Тема 1.4. Основные типы компьютеров

-1Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Лекция 1-08
1.3.46. Корпус системного блока
1.3.47. Блок питания
1.3.48. Устройства защиты от нарушений работы электропитания
Тема 1.4. Основные типы компьютеров
1.4.1. Суперкомпьютеры
1.4.2. Компьютеры общего назначения
1.4.3. Миникомьютеры и микрокомпьютеры
1.4.4. Типы микрокомпьютеров
1.4.5. Стандарт PC card
Тема 1.5. Распределенные информационные системы
1.5.1. Определение распределенной информационной системы
1.5.2. Технологии обработки информации в распределенных системах
1.5.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
1.5.4. Основные компоненты распределенных информационных систем
1.5.5. Типы и характеристики передающих сред
1.3.46. Корпус системного блока
Корпус системного блока содержит все основные компоненты компьютера.
Внутри корпус содержит гнезда с пазами для крепления материнской платы, источника
питания, и внутренних устройств внешней памяти (дисководов жестких дисков, гибких
дисков, компакт дисков и стримеров). Для крепления устройств внешней памяти обычно
имеются два отсека: 5,25-дюймовый и 3,5-дюймовый. В корпусе размещается также
громкоговоритель. При поломках или нарушениях работы системы громкоговоритель
издает определенное количество сигналов, в зависимости от типа поломки.
Корпус системного блока может иметь самые разнообразные формы и размеры,
однако обычно выполняется в двух модификациях: горизонтальной и вертикальной –
«башня» (tower). Последняя модификация, ранее использовавшаяся только для мощных
компьютеров (серверов), теперь получает все большее распространение и для обычных
компьютеров массового производства.
В 1995 году корпорацией Intel была предложена новая спецификация ATX на
конструкцию корпуса компьютера и блока питания, размеров и расположения в ней
материнской платы. В настоящее время эта спецификация принята всеми ведущими
производителями компьютеров.
На передней панели корпуса обычно выводятся кнопки включения/выключения
питания, перезагрузки и индикатор обращения к дисководу жестких дисков. Кроме того,
корпуса ATX содержат обычно индикатор перехода в режим Green (режим пониженного
энергопотребления), если этот режим поддерживает материнская плата.
Основным критерием выбора корпуса для компьютера является мощность
источника питания (обычно уже встроенного в корпус), возможность установки
требуемой материнской платы и количество мест в отсеках для устройств внешней
памяти.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-2Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
1.3.47. Блок питания
Блок питания обеспечивает энергией все компоненты компьютера,
расположенные в системном блоке: материнскую плату, накопители, платы расширения,
клавиатуру и другие устройства, подключаемые к портам или платам и не имеющим
автономного питания (например, мышь, пассивные динамики, микрофон и т.д.). Иногда к
блоку питания подключается и дисплей (если он имеет сетевой кабель не с сетевой
вилкой, а с разъемом для подключения к источнику питания).
Блок питания обычно располагается в системном блоке в заднем правом углу (для
горизонтальной модификации) или в верхней задней части (для вертикальной
модификации), сразу позади отсеков для устройств внешней памяти.
Блок питания снабжен вентилятором, который охлаждает не только компоненты
самого блока, но и обеспечивает циркуляцию воздуха для отвода тепла из всего
пространства системного блока.
Как правило, на блоке питания имеется переключатель входного напряжения сети
(220-110 В), однако некоторые блоки питания сами определяют входное напряжение.
Блок питания преобразует напряжение сети в напряжение питания конструктивных
элементов компьютера: 12В и 5В. Из блока питания выходят кабели, которые
подключаются ко всем устройствам компьютера, расположенным в системном корпусе (за
исключением плат, вставляемых в слоты расширения, которые получают питание от
материнской платы). В корпусе ATX для подключения к материнской плате используется
20-контактный разъем (в старых компьютерах использовались два 6-контактных разъема).
В этом разъеме предусмотрена цепь питания +3В. Остальные кабели имеют 4контактные (большие и маленькие) разъемы и несут напряжения +5 В (красный провод) и
+12 В (желтый провод), а также два черных провода (земля). Эти кабели подключаются к
устройствам внешней памяти.
В системе ATX обеспечиваются управляющие сигналы Power_On и 5v_Standby.
Сигнал Power_On позволяет выключать систему программным путем и использовать
клавиатуру для включения компьютера. Сигнал 5v_Standby называется сигналом питания
малой мощности – Soft Power. Он всегда активен, даже если компьютер выключен. Таким
образом, всегда имеется возможность программно управлять блоком питания.
Мощность блока питания должна полностью (лучше с некоторым запасом)
обеспечивать потребности всех подключенных устройств компьютера (в противном
случае блок может выйти из строя). Поэтому при комплектации компьютера новыми
устройствами следует внимательно следить за суммарным потреблением энергии всех
компонентов системного блока (например, материнская плата потребляет 12-40 Вт,
дисковод гибких дисков – 12-15 Вт, контроллеры дисководов – 5-10 Вт, порты
ввода/вывода – 5-7 Вт, внутренний модем – 3-5 Вт, дисковод жестких дисков – 15-30 Вт).
Как правило, компьютеры IBM XT снабжались блоком питания мощность 150 Вт, а
современные компьютеры – блоками питания 200-300 Вт.
1.3.48. Устройства защиты от нарушений работы электропитания
Сбои в работе компьютера, связанные с сетью, можно объединить в следующие
группы:
 перебои в подаче напряжения;
 резкие скачки напряжения;
 подъемы напряжения;
 спады напряжения;
 помехи (шум).
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-3Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Перебои в подаче напряжения могут быть вызваны как случайным выключением
электроэнергии, так и авариями кабелей, трансформаторных подстанций и т.д. Перебои
всегда вызывают отключение компьютера с фатальной потерей информации, хранящейся
в оперативной памяти.
Резкие скачки напряжения могут возникнуть при неисправности сетевой
проводки (возникновение искры в местах ненадежных соединений) или трансформаторов,
а также в результате включения в сеть электроприборов с большим потреблением
электроэнергии. Скачки вызывают ошибки в оперативной памяти и могут привести к
повреждению некоторых электронных компонент компьютера.
Подъемы напряжения являются более длительными, чем скачки повышениями
напряжения электрической сети (от секунд до минут), возникающими при резком
отключении от сети какого-либо крупного предприятия (завода или учреждения). Они
могут вызвать выход из строя электронного оборудования компьютера, а также потерю
данных из оперативной памяти.
Спады напряжения вызываются влиянием противоположных факторов:
одновременным включением в сеть большого количества потребителей (начало работы
завода) и приводят к длящимся от нескольких секунд до нескольких минут снижениям
электрического напряжения. В результате спада напряжения может произойти потеря
данных из оперативной памяти.
Помехи (шум) – это высокочастотные выбросы, возникающие в сети при работе
электродвигателей холодильников, пылесосов, радиооборудования и т.д. Помехи могут
приводить к возникновению ошибок в работе компьютера.
Чем важнее задача, решаемая на компьютере, тем более желательно защитить его
от возможных внешних воздействий, которые могут нарушить его работу. Особенно
актуальна эта задача для сетевых серверов, которые могут обслуживать сотни
пользователей и содержать большие объемы совместно используемых данных. Поэтому
предложено большое количество устройств для борьбы с перебоями напряжения.
сетевыми скачками и помехами. Наиболее распространенными являются устройства
защиты от выбросов и непрерываемые источники питания.
Устройство защиты от выбросов (surge protector) позволяет нивелировать
внезапные скачки или более длительные подъемы сетевого напряжения. Некоторые
модели этих устройств содержат также высокочастотные фильтры, позволяющие удалить
шумовые помехи из сети. Кроме самого компьютера, к нему могут быть подключены
также периферийные устройства (принтер, модем и т.д.).
Непрерываемый источник питания – UPS (uninterruptable power supply)
предназначен для ограничения возможного ущерба, связанного с падением сетевого
напряжения.
Источник питания представляет собой особое устройство, снабженное
аккумуляторными батареями. В нормальном режиме внешнее напряжение проходит через
UPS без изменений, либо (при скачках напряжения и помехах) он действует как
устройство защиты от выбросов. При отключении напряжения питание подключенных к
UPS устройств в течение менее 5 миллисекунд переключается на комплект встроенных
батарей, что позволяет в течение 5-15 мин поддержать работоспособность подключенных
к UPS устройств. Обычно UPS комплектуется разъемом последовательного порта RS232C, позволяющим передать в последовательный порт компьютера сигнал о
прекращении электропитания и программным обеспечением, обеспечивающим аварийное
отключение компьютера с сохранением данных и информацией пользователей сети (если
компьютер – сервер сети) о предстоящем отключении питания.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-4Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Тема 1.4. Основные типы компьютеров
1.4.1. Суперкомпьютеры
Достижения в области микроэлектроники, проектировании компьютеров и
развитии их программного обеспечения привели к тому, что первоначально сравнительно
узкая сфера применения компьютеров, главным образом для научных и технических
расчетов, в сравнительно короткий срок существенно расширилась и охватила все области
человеческой деятельности, связанные с обработкой больших объемов информации.
Это разнообразие областей и форм использования компьютеров породило широкий
спектр требований к характеристикам и особенностям организации компьютеров и
компьютерных систем. В результате к настоящему времени в соответствии с областями
применения определились основные типы компьютеров, которые существенно
отличаются не только по количественным характеристикам, но и по компоновке,
электронно-технологической базе и используемым периферийным устройствам. По этим
признакам компьютеры можно классифицировать следующим образом:
 сверхпроизводительные компьютеры (суперкомпьютеры) (supercomputers);
 компьютеры общего назначения (большие ЭВМ) (mainframes);
 миникомпьютеры (minicomputers);
 микрокомпьютеры (microcomputers);
 микропроцессоры (microchip).
Следует отметить, что границы между приведенными типами компьютеров быстро
меняются под влиянием успехов в области микроэлектроники и компоновки
компьютеров, тем более, что в ряде применений компьютеры разных типов объединяются
в компьютерные системы и комплексы различных конфигураций.
Суперкомпьютеры ориентированы на достижение сверхбольших скоростей
работы (сотни миллионов операций в секунду) или на повышение надежности и
живучести. Для достижения этих целей они содержат несколько десятков или сотен
сравнительно простых (элементарных процессоров). В настоящее время существуют две
структуры построения крупных многопроцессорных систем высокой производительности:
матричная структура и структура с конвейерной обработкой команд.
Компьютеры, реализованные с использованием матричной структуры, содержат
некоторое число одинаковых сравнительно простых быстродействующих процессоров,
соединенных друг с другом и памятью так, что образуется сетка (матрица), в узлах
которой размещаются процессоры. В системе имеется несколько потоков данных и один
общий поток команд, другими словами, все процессоры выполняют одновременно одну и
туже команду (допускается пропуск команд в отдельных процессорах), но над разными
операндами, доставляемыми процессорам из памяти несколькими потоками данных.
В
компьютерах
матричной
структуры
возникает
сложная
задача
распараллеливания алгоритмов решаемых задач для обеспечения загрузки процессоров. В
ряде случаев эти вопросы лучше решаются при использовании конвейерной структуры.
Эта структура реализуется в виде цепочки последовательно соединенных процессоров, так
что информация на выходе одного процессора является входной информацией для
другого процессора, т.е. процессоры образуют процессорный конвейер (трубопровод).
Одинарный поток данных доставляет операнды из памяти на вход конвейера. Каждый
процессор обрабатывает соответствующую часть задачи, передавая результаты соседнему
процессору, который использует их в качестве исходных данных. Таким образом, решение
задач для некоторых исходных данных развертывается последовательно в конвейерной
цепочке. Это обеспечивается подведением к каждому процессору своего потока команд,
т.е. имеется множественный поток команд.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-5Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Если трубопровод наполнен, выходной процессор выдает результаты для
последовательности входных данных через очень короткие интервалы времени, хотя
действительное время прохождения команд через конвейер может быть значительно
больше.
Следует отметить, что конвейерная обработка команд используется на
внутрипроцессорном уровне практически во всех современных универсальных
процессорах, однако только в суперкомпьютерах используется конвейер из отдельных
процессоров, управляемых каждый своим потоком команд.
Повышение
надежности
и
живучести
(или
отказоустойчивость)
в
суперкомпьютерах и, в настоящее время, и для других типов компьютеров достигается
введением избыточного оборудования и обеспечением при отказах оборудования
автоматической реконфигурации системы для сохранения жизненно важных функций
(возможно, ценой утраты второстепенных).
Основными принципами построения отказоустойчивых компьютеров являются:
 многоустройственность (система должна содержать несколько экземпляров
однотипных устройств: процессоров, модулей оперативной памяти, контроллеров и т.д.);
 общие поля процессоров, оперативной памяти, каналов (шин) и периферийных
устройств;
 динамическое распределение функций между однотипными устройствами
(заранее не известно, какое из однотипных устройств будет выполнять данную функцию
и, более того, работа может быть начата на одном, продолжена на другом и закончена на
третьем устройстве);
 автоматический контроль правильности выполнения операций (все
операции, например, вычисления в процессоре выполняются на двух или нескольких
устройствах и при несовпадении результатов операция повторяется и/или вызывается
программа автоматической диагностики);
 динамическая
реконфигурация
(возможность
производить
замену
отказавшего оборудования или модулей программного обеспечения без перерыва в работе
исправной части оборудования и программного обеспечения).
Наличие общих полей устройств и динамического распределения функций
позволяет комплексу сохранять работоспособность, пока имеется хотя бы по одному
исправному устройству каждого типа.
Суперкомпьютеры используются для решения особенно сложных научнотехнических задач, задач обработки больших объемов данных в реальном масштабе
времени, поиска оптимальных решений, автоматизированного проектирования сложных
объектов, в различных системах управления (промышленных и военных).
1.4.2. Компьютеры общего назначения
Первые компьютеры, как уже говорилось, были созданы для выполнения научных
и технических расчетов, для которых типичными являются операции над словами
фиксированной длины, относительно большие объемы входной и выходной информации и
очень большое количество вычислений. С другой стороны, задачи сферы управления
различного уровня (от предприятия до масштабов всей страны), системы сбора и
обработки информации и т.д. связаны с вводом, выводом и хранением большого
количества данных. При этом сама обработка (в основном над словами переменной длины
не только цифровой, но и текстовой информации) требует выполнения относительно
небольшого числа арифметических и логических операций.
Первоначально считалось, что для столь разных сфер применений необходимо
разрабатывать и специализированными для каждой области использования
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-6Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
компьютерами. Однако, с одной стороны, применение в вычислительных задачах языков
программирования и пакетов прикладных программ стало требовать больших объемов
оперативной и внешней памяти. С другой стороны, во многих экономических задачах
требуется эффективная обработка числовых данных. Эти два фактора и привели к
появлению компьютеров общего назначения (больших ЭВМ или универсальных ЭВМ),
способных решать как вычислительные задачи, так и задачи обработки текстовых данных.
Собственно обработка данных в больших ЭВМ производится центральным
процессором, а для эффективного взаимодействия между быстродействующим
процессором и относительно медленными внешними (периферийными) устройствами
используются специализированные процессоры ввода-вывода (каналы ввода-вывода)
данных. Периферийные устройства связываются с каналами ввода-вывода через
собственные блоки управления (контроллеры) и через интерфейс ввода-вывода.
В больших ЭВМ используются три вида каналов связи: байт-мультиплексные (для
одновременного обслуживания нескольких сравнительно медленно действующих
печатающих устройств: принтеров, дисплеев и т.д.); а также селекторные и блокмультиплексные каналы, связывающие процессор и оперативную память с
высокоскоростными периферийными устройствами: магнитные диски, магнитные ленты и
т.д.
На базе больших ЭВМ были созданы также многомашинные комплексы с
использованием разделяемых устройств (процессоров, оперативной памяти и
периферийных устройств на магнитных дисках и лентах), а также многотерминальные
комплексы, в которой к центральной ЭВМ или многомашинному комплексу подключены
терминалы (дисплеи с клавиатурой) локально (через каналы ввода-вывода) или удаленно
(с использованием каналов связи).
Большие ЭВМ в настоящее время все более вытесняются своими аналогами,
выполненными с использованием микропроцессорной техники и компонентов
(микрокомпьютерами и сетями микрокомпьютеров). Однако они еще широко
используются во многих организациях (особенно за рубежом) в тех случаях, когда замена
микрокомпьютерами невозможна или нецелесообразна по экономическим соображениям
(отсутствие средств на модернизацию или большой срок окупаемости затрат), либо по
соображениям производительности и надежности (эти показатели для некоторых систем
реального
времени
превышают
соответствующие
показатели
для
сетей
микрокомпьютеров).
1.4.3. Миникомьютеры и микрокомпьютеры
Миникомпьютеры появились и стали развиваться в тех областях применения
(например, управлении технологическими и производственными процессами, малые
расчетные инженерные задачи, сетевые серверы и т.д.), где большие ЭВМ слишком
дороги. Первые модели миникомпьютеров имели меньшую длину слова и меньший набор
команд, чем у больших ЭВМ. Это давало возможность обеспечить, особенно для
обработки данных в реальном масштабе времени, более высокое быстродействие по
сравнению с большими ЭВМ.
К настоящему времени миникомпьютеры, особенно в локальных сетях,
практически полностью вытеснены микрокомпьютерами.
По мере развития микроэлектронной техники и технологии появились большие и
сверхбольшие интегральные микросхемы, на первых порах являвшиеся сильно
упрощенным вариантом процессора больших ЭВМ и миникомпьютеров (именно поэтому
их назвали микропроцессорами).
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-7Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
На основе микропроцессоров были созданы микрокомпьютеры – компьютеры
небольших размеров и малой потребляемой мощности электроэнергии. Однако, в связи со
своими ограниченными возможностями по быстродействию, а также низкоскоростным
интерфейсом с внешними устройствами, они реально могли работать только в
однопрограммном и однопользовательском режиме и поэтому были названы
персональными компьютерами (ПК).
Уникально малые размеры микропроцессоров, их низкая стоимость и высокая
надежность дают возможность создания на основе этих устройств не только
микрокомпьютеров, но и разнообразных
контролирующих, управляющих и
обрабатывающих информацию устройств (микроконтроллеров), непосредственно
встраиваемых в приборы, машины, оборудование и технологические процессы. Шинномодульная структура микропроцессоров и микрокомпьютеров облегчает построение
разнообразных управляющих и обрабатывающих данные устройств и систем.
1.4.4. Типы микрокомпьютеров
Развитие микропроцессоров (рассмотренное ранее на примере микропроцессоров
фирмы Intel) привело к тому, что по разрядности, быстродействию и набору команд
микропроцессоры стали приближаться, а в ряде случаев и превышать характеристики
процессоров больших ЭВМ и миникомпьютеров. В них появились те же возможности,
что и в процессорах больших ЭВМ и миникомпьютеров (возможность многопрограммной
работы, использования виртуальной памяти, организации многопроцессорных
комплексов). Скорость обмена с внешними устройствами и максимально допустимое
количество подключаемых внешних устройств резко увеличилось за счет использования
новых стандартов системных шин и стандартов интерфейсов с внешними устройствами.
(EIDE, SCSI).
Поэтому сейчас микрокомпьютеры все больше проникают в те сферы
использования, которые раньше были заняты исключительно большими ЭВМ и
миникомпьютерами и постепенно их вытесняют. Практически все вновь создаваемые
системы обработки информации, а также большинство модифицируемых систем
реализуются
на
базе
микрокомпьютеров.
Поскольку
быстродействующие
микрокомпьютеры уже не являются по своим возможностям
персональными
компьютерами, для таких микрокомпьютеров используется термин сервер. Этот термин
отражает главную (но единственную) область использования мощных микрокомпьютеров
– в качестве серверов различного назначения (файловых серверов, серверов приложений,
серверов удаленного доступа и т.д.) в локальных сетях.
Конфигурации серверов могут существенно отличаться, в зависимости от состава
решаемых задач и интенсивности их использования, однако можно выделить следующие
отличительные особенности этого класса микрокомпьютеров:
 мощные CISC и RISC-процессоры (Pentium фирмы Intel, PowerPC Motorola,
Sparc фирмы Sun, R4400, R6000 и R8000 фирмы MIPS и др.);
 высокоскоростная шина (в IBM-совместимых процессорах – PCI или AGP);
 интерфейс SCSI, SCSI-2 или Fast SCSI;
 большое количество плат расширения;
 большие объемы оперативной и кэш-памяти (соответственно 32-256 Мбайт и 1-4
Мбайта);
 внешняя память большого объема (до тысяч Гигабайт), реализованная на
внутренних и внешних устройствах (магнитных, магнитооптических, оптических жестких
дисках и CD-ROM) большой емкости;
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-8Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
 наличие стримера для резервирования информации, содержащейся на
устройствах внешней памяти;
 подключение к сети через непрерываемые источники питания (UPS);
 использование одной из операционных систем семейства UNIX (SCO UNIX,
UNIX BSDI, Solaris, AIX и др.) или сетевых операционных систем NetWare или Windows
NT/XP.
Кроме того, серверы обычно имеют некоторые конструктивные особенности,
направленные на повышение надежности и живучести этого типа компьютеров, причем с
повышением надежности и живучести существенно увеличивается и стоимость
компьютера.
Наиболее распространенными мерами по обеспечению сохранности данных на
внешних носителях являются (помимо резервирования с помощью стримера): технология
«зеркальной» записи данных (рис.2.53а), дублирование записи данных на носители (рис.
2.53б) и использование технологии RAID.
В технологии «зеркальной» записи данных два устройства внешней памяти
(жесткие диски) подключаются к шине через общий контроллер. Информация
записывается на оба диска: основной и резервный (таким образом, содержимое обоих
дисков все время остается идентичным), а читается с одного из дисков. При сбоях или
выходе из строя основного диска, операции чтения и записи автоматически
перенаправляются на резервный диск.
Рис. 2.53. Технологии резервирования данных:
а) «зеркальная» технология; б) дублирование данных
Дублирование записи данных на носители аналогично технологии «зеркальной»
записи данный, однако каждый из дисководов подключен к шине через свой контроллер,
что позволяет исключить возможность выхода из строя контроллера.
Технология RAID (Redundant Arrays Information Distribution – распределение
информации по избыточным массивам) позволяет повысить надежность хранение
информации на ненадежных устройствах внешней памяти, за счет использования
контрольных сумм и дублирования записи информации. Технология дает возможность
выбрать один из восьми уровней защиты данных (от RAID0 до RAID7), с ростом уровня
степень защиты данных увеличивается, однако растет и требуемый для хранения объем
памяти, а также уменьшатся скорость доступа к данным.
Помимо указанных мер, в серверах также используются средства повышения
надежности и живучести, позаимствованные у суперкомпьютеров. Это многократное
резервирование не только внешней памяти, но и других компонент компьютера
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
-9Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
(процессора, оперативной памяти и т.д.), а также возможность замены отказавшего
оборудования без прекращения работы компьютера.
Все остальные микрокомпьютеры обычно называют персональными
компьютерами, хотя современные программные средства, в частности операционные
системы семейств Windows и UNIX позволяют обеспечить многопользовательский режим
работы, а аппаратные средства современных микрокомпьютеров, а также быстродействие
процессора и портов ввода-вывода позволяют подключать к компьютеру дополнительные
терминалы, т.е. создавать многотерминальные комплексы.
Наиболее распространенным типом персональных компьютеров являются
настольные (desktop) ПК, структура, характеристики и компоненты которых подробно
рассмотрены в предыдущих разделах. Среди настольных ПК иногда выделяют рабочие
станции – компьютеры пользователей локальных сетей. Эти компьютеры обычно имеют
мощные процессоры, большой объем оперативной памяти, контроллеры и мониторы
SVGA (или аналогичные им). При решении задач с интенсивным использованием графики
(например, в системах автоматизированного проектирования), используются мониторы
больших размеров и графические ускорители. В последнее время стали появляться
мультимедийные рабочие станции, оснащаемые дополнительно аудио и
видеосистемами, микрофонами, динамиками и/или наушниками и (при необходимости)
телекамерой.
Остальные персональные компьютеры можно объединить под общим названием
портативные компьютеры.
Исторически первыми типами портативных компьютеров были миниатюрные
настольные компьютеры с уменьшенными размерами монитора, системной платы и
клавиатуры, а также наколенные (laptop) компьютеры, или компьютеры-чемоданчики.
Они имели размеры чемодана-дипломата и весили 5-10 кг. В настоящее время эти типы
компьютеров практически не производятся. Их место заняли другие типы компьютеров:
 блокнотные (notebook) компьютеры – обычно имеют размер стандартного листа
бумаги А4 - 210х297 мм, иногда чуть больше, толщину 2-5 см и вес 2-4 кг;
 субблокнотные (subnotebook) компьютеры – имеют размер в полтора-два раза
меньше блокнотных, вес около 1,5 кг;
 карманные (pocket или palmtop) компьютеры помещаются в карман и имеют вес
около 500 г.
В настоящее время блокнотные и субблокнотные компьютеры имеют
практически такие же возможности, что и настольные
модели, за следующими
исключениями:
 у них значительно меньшие возможности расширения;
 в них нет дисководов для дискет размером 5,25 дюйма, а в субблокнотных
компьютерах нет никаких дисководов для дискет;
 они имеют мониторы меньшего размера (обычно 9,5-11 дюймов, т.е. 24-27 см)
и худшего качества (по крайней мере, в настоящее время), а разрешение обычно не выше
VGA (640х480 точек);
 клавиатура портативного компьютера меньше, чем у обычного, и не так удобна,
как у настольного компьютера;
 емкость жесткого диска в таких компьютерах пока что не превышает 340 Мбайт
(типичная же емкость – 100-120 Мбайт).
Следует также отметить, что портативные компьютеры стоят в полтора-два раза (а
иногда и более) дороже аналогичных обычных компьютеров, хотя их стоимость также,
как и настольных компьютеров, постепенно снижается.
Карманные компьютеры играют роль «электронной записной книжки» или
«карманного секретаря». Большинство из них несовместимо с настольными
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 10 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
компьютерами типа IBM PC, но наиболее серьезные модели обладают приблизительно
такими же возможностями, как IBM PC ХТ, хотя их клавиатура гораздо менее удобна, а
экран совсем маленький. Однако в последнее время для этих типов компьютеров
появилась специальная версия Windows – Windows CE, а также версии редактора Word и
программы обработки электронных таблиц Excel, что позволяет использовать в
карманных компьютерах те же программные средства, что и в настольных компьютерах.
Главное преимущество портативных компьютеров перед обычными – это
их
компактность, а также возможность автономной работы без источников питания (на
аккумуляторах). Наличие аккумуляторов также делает портативные компьютеры
устойчивыми к перепадам питания, т.к. аккумуляторы фактически представляют собой
встроенный UPS (непрерываемый источник питания). Существенно расширяет
возможности по подключению к компьютерам внешних устройств (главным образом
дисководов жестких дисков, модемов и адаптеров локальных сетей) использование
разъемов стандарта PC Card (старое название PCMCIA), рассматриваемого в следующем
разделе.
Дисплеи портативных компьютеров реализованы на жидких кристаллах
(используемых также в электронных цифровых часах) и бывают, как и обычные дисплеи,
монохромными или цветными. Цветные дисплеи портативных компьютеров бывают как с
пассивной матрицей (без подсветки пикселей), так и с активной. Цветные экраны с
пассивной матрицей обеспечивают менее яркое изображение, чем дисплеи с активной
матрицей, но зато стоят дешевле. По мере снижения общей стоимости портативных
компьютеров цветные дисплеи с активной матрицей начинают вытеснять монохромные
дисплеи и дисплеи с пассивной матрицей.
1.4.5. Стандарт PC card
Рынок устройств PC Card, или (их старое название) устройств PCMCIA (Personal
Computer Memory Card International Association – Международная ассоциация по картам
памяти для ПК) испытывает в настоящее время быстрый подъем. Пожалуй, невозможно
найти периферийное устройство для ПК, которое нельзя было бы подключить с помощью
PC Card, причем устройства на основе PC Card все больше приближаются по
функциональности к обычным платам расширения, а некоторые, например, сетевые
адаптеры и модемы, практически им не уступают. Малый размер карт, легкость
подключения к компьютеру (карта вставляется в специальный разъем точно так же, как
дискета в дисковод) давно перевесили сложность технологического процесса их
изготовления Следует также отметить, что по своей идее платы PC Card полностью
соответствуют идеологии "plug and play", то есть
должны после подключения к
компьютеру работать с ним без перезагрузки.
Предшественником плат является выпущенная в Японии более 10 лет назад плата
расширения оперативной памяти, соответствовавшая стандарту JEIDA (Japanese Electronic
Industry Development Association). Эти платы имели размеры 85х54хЗ.3 мм, то есть были
размером с кредитную карточку, что и стало отличительной чертой последующих
поколений этих устройств.
Примерно в 1989 году эти карты появились в США и Европе под названием
PCMCIA.
По замыслу производителей они предназначались для рынка PDA (Personal
Digital Assistant – персональных цифровых секретарей). Сфера применения PCMCIA карт
быстро перекинулась на блокнотные ПК. В сентябре 1990 года была выпущена первая
версия стандарта PCMCIA Release 1.0. Она определяла спецификацию разъема,
внутренней конструкции плат и некоторые вопросы их взаимодействия с ПК. Карты по
данной спецификации могли быть только картами памяти и не поддерживали операций
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 11 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
ввода-вывода. Карты PCMCIA Release 1.0 сейчас могут работать во всех разъемах PC
Card, как в старых, так и в новых (в то же время карты более поздних стандартов к старым
разъемам подключать нельзя).
Очень быстро пользователи новые платы стали применяться не только для
процессора и памяти, но и для устройств приема и передачи информации. Появились
карты толщиной 5 мм, выполняющие функции модемов и сетевых адаптеров, а затем
платы толщиной 10 мм для подключения жестких дисков. Вскоре эти платы можно было
использовать для доступа почти ко всем внешним устройствам ПК. Однако каждое такое
устройство имело свои электрический и логический интерфейсы, и это порождало
огромные проблемы с совместимостью. Развитие карт PCMCIA и подключению с их
помощью не только памяти, но и других устройств привело к появлению в 1991 году
новой версии стандарта – PCMCIA Release 2.0. (PCMCIA версии 2.0). Версия была
дополнена спецификациями на устройства ввода-вывода и включила в себя три типа (Туре
I – Туре III) карт.
Все три типа карт имеют одинаковые 68-штырьковые контакты, одну и ту же
длину и ширину (54х85,6 мм), однако значительно различаются по толщине.
Платы PCMCIA Туре I имеют толщину до 3,3 мм. Как правило, они используются
для увеличения размеров оперативной памяти и размещения микросхем постоянного
запоминающего устройства. Максимальная величина расширения памяти определяется
разрядностью шины стандарта PC Card и равна 64 Мбайт.
Платы PCMCIA Туре II имеют толщину до 5,5 мм в середине платы и 3,3 мм – по
краям. Благодаря этому в разъем Туре II можно вставлять и карты Туре I. Эти карты
используются в качестве сетевых адаптеров для всех существующих типов сетей, для
подключения различных внешних устройств: модемов, факс-модемов, принтеров,
сканеров и многих других, а также звуковых карт и SCSI-адаптеров.
Карты PCMCIA Туре III еще больше "потолстели" – до 10,5 мм в середине и 3,3
мм по краям (для сохранения совместимости с платами Туре I и Туре II). Карты Туре III
предназначены для жестких дисков, радиомодемов и пейджеров.
Для компьютеров, не имеющих слотов PCMCIA, выпускаются устройства,
называемые Card readers, подключаемые к компьютеру либо через плату расширения и
соответствующий адаптер, либо через параллельный порт. Это устройство позволяет
соединять компьютер, не имеющий встроенных разъемов PC Card, с этими устройствами.
Дальнейший рост производства карт заставил принять в июле 1993 года версию
2.1 (PCMCIA Release 2.1) стандарта PCMCIA. Нововведения определяли два уровня
программного обеспечения для карт PCMCIA: Socket Services и Card Services.
Стандарт PCMCIA Release 2.1 охватил не все существовавшие к тому времени
"кредитные карточки". Из нестандартных устройств наиболее интересны так называемые
карты PCMCIA Туре IV, предложенные фирмой Toshiba. Эти карты толщиной 14 мм,
используются в основном для подключения жестких дисков большой емкости (540 Мбайт
и более).
В начале 1995 года стандарт PCMCIA Release 2.1 был переименован в PC Card.
Однако это было не просто переименование. Была проведена новая ревизия спецификаций
для этой технологии. Добавлены поддержка нового стандарта, названного CardBus,
прямого доступа к памяти (DMA), расширенный блок Card Information Structure (CIS), в
котором хранится информация об организации данных в карте и необходимых ей
ресурсах, и который позволяет проводить автоматическую конфигурацию при
подключении к системе (функции “plug and play”, а также некоторые другие функции,
расширившие поле деятельности производителей.
Наиболее важными чертами стандарта CardBus являются: 32-разрядный
интерфейс, что позволяет:
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 12 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
 достигнуть скорости передачи данных примерно в 20 раз выше, чем у
сегодняшних 16-разрядных плат;
 поддерживать многофункциональные карты (multifunction card), т.е. платы,
объединяющие несколько функций (например, факс-модем и сетевой адаптер) в одном
устройстве;
 использовать низкое напряжение питания (3.3 В и ниже).
Хотя драйверы карт обычно поставляются вместе с картой или ПК, более
кардинальным является включение возможности поддержки карт на уровне операционных
систем.
Фирма Microsoft первой включила полный набор всех драйверов Socket
Services и Card Services в Windows 95.
Путями совершенствования PC Card являются:
 дальнейшее развитие многофункциональности карт;
 улучшение безопасности данных путем использования шифрующих карт;
 увеличение скорости передачи данных через PC Card-адаптеры.
По сравнению с обычными платами расширения, выполняющими такие же
функции, устройства PC Card стоят, несколько дороже (например, сетевые адаптеры в
1,5-2 раза дешевле адаптеров на PC Card, а обычные модемы дешевле на 10%), однако эта
разница быстро сглаживается.
Тема 1.5. Распределенные информационные системы
1.5.1. Определение распределенной информационной системы
В предыдущих разделах были рассмотрены принципы построения,
функционирования и характеристики основных элементов, узлов и устройств, а также
основные типы компьютеров.
По мере развития компьютерной техники из средства ускорения решения
вычислительных задач она превратилась в универсальное средство обработки данных.
Сложность и разнообразие оборудования и программного обеспечения, интерфейса с
пользователем уже не соответствуют представлению о компьютере как о машине. В
таких случаях вместо термина компьютер или вычислительная машина используется
термин информационная система (ИС) (IS – information system). В отечественной
литературе более часто используется термин вычислительная система (ВС), однако ИС
является более
точным термином, поскольку термин обработка информации является
более широким, чем вычисления.
По особенностям территориального размещения и организации взаимодействия
частей системы различают следующие типы ИС: сосредоточенные ИС и распределенные
ИС (DIS – Distributed Information Systems).
В сосредоточенных ИС весь комплекс оборудования, включая терминалы
пользователей (для многотерминальных систем), расположен в одном месте и связь
между отдельными компьютерами и устройствами системы обеспечивается стандартными
для системы внутренними интерфейсами (без использования каналов связи).
Распределенные ИС представляют собой территориально рассредоточенные
системы, состоящие из взаимодействующих компьютеров и терминалов, связанных между
собой каналами передачи данных. Распределенные ИС называют также компьютерными
сетями, сетями ЭВМ или информационными сетями.
Следующие разделы будут посвящены рассмотрению структуры и аппаратных
средств распределенных ИС.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 13 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
1.5.2. Технологии обработки информации в распределенных системах
При обработке информации в распределенных системах используются три
основные технологии:
 технология «хозяин-слуга» (master-slave);
 технология «клиент/сервер» (client/server);
 равноранговая (peer-to-peer) технология;
В технологии “хозяин-слуга” единственный главный процесс обработки
информации («хозяин»)
инициирует и управляет любым диалогом с другими
подчиненными процессами («слугами»). При этом подчиненные процессы отвечают на
команды центрального процесса только по его запросу. По этой технологии обычно
работают центральные компьютеры (как правило, в режиме разделения времени), к
которым через каналы связи подключены периферийные устройства (обычно терминалы).
При отказе центрального компьютера (если не принять мер по резервированию)
прекращается функционирование всей системы.
Технология «клиент/сервер» в настоящее время наиболее широко используется в
распределенных информационных системах.
В этой технологии процесс-клиент запрашивает определенное обслуживание. Это
обслуживание обеспечивают один или более процессов, называемых серверами. После
окончания обслуживания они посылают ответ клиенту. Такой режим работы называют
режимом «запрос/ответ» или опросом. Процесс сервера обычно загружен постоянно и
обеспечивает обслуживание нескольких процессов клиентов.
Главное отличие между технологиями «хозяин-слуга» и «клиент-сервер» в том, что
процессы клиента и сервера равноправны, но выполняют разные функции.
Использование небольшого количества серверов, т.е. относительная централизация
ресурсов, улучшает управляемость системы по сравнению со случаем, когда каждый
компьютер сконфигурирован и как клиент и как сервер. Этот «вырожденный» случай
называется равноранговой технологией. Обычно равноранговая технология применяется
для совместного использования ресурсов (жестких дисков, CD-ROM и принтеров) в
распределенных информационных системах.
1.5.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
Обмен информацией между людьми требует, по крайней мере, двух партнеров,
которые понимают друг друга и обладают некоторыми общими знаниями. Этот обмен
может происходить только в том случае, если партнеры используют и соблюдают
некоторые правила. Обмен информацией можно представить в виде трехуровневой
коммуникационной модели (рис. 2.54), в которой предмет определяет цель обмена, язык
обеспечивает содержательную реализацию обмена, а средства позволяют передавать
между партнерами сигналы, используемые для обмена информацией.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 14 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Рис. 2.54. Представление обмена информации в виде трехуровневой модели
Примером реализации данной модели является телефонный разговор между
покупателем и продавцом какого-либо товара, в котором предметом является выработка
соглашения о цене купли или продажи, языком являются коммерческие термины русского
языка, используемые при купле-продаже товара, а средством передачи информации
является телефон.
Существенной особенностью данной модели является независимость уровней
данной модели друг от друга при обмене информацией, т.е. для реализации той же цели
обмена можно использовать другой язык (например, английский) не меняя остальных
уровней или (также не меняя остальных уровней) изменить телефон как средство
реализации обмена на непосредственный речевой контакт.
До начала обмена информацией необходимо установить и согласовать набор
правил, по которым будет осуществляться взаимодействие между партнерами.
Вследствие независимости уровней друг от друга необходимо установить правила
взаимодействия как между элементами двух соседних уровней, например, между языком
и средствами, а также между элементами одного и того же уровня у разных партнеров.
Хотя процесс обмена информацией между компьютерами является более сложным,
при его представлении используются те же принципы, т.е.
модель распределенной
сетевой информационной системы разбивается на уровни, каждый из которых выполняет
одну или несколько определенных функций. Эти уровни считаются логически
расположенными друг над другом, причем самые нижние уровни выполняют функции
физического соединения в сети, а самые верхние уровни относятся к прикладным задачам,
связанным с приемом и передачей информации в сети.
В конкретных реализациях сетей разными разработчиками использовалось
различное количество уровней, выполняющих разные наборы функций (примерами
являются четырехуровневая сеть Internet и пятиуровневая сеть SNA фирмы IBM).
С целью создания единой концепции обмена данными в распределенных ИС
Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for
Standardization) была разработана в 1984 году эталонная модель OSI – взаимосвязи
открытых систем (Open Systems Interconnection). Эта модель была разработана на
основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей за
предшествующий период.
В модели ISO задача передачи информации от одной прикладного процесса (или
задачи), функционирующего в компьютерной системе A, другому прикладному процессу
в компьютерной системе B, разбивается на семь более мелких иерархических подзадач,
называемых уровнями (layers), как показано на рис. 2.55.
Набор правил организации взаимодействия между соседними уровнями
(например, физическим и канальным) называется в модели OSI интерфейсом, а правила
взаимодействия между одинаковыми уровнями в разных узлах (например, между
канальным уровнем в компьютерной системе A и канальным уровнем в компьютерной
системе B) – протоколами.
В эталонной модели OSI определены следующие семь уровней сети: физический,
канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных и прикладной.
Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия компонент
сети.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 15 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Рис. 2.55. Эталонная модель открытых систем ISO
Физический уровень (Physical Layer) имеет дело с передачей битов по
физическим каналам связи, таким как телефонный канал, оптоволоконный кабель или
радиоканал. На этом уровне определяются характеристики электрических или оптических
сигналов, а также типы разъемов и назначение каждого контакта. Физический уровень
обеспечивает для канального уровня установление, поддержание и разрыв физического
соединения между двумя компьютерными системами, непосредственно связанными
между собой с помощью передающей среды.
Канальный уровень (Data Link Layer) управляет передачей данных по каналу
связи. На физическом уровне просто пересылаются биты. Однако в некоторых сетях
линии связи используются совместно. Поэтому одной из задач канального уровня
является проверка доступности передающей среды. Другой задачей канального уровня
является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого
передаваемые данные разбиваются на порции, называемые кадрами (frames). Канальный
уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную
последовательность битов в начало и конец каждого кадра для его выделения, а также
вычисляет контрольную сумму и помещает ее в кадр. Когда кадр приходит по сети,
получать заново вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с переданной
контрольной суммой. Если они совпадают, кадр считается правильным, иначе
фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только фиксировать ошибки, но и
исправлять их, повторно предавая поврежденные кадры.
Однако для обеспечения качественной передачи данных функций канального
уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой проблемы
возлагается на два следующих уровня – сетевой и транспортный.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 16 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Сетевой уровень (Network Layer) обеспечивает связь между двумя любыми
компьютерными системами сети, обменивающимися между собой данными. Другой
функцией сетевого уровня является маршрутизация данных.
Чтобы передать сообщение от отправителя к получателю, нужно пройти несколько
транзитных узлов, каждый раз, выбирая подходящий (оптимальный) маршрут. Наиболее
часто в качестве критерия оптимальности маршрута используется минимальное число
транзитных узлов, однако выбор маршрута может производиться и по другим критериям,
например, времени передачи или надежности передачи. Данные, передаваемые на сетевом
уровне, также разбиваются на порции, называемые на этом уровне пакетами, причем
каждый пакет может передаваться по своему маршруту.
На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны, а
в некоторых случаях могут появиться и дубликаты пакетов. Поэтому основной функцией
транспортного уровня (Transport Layer) является обеспечение надежной передачи
(транспортировку) данных между компьютерными системами сети для вышележащих
уровней.
Для этого используются механизмы для установки, поддержки и разрыва
виртуальных каналов (аналога выделенных телефонных каналов),
определения и
исправления ошибок при
передаче,
управления потоком данных (с целью
предотвращения переполнения или потерь данных).
Протоколы описанных выше четырех уровней ориентированы на передачу
данных. Их называют также протоколами нижних уровней, в отличие от протоколов
трех верхних уровней, обеспечивающих связь с прикладными задачами.
Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает установление, поддержание и
окончание сеанса связи для уровня представлений, а также возобновление аварийно
прерванного сеанса. На практике немногие прикладные задачи используют сеансовый
уровень, и он редко реализуется в виде отдельного протокола, хотя функции этого уровня
часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
Уровень представления данных (Presentation Layer) имеет дело с формой
представления передаваемых по сети данных, не меняя при этом их содержания. С
помощью этого уровня данные, передаваемые прикладным уровнем одной системы, будут
понятны прикладному уровню другой системы. В функции уровня представлений
входит преобразование кодов данных, их шифровка/расшифровка, а также сжатие и
распаковка передаваемых данных.
Прикладной уровень (Application Level) отличается от других уровней модели
OSI тем, что он обеспечивает услуги для прикладных задач. Этот уровень определяет
доступность прикладных задач и ресурсов для связи, синхронизирует взаимодействующие
прикладные задачи, устанавливает соглашения по процедурам восстановления при
ошибках и управления целостностью данных. Важными функциями прикладного уровня
является управление сетью, а также выполнение наиболее распространенных системных
прикладных задач: электронной почты, обмена файлами и других. Единица данных, с
которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).
Каждый уровень для решения своей подзадачи должен обеспечить выполнение
определенных моделью функций данного уровня, действий (услуг) для вышележащего
уровня и взаимодействовать с аналогичным уровнем в другой компьютерной системе.
Для того, чтобы уровень X в компьютерной системе B мог выполнить
необходимые действия над данными, к передаваемым данным в компьютерной системе A
на уровне X добавляется впереди управляющая информация, называемая заголовком.
Кроме того, в конце данных также добавляется служебная информация, называемая
концевиком.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 17 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Как показано на рис. 2.56, после формирования сообщения с заголовком и
концевиком, прикладной уровень направляет его уровню представлений. Протокол уровня
представлений на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня,
выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную
информацию заголовок и концевик уровня представлений, в которых содержатся указания
для уровня представлений системы-адресата. Полученное в результате сообщение
передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и
концевик, и т.д. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который и
передает его по каналам связи системе-адресату. К этому времени сообщение содержит
заголовки и концевики всех уровней.
Когда сообщение по сети поступает на систему-адресат, оно принимается ее
физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый
уровень анализирует и обрабатывает заголовок и концевик своего уровня (заголовки и
концевики верхних уровней рассматриваются как данные). После выполнения анализа и
обработки заголовок и концевик удаляется, и сообщение передается вышележащему
уровню.
Рис. 2.56. Обработка сообщений при передаче данных
Многие существующие
и все разрабатываемые протоколы и стандарты
межкомпьютерного взаимодействия базируются на семиуровневой модели OSI.
В настоящее время в рамках реализации эталонной модели ISO разработаны и
утверждены стандарты на все уровни модели, а также на отдельные прикладные
процессы.
Однако наряду со стандартами ISO отдельными крупными производителями
оборудования и программных средств, а также другими организациями разработаны и
реализованы протоколы и интерфейсы как на отдельные уровни модели и отдельные
выполняемые функции (например, маршрутизацию или управление сетью), так и на
все уровни ISO (архитектуру сети).
1.5.4. Основные компоненты распределенных информационных
систем
Распределенные информационные системы
содержат следующие основные
компоненты:
 DTE – оконечное оборудование данных (Data Terminal Equipment);
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 18 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
 DCE – оборудование окончания канала данных (Data Circuit-terminating
Equipment);
 DSE – оборудование коммутации данных (Data Switching Equipment);
 передающую среду.
DTE – это обобщенное понятие, используемое для описания системы конечного
пользования, в качестве которого может выступать компьютер или терминальное
устройство (любое устройство ввода-вывода или отображения информации).
Компьютеры в узлах сети иногда называют хост-машинами или просто хостами.
Основная функция DCE состоит в том, чтобы обеспечить доступ оконечному
оборудованию данных – DTE к передающей среде. Вначале DCE представляли собой
устройства, реализующие исключительно коммуникационные функции, однако в
последнее время в них включается также часть функций пользователя (например, сжатие
данных). Примером DCE может служить модем, выполняющий преобразование
сигналов из цифровой в аналоговую форму (модуляцию сигналов) и обратное
преобразование (демодуляцию) для передачи данных по телефонным каналам связи.
Другим примером DCE является плата для подкючения компьютера к локальной сети сетевой адаптер.
Основной функцией DSE является передача данных и, при необходимости,
коммутация и маршрутизация трафика (данных пользователя) в сети от источника к
адресату.
Примерами DSE являются концентратор (рис. 2.57а), на вход которого поступают
данные из нескольких источников (от каждого по своему каналу), а на выходе – канал, в
который передается суммарный поток данных от входных источников, и коммутатор
(рис. 2.57б), перенаправляющий потоки данных по разным каналам, в зависимости от
адресата данных или по какому-либо другому критерию.
а)
б)
Рис. 2.57. Устройства DSE: а) концентратор; б) коммутатор
Другие типы DSE: повторители, мосты, маршрутизаторы и шлюзы будут
рассмотрены далее.
Существует множество типов и видов DTE, DCE и DSE, однако следует
отметить, что для них не существует стандартизованных наименований и устройства,
называемые по-разному разными фирмами-изготовителями или разработчиками
сетевых протоколов, могут выполнять одинаковые функции, и наоборот, назначение
устройств с одинаковыми названиями может не совпадать у разных производителей и
разработчиков.
DTE вместе с DCE образуют узлы сети, а соединяющая их передающая среда и
DSE часто называется сетью передачи данных.
1.5.5. Типы и характеристики передающих сред
Для того, чтобы DCE могли связаться между собой в сеть, они должны быть
соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды (например,
проводной связью).
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 19 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях
являются:
 аналоговые телефонные каналы общего пользования;
 цифровые каналы;
 узкополосные и широкополосные кабельные каналы;
 радиоканалы и спутниковые каналы связи;
 оптоволоконные каналы связи.
Основными характеристиками канала связи являются:
 режим передачи (симплексный, полудуплексный, дуплексный);
 ширина полосы пропускания W = f2 - f1 (в герцах), где f2 и f1 – соответственно
верхняя и нижняя границы полосы пропускания;
 отношение сигнал/шум S/N (в децибелах), где S – средняя мощность сигнала, а
N – средняя мощность шума;
 максимальная скорость (емкость) (в битах/с), определяемая по формуле
Шеннона C = W log2(1 + S/N);
 максимально допустимая скорость модуляции (в бодах), определяемая по
формуле Найквиста Rmax=2W (если пренебречь величиной f1);
 достоверность передачи или средняя вероятность ошибки.
Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в
компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые
телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может
выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две
пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два DCE с
подключенными к ним DTE. Такие соединения называют выделенными линиями или
непосредственными соединениями (нс). Второй способ – это установление соединения с
помощью набора телефонного номера (с использованием коммутируемых линий).
Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше
(вероятность ошибки 10-4-10-5 по сравнению с 10-3-10-4 на коммутируемых каналах) и
соединение устанавливается быстрее (поскольку не нужно набирать номер и, кроме того,
ожидать освобождения канала, если телефонный номер занят или промежуточные линии
связи перегружены). Однако выделенная линия стоит значительно дороже (особенно для
междугородних соединений), чем оплата времени соединения по коммутируемым линиям.
Кроме того, на каждый выделенный канал необходимо свое DСЕ (хотя есть и
многоканальные DСЕ), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с
другими узлами одно DCЕ.
По мере роста трафика в сетях все сильнее стали проявляться недостатки
аналоговых каналов: низкая скорость, нерациональное использование полосы
пропускания и низкая достоверность передачи (особенно недопустимая при передаче
аудио и видеоданных). Особенно остро эта проблема стоит в странах СНГ и, в частности,
в Украине, где на отдельных направлениях очень плохое качество каналов связи даже на
небольших скоростях не может обеспечить приемлемого качества передачи.
Параллельно
с
использованием
аналоговых
телефонных
сетей
для
межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в
дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (т.е. телефонным
каналам, к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной
сети) – цифровым каналам.
Следует отметить, что, наряду с дискретными данными, по цифровому каналу
можно передавать и аналоговые информацию (голосовую, видео, факсимильную и т.д.),
преобразованную в цифровую форму.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 20 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при
использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать
взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР – Twisted
Pair).
Основными характеристиками витой пары являются:
 диаметр провода;
 затухание (в децибелах/км) на заданной частоте;
 сопротивление на заданной частоте.
Обычно провода в витой паре имеют диаметр 0,6 мм, затухание 10 дБ/км на
частоте 10 Кгц и 40 дБ/км на частоте 10 МГц и сопротивление, изменяющееся от
приблизительно 600 ом на частоте 1 Кгц до 100 ом на частоте 1 МГц.
Установлено, что при заданном диаметре затухание меньше при более высоком
сопротивлении. Для увеличения сопротивления обычно увеличивают толщину
изоляционного слоя или изменения его состава (таким способом сопротивление может
быть увеличено до 150 ом на частоте 1 МГц).
Кроме того, для защита от электромагнитного взаимодействия, витые пары могут
быть изолированы друг от друга с помощью тонкой металлической трубки, называемой
экраном, который особенно эффективен на высоких частотах (несколько МГц). Такие
витые пары обычно называют в спецификациях STP – экранированной витой парой
(Shielded Twisted Pair) в отличие от UTP – неэкранированной витой пары (Unshielded
Twisted Pair).
Кабельные каналы, или коаксиальные пары представляют собой два
цилиндрических проводника на одной оси, разделенные диэлектрическим покрытием.
Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 ом), используется главным образом,
для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75
ом) – для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и
широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой DSE или DCE,
позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких Мбит/с) в
аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях
(особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на
витых парах, а на больших расстояниях – оптововолоконными каналами связи.
Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн
различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и
сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с
труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.
Частоты, на которых функционирую радиосети за рубежом, обычно используют
диапазон 2-40 ГГц (в особенности диапазон 4-6 ГГц). Узлы в радиосети могут быть
расположены (в зависимости от используемой аппаратуры) на расстоянии до 100 км друг
от друга.
Спутники обычно содержат несколько усилителей (или транспондеров), каждый из
которых принимает сигналы в заданном диапазоне частот (обычно 6 или 14 ГГЦ) и
регенерирует их в другом частотном диапазоне (например, 4 или 12 ГГц). Для передачи
данных обычно используются геостационарные спутники, размещенные на
экваториальной орбите, на высоте 36000 км. Такое расстояние дает существенную
задержку сигнала (в среднем 270 мс) для компенсации которой используют специальные
методы.
Обмен данными по радиоканалам может вестись как с помощью аналоговых, так и
цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время
преимущественное развитие, т.к. позволяют объединить наземные участки цифровых
сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.
- 21 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-08
развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей
осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или
специальных устройств обмена данными.
Помимо обмена данными в радиодиапазоне последнее время для связи на
небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется и инфракрасное
излучение.
В оптоволоконных каналах связи используется известное из физики явления
полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки свете внутри
оптоволоконного кабеля на большие расстояния практически без потерь. В качестве
источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускающие диоды LED
(Light-Emitting Diode) или лазерные диоды, а в качестве приемников – фотоэлементы.
Основными преимуществами оптоволоконной связи являются:
 очень широкая полоса пропускания (до 1 ГГц), что обеспечивает большие
скорости передачи данных;
 низкая вероятность ошибки (меньше 10-10);
 малое затухание (порядка 1 дБ/км), что позволяет располагать усилители (в
протяженных каналах) на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга;
 защищенность от радиопомех, которым подвержены линии проводной связи и
радиосвязи;
 нечувствительность к температурным изменениям.
Различают два вида оптоволоконных кабелей: многомодовые и одномодовые.
Последние характеризуются значительно большей полосой пропускания, чем
многомодовые, однако более сложны при изготовлении (и, соответственно, имеют более
высокую стоимость). Кроме того, для генерации света в одномодовых кабелях могут
использоваться только лазерные диоды. Типичными характеристиками являются:
 для многомодового кабеля: ширина диапазона частот – 50 МГц, затухание 3
дБ/км (с источником LED с длиной волны 850 нм), что обеспечивает максимальную
длину кабеля (без усилителя) около 10 км;
 для одномодового кабеля: ширина диапазона частот – 100 ГГц, затухание 0,3
дБ/км (с источником – лазерным диодом с длиной волны 1550 нм), что обеспечивает
максимальную длину кабеля (без усилителя) более 100 км.
Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по
сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем не
только для связи на небольшие расстояния, но и на внутригородских и междугородных
участках.
Файл: 681465766 Создан: 06.02.1999 Модифицирован: 01.05.2016
Автор: Шонин В.А.