6.2. АРХИТЕКТУРА НА КОМПЮТЪРНИ МРЕЖИ

РЕФЕРЕНТНИ МОДЕЛИ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА СИСТЕМИТЕ

Модел на взаимодействие отворени системи

За определяне на поставените задачи сложен обект, както и за подчертаване на основните характеристики и параметри, които трябва да притежава, се създават общи модели на такива обекти. Общият модел на компютърната мрежа определя характеристиките на мрежата като цяло и характеристиките и функциите на основните й компоненти.

Архитектура на компютърната мрежа - описание на неговия общ модел.

Разнообразието от производители на компютърни мрежи и мрежови софтуерни продукти постави проблема за комбинирането на мрежи с различни архитектури. За да го разреши, Министерството на околната среда разработи модел архитектура на отворени системи.

Отворена система - система, която взаимодейства с други системи в съответствие с приетите стандарти.

Предложеният модел на архитектура на отворени системи служи като основа за производителите при разработването на съвместимо мрежово оборудване. Този модел не е вид физическо тяло, чиито отделни елементи могат да бъдат докосвани. Моделът предоставя най-общите насоки за изграждане на оперативно съвместими мрежови стандарти. софтуерни продукти... Тези препоръки трябва да се прилагат както в хардуера, така и в софтуера на компютърните мрежи.

Моделът за свързване на отворени системи (OSI) в момента е най-популярният модел на мрежова архитектура. Моделът разглежда общи функции, а не специални решения, така че не всички реални мрежите абсолютно го следват. Моделът на взаимодействие с отворени системи се състои от седем нива (Фигура 6.15).

7-мо ниво - прилаган- осигурява поддръжка на процесите на кандидатстване крайни потребители... Това ниво определя обхвата на приложените задачи, изпълнявани в тази компютърна мрежа. Той също така съдържа всички необходими сервизни елементи за потребителски приложения. На ниво на приложениенякои задачи на мрежовата операционна система могат да бъдат изобразени.

6-то ниво - Представител- дефинира синтаксиса на данните в модела, т.е. представяне на данни. Той гарантира представянето на данните в кодове и формати, приети в дадената система. В някои системи този слой може да се комбинира с приложния слой.

5-то ниво - сесия- осъществява установяването и поддържането на комуникационна сесия между двама абонати чрез комуникационна мрежа... Той позволява обмен на данни в режима, определен от приложната програма, или предоставя възможност за избор на режим на обмен. Ниво на сесияподдържа и приключва комуникационната сесия.

Трите горни нива са обединени под общо име - процесили приложен процес.Тези нива определят функционални характеристикикомпютърната мрежа като приложна система.

4-то ниво - транспорт-Осигурява интерфейс между процесите и мрежата. Той установява логически канали между процесите и осигурява трансфера на информационни пакети през тези канали, които се обменят между процесите. Извикват се логическите канали, установени от транспортния слой транспортни канали.

Найлонов плик- група от байтове, предавани от абонатите на мрежата един на друг.

Ориз. 6.15.Референтен модел за отворена системна архитектура

3-то ниво - мрежа- дефинира интерфейса терминално оборудване за даннипотребител с мрежа за превключване на пакети. Той също така е отговорен за маршрутизирането на пакети в комуникационна мрежа и за комуникация между мрежите - реализира мрежова работа.

Ориз. 6.16.Обработка на съобщения по слоеве на модела OSI

Забележка. В комуникационните технологии се използва терминът терминално оборудване за данни.Той определя всяко оборудване, свързано към комуникационен канал в система за обработка на данни (компютър, терминал, специално оборудване).

2-ро ниво - канал- ниво връзка за данни - реализира процеса на предаване на информация по информационен канал. Информационният канал е логически канал, той се установява между два компютъра, свързани с физически канал. Връзковият слой осигурява контрол на потока от данни под формата на кадри, в които са пакетирани информационни пакети, открива грешки при предаването и прилага алгоритъм за възстановяване на информация в случай на повреда или загуба на данни.

1-во ниво - физически- извършва всички необходими процедури в комуникационния канал. Основната му задача е да контролира оборудването за предаване на данни и свързания с него комуникационен канал.

При прехвърляне на информация от процеса на приложение към мрежата тя се обработва от нивата на модела на взаимодействие на отворените системи (фиг. 6.16). Смисълът на тази обработка е, че всяко ниво добавя към процеса своя собствена информация заглавие- сервизна информация, която е необходима за адресиране на съобщения и за някои функции за управление. В допълнение към заглавката, слоят на връзката за данни добавя и трейлър - последователност от проверка, която се използва за проверка на коректността на приемане на съобщение от комуникационната мрежа.

Физическият слой не добавя заглавка. Съобщението, оформено от заглавки и трейлър, отива в комуникационната мрежа и влиза в абонатните компютри на компютърната мрежа. Всеки компютър на абонат, който е получил съобщение, дешифрира адресите и определя дали това съобщение е предназначено за него.

В този случай в абонатния компютър протича обратният процес - четене и изрязване на заглавки по нивата на модела на взаимодействие на отворени системи. Всяко ниво отговаря само на собственото си заглавие. Заглавията на горните нива от долните нива не се възприемат или променят - те са "прозрачни" за по-ниските нива. И така, движейки се през нивата на модела OSI, информацията най-накрая достига до процеса, към който е била адресирана.

Внимание! Всяко ниво на модела за взаимодействие с отворени системи отговаря само на собственото си заглавие.

Забележка. На фиг. 6.16 показва процеса на преминаване на данни през нивата.
модели. Всяко ниво добавя собствено заглавие - 3.

Какво е основното предимство на модела OSI от седем нива? В процеса на развитие и усъвършенстване на всяка система има нужда от промяна на отделните й компоненти. Понякога това налага смяна на други компоненти, което значително усложнява и усложнява процеса на надграждане на системата.

Тук се забелязват предимствата на седемстепенния модел. Ако интерфейсите са еднозначно дефинирани между нивата, тогава промяната на едно от нивата не води до необходимост от извършване на промени в други нива. По този начин има относителна независимост на нивата едно от друго.

Необходимо е да се направи още една забележка относно прилагането на нивата на OSI модела в реални компютърни мрежи. Функциите, описани от слоевете на модела, трябва да се реализират или хардуерно, или под формата на програми.

Функции физически слойвинаги се изпълняват хардуерно. Това са адаптери, мултиплексори за предаване на данни, мрежови картии т.н.

Функциите на останалите нива се изпълняват като софтуерни модули- шофьори.

Комуникационен модел за LAN

За да се вземат предвид изискванията на физическата среда за предаване, използвана в LAN, беше направена известна модернизация на седемстепенния модел на взаимодействие на отворени системи за локални мрежи. Необходимостта от такава модернизация беше причинена от факта, че за организиране на взаимодействието на абонатните компютри в LAN се използват специални методидостъп до физическата среда за предаване. Горните слоеве на модела OSI не претърпяха никакви промени и свързващият слой беше разделен на две поднива (фиг. 6.17). Подниво LLC (Управление на логическата връзка ) осигурява контрол на логическата връзка, т.е. изпълнява функциите на действителния слой на връзката. Подниво MAC (контрол на достъпа до медиите ) осигурява контрол на достъпа до околната среда. Основните методи за контрол на достъпа до физическата предавателна среда ще бъдат разгледани в Разд. 6.3.

ПРОТОКОЛИ НА КОМПЮТЪРНА МРЕЖА

Протоколна концепция

Както беше показано по-рано, при обмен на информация в мрежата, всеки слой от OSI модела реагира на своя собствен заглавка. С други думи, има взаимодействие между едноименните нива в модела в различни абонатни компютри. Такова взаимодействие трябва да се осъществява споредопределени правила.

Ориз. 6.17.Референтен модел за местен компютърни мрежи

протокол- набор от правила, които определят взаимодействието на две нива с едно и също име в модела на взаимодействие на отворени системи в различни абонатни компютри.

Протоколът не е програма. Правилата и последователността на действията при обмена на информация, определени от протокола, трябва да бъдат внедрени в програмата. Обикновено функциите на протоколи от различни нива се реализират в драйвери за различни компютърни мрежи.

В съответствие със седемстепенната структура на модела може да се говори за необходимостта от съществуване на протоколи за всяко ниво.

Концепцията за отворени системи предвижда разработването на стандарти за протоколи от различни слоеве. Най-лесно се стандартизират протоколите на долните три слоя на архитектурния модел на отворените системи, тъй като те определят действията и процедурите, присъщи на всеки клас компютърни мрежи.

Най-трудно е да се стандартизират протоколите от горния слой, особено приложния, поради множеството приложни задачи и в някои случаи тяхната уникалност. Ако по видовете структури, методите за достъп до физическата предавателна среда, използваните мрежови технологии и някои други характеристики могат да се преброят около десетина различни модели компютърни мрежи, то по техните функционално предназначениеняма ограничения.

Основни видове протоколи

Най-лесно е да си представим характеристиките на мрежовите протоколи с примера на протоколите на слоя на връзката, които са разделени на две основни групи: байт-ориентирани и битово ориентирани.

Байт ориентиран протоколът предвижда предаване на съобщение по канала за данни под формата на поредица от байтове. Освен информационни байтове

контролни и обслужващи байтове също се прехвърлят към канала. Този тип протокол е удобен за компютър, тъй като е фокусиран върху обработката на данни, представени под формата на двоични байтове. За комуникационна среда байт-ориентираният протокол е по-малко удобен, тъй като разделянето на информационния поток в канала на байтове изисква използването на допълнителни сигнали, което в крайна сметка намалява честотната лента на комуникационния канал.

Най-известният и широко разпространен байт-ориентиран протокол е двоичният синхронен комуникационен протокол. BSC (двоична синхронна комуникация ), разработена от компанията IBM ... Протоколът предвижда предаване на два вида фреймове: контролни и информационни рамки. V управленски персоналуправляващите и служебните знаци се предават, в информация- съобщения (отделни пакети, последователност от пакети). Протоколна работа Bsc Извършва се на три фази: установяване на връзка, поддържане на сесия за прехвърляне на съобщения и прекратяване на връзка. Протоколът изисква за всеки предаван кадър изпращането на разписка за резултата от приемането му. Предадените погрешно кадри се предават повторно. Протоколът определя максималния брой повторни предавания.

Забележка. Разписката е контролна рамка, която съдържа потвърждение на получаване на съобщението (положително потвърждение) или отхвърляне поради грешка (отрицателно потвърждение).

Предаването на следващия кадър е възможно само когато е получена положителна разписка за предишния. Това значително ограничава скоростта на протокола и поставя високи изисквания към качеството на комуникационния канал.

Ориентиран към битове протоколът предвижда прехвърляне на информация под формата на поток от битове, които не са разделени на байтове. Следователно за разделяне на кадри се използват специални последователности - флагове. В началото на кадъра се поставя отварящото знаме, а в края - затварящото.

Бит-ориентираният протокол е удобен по отношение на комуникационната среда, тъй като комуникационният канал е точно ориентиран към предаването на поредица от битове. За компютър това не е много удобно, тъй като от входящата последователност от битове е необходимо да се разпределят байтове за последваща обработка на съобщението. Въпреки това, като се вземе предвид скоростта на компютъра, можем да предположим, че тази операция няма да окаже значително влияние върху неговата производителност. Потенциално битово ориентираните протоколи са по-бързи от байт-ориентираните, което ги прави широко използванев съвременните компютърни мрежи.

Типичен представител на групата битово ориентирани протоколи е протоколът HDLC (високо ниво на управление на връзката за данни - най-високото ниво на управление на комуникационния канал) и неговите подмножества. протокол HDLC управлява информационния канал с помощта на специални контролни рамки, в които се предават команди. Информационните рамки са номерирани. Освен това протоколът HDLC ви позволява да предавате до три до пет кадъра към канала, без да получавате положителна разписка. Положителна разписка, получена например на третия кадър, показва, че предишните два са получени без грешки и е необходимо да се повтори предаването само на четвъртия и петия кадър. Такъв алгоритъм на работа осигурява висока скорост на протокола.

Сред протоколите от най-високо ниво на модела OSI, протоколът X.400 (e-mail) и FTAM (Прехвърляне на файлове, достъп и управление - прехвърляне на файлове, достъп до файлове и управление на файлове).

Стандарти за компютърни мрежови протоколи

За протоколите на физическия слой стандартите се определят от препоръките на CCITT. Цифровото предаване предвижда използването на протоколите X.21 и X.21 bis.

Слоят на връзката дефинира протокола HDLC и неговите подмножества, както и протокола X.25/3.

Широкото разпространение на локални мрежи изисква разработването на стандарти за тази област. В момента LAN стандартите се използват от стандартите, разработени от Института по електротехника и електроника - IEEE ( IEEE - Институт за инженери по електротехника и електроника).

IEEE комитети 802 са разработили редица стандарти, някои от които са приети от ISO ( ISO ) и други организации. За LAN са разработени следните стандарти:

802.1 - горни ниваи администрация;

802.2 - управление на логическата връзка за данни ( LLC);

802.3 - метод за произволен достъп до медиите ( CSMA / CD - Множествен достъп с сензор за оператор с откриване на сблъсък - множествен достъп с управление на предаването и откриване на сблъсък);

802.4 - маркерна шина;

802.5 - маркерен пръстен;

802.6 - градски мрежи.

Взаимодействие на два възела от различни мрежипоказано схематично на фиг. 6.18. Обменът на информация между слоевете със същото име се определя от протоколите, разгледани по-горе.

Забележка. Възлите са свързани чрез комуникационен канал. Това е средата, за кояторояк разпространява съобщения от един мрежов възел към друг. Пакети ирамки, за които е имало разговор, под формата на поредица от електрически сигналихващанията идват от един възел в друг. Взаимодействие на същото нивонейният модел е показан с пунктирани стрелки.

6.3. МЕСТЕНКОМПЮТРИРАНЕМРЕЖИ

ХАРАКТЕРИСТИКИ НА LAN ОРГАНИЗАЦИЯ

Функционални групи устройства в мрежата

Основната цел на всяка компютърна мрежа е да предоставя информация и изчислителни ресурси на потребители, свързани с нея.

От тази гледна точка локалната мрежа може да се разглежда като съвкупност от сървъри и работни станции.

Сървър- компютър, свързан към мрежата и предоставящ на своите потребители определени услуги.

Сървъриможе да извършва съхранение на данни, управление на база данни, отдалечена обработка на задания, задачи за печат и редица други функции, необходимостта от които може да възникне от мрежовите потребители. Сървърът е източникът на мрежови ресурси.

Работна станция- персонален компютър, свързан към мрежата, чрез който потребителят получава достъп до неговите ресурси.

Работна станциямрежа функционира както в мрежа, така и в локален режим. Той е оборудван със собствена операционна система, предоставя на потребителя всичко необходимите инструментиза решаване на приложни проблеми.

Специално вниманиетрябва да се даде на един от типовете сървъри - файлов сървър (Файлов сървър ). В общата терминология за него е прието съкратено име - файлов сървър.

Файловият сървър съхранява данните на потребителите на мрежата и им предоставя достъп до тези данни. Това е компютър с голям капацитет оперативна памет, твърди дисковеголям капацитет и допълнителни лентови устройства (стримери).

Той работи под контрола на специална операционна система, която осигурява едновременен достъп на потребителите на мрежата до данните, намиращи се в него.

Файловият сървър се изпълнява следните функции: съхранение на данни, архивиране на данни, синхронизиране на промените в данните от различни потребители, трансфер на данни.

За много задачи използването на един файлов сървър не е достатъчно. След това няколко сървъра могат да бъдат свързани към мрежата. Възможно е също да се използват миникомпютри като файлови сървъри.

Управление на взаимодействието на устройствата в мрежата

Информационните системи, изградени на базата на компютърни мрежи, осигуряват решаването на следните задачи: съхранение на данни, обработка на данни, организация на потребителски достъп до данни, пренос на данни и резултати от обработката на данни до потребителите.

В централизираните системи за обработка тези функции се изпълняват от централния компютър (Мейнфрейм, хост).

Компютърните мрежи осъществяват разпределена обработка на данни. Обработката на данни в този случай се разпределя между два обекта: клиенти сървър.

Клиент- потребител на задача, работна станция или компютърна мрежа.

В процеса на обработка на данни клиентът може да формира заявка към сървъра за извършване на сложни процедури, четене на файл, търсене на информация в база данни и др.

Дефинираният по-рано сървър изпълнява заявката от клиента. Резултатите от заявката се предават на клиента. Сървърът осигурява съхранение на публични данни, организира достъпа до тези данни и прехвърля данните на клиента.

Клиентът обработва получените данни и представя резултатите от обработката в удобна за потребителя форма. По принцип обработката на данни може да се извършва и на сървъра. За такива системи се приемат термините – системи клиентски сървърили архитектура клиентски сървър.

Архитектурата клиент-сървър може да се използва както в peer-to-peer локални мрежи, така и в мрежа със специален сървър.

Peer-to-peer мрежа. Няма такава мрежа един центъруправлява взаимодействието на работните станции и няма единно устройство за съхранение. Мрежовата операционна система е разпределена във всички работни станции. Всяка станция в мрежата може да изпълнява функциите както на клиент, така и на сървър. Той може да обслужва заявки от други работни станции и да насочва своите заявки за услуги към мрежата.

Всички устройства, свързани с други станции (дискове, принтери), са достъпни за потребителя на мрежата.

Предимства на peer-to-peer мрежите: ниска цена и висока надеждност.

Недостатъци на peer-to-peer мрежи:

зависимост на ефективността на мрежата от броя на станциите;

сложност на управлението на мрежата;

сложността на осигуряването на защита на информацията;

трудности при актуализиране и смяна на софтуера на станцията. Най-популярни са peer-to-peer мрежи, базирани на мрежови операционни системи LANtastic, NetWare Lite.

Специализирана сървърна мрежа. В мрежа със специален сървър един от компютрите изпълнява функциите за съхранение на данни, предназначени за използване от всички работни станции, управление на взаимодействието между работните станции и редица сервизни функции.

Такъв компютър обикновено се нарича мрежов сървър. Той инсталира мрежова операционна система и се свързва с всички споделени външни устройства - твърди дискове, принтери и модеми.

Комуникацията между работните станции в мрежа обикновено се осъществява чрез сървър. Логическа организациятакава мрежа може да бъде представена с топология звезда.Роля централно устройствосе изпълнява от сървъра. В мрежи с централизирано управление е възможен обмен на информация между работни станции, заобикаляйки файловия сървър. За да направите това, можете да използвате програмата Netlink ... След като стартирате програмата на две работни станции, можете да прехвърляте файлове от диска на една станция на диска на друга (подобно на операцията за копиране на файлове от една директория в друга с помощта на програмата Norton Commander).

Предимства на мрежа със специален сървър:

надеждна системазащита на информацията;

висока производителност;

няма ограничения за броя на работните станции;

лекота на управление в сравнение с peer-to-peer мрежи.

Недостатъци на мрежата:

висока цена поради разпределението на един компютър за сървъра;

зависимостта на скоростта и надеждността на мрежата от сървъра;

по-малка гъвкавост в сравнение с peer-to-peer мрежи.

Специализираните сървърни мрежи са най-често срещаните сред потребителите на компютърни мрежи. Мрежови операционни системи за такива мрежи - LANServer (IBM), Windows NT Server 3.51 и 4.0 и NetWare (Novell).

ТИПИЧНИ ТОПОЛОГИИ И МЕТОДИ НА ДОСТЪП ДО LAN

Физически LAN носител

Физическа средаосигурява пренос на информация между абонати на компютърна мрежа. Както вече споменахме, физическата среда за предаване на LAN е представена от три вида кабели: проводници с усукана двойка, коаксиален кабел, оптичен кабел.

Усукана двойкасе състои от два изолирани проводника, усукани заедно (фиг. 6.19). Усукването на проводниците намалява ефекта на външните електромагнитни полета върху предаваните сигнали. Най-простият вариант за усукана двойка е телефонен кабел. Усуканите двойки имат различни характеристикиопределя се от размерите, изолацията и стъпката на усукване. Евтината на този тип предавателна среда го прави доста популярен за LAN.

Ориз. 6.19. Усукани двойки проводници

Основният недостатък на усуканата двойка е лошата устойчивост на шум и ниската скорост на предаване на данни - 0,25 - 1 Mbit / s. Технологичните подобрения позволяват да се увеличи скоростта на предаване и устойчивостта на шум (екранирана усукана двойка), но в същото време цената на този тип предавателна среда се увеличава.

Коаксиален кабел (фиг. 6.20) в сравнение с усукана двойка има по-висока механична якост, устойчивост на шум и осигурява скорост на предаване на информация до 10-50 Mbit/s. Има два вида коаксиални кабели за промишлена употреба: дебели и тънки. Дебел кабеле по-издръжлив и предава сигнали с необходимата амплитуда на по-голямо разстояние от тънък.В същото време / състезателен кабел е значително по-евтин. Коаксиалният кабел, подобно на усукана двойка, е един от популярните видове медии за предаване за локални мрежи.

Ориз. 6.20. Коаксиален кабел

Ориз. 6.21. Оптичен кабел

Оптичен кабел - идеална предавателна среда (фиг. 6.21). Не се влияе от електромагнитни полета и практически няма сама радиация. Последното свойство прави възможно използването му в мрежи, които изискват повишена секретност на информацията.

Скорост на предаване на информация оптичен кабелповече от 50 Mbps. В сравнение с предишни видовепредавателна среда, тя е по-скъпа, по-малко технологична в експлоатация.

LAN мрежи, произведени от различни фирми, или проектиран за един от видовете предавателна среда, или може да бъде реализиран в различни версии, базирани на различни предавателни среди.

Основни LAN топологии

Изчислителни машинивключен в Състав на LAN, могат да бъдат разположени по най-случаен начин на територията, където се създава компютърната мрежа. Трябва да се отбележи, че за начина на достъп до предавателната среда и методите за управление на мрежата не е безразлично как са разположени абонатните компютри. Следователно има смисъл да говорим за топологията на LAN.

LAN топологияе осреднена геометрична схема на връзките на мрежови възли.

Топологиите на компютърните мрежи могат да бъдат много различни, но за локалните компютърни мрежи са типични само три: пръстен, шина, звезда.

Понякога термините се използват за опростяване - пръстен, гумаи звезда.Не трябва да се мисли, че разглежданите типове топологии представляват идеален пръстен, идеална права линия или звезда.

Всяка компютърна мрежа може да се разглежда като колекция от възли.

възел- всяко устройство, директно свързано към предавателната среда на мрежата.

Топологията осреднява връзките на мрежовия възел. И така, една елипса, затворена крива и затворена полилиния принадлежат към топология на пръстена, а отворената полилиния към топология на шината.

Пръстеновиднатопологията предвижда свързване на мрежови възли със затворена крива - кабел за преносна среда (фиг. 6.22). Изходът на един хост е свързан с входа на друг. Информацията за пръстена се предава от възел на възел. Всеки междинен възел между предавателя и приемника предава изпратеното съобщение. Получаващият възел разпознава и получава само съобщения, адресирани до него.

Ориз. 6.22. Мрежа с топология на пръстена

Топологията на пръстена е идеална за мрежи, които заемат сравнително малко място. Той няма централен хъб, което повишава надеждността на мрежата. Препредаване на информация позволява използването на всякакви видове кабели като среда за предаване.

Последователната дисциплина при обслужване на възлите на такава мрежа намалява нейната производителност, а повредата на един от възлите нарушава целостта на пръстена и изисква специални мерки за запазване на пътя за предаване на информация.

Автомобилна гуматопологията е една от най-простите (фигура 6.23). Това е свързано с използването на коаксиален кабел като среда за предаване. Данните от предавателния мрежов възел се разпространяват по шината в двете посоки. Междинните възли не излъчват входящи съобщения. Информацията пристига във всички възли, но само този, към който е адресирана, се получава от съобщението. Обслужващата дисциплина е паралелна.

Ориз. 6.23. Мрежа с шинна топология

Това осигурява високопроизводителна шина LAN. Мрежата е лесна за разширяване и конфигуриране, както и за адаптиране различни системи... Мрежата с топология на шината е устойчива на възможни неизправностиотделни възли.

Мрежите с шинна топология в момента са най-разпространени. Трябва да се отбележи, че те са къси и не позволяват използването на различни видове кабели в рамките на една и съща мрежа.

Звездообразнатопологията (фигура 6.24) се основава на концепцията за централен възел, към който са свързани периферни възли. Всеки периферен възел има своя отделна комуникационна линия с централния възел. Цялата информация се предава през централен хъб, който предава, превключва и насочва информационните потоци в мрежата

Ориз. 6.24.Мрежа с топология звезда

Топология с форма на звезда значително опростява взаимодействието на LAN възлите един с друг, позволява използването на по-прости мрежови адаптери... В същото време производителността на LAN с топология звезда зависи изцяло от централния сайт.

В реалните компютърни мрежи могат да се използват по-сложни топологии, които в някои случаи представляват комбинации от разглежданите.

Изборът на конкретна топология се определя от областта на приложение на LAN, географското местоположение на нейните възли и размерите на мрежата като цяло.

Методи за достъп до медии

Средата за предаване е общ ресурсза всички възли в мрежата. За да имате достъп до този ресурс от хост, са необходими специални механизми – методи за достъп.

Метод за достъп до медии - метод, който осигурява изпълнението на набор от правила, според които мрежовите възли получават достъп до ресурс.

Има два основни класа методи за достъп: детерминирани, недетерминирани.

В детерминистиченПри методите за достъп предавателната среда се разпределя между възлите с помощта на специален контролен механизъм, който гарантира предаването на данни на възела за определен, достатъчно кратък интервал от време.

Най-често срещаните детерминирани методи за достъп са методът на анкета и методът на правомощия. Методът на проучването беше обсъден по-рано. Използва се предимно в мрежи с топология със звезда.

Методът за прехвърляне на права се използва в мрежи с топология на пръстена. Тя се основава на предаването на специално съобщение по мрежата - токен.

Маркер- служебно съобщение в определен формат, в което аб- Членовете на мрежата могат да поставят свои собствени информационни пакети.

Токенът циркулира около пръстена и всеки възел, който има данни за предаване, го поставя в свободен токен, задава флага за зает токен и го предава около пръстена. Възелът, към който е адресирано съобщението, го получава, задава флага за потвърждение и изпраща токена на пръстена.

Изпращащият възел, след като получи потвърждение, освобождава маркера и го изпраща до мрежата. Има аксесоари, които използват множество токени.

Недетерминистичен - методите за произволен достъп осигуряват конкуренция на всички мрежови възли за правото на прехвърляне. Възможни са едновременни опити за предаване от няколко възли, което води до сблъсъци.

Най-разпространеният недетерминистичен метод за достъп е множествен достъп със сензор за носител с откриване на сблъсък ( CSMA / CD ). По същество това е режимът на съперничество, описан по-рано. Контролът на носещата честота означава, че възел, който желае да предаде съобщение, "слуша" в предавателната среда, чакайки неговото освобождаване. Ако средата е свободна, възелът започва да предава.

Трябва да се отбележи, че топологията на мрежата, методът за достъп до средата и методът на предаване са тясно свързани помежду си. Дефиниращият компонент е мрежовата топология.

Предназначение на LAN

През последните пет години локалните мрежи станаха широко разпространени в различни области на науката, технологиите и производството.

LAN мрежите се използват особено широко при разработването на колективни проекти, например сложни софтуерни системи. На базата на LAN е възможно да се създават системи за компютърно проектиране. Това позволява внедряването на нови технологии за проектиране на продукти на машиностроенето, радиоелектрониката и компютърната техника. В условията на развитие на пазарна икономика става възможно да се създават конкурентоспособни продукти, бързо да се модернизират, като се гарантира изпълнението на икономическата стратегия на предприятието.

Локалните мрежи също така дават възможност за внедряване на нови информационни технологии в системите за организационно и икономическо управление.

В учебните лаборатории на университетите LAN позволяват подобряване на качеството на образованието и въвеждане на съвременни интелигентни технологии за обучение.

LAN КОМБИНАЦИЯ

Причини LAN консолидация

С течение на времето една LAN система, създадена на определен етап от развитие, престава да отговаря на нуждите на всички потребители и тогава възниква проблемът с нейното разширяване. функционалност... Може да се наложи да се обединят в рамките на компанията различни локални мрежи, които са се появили в различните й отдели и клонове в различно време, поне за организиране на обмен на данни с други системи. Проблемът с разширяването на мрежовата конфигурация може да бъде решен както в рамките на ограничено пространство, така и с достъп до външната среда.

Желанието да получите достъп до определени информационни ресурсиможе да изисква LAN връзкакъм мрежи от по-високо ниво.

В самото проста версия LAN връзката е необходима за разширяване на мрежата като цяло, но техническите възможности съществуваща мрежаса изчерпани, нови абонати не могат да бъдат свързани към него. Можете да създадете само друга LAN и да я комбинирате със съществуваща, като използвате един от следните методи.

Методи за LAN връзка

Мост. Най-лесният начин да свържете LAN е да комбинирате същите мрежи в ограничено пространство. Физическата среда за предаване налага ограничения върху дължината на мрежовия кабел. В рамките на допустимата дължина се изгражда мрежов сегмент - мрежов сегмент. За да комбинирате мрежови сегменти, използвайте мостове.

Мост - Устройство, което свързва две мрежи, използвайки една и съща мрежа Тодапредаване на данни.

Мрежите, които са свързани чрез моста, трябва да имат същите мрежови слоеве на модела на взаимодействие на отворените системи, по-ниските слоеве може да имат някои разлики.

За мрежа от персонални компютри мостът е отделен компютър със специален софтуер и допълнителен хардуер. Мостът може да свързва мрежи с различни топологии, но работещи под контрола на същия тип мрежови операционни системи.

Мостовете могат да бъдат локални или отдалечени.

Местнимостовете свързват мрежи, разположени в ограничена зона в рамките на съществуваща система.

Изтритмостове свързват географски разделени мрежи с помощта на външни каналикомуникация и модеми.

Местните мостове от своя страна са разделени на вътрешни и външни.

Вътрешенмостовете обикновено се намират на един от компютрите на дадена мрежа и съчетават функцията на мост с функцията на абонатния компютър. Разширяването на функциите се извършва чрез инсталиране на допълнителна мрежова карта.

Външенмостовете предвиждат използването на отделен компютър със специален софтуер за изпълнение на техните функции.

Рутер (рутер). Сложната мрежова конфигурация, която представлява свързване на няколко мрежи, изисква специално устройство. Задачата на това устройство е да изпрати съобщение до адресата желаната мрежа... Такова устройство се нарича мартенски тийзър.

Рутер или рутер, - устройство, което свързва различни видове мрежи, но използва една и съща операционна система.

Рутерът изпълнява функциите си на мрежово ниво, така че зависи от комуникационните протоколи, но не зависи от типа мрежа. Използвайки два адреса - мрежовия адрес и адреса на хоста, рутерът избира еднозначно конкретна станция в мрежата.

Пример6.7. Необходимо е да се установи връзка с абоната телефонна мрежанамиращ се в друг град. Първо се набира адресът на телефонната мрежа на този град - регионалният код. След това - адресът на хоста на тази мрежа - телефонен номерабонат. Функциите на рутера се изпълняват от PBX оборудването.

Рутерът също може да избира по най-добрия начинза да предаде съобщение до мрежов абонат, той филтрира информацията, преминаваща през него, изпращайки до една от мрежите само информацията, която е адресирана до него.

Освен това рутерът осигурява балансиране на натоварването в мрежата чрез пренасочване на потоците от съобщения през свободни комуникационни канали.

Портал.За да комбинирате LAN, напълно различни видовеработещи по значително различни протоколи, са предвидени специални устройства - шлюзове.

Портал- устройство, което ви позволява да организирате обмена на данни между две мрежи, използвайки различни комуникационни протоколи.

Шлюзът изпълнява функциите си на нива над мрежата. Не зависи от използваната среда за предаване, а зависи от използваните комуникационни протоколи. Обикновено шлюзът преобразува между двата протокола.

С помощта на шлюзове можете да свържете локална мрежа към хост компютъра, както и да свържете локална мрежа към глобалната.

Пример 6.8.Необходимо е да се комбинират локални мрежиразположени в различни градове. Тази задача може да бъде решена с помощта на глобална мрежапредаване на данни. Такава мрежа е мрежа за превключване на пакети, базирана на протокола X.25. Шлюзът свързва локалната мрежа с мрежата X .2 S ... Шлюзът извършва необходимите преобразувания на протоколи и позволява комуникация между мрежите.

Мостовете, рутерите и дори шлюзовете са структурно направени под формата на карти, които се инсталират в компютрите. Те могат да изпълняват функциите си както в режим на пълно разделяне на функциите, така и в режим на комбинирането им с функциите на работна станция на компютърна мрежа.

Съвременните компютърни решения могат да бъдат класифицирани въз основа на тяхното приписване към определена архитектура. Но какво може да бъде? Кои са основните подходи за разбиране на този термин?

Архитектурата на компютърните системи като съвкупност от хардуерни компоненти

Каква е същността на понятието „архитектура компютърна система"? Под съответния термин, на първо място, може да се разбере набор от електронни компоненти, които съставляват компютъра, взаимодействащи в рамките на определен алгоритъм, използвайки различни видове интерфейси.

Кои са част от компютърната система:

• входно устройство;
• основен компютърен чипсет;
• устройства за съхранение на данни;
• компоненти за показване на информация.

От своя страна всеки от отбелязаните компоненти може да включва голям бройотделни устройства. Например, основният изчислителен чипсет може да включва процесор, базиран на чипсет дънна платка, модул за обработка на графични данни. В този случай същият процесор може да се състои от други компоненти: например ядро, кеш памет, регистри.

Изхождайки всъщност от структурата на специфични хардуерни компоненти на компютъра, се определя каква архитектура е изградена на компютърната система. Нека разгледаме основните критерии, според които могат да бъдат класифицирани определени изчислителни решения.

Класификация на компютърните системи

В съответствие с широко разпространения сред експертите подход, компютърните системи по своята архитектура могат да включват:

• към мейнфреймове;
• към мини-компютър;
• към персонални компютри.

трябва да бъде отбелязано че тази класификацияизчислителните решения, в съответствие с които може да се определи архитектурата на една компютърна система, се счита от много експерти за остарели. По-специално, същите персонални компютри днес могат да бъдат разделени на голям брой разновидности, много различни по предназначение и характеристики.

По този начин, когато компютърните системи се развиват, те могат да бъдат класифицирани чрез променящи се критерии. Въпреки това, посочената схема се счита за традиционна. Ще бъде полезно да го разгледаме по-подробно. В съответствие с него първият тип компютри са тези, които се отнасят до архитектурата на големите машини.

Големи компютри

Големите компютри, или мейнфреймовете, най-често се използват в индустрията – като центрове за данни за различни производствени процеси. Те могат да бъдат инсталирани мощни, изключително високопроизводителни чипове.

Разглежданата архитектура на компютърна система може да извършва до няколко десетки милиарда изчисления в секунда. Мейнфреймите струват несравнимо по-скъпи от другите системи. По правило тяхното обслужване изисква участието на доста голям брой хора с необходимата квалификация. В много случаи работата им се извършва в рамките на подразделенията, организирани като изчислителен център на предприятието.

Мини-компютър

Архитектура изчислителни системии базираните на тях компютърни мрежи могат да бъдат представени чрез решения, класифицирани като мини-компютри. Като цяло тяхното предназначение може да бъде същото като при мейнфреймовете: използването на съответен тип компютър в индустрията е много често. Но, като правило, тяхното използване е типично за сравнително малки предприятия, среден бизнес, научни организации.

Съвременни мини-компютри: възможности

В много случаи използването на тези компютри се осъществява именно с цел ефективно управлениеинтранет. По този начин разглежданите решения могат да се използват по-специално като високопроизводителни сървъри. Те също са оборудвани с много мощни процесори като Xeon Phi на Intel. Този чипможе да работи със скорост над 1 терафлопс. Съответният процесор е проектиран за 22 nm производствен процес и има честотна лента на паметта от 240 GB / s5.

Персонални компютри

Следващият тип компютърна архитектура е компютърът. Може би е най-често срещаният. Компютрите не са толкова мощни или мощни като мейнфреймовете и микрокомпютрите, но в много случаи те са способни да решават проблеми както в промишлените, така и в научните области, да не говорим за типични потребителски задачи като стартиране на приложения и игри.

Друга забележителна характеристика на персоналните компютри е, че техните ресурси могат да се обединяват. По този начин изчислителната мощност на достатъчно голям брой компютри може да бъде сравнима с производителността компютърни архитектурипо-висок клас, но, разбира се, достигането на техните нива номинално с компютър е много проблематично.

Независимо от това, архитектурата на компютърните системи, мрежите, базирани на персонални компютри, се характеризира с гъвкавост, по отношение на внедряване в различни индустрии, наличност и мащабируемост.

Персонални компютри: класификация

Както отбелязахме по-горе, компютрите могат да бъдат класифицирани в голям брой разновидности. Сред тях: настолни компютри, лаптопи, таблети, PDA устройства, смартфони - комбиниращи компютри и телефони.

По правило настолните компютри имат най-мощните и продуктивни архитектури; най-малко мощните - смартфони и таблети поради малкия им размер и необходимостта от значително намаляване на ресурсите на хардуерните компоненти. Но много от съответните устройства, особено топ модели, по отношение на скоростта по принцип е сравнима с водещите модели лаптопи и бюджетни настолни компютри.

Отбелязаната класификация на компютрите свидетелства за тяхната гъвкавост: в различни разновидности те могат да решават типични потребителски задачи, производствени, научни, лабораторни. Софтуерът, архитектурата на компютърни системи от съответния тип в много случаи са адаптирани за използване от обикновен гражданин, който няма специално обучение, което може да се изисква от лице, работещо с мейнфрейм или мини-компютър.

Как да установим присвояването на компютърно решение за компютър?

Основният критерий за класифициране на компютърно решение като компютър е фактът на неговата лична ориентация. Тоест съответният е предназначен главно за използване от един потребител. Въпреки това, много от инфраструктурните ресурси, към които той се обръща, са безспорно социални по своята същност: това може да се проследи до примера с използването на Интернет. Въпреки факта, че едно компютърно решение е персонално, практическата ефективност при използването му може да бъде отчетена само ако човек получи достъп до източници на данни, генерирани от други хора.

Софтуерна класификация за компютърни архитектури: мейнфрейми и миникомпютри

Наред с класификацията на компютрите, която обсъдихме по-горе, има и критерии за присвояване на програми към определени категории, които са инсталирани на съответните видове изчислителна техника. Що се отнася до мейнфреймовете и близките до тях по предназначение, а в някои случаи и по производителност на миникомпютрите, те като правило имат способността да използват няколко операционни системи, адаптирани за решаване на специфични производствени задачи... По-специално, тези операционни системи могат да бъдат адаптирани за стартиране на различни инструменти за автоматизация, виртуализация, внедряване на индустриални стандарти, интеграция с различни видовеПриложен софтуер.

Класификация на софтуера: персонални компютри

Програмите за обикновени персонални компютри могат да бъдат представени в разновидности, оптимизирани за решаване, от своя страна, на потребителски задачи, както и такива, които не изискват нивото на производителност, което характеризира мейнфреймовете и миникомпютрите. По този начин има промишлени, научни и лабораторни програми за персонални компютри. Софтуерът, архитектурата на компютърните системи от съответния тип зависи от конкретната индустрия, в която се използват, от очакваното ниво на умения на потребителя: очевидно е, че професионални решенияза промишлен дизайн не може да бъде проектиран за лице, което има само основни знанияв областта на приложение на компютърни програми.

Компютърните програми в различни разновидности в много случаи са интуитивни ясен интерфейс, различна помощна документация. От своя страна, мощността на мейнфреймовете и миникомпютрите може да се използва напълно, при условие че не само се следват инструкциите, но и когато потребителят редовно прави промени в структурата на стартираните програми: това може да изисква допълнителни познания, например свързани за използването на езици за програмиране.

Нива на архитектура на компютърния софтуер

Понятието "архитектура на компютърни системи" учебник по информатика, в зависимост от възгледите на неговия автор, може да се тълкува по различни начини. Друга често срещана интерпретация на съответния термин включва връзката му със софтуерните слоеве. В случая не е от основно значение в коя конкретна изчислителна система са внедрени съответните софтуерни нива.

В съответствие с този подход архитектурата на компютъра трябва да се разбира като набор от различни видове данни, операции, характеристики на софтуера, използван за поддържане на функционирането на хардуерните компоненти на компютъра, както и създаване на условия, при които потребителят може да приложи тези ресурси на практика.

Архитектури на софтуерния слой

Експертите идентифицират следните основни архитектури на компютърните системи в контекста на разглеждания подход за разбиране на съответния термин:

• дигитален логическа архитектураизчислително решение - всъщност компютър под формата на различни модули, клетки, регистри - например, разположени в структурата на процесора;
• микроархитектура на ниво интерпретация на различни микропрограми;
• архитектура на излъчване специални екипи- на ниво асемблер;
• архитектурата на интерпретацията на съответните команди и тяхното изпълнение в програмния код, разбираема за операционната система;
• компилационна архитектура, която позволява промени в програмни кодовенякои видове софтуер;
• архитектура на езици от високо ниво, която позволява адаптиране на програмни кодове за решаване на специфични потребителски проблеми.

Значение на класификацията на софтуерната архитектура

Разбира се, тази класификация в контекста на разглеждането на даден термин като съответстващ на слоеве на софтуера може да бъде много произволна. Архитектурата на компютъра и проектирането на компютърни системи, в зависимост от тяхната технологичност и предназначение, може да изискват различни подходи на разработчиците при класификацията на софтуерните нива, както и всъщност да се разбере същността на термина, за който въпросният.

Въпреки факта, че тези представяния са теоретични, тяхното адекватно разбиране е от голямо значение, тъй като допринася за разработването на по-ефективни концептуални подходи за изграждане на определени видове изчислителна инфраструктура, позволява на разработчиците да оптимизират своите решения за нуждите на потребителите, решаващи специфични проблеми .

Резюме

И така, ние дефинирахме същността на термина "архитектура на компютърна система", как може да се разглежда в зависимост от конкретен контекст. В съответствие с една от традиционните дефиниции, съответната архитектура може да се разбира като хардуерна структура на компютъра, която предопределя нивото на неговата производителност, специализация и изисквания към квалификацията на потребителите. Този подход предполага класификацията на съвременните компютърни архитектури в 3 основни категории - мейнфрейми, миникомпютри и персонални компютри (които от своя страна също могат да бъдат представени от различни видове изчислителни решения).

По правило всеки тип определени архитектури е предназначен за решаване на конкретни проблеми. Мейнфреймите и миникомпютрите се използват най-често в индустрията. С помощта на компютър също така е възможно да се решават широк спектър от производствени задачи, да се извършва инженерно развитие - за това е адаптирана и съответната архитектура на компютърните системи. Лабораторната работа, научните експерименти с тази техника стават все по-ясни и по-ефективни.

Друга интерпретация на въпросния термин включва връзката му със специфични нива на софтуер. В този смисъл архитектурата на компютърните системи е работеща програма, която осигурява функционирането на компютъра, както и създава условия за използването му. изчислителна мощностна практика с цел решаване на определени потребителски проблеми.

Лекция: Архитектура на компютри и компютърни мрежи

Компютърна архитектура

Под архитектурата на компютрите се разбират всички техни компоненти, както и принципите на тяхното действие. Ако свържем няколко компютъра заедно, тогава можем да получим готова компютърна мрежа.

Има два основни компонента, които са необходими за създаване на компютърна мрежа:

1. Специално оборудване за формиране на мрежа;

2. софтуерпозволява на всички компютри да работят заедно.

Компютърна мрежасе наричат ​​няколко компютъра, свързани помежду си чрез специално оборудване, управлявани специални програми, като по този начин се гарантира обменът и общото използване на информация, съхранявана в компютърна мрежа.

Комуникационна линияЕ среда, способна да свързва компютрите един с друг в компютърна мрежа, информацията се предава чрез средствата за комуникация.

Ако някаква информация се предава директно между някои абонати. Тогава това става чрез комуникационен канал. Обединените комуникационни линии са каналите. Една комуникационна линия може да принадлежи към няколко комуникационни канала.

Компютърните мрежи могат да бъдат локални (на място, в предприятието), регионални (принадлежащи към определен регион), глобални мрежи.

Видове компютърна мрежа

Нека да разгледаме по-отблизо какво е локална, регионална и глобална мрежа.

Локалната мрежаТова е мрежа, която свързва тези компютри, които са включени късо разстояниеедин от друг, обикновено на територията на сграда или дори етаж.

Голямото предимство на тази мрежа е, че всички компютри са на кратко разстояние, което увеличава скоростта на пренос на информация, а също така разширява възможностите на такава мрежа.

Ако определена мрежа свързва потребители на дълги разстояния, тогава такава мрежа се нарича глобален.

За такива мрежи се използват голямо разнообразие от комуникационни линии, някои от които първоначално са били използвани за други цели (например телефонни или телеграфни линии). Въпреки това, благодарение на съвременен подходпочти всички свързващи линии са заменени с радио или оптични линии.

Ако няколко локални мрежи са комбинирани в една мрежа, тогава тя се извиква регионална.

Тези мрежи обединяват всички локални мрежи на град, област или регион.

Също така има корпоративни мрежи - мрежи, свързващи компютри от една и съща организация или индустрия за обмен на работна информация.

За такива мрежи не е задължително компютрите да са разположени в една и съща сграда.

Мрежова архитектураТова е набор от параметри, правила, протоколи, алгоритми, карти, които ви позволяват да изучавате мрежата.

протоколТова е набор от правила, които предполагат обозначения за видовете данни, които могат да се предават по мрежа.

Мрежова топология

Мрежова топологияТова е план, който описва местата, където са свързани компютрите, както и техните възли.

Има няколко вида топологии, които се определят от броя на компютрите, какво е разстоянието между компютрите, какви параметри се използват и много други характеристики.

Има няколко основни типа топологии: "Точка", "Шина". "Пръстен", "Звезда".

"Точка"

Технологията Point обединява два компютъра последователно един към друг.

МИНИСТЕРСТВО НА КЛОН НА РУСИЯ

Федерална държавна бюджетна образователна институция

висше професионално образование

Тулски държавен университет

Катедра "Роботика и автоматизация на производството"

Сборник с насоки за лабораторна работа

по дисциплина

Изчислителни машини, системи и мрежи

Направление на обучението: 220400 "Мехатроника и роботика"

специалност: 220402 "Роботи и роботизирани системи"

Форми на обучение: пълен работен ден

Тула 2012г

Изготвят се методически указания за лабораторна работа доцент д.м.н. Шмелев В.В. и обсъдени на заседание на катедрата факултет кибернетика ,

протокол No ___ от „___“ ____________ 20 1 Г.

На заседание на катедрата бяха преработени и утвърдени методически указания за лабораторна работа роботика и индустриална автоматизация факултет кибернетика ,

Протокол № ___ от „___“ ____________ 20___ г.

Глава Отдел ________________ Е.В. Ларкин

Лабораторна работа No 1. Класификация на компютрите и архитектура на изчислителни системи 4

2.1 Компютърна класификация 4

Лабораторна работа No 2. Състав и устройство персонален компютър 9

2.1 Структура на персонален компютър 9

Основни компютърни устройства 15

Лабораторна работа No 3. Устройства за съхранение на персонален компютър 29

2.1 Устройства за съхранение 29

Лабораторна работа No 4. Външни устройства PC 58

Лабораторна работа No 5. Локални мрежи 79

2.1 Локални мрежи 79

Лабораторна работа No 6. Софтуерна, информационна и техническа поддръжка на мрежи 91

2.1. Софтуерна и информационна поддръжка за мрежи 92

2.2 Основни принципи на изграждане на компютърни мрежи 93

2.3. Техническа поддръжка на информационни и компютърни мрежи 104

Обект на изследване е софтуерна, информационна и техническа поддръжка на мрежи 122

2. Да изучава софтуер, информационна и техническа поддръжка на мрежи 122

Лабораторна работа No 7. Глобална информационна мрежа Интернет 123

2. Основи на теорията 123

2.1 Глобално информационна мрежаИнтернет 123

Лабораторна работа No 8. Комуникационна система 133

1. Целта и задачите на работата 133

2. Основи на теорията 133

2.1. ТЕЛЕКОМУНИКАЦИОННИ системи 133

Документирани системи за предаване на информация 146

Лабораторна работа № 1. Класификация на компютрите и архитектура на изчислителните системи

1. Цел и цели на работата.

В резултат на тази работа учениците трябва

знаякомпютърна класификация и архитектура на изчислителни системи

2. Основи на теорията.

2.1 Компютърна класификация

Компютър - набор от технически средства, предназначени за автоматична обработка на информация в процеса на решаване на различни проблеми.

Има няколко критерия, по които VM може да се раздели. В частност:

според принципа на действие,

върху елементната база и етапите на създаване,

по уговорка,

по размер и мощност на обработка,

по функционалност,

По принципа на действие VM: аналогов, цифров и хибриден.

Аналогов или непрекъснат видеорекордер, работа с информация, представена в непрекъснат (аналогов) вид, т.е. под формата на непрекъснат поток от стойности на всяко физическо количество (най-често напрежението на електрически ток)

AVM са прости и лесни за използване. Скоростта на решаване на проблеми се регулира от оператора и може да бъде много висока, но точността на изчисленията е много ниска. Такива машини ефективно решават проблеми с диференциалното смятане, които не изискват сложна логика.

Цифрова или дискретна VM,работа с информация, представена в дискретна или по-скоро цифрова форма.

Виртуалните машини с хибридни или комбинирани действия съчетават възможностите за работа както с цифрова, така и с аналогова информация. Обикновено се използват при автоматизацията на задачите за управление на технически и технологични процеси.

В икономиката и ежедневните дейности цифровите компютри станаха широко разпространени, по-често наричани просто компютри или компютри.

Според елементната база и етапите на създаване има:

1-во поколение, 50-те години на ХХ век: компютър, базиран на електронни вакуумни лампи.

2-ро поколение, 60-те години: компютри, базирани на полупроводникови устройства (транзистори).

3-то поколение, 70-те: компютри, базирани на полупроводникови интегрални схеми с ниска и средна степен на интеграция (стотици до хиляди транзистори в един пакет, на чип).

4-то поколение, 80-90-те: компютри, базирани на големи и свръхголеми ИС, основният от които е микропроцесор (десетки хиляди милиони активни елементи на един кристал).

Ако електронното оборудване на компютрите от 1-во поколение заемаше зала с площ от 100-150 кв. м, след това VLSI 1-2 кв. cm и разстоянието между елементите върху него е 0,11-0,15 микрона (дебелината на човешката коса е няколко десетки микрона)

5-то поколение, в днешно време: изчислителни системи с няколко десетки паралелни микропроцесора.

6-то и следващите поколения: компютри с масивен паралелизъм и оптико-електронна база, в които е реализиран принципът на асоциативна обработка на информацията; т.нар невронни компютри.

Важно е да знаете:

Всяко следващо поколение надвишава производителността на системата и капацитета за съхранение с повече от порядък.

По уговоркаобичайно е да се разграничават универсални компютри, проблемно-ориентирани и специализирани.

Универсаленса предназначени за решаване на широк спектър от инженерни, икономически, математически и други проблеми, които се характеризират с големи обеми на обработка на данни и сложността на алгоритмите.

Проблемно ориентираниса предназначени за решаване на по-тесен кръг от задачи, свързани с управлението на технологични процеси (обекти), с регистриране, натрупване и обработка на относително малки обемиданни, извършващи изчисления по относително прости алгоритми. Те включват ограничени хардуерни и софтуерни ресурси.

Специализираниса предназначени за решаване на специфични задачи за управление на работата на техническите устройства (възли). Това могат да бъдат контролери - процесори, които контролират работата на отделни възли на изчислителна система.

Размер и мощност на обработкакомпютрите могат да бъдат разделени на свръхголеми (суперкомпютри, суперкомпютри), големи, малки и свръхмалки (микрокомпютри, микрокомпютри).

Сравнителна характеристика на компютърните класове

Настроики	суперкомпютър			Микрокомпютър
Производителност, MIPS
Капацитет на RAM, MB
OVC капацитет, GB
Дълбочина на битовете

Чрез ревизия функционалносткомпютрите са оценени:

• скорост на процесора,

  битност на процесорните регистри,

  форми за представяне на числата,

  номенклатура, капацитет и производителност на устройствата за съхранение,

  номенклатура и технически характеристики на външни устройства,

  възможност за стартиране на няколко програми едновременно (многозадачност),

  гамата от използвани операционни системи,

  съвместимост на софтуера - възможността за стартиране на програми, написани за други видове компютри,

  способност за работа в компютърна мрежа

РУСКА ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА

Държавна образователна институция

ТЮМЕНСКИ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ

Институт по математика и компютърни науки

Е. А. Оленников

Архитектура на изчислителни системи и компютърни мрежи

Учебно-методически комплекс.

Работна програма за редовни студенти,

специалност 010500.62 "Математическа поддръжка и администриране на информационни системи", профили на обучение: "Технологии за програмиране",
« Паралелно програмиране»

Тюменски държавен университет

... Архитектурата на изчислителните системи и компютърните мрежи.

Учебно-методически комплекс. Работна програма за редовни студенти от специалността 010500.62 „Софтуер и администрация информационни системи», профили на обучение: "Технологии за програмиране", "Паралелно програмиране". Тюмен, 2011, 13 с.

Работната програма е съставена в съответствие с изискванията на Федералния държавен образователен стандарт за висше професионално образование, като се вземат предвид препоръките и PROP HPE в посоката и профила на обучение.

Одобрен от заместник-ректора по учебната дейност на Тюменския държавен университет

Отговорен редактор:, гл. Председател информационна сигурност, д. т.нар., проф.

© GOU VPO Тюменски държавен университет, 2014 г

2. Обяснителна бележка

2.1. Цели и задачи на дисциплината

Дисциплината "Архитектура на изчислителни системи и компютърни мрежи" има за цел да даде цялостен поглед върху:

За принципите на изграждане на операционни и изчислителни системи (ОС, VS);

За основните функции на ОС;

Таблица 4.

Планиране самостоятелна работастуденти

	Модули и теми	Видове CPC	Семестриална седмица	Сила на звука на часовника	номер- в точки
задължително	допълнителен
Модул 1
	Историята на развитието на операционните системи.
	Основни понятия и понятия за ОС. Функции на ОС. Архитектурни особеностиОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА.	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Управление на процесите. Състезания, синхронизация на процесите. Безизходица и методи за справяне с тях.	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Управление на паметта.	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Общо по модул 1:
Модул 2
	I/O контрол	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Файлови системи	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Организация на файловата система FAT, NTFS	Резюме на материала в лекциите. Изпълнение на контролна работа.	Работа с учебна литература
	организация файлови системиизползван в Unix/Linux OS	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Общо по модул 2:
Модул 3
	Архитектура на ОС Windows XP, Seven, Windows 2003/2008.	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	архитектура на ОС Unix семейство	Резюме на материала в лекциите.	Работа с учебна литература
	Linux OS архитектура. Linux дистрибуции	Резюме на материала в лекциите. Изпълнение на контролна работа.	Работа с учебна литература
	Общ мод 3:
	ОБЩА СУМА:

5. Раздели от дисциплината и интердисциплинарни връзки с предоставените (последващи) дисциплини

Дисциплинарни теми, необходими за изучаване на предоставените (последващи) дисциплини

Модул 1.

Тема 1.1. Историята на развитието на операционните системи.

Еволюция на ОС. Историята на развитието на Unix.

Тема 1.2. Основни понятия и понятия за ОС. Функции на ОС.

Архитектурни характеристики на ОС. Функции, принципи на изграждане, функционални компонентии архитектурни характеристики и класификация на ОС.

Тема 1.3. Управление на процесите. Състезания, синхронизация на процесите. Безизходица и методи за справяне с тях.

Дефиниция на процеса и свързаните с него понятия. Планиране на процеса. Състезание. Синхронизиране на процесите. Безизходица и методи за справяне с тях.

Тема 1.4. Управление на паметта

Видове адреси. Методи за разпределяне на паметта. Йерархия на устройствата за съхранение. Принципът на кеширане на данни.

Модул 2.

Тема 2.1. I/O контрол

Физическа организация на входно-изходните устройства. Организация на I/O софтуер

Тема 2.2. Файлови системи

Основни понятия. Логическата организация на файла. Операции с файлове и директории. Защита на файлове. Внедряване на файлова система. Общ модел на файлова система. Свободно и заето управление дисково пространство... Структура на файловата система на диска

Тема 2.3. Организация на файловата система FAT, NTFS

Логическа организация на FAT, NTFS файлови системи.

Тема 2.4. Организация на файлови системи, използвани в Unix/Linux OS

Логическа организация на файловите системи: S5, UFS, Ext2FS, ReiserFS, Ext3fs, XFS, JFS.

Модул 3.

Тема 3.1. Архитектура на ОС Windows XP, Seven, Windows 2003/2008.

Тема 3.2. Архитектура на ОС от семейството на Unix

Тема 3.3. Linux OS архитектура. Linux дистрибуции

7. Планове на семинарите

Не е планирано.

8. Теми на практическата работа

1. Създаване и управление на процеси с помощта на инструменти Win API, изграждане на езици за програмиране.

2. Развитие многонишково приложениеизползвайки Win API, дизайн на език за програмиране.

3. Синхронизиране на процеси. Функции за изчакване. Чакащи обекти: събития.

4. Синхронизиране на процеси. Изчакващи обекти: Таймери за изчакване, семафори

5. Синхронизиране на процеси. Изчакайте обекти: мютекси, критични секции

6. Разработване на приложение, което симулира един от класическите алгоритми за управление на процесите в операционни системи

7. Разработване на приложение за получаване системна информация Windows OS: списък с процеси и нишки, размер и разпределение на паметта.

8. Проучване на разпространението виртуална паметпроцес в Windows. Разработване на приложение за получаване на карта на виртуалното адресно пространство на процеси.

9. Използване на виртуална памет. Избор на региони, трансфер физическа паметрегионални страници в Windows. Разработване на приложение, което използва виртуална памет за работа с големи структури от данни.

10. Файлове, картографирани в паметта. Разработване на приложение за копиране на големи файлове с помощта на механизма на картографирани файлове в паметта.

11. Разработване на приложение, което симулира един от класическите алгоритми за управление на паметта в операционните системи

12. Изследване на структурата на файловите системи FAT с помощта на дисковия редактор

13. Изследване на структурата на файловите системи NTFS с помощта на дисковия редактор

14. Инсталиране и конфигуриране на ОС FreeBSD.

15. Работа с потребители във FreeBSD OS. Управление на акаунти, групи, ограничаване на потребителите. Изпълнение на команди от името на други потребители: помощни програми SU, SUDO.

16. Файлови системи в OS FreeBSD. Управление на дялове, монтиране, настройка на права за достъп.

17. Мрежови настройкина ОС FreeBSD.

18. Изграждане и конфигуриране на ядрото на FreeBSD OS.

9. Приблизителна тематика на курсовите работи

Курсовата работа по дисциплината не е предвидена.

10. Образователни - методическа подкрепасамостоятелна работа на учениците. Инструменти за оценка за наблюдение на напредъка, междинно сертифициране въз основа на резултатите от овладяването на дисциплината (модул).

Контролът на качеството на подготовката се извършва чрез проверка теоретични знанияи практически умения за използване на:

а) Текуща атестация:

проверка на междинно ниво контролни работии рецепция лабораторна работа,

б) Временно сертифициране:

изпит в края на 4-ти семестър (студентите се допускат до изпит след издържане на всички лабораторни работи, решаване на всички задачи от тестови работи).

Текущ и междинен контрол на овладяването и овладяването на материала по дисциплината се осъществява в рамките на рейтинговата (100-бална) система за оценяване.

Примерно лабораторно задание

Лабораторна работа. Конфигуриране на ядрото на FreeBSD OS. Инсталиране на софтуер.

Задача 1. Изграждане на ядрото.

1. Създайте свое собствено ядро ​​въз основа на следните изисквания:

Изберете името на ядрото по ваша преценка;

Деактивирайте неизползваната хардуерна поддръжка;

Активирайте опцията, която забранява рестартирането на системата с помощта на клавишната комбинация ctrl-alt-del.

2. Инсталирайте ядрото.

Задача 2. Инсталиране на софтуер от пакети

1. Инсталирайте всеки текстов редактор с помощта на помощната програма sysinstall.

2. Инсталирайте текстовия редактор vim от пакета.

Задача 3. Инсталиране на софтуер от портове

1. Инсталирайте MC файловия мениджър (порт: ../misc/mc).

Пример за тест

Реализирайте схема за "предупреждаване" на три чакащи нишки за поставяне на съобщение (произволен формат) в опашката въз основа на обекта за синхронизация "събитие". Събитията се излъчват в опашката от две нишки, които имат ниво на приоритет, по-ниско от чакането. Изчислете средния брой съобщения, обработени от всяка нишка. Опашката трябва да бъде защитена от критична секция.

Въпроси за изпита

Концепция за операционна система. Операционната система е като виртуална машина. Операционната система като система за управление на ресурсите. Операционната система като постоянно функциониращо ядро. Концепция работна среда... Софтуерна среда. Първични и вторични софтуерна среда ... Еволюция на ОС. Основни функции на операционните системи Основни принципи на изграждане на операционна система Архитектура на операционна система. Общ подход. Привилегировани и потребителски режими на работа. Архитектурни особености на съвременните операционни системи. Монолитно ядро. Многослойни системи. Виртуални машини. Микроядро архитектура. Смесени системи. Класификация на операционните системи. Характеристики на областите на приложение. Класификация на операционните системи. Поддръжка на многозадачност. Класификация на операционните системи. Превантивна и непревантивна многозадачност. Класификация на операционните системи. Поддръжка на много нишки. Класификация на операционните системи по начина, по който взаимодействат с компютъра. Класификация на операционните системи по вида на централизация. Класификация на операционните системи. Многопроцесорна обработка. Класификация на операционните системи. Поддръжка за мултиплейър режим. Класификация на операционните системи по тип хардуер. Класификация на операционните системи. Характеристики на областите на използване Класификация на операционните системи. Особености на строителните методи. Концепция на процеса. Състояния на процеса. Информационни структури на процеса. Планиране на процеса. Нива на планиране. Основните цели на планирането. Алгоритми за планиране на процесите. Превантивна и непревантивна многозадачност Синхронизиране на процесите. Критични ресурси. Състезание. Критични секции. Софтуерни алгоритми за организиране на взаимодействието на процесите. Деактивирайте прекъсванията. Блокиращи променливи. Софтуерни алгоритми за организиране на взаимодействието на процесите. Семафори. Монитор. Концепция за блокиране на съобщенията. Условия за възникване на задънени улици. Основните направления на борбата срещу задънените улици. Инструменти за синхронизиране на нишки на Windows. Изчакващи функции и обекти. Основните функции на ОС за управление на паметта. Видове адреси. Методи за разпределяне на памет без използване на дисково пространство. Разпределение на паметта чрез фиксирани дялове. Разпределение на паметта в променливи дялове. Разпределяне на памет с преместваеми дялове Разбиране на виртуална памет Методи за разпределяне на памет чрез използване на дисково пространство. Разпределение на паметта за разпределяне на сегменти на паметта Разпределяне на паметта на сегменти на страници Размяна на разпределение на паметта на сегменти Концепцията за файлова система. Файл. Типове файлове и атрибути. Логическата организация на файла. Операции с файлове и директории. Защита на файлове. Общ модел на файлова система. Методи за разпределяне на дисково пространство. Управление на свободното и използвано дисково пространство. Файлове, картографирани в паметта. Производителност на файловата система Съвременни архитектурифайлови системи Файл FAT система 16/12/32 - логическа и физическа организация Файл NTFS система- логическа и физическа организация. Файлова система NTFS - журналиране, сигурност, компресия, криптиране. Устройството на файловите системи на Unix-семейството защитен режим на процесора

11. Образователни технологии.

Комбинация от традиционни образователни технологиипод формата на лекции, компютърна лабораторна работа и контролни мерки (контролни работи).

Слухови уроци:

Лекции и компютърни лабораторни упражнения; в лабораторните занятия контрол се извършва при подаване на лабораторното задание. По време на семестъра студентите изпълняват посочените от учителя задачи за всеки урок.

Активни и интерактивни форми

Компютърно моделиране и анализ на резултатите по време на лабораторна работа

Извънкласни дейности:

Изпълняване на допълнителни задачи от различни видове и нива на сложност при изпълнение на лабораторни упражнения, подготовка за занятия в клас, изучаване на отделни теми и въпроси от учебната дисциплина в съответствие с учебно-тематичния план, изготвяне на реферати. Изготвяне на индивидуални задания: контролни работи, подготовка за всички видове контролни изпитания: текущо наблюдение на напредъка и междинно атестиране; индивидуални консултации.

12. Учебно-методическо и информационно осигуряване на дисциплината

12.1. Основна литература:

1. Е. Таненбаум. Съвременни операционни системи. - SPb .: Петър, 2011

12.2. Допълнителна литература:

1. , . Мрежови операционни системи. - SPb .: Петър, 2005

2. Stolings V. Операционни системи. М.: Уилямс, 2004

3. Ебен М., Тайман Б. FreeBSD. Администрация: изкуството за постигане на баланс. - SPb .: DiaSoftUP, 2003

4., FreeBSD: инсталиране, конфигурация, използване. -SPb .: BHV-Петербург, 2003

5. Системи на Гордеев. - SPb .: Петър, 2004

6. Кари Б. Криминалистичен анализ на файлови системи. - SPb .: Петър, 2007

7. Е. Таненбаум. Компютърна архитектура. - SPb .: Петър, 2010

8. Е. Таненбаум. Операционни системи: проектиране и внедряване. - SPb .: Петър, 2006

12.3. Софтуер и интернет ресурси.

Университетски електронни библиотечни системи за учебна литература;

Научно-техническа информационна база на VINITI RAS;

Достъп до отворени бази данни с цитати, включително учени. , math-net. ru;

Среди за разработка в C #, C ++, Pascal;

Софтуер за виртуализация на системата: Работна станция VMWare, Виртуален компютър.

13. Технически средстваи логистика.

За организиране на самостоятелна работа на студентите е необходимо компютърен класс инсталирана среда за разработка на C#, C++, Pascal и една от програмите за виртуализация на системата: VMWare Workstation, Virtual PC, с възможност за стартиране на изображения виртуални машинипод управление на Windows NT, FreeBSD.