сжатие и распаковку, шифрование и декодирование.

Уровень 7 – прикладной. Служит для организации интерфейса между пользователем и сетью. На этом уровне реализуются такие сервисы, как удаленная передача данных, удаленный терминальный доступ, почтовая служба и работа во Всемирной паутине (Web-браузеры).

Надо отметить, что к приведенной эталонной модели большинство практиков относится без излишнего пиетета. Эта модель не предвосхитила появления различных семейств протоколов, таких как, например, семейство протоколов TCP/IP, а наоборот, была создана под их влиянием. Ее не следует рассматривать как готовый оптимальный чертеж для создания любого сетевого средства связи. Наличие некоторой функции на определенном уровне не гарантирует, что это ее наилучшее место, некоторые функции (например, коррекция ошибок) дублируются на нескольких уровнях, да и само деление на 7 уровней носит отчасти произвольный характер. Хотя в конце концов были созданы работающие реализации этой модели, но наиболее распространенные семейства протоколов лишь до некоторой степени согласуются с ней. Ценность предложенной эталонной модели заключается в том, что она показывает направление, в котором должны двигаться разработчики новых вычислительных сетей.

Проблемы передачи информации между удаленными процессами, относятся в основном к сетевому и транспортному уровням эталонной модели и, соответственно, решаются на уровне сетевых и транспортных протоколов.

Проблемы адресации в сети

Любой пакет информации, передаваемый по сети, должен быть снабжен адресом получателя. Если взаимодействие подразумевает двустороннее общение, то в пакет следует также включить и адрес отправителя. В лекции 4 мы описали один из протоколов организации надежной связи с использованием контрольных сумм, нумерации пакетов и подтверждения получения неискаженного пакета в правильном порядке. Для отправки подтверждений обратный адрес также следует включать в пересылаемый пакет. Таким образом, практически каждый сетевой пакет информации должен быть снабжен адресом получателя и адресом отправителя. Как могут выглядеть такие адреса?

Удаленные адресаты должны обладать уникальными адресами уже не в пределах одного компьютера, а в рамках всей сети. Существует два подхода к наделению объектов такими сетевыми адресами: одноуровневый и двухуровневый.

В небольших компьютерных сетях можно построить одноуровневую систему адресации. При таком подходе каждый процесс, желающий стать участником удаленного взаимодействия (при прямой адресации), и каждый объект, для такого взаимодействия предназначенный (при непрямой адресации), получают по мере необходимости собственные адреса (символьные или числовые), а сами вычислительные комплексы, объединенные в сеть, никаких самостоятельных адресов не имеют. Подобный метод требует довольно сложного протокола обеспечения уникальности адресов. Вычислительный комплекс, на котором запускается взаимодействующий процесс, должен запросить все компьютеры сети о возможности присвоения процессу некоторого адреса. Только после получения от них согласия процессу может быть назначен адрес. Поскольку процесс, посылающий данные другому процессу, не может знать, на каком компоненте сети находится процесс-адресат, передаваемая информация должна быть направлена всем компонентам сети (так называемое широковещательное сообщение – broadcast message), проанализирована ими и либо отброшена (если процесса-адресата на данном компьютере нет), либо доставлена по назначению. Так как все данные постоянно передаются от одного комплекса ко всем остальным, такую одноуровневую схему обычно применяют только в локальных сетях с прямой физической связью всех компьютеров между собой (например, в сети NetBIOS на базе Ethernet), но она является существенно менее эффективной, чем двухуровневая схема адресации.

При двухуровневой адресации полный сетевой адрес процесса или промежуточного объекта для хранения данных складывается из двух частей – адреса вычислительного комплекса, на котором находится процесс или объект в сети (удаленного адреса), и адреса самого процесса или объекта на этом вычислительном комплексе (локального адреса). Уникальность полного адреса будет обеспечиваться уникальностью удаленного адреса для каждого компьютера в сети и уникальностью локальных адресов объектов на компьютере. Давайте подробнее рассмотрим проблемы, возникающие для каждого из компонентов полного адреса.