Сети и сетевые структуры

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

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

• Мотивация использования сетей
• Топологии сетей
• Типы организации сетей
• Коммуникация в сетях.

Распределенные системы

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

увеличить изображение
Рис. 22.1. Распределенная система.

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

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

• Совместное использование ресурсов. Ресурсы, предоставляемые различными узлами (сайтами) сети, могут совместно использоваться всеми ее сайтами.
• Совместное использование и публикация файлов на удаленных сайтах. Сети позволяют пользователям публиковать информацию на удаленных сайтах для ее использования другими пользователями сети.
• Обработка информации в распределенной базе данных. С помощью сетей пользователям предоставляются удаленные и распределенные базы данных с разнообразной информацией из области бизнеса, экономики, образования, туризма и др.
• Использование удаленных специализированных устройств.Через сеть пользователи могут обращаться к специализированным устройствам, отсутствующим на их локальных компьютерах – например, принтерам.
• Ускорение вычислений – распределение загрузки. С использованием сети могут быть организованы распределенные вычисления, в которых каждый узел сети решает свою часть задачи, благодаря чему вычисления могут быть значительно ускорены.
• Надежность – обнаружение отказа машины, реинтеграция отказавшей машины. Сетевые архитектуры позволяют в случае сбоев или отказов одного из узлов сети (например, сервера) перераспределить его рабочую нагрузку на другой аналогичный узел сети и вывести дефектный узел из конфигурации сети, с целью его последующего ремонта или замены.
• Коммуникация – с помощью передачи сообщений. Сеть – удобный способ коммуникации, делового и личного общения.

Сетевые и распределенные операционные системы

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

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

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

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

• Миграция данных – передача данных по сети путем передачи целого файла, или передачи только тех частей данного файла, которые необходимы для выполнения непосредственно наиболее срочной задачи.
• Миграция вычислений – передача по сети вычислений, а не данных, всей остальной системе.
• Миграция процессов – исполнение процесса или его частей на удаленных машинах.

Преимущества миграции процессов:

• Балансировка загрузки – распределеннное выполнение процессов в сети.
• Ускорение вычислений – процессы могут исполняться параллельно на разных машинах.
• Потребность в оборудовании – для исполнения процесса может потребоваться какой-либо конкретный процессор.
• Потребность в программном обеспечении – требуемое программное обеспечение может быть доступно только на какой-либо конкретной машине.
• Доступ к данным – процесс исполняется удаленно, вместо того, чтобы пересылать все данные на локальную машину.

Сетевые топологии

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

• Базовая стоимость. Насколько дорогостоящим может быть соединение всех машин в системе?
• Стоимость коммуникации. Сколько времени требуется для посылки сообщения от машины A машине B?
• Надежность. Если соединение или машина отказывают, то могут ли, тем не менее, остальные машины нормально осуществлять коммуникацию?

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

Схемы на рис. 22.2 поясняют основные сетевые топологии.

Рис. 22.2. Сетевые топологии.

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

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

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

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