Организация вычислительных систем и сетей

Связанные ВК включают несколько ЭВМ, которые совместно используют общие аппаратные средства, т. е. в этих ВС возможно электрическое сопряжение между процессорами. В таких ВК, обе ЭВМ могут выполнять, две различные программы автономно или во взаимодействии друг с другом.

Наличие нескольких тесно связанных ЭВМ в составе единой ВС позволяет существенно уменьшить время вычислений благодаря параллельному выполнению на отдельных ЭВМ различных подзадач (пакетов программ), входящих в общую задачу. 0сновное условие эффективного использавания таких ВК- координация работы всех ЭВМ с помощью управляющей программы ОС, которая составляет список подзадач, подлежащих решению, и распределяет их между ЭВМ. Благодаря возможности передачи не только числовой, но и командной информации между ЭВМ можно передавать программы и части программ. Обмен програмами значительно упрощает управление ВК и позволяет при загрузке какой-либо ЭВМ часть нагрузки передать другой ЭВМ, упрощает создание библиотеки стандартных программ, пригодных для любой машины ВК.

Для реализации межмашинной связи могут испозоваться как средства, имеющиеся в составе ЭВМ, так и средства, предусмотренные специально для работы в составе данного ВК.

10.3 Многопроцессорные вычислительные системы

В настоящее время особое внимание уделяется созданию многопроцессорных ВК. Основной целью при разработке таких ВК является повышение производительности систем за счет: обеслечения возможности параллельного выполния независимых задач; повышения эффективности работы и улучшения распределения нагрузки в системе; обеспечения наиболее экономичного обслуживания экстренных заданий и заданий при пиковых нагрузках; достижения высокого коэффициента эффективного использования ресурсов для создания новых типов архитектуры комплекса.

В многопроцессорных ВС при решении задач с небольшими емкостями памяти возможно одновременное решение на разных процессорах. Если в какой-либо интервал времени требуется резкое увеличение емкости памяти, то вся память отдается для решения задачи.

Основные особенности построения многопроцессорных ВК заключаются в следующем:

система включает в себя один или несколько процессоров;

центральная память системы должна находиться в общем пользовании и к ней должен быть обеспечен доступ от всех процессоров системы;

система должна иметь общий доступ ко всем устройствам ввода-вывода, включая каналы;

система должна иметь единую ОС, управляющую всеми аппаратными и программными средствами;

в системе должно быть предусмотрено взаимодействие элементов аппаратного и программного обеспечения на всех уровнях: на уровне системного программного обеспечения, на программном уровне при решении задач пользователей (возможность перераспределения заданий), на уровне обмена данными и др.

В многомашинных ВС связь может осуществляться только на информационном уровне.

Важнейшее значение для организации многопроцессорной ВС имеют способы соединения между собой различных функциональных блоков системы, так как эффективность такой системы определяется степенью параллельности или совмещения по времени работы всех устройств системы.

11. Организация сетей

ЛВС могут состоять из одного файл-сервера, поддерживающего небольшое число рабочих станций, или из многих файл-серверов и коммуникационных серверов, соединенных с сотнями рабочих станций. Некоторые сети спроектированы для оказания сравнительно простых услуг, таких, как совместное пользование прикладной программой и файлом и обеспечение доступа к единственному принтеру. Другие сети обеспечивают связь с большими и мини-ЭВМ, модемами коллективного пользования, разнообразными устройствами ввода/вывода (графопостроителями, принтерами и т. д.) и устройствам памяти большой емкости (диски типа WORM).

11.1 Файл-сервер и рабочие станции

Файл-сервер является ядром локальной сети. Этот компьютер (обычно высокопроизводительный мини-компьютер) запускает операционную систему и управляет потоком данных, передаваемых по сети. Отдельные рабочие станции и любые совместно используемые периферийные устройства, такие, как принтеры, - все подсоединяются к файл-серверу.

Каждая рабочая станция представляет собой обычный персональный компьютер, работающий под управлением собственной дисковой операционной системы (такой, как DOS или OS/2). Однако в отличие от автономного персонального компьютера рабочая станция содержит плату сетевого интерфейса и физически соединена кабелями с файлом-сервером. Кроме того, рабочая станция запускает специальную программу, называемой оболочкой сети, которая позволяет ей обмениваться информацией с файл-сервером, другими рабочими станциями и прочими устройствами сети. Оболочка позволяет рабочей станции использовать файлы и программы, хранящиеся на файл-сервере, так же легко, как и находящиеся на ее собственных дисках.

11.2 Операционная система рабочей станции

Этот метод доступа разработан фирмой Datapoint Corp. Он тоже получил широкое распространение, в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token -Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией "звезда". Один из компьютеров создает пециальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одного компьютера к другому.

Если станция желает передать сообщение другой станции, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет "отцеплено" от маркера и передано станции.

11.4.3 Метод доступа Token-Ring

Метод доступа Token-Ring был разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети.

Этот метод напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet, при методе доступа Token-Ring имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.

11.5 Аппаратное обеспечение локальных сетей

11.5.1 Аппаратура Ethernet

Аппаратура Ethernet обычно состоит из кабеля, разъемов, Т-коннекторов, терминаторов и сетевых адаптеров. Кабель, очевидно, используется для передачи данных между рабочими станциями. Для подключения кабеля используются разъемы. Эти разъемы через Т-коннекторы подключаются к сетевым адаптерам - специальным платам, вставленным в слоты расширения материнской платы рабочей станции. Терминаторы подключаются к открытым концам сети.

Для Ethernet могут быть использованы кабели разных типов: тонкий коаксиальный кабель, толстый коаксиальный кабель и неэкранированная витая пара. Для каждого типа кабеля используются свои разъемы и свой способ подключения к сетевому адаптеру.

В зависимости от кабеля меняются такие характеристики сети, как максимальная длина кабеля и максимальное количество рабочих станций, подключаемых к кабелю.

Как правило, скорость передачи данных в сети Ethernet достигает 10 Мбит в секунду, что достаточно для многих приложений.

Рассмотрим подробно состав аппаратных средств Ethernet для различных типов кабеля.

Толстый коаксиальный кабель, используемый Ethernet, имеет диаметр 0.4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Иногда этот кабель называют "желтым кабелем". Это самый дорогостоящий из рассматриваемых нами кабелей. Институт IEEE определил спецификацию на этот кабель - 10BASES.

На рис. 11.4 схематически изображена локальная сеть на основе толстого коаксиального кабеля.

Здесь приведена конфигурация сети, состоящей из двух сегментов, разделенным репитером. В каждом сегменте находятся 3 рабочие станции.

Каждая рабочая станция через сетевой адаптер (установлен на материнской плате компьютера и на рисунке не показан) специальным многожильным трансиверным кабелем подключается к устройству, называемому трансивером. Трансивер служит для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабелю.

На корпусе трансивера имеется 3 разъема: два - для подключения толстого коаксиального кабеля, и один - для подключения трансиверного кабеля.

В таблице 11.1 перечислены устройства, необходимые для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабелю.

К сожалению, длина одного сегмента ограничена, и для толстого кабеля не может превышать 500 метров. Если общая длина сети больше 500 метров, ее необходимо разбить на сегменты, соединенные друг с другом через специальное устройство - репитер.

На рисунке изображены два сегмента, соединенные репитером. При этом общая длина сети может достигать одного километра.

Между собой трансиверы соединяются отрезками толстого коаксиального кабеля с припаянными к их концам коаксиальными разъемами.

Таблица 11.1

Оборудование для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабелю Ethernet

На концах сегмента подключены специальные заглушки - терминаторы. Это просто коаксиальные разъемы, в корпусе которых установлен резистор с сопротивлением 50 Ом.

Корпус одного из терминаторов должен быть заземлен. В каждом сегменте сети можно соединять только один терминатор.

Существуют и другие ограничения кроме максимальной длины коаксиального кабеля.

Таблица 11.2

Ограничения для Ethernet на толстом кабеле

Кроме ограничения на длину сегмента существуют ограничения на максимальное количество сегментов в сети (и, как следствие, на максимальную длину сети), на максимальное количество рабочих станций, подключенных к сети и на максимальную длину трансиверного кабеля.

Однако в большинстве случаев эти ограничения не существенны. Более того, возможности толстого кабеля избыточны.

Итак, перечислим оборудование, необходимое для сети Ethernet на толстом кабеле:

N-коннектор

N-терминатор

N-Barrel-коннектор

N-терминатор с заземлением

DIX-коннектор

Трансивер

Тонкий коаксиальный кабель, используемый для Ethernet, имеет диаметр 0.2 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Импортный кабель называется RG-58A/U и соответствует спецификации 10BASE2. Можно также использовать кабель РК-50, выпускаемый нашей промышленностью.

Сеть Ethernet на тонком кабеле существенно проще, чем на толстом.

Как правило, все сетевые адаптеры имеют два разъема. Один из них предназначен для подключения многожильного трансиверного кабеля, второй - для подключения небольшого тройника, называемого Т-коннектором. Т-коннектор с одной стороны подключается к сетевому адаптеру, а с двух других сторон к нему подключаются отрезки тонкого коаксиального кабеля с соответствующими разъемами на концах. При этом получается, что коаксиальный кабель подключается как бы непосредственно к сетевому адаптеру, поэтому не нужны трансивер и трансиверный кабель.

На концах сегмента должны находиться терминаторы, которые подключаются к свободным концам Т-коннекторов. Один (и только один!) терминатор в сегменте должен быть заземлен.

Сети на тонком кабеле имеют худшие параметры по сравнению с сетями на базе толстого кабеля (таблица 11.3). Но стоимость сетевого оборудования, необходимого для создания сети на тонком кабеле, существенно меньше.

Следует отметить, что некоторые фирмы выпускают адаптеры Ethernet, способные работать при длине сегмента до 300 метров (например, адаптеры фирмы 3COM). Однако такие адаптеры стоят дороже и вся сеть в этом случае должна быть сделана с использованием адаптеров только одного типа.

Таблица 11.3

Ограничения для Ethernet на тонком кабеле

Как правило, большинство сетей Ethernet создано именно на базе тонкого кабеля.

Итак, перечислим оборудование, необходимое для сети Ethernet на тонком кабеле:

BNC-коннектор

BNC-терминатор

BNC-Barrel-коннектор

BNC-терминатор с заземлением

T-коннектор

Некоторые (но не все) сетевые адаптеры Ethernet способны работать с кабелем, представляющем собой простую неэкранированную витую пару проводов (спецификация 10BASE-T). В качестве такого кабеля можно использовать обычный телефонный провод и уже имеющуюся в вашей организации телефонную сеть.

Сетевые адаптеры, способные работать с витой парой, имеют разъем, аналогичный применяемому в импортных телефонных аппаратах.

Для сети Ethernet на базе витой пары необходимо специальное устройство - концентратор. К одному концентратору через все те же телефонные розетки можно подключить до 12 рабочих станций. Максимальное расстояние от концентратора до рабочей станции составляет 100 метров, при этом скорость передачи данных такая же, как и для коаксиального кабеля, - 10 Мбит в секунду.

Достоинства сети на базе витой пары очевидны - низкая стоимость оборудования и возможность использования имеющейся телефонной сети. Однако есть серьезные ограничения на количество станций в сети и на ее длину.

11.5.2 Сетевой адаптер Ethernet

Вне зависимости от используемого кабеля для каждой рабочей станции необходимо иметь сетевой адаптер. Сетевой адаптер - это плата, которая вставляется в материнскую плату компьютера. Она имеет два разъема для подключения к сетевому кабелю.

Для Ethernet в стандарте ISA используется три вида сетевых адаптеров: 8-битовые, 16-битовые и 32-битовые. 8-битовый адаптер может вставляться в 8-битовый или 16-битовый слоты материнской платы и используется, главным образом, в компьютерах IBM XT IBM PC, где нет 16-битовых слотов. Иногда 8-битовые адаптеры используются для компьютеров IBM AT, если требования к скорости передачи данных не высоки. Для 16-битового адаптера необходимо использовать 16-битовый слот.

На компьютерах 80386 или 80486 имеет смысл использовать скоростные 32-битовые адаптеры, по крайней мере для тех станций, на которые приходится максимальная нагрузка.

Сетевые адаптеры могут быть рассчитаны на архитектуру ISA/EISA или Micro Channel. Первая архитектура используется в серии компьютеров IBM AT и совместимых с ними, вторая - в мощных станциях на базе процессоров 80486, третья - в компьютерах PS/2 серии IBM. Конструктивно эти типы адаптеров отличаются друг от друга. Для ускорения работы на плате сетевого адаптера может находиться буфер. Размер этого буфера различен для адаптеров разных типов и может составлять от 8 Кб для 8-битовых адаптеров до 16 Кб и более для 16- и 32-битовых адаптеров.

Сетевые адаптеры Ethernet используют порты ввода/вывода и один канал прерывания. Некоторые адаптеры могут работать с каналами прямого доступа к памяти (DMA).

На плате адаптера может располагаться микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для создания так называемых бездисковых рабочих станций. Это компьютеры, в которых нет ни винчестера, ни флоппи-дисков. Загрузка операционной системы выполняется из сети, и выполнят ее программа, записанная в микросхеме дистанционной загрузки.

Перед тем как вставить сетевой адаптер в материнскую плату компьютера, необходимо с помощью переключателей (расположенных на плате адаптера) задать правильные значения для портов ввода/вывода, канала прерывания, базовый адрес ПЗУ дистанционной загрузки бездисковой станции.

Если длина сети превышает максимальную длину сегмента сети, необходимо разбить сеть на несколько (до пяти) сегментов, соединив их через репитер.

Конструктивно репитер может быть выполнен либо в виде отдельной конструкции со своим блоком питания, либо в виде платы, вставляемой в слот расширения материнской платы компьютера.

Репитер в виде отдельной конструкции стоит дороже, но он может быть использован для соединения сегментов Ethernet, выполненных как на тонком, так и на толстом кабеле, так как он имеет и коаксиальные разъемы, и разъемы для подключения трансиверного кабеля. С помощью этого репитера можно даже соединить в единую сеть сегменты, выполненные и на тонком, и на толстом кабеле.

Репитер в виде платы имеет только коаксиальные разъемы и поэтому может соединять только сегменты на тонком коаксиальном кабеле. Однако он стоит дешевле, и не требует отдельной розетки для подключения электропитания.

Один из недостатков встраиваемого в рабочую станцию репитера заключается в том, чтобы для обеспечения круглосуточной роботы сети станция с репитером также должна работать круглосуточно. При выключении питания связь между сегментами сети будет нарушена.

Функции репитера заключаются в физическом разделении сегментов сети и обеспечении восстановления пакетов, передаваемых из одного сегмента сети в другой.

Репитер повышает надежность сети, так как отказ одного сегмента (например, обрыв кабеля) не сказывается на работе других сегментов. Однако, разумеется, через поврежденный сегмент данные проходить не могут.

11.5.3 Аппаратура Arcnet

Для организации сети Arcnet необходим специальный сетевой адаптер. Этот адаптер имеет один внешний разъем для подключения коаксиального кабеля.

Каждый адаптер Arcnet должен иметь для данной сети свой номер. Этот номер устанавливается переключателями, расположенными на адаптере, и находятся в пределах от 0 до 255.

Таблица 11.4

Ограничения для сети Arcnet

Сетевые адаптеры рабочих станций через коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом подключаются к специальному устройству - концентратору. Возможно также использование неэкранированной витой пары.

Концентраторы бывают пассивными (Passive Hub) и активными (Active Hub). К одному концентратору (в зависимости от его типа) может подключаться 4,8,16 или 32 рабочих станций.

Ограничения для сети Arcnet приведены в таблице 11.4.

Достоинствами сети Arcnet являются низкая стоимость сетевого оборудования (по сравнению с Ethernet) и большая длина сети (до 6 км). Однако низкая скорость передачи данных, составляющая 2.44 Мбит в секунду, ограничивает применение сети Arcnet.

11.5.4 Аппаратура Token-Ring

Что касается сети Token-Ring, то ее название может ввести вас в заблуждение. Топология этой сети больше похожа на топологию звезды, чем на топологию кольца. Вместо того чтобы, соединяясь друг с другом, образовывать кольцо, рабочие станции Token-Ring подключаются радиально к концентратору типа 8228 производства IBM. Правда, концентраторов может быть несколько, и в этом случае концентраторы действительно объединяются в кольцо через специальные разъемы.

Однако если используется один концентратор, то объединяющие разъемы можно не закольцовывать. Скорость передачи данных в сети Token-Ring может достигать 4 или 16 Мбит в секунду, однако стоимость сетевого оборудования выше, чем для сети Ethernet. Кроме того, существуют и другие ограничения (см. таблицу 11.5.).

Таблица 11.5

Ограничения для сети Token-Ring

Как видно из этой таблицы, сети Token-Ring не рассчитаны на большие расстояния. Все компьютеры должны быть расположены на одном или двух этажах здания. Более высокая стоимость оборудования по сравнению с Ethernet, дополнительно уменьшает его частое применение.

Литература

Нешумова К.А. Электронные вычислительные машины и системы. М.: Высшая школа, 1989.

Морозевич А.Н. МикроЭВМ, микропроцессоры и основы микропрограммирования. М.: Высшая школа, 1990.

Толковый словарь по вычислительным системам./ Под.ред. Иллингурова В.:Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1990.

4. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник/ А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П. Пятибратова. -М.: Финансы и статистика, 1998.

5. Калабеков Б. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. Учебник. Гор. лин.- Т:, 1999.