Современные коммуникационные технологии

 

Протокол TCP/IP. Сеть Интернет, являющаяся сетью сетей и объединяющая громадное количество различных локальных, региональных и корпоративных сетей, функционирует и развивается благодаря использованию единого протокола передачи данных TCP/IP. Термин TCP/IP включает название двух протоколов:

 

- Transmission Control Protocol - транспортный протокол;

 

- Internet Protocol - протокол маршрутизации.

 

Протокол маршрутизации. Протокол IP обеспечивает передачу информации между компьютерами сети. Передаваемая по сети информация "упаковывается в конверт", на котором "пишутся" IP-адреса компьютеров получателя и отправителя.

 

Содержимое пакета на компьютерном языке называется IP-пакетом и представляет собой набор байтов. IP-пакеты на пути к компьютеру-получателю проходят промежуточные серверы Интернета, на которых производится операция маршрутизации. В результате маршрутизации IP-пакеты направляются от одного сервера Интернета к другому, постепенно приближаясь к компьютеру получателю.

 

Internet Protocol (IP) обеспечивает маршрутизацию IP-пакетов, то есть доставку информации  от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.

 

Транспортный протокол. Теперь представим, что нам необходимо переслать по почте многостраничную рукопись, а почта бандероли и посылки не принимает. Идея проста: если рукопись не помещается в обычный почтовый конверт, её надо разобрать на листы и переслать их в нескольких конвертах. При этом листы рукописи необходимо обязательно пронумеровать, чтобы получатель знал, в какой последовательности потом эти листы соединить.

 

В Интернете часто случается аналогичная ситуация, когда компьютеры обмениваются большими по объему файлами. Если послать такой файл целиком, то он может надолго "закупорить" канал связи, сделать его недоступным для пересылки других сообщений.

 

Для того чтобы этого не происходило, на компьютере-отправителе необходимо разбить большой файл на мелкие части, пронумеровать их и транспортировать в отдельных IP-пакетах до компьютера-получателя. На компьютере-получателе необходимо собрать исходный файл из отдельных частей в правильной последовательности.

 

Transmission Control Protocol (TCP), то есть транспортный  протокол, обеспечивает разбиение файлов на IP-пакеты в процессе передачи и сборку файлов в процессе получения.

 

Интересно, что для IP-протокола, ответственного за маршрутизацию, эти пакеты совершенно никак не связаны между собой. Поэтому последний IP-пакет вполне может по пути обогнать первый IP-пакет. Может сложиться так, что даже маршруты доставки этих пакетов окажутся совершенно разными. Однако протокол TCP дождется первого IP-пакета и соберет исходный файл в правильной последовательности.

 

Электронная почта

 

Электронная почта - наиболее распространённый сервис интернета, т.к. является исторически первой информационной услугой компьютерных сетей и не требует обязательного наличия высокоскоростных и качественных линий связи.

 

Широкую популярность электронная почта завоевала потому, что имеет несколько серьезных преимуществ перед обычной почтой. Наиболее важное из них - это скорость пересылки сообщений. Если письмо по обычной почте может идти до адресата дни и недели, то письмо, посланное по электронной почте, сокращает время передачи до нескольких десятков секунд или, в худшем случае, до нескольких часов.

 

Другое преимущество состоит в том, что электронное письмо может содержать не только текстовое сообщение, но и вложенные файлы (программы, графику, звук и пр.). Однако не рекомендуется пересылать по почте слишком большие файлы, так как это замедляет работу сети. Для того чтобы этого не происходило, на некоторых почтовых серверах вводятся ограничения на размер пересылаемых сообщений.

 

Электронная почта позволяет:

 

-- посылать  сообщение сразу нескольким абонентам;

 

-- пересылать  письма на другие адреса;

 

-- включить  автоответчик, на все приходящие  письма будет автоматически отсылаться  ответ.

 

-- создавать  правила для выполнения определенных  действий с однотипными сообщениями (например, удалять рекламные сообщения -- включить автоответчик, на все приходящие письма будет автоматически отсылаться ответ. приходящие от определенных адресов) и т.д.

 

Адрес электронной почты. Для того чтобы электронное письмо дошло до адресата, оно, кроме самого сообщения, обязательно должно содержать адрес электронной почты получателя письма.

 

Первая часть почтового адреса имеет произвольный характер и задается самим пользователем при регистрации почтового ящика. Вторая часть является доменным именем почтового сервера, на котором пользователь зарегистрировал свой почтовый ящик.

 

Адрес электронной почты записывается по определенной форме и состоит из 2-х частей, разделенных символом @: user_name@server_name .

 

Адрес электронной почты записывается только латинскими буквами и не должен содержать пробелов. Например, почтовый сервер компании МТУ-Интел имеет имя mtu-net.ru. Соответственно имена почтовых ящиков пользователей будут иметь вид: user_name@mtu-net.ru .

 

Функционирование электронной почты. Любой пользователь Интернета может зарегистрировать почтовый ящик на одном из серверов Интернета (обычно на почтовом сервере провайдера), в котором будут накапливаться передаваемые и получаемые электронные письма.

 

Для работы с электронной почтой необходимы специальные почтовые программы, причем для любой компьютерной платформы существует большое количество почтовых программ. Почтовые программы входят в состав широко распространенных коммуникационных пакетов: Outlook Express входит в Microsoft Internet Explorer, Netscape Messenger - в Netscape Communicator.

 

С помощью почтовой программы создается почтовое сообщение на локальном компьютере. На этом этапе кроме написания текста сообщения необходимо указать адрес получателя сообщения, тему сообщения и вложить в сообщение при необходимости файлы.

 

Процесс передачи сообщения начинается с подключения к Интернету и доставки сообщения в свой почтовый ящик на удаленном почтовом сервере. Почтовый сервер сразу же отправит это сообщение через систему почтовых серверов Интернета на почтовый сервер получателя в его почтовый ящик.

 

Адресат для получения письма должен соединиться с Интернетом и доставить почту из своего почтового ящика на удаленном почтовом сервере на свой локальный компьютер. Почтовые программы обычно предоставляют пользователю также многочисленные дополнительные сервисы по работе с почтой (выбор адресов из адресной книги, автоматическую рассылку сообщений по указанным адресам и др.).

 

Телеконференции

 

В Интернете существуют десятки тысяч конференций или групп новостей, каждая из которых посвящена обсуждению какой-либо проблемы. Каждой конференции выделяется свой почтовый ящик на серверах Интернета, которые поддерживают работу этой телеконференции.

 

Пользователи могут посылать свои сообщения на любой из этих серверов. Сервера периодически синхронизируются, то есть обмениваются содержимым почтовых ящиков телеконференций, поэтому материалы конференций в полном объеме доступны пользователю на любом таком сервере.

 

Принцип работы в телеконференциях мало чем отличается от принципа работы с электронной почтой. Пользователь может посылать свои сообщения в любую телеконференцию и читать сообщения, посланные другими участниками.

 

Для работы в телеконференциях используют обычно те же самые почтовые программы, что и при работе с электронной почтой, например Outlook Express.

 

 

3. Современные высокоскоростные  коммуникационные технологии

 

Современные высокоскоростные технологии связи, применяемые для коммуникаций в высокопроизводительных вычислительных системах, можно разделить на несколько типов. Во-первых, это системы коммуникаций, разработанные специально для решения определенного класса задач на специально построенном суперкомпьютере. Такие технологии обычно имеют чрезвычайно высокую цену, хотя и обладают большой производительностью. К ним, в частности, можно отнести широко известные Cray-links, используемые в суперкомпьютерах фирмы Cray. Во-вторых, это технологии, традиционно предназначенные для использования в суперкомпьютерах, то есть фактически стандартное суперкомпьютерное решение. К этому типу можно отнести технологии HIPPI, SCI, Memory Channel. Наконец, последний тип систем связи - высокоскоростные технологии, предназначенные изначально для построения локальных сетей с высокой пропускной способностью или применяемые в области телекоммуникаций. Это Fast и Gigabit Ethernet, Myrinet, ATM и некоторые другие. Для современного российского пользователя и разработчика распределенных вычислительных систем наибольший интерес представляют два последних типа сред связи, поэтому данный обзор будет посвящен именно им.

 

HIPPI (High Performance Parallel Interface). Одна из наиболее старых высокоскоростных коммуникационных технологий, спецификация ее принята в 1989. Представляет собой технологию соединений типа «точка-точка», предназначена для однонаправленной связи двух устройств со скоростью 800 (используется 32-битный канал передачи) или 1600 (64-битный канал) Мбит/с при длине соединяющего кабеля не более 25 м. Это первая из технологий связи, объявивших гигабитную полосу пропускания. Используется не только для связи суперкомпьютеров, но и для построения высокоскоростных локальных сетей (расширение стандарта Serial HIPPI работает с оптоволоконными кабелями на расстояниях до 10 км). Недостатком является отсутствие стандартной поддержки мультикастинга, отсутствует также поддержка кэширования данных. Данная технология очень широко распространена в настоящее время, кроме того она достаточно проста и является хорошим примером того, насколько просто можно достичь гигабитных скоростей.

 

SCI (Scalable Coherent Interface). SCI (масштабируемый когерентный интерфейс) принят как стандарт в 1992. Предназначен для достижения высоких скоростей передачи с малым временем задержки, при этом обеспечивая масштабируемую архитектуру, позволяющую строить системы, состоящие из множества блоков. Представляет собой комбинацию шины и локальной сети, обеспечивает реализацию когерентности кэш-памяти, размещаемой в узле SCI, посредством механизма распределенных директорий, который улучшает производительность, скрывая затраты на доступ к удаленным данным в модели с распределенной разделяемой памятью. В отличие от HIPPI, данная технология оптимизирована для работы с динамическим трафиком, однако может быть менее эффективна при работе с большими блоками данных. Протокол передачи данных обеспечивает гарантированную доставку и отсутствие дедлоков. На коммуникационной технологии SCI основана система связи гиперузлов CTI (Convex Torroidal Interconnect) в системах HP/Convex Exemplar X-class, кроме того на ней построены кластерные системы SCALI Computer, системы семейства hpcLine компании Siemens, а также cc-NUMA сервера Data General и Sequent.

 

HS-Links (High-Speed Links). Данная технология была первоначально спроектирована для высокоскоростных ATM сетей, сейчас она используется, в частности, для соединения вычислительных узлов в суперкомпьютерах фирмы Parsytec. Она обеспечивает скорость передачи данных до 40 Мбайт/с и позволяет использовать гибкие коаксиальные кабели, что делает возможным ее применение в распределенных вычислительных системах. Сетевые адаптеры соединяются с процессорами через PCI-шину. Узлы соединяются посредством маршрутизатора, который использует алгоритм маршрутизации пакетов, называемый «чревоточиной» (wormhole). HS-Link маршрутизаторы поддерживаются операционными средами PARIX, Parsytec NanoKernel и AIX/EPX.

 

Myrinet. Как коммутируемая сеть, аналогичная по структуре сегментам Ethernet, соединенным с помощью коммутаторов, Myrinet может одновременно передавать несколько пакетов, каждый из которых идет со скоростью 1.28 Гбит/с. В отличие от некоммутированных Ethernet и FDDI сетей, которые разделяют общую среду передачи, совокупная пропускная способность сети Myrinet возрастает с увеличением количества машин. На сегодняшний день Myrinet чаще всего используют как локальную сеть (LAN) сравнительно небольшого физического размера, связывая вместе компьютеры внутри комнаты или здания. Myrinet также используется как системная сеть (System Area Network, SAN), которая может объединять компьютеры в кластер внутри стойки с той же производительностью, но с более низкой стоимостью, чем Myrinet LAN. Myrinet является открытым стандартом, компания Myricom предлагает широкий выбор сетевого оборудования по сравнительно невысоким ценам. Технология Myrinet дает большие возможности масштабирования сети и в настоящее время широко используется при построении высокопроизводительных вычислительных кластеров.

 

Raceway. Коммуникационная среда Raceway обеспечивает пропускную способность на уровне 1 Гбайт/с; среда передачи создается с помощью коммутатора фирмы Cypress и соответствующих сетевых адаптеров. Структуры вычислительных систем, создаваемых при помощи Raceway, аналогичны тем, которые применяются в случае использования сети Myrinet или коммутаторов и адаптеров SCI. Разница заключается в количестве портов коммутаторов, форматах передаваемых пакетов и в протоколах.

 

Memory Channel. Данная технология предназначена для эффективной организации кластерных систем на базе модели разделяемой памяти. Передачи через Memory Channel программируются как доступ в память, а не как доступ к внешним устройствам. Данная концепция организации межпроцессорного взаимодействия ориентирована на значительное уменьшение задержек, вызываемых обычно операционной системой, обслуживающей прием и передачу сообщений. Коммутаторы Memory Channel содержат серьезные ограничения, препятствующие масштабируемости сети. Протокол достаточно сложен, содержит развитые средства подтверждения доставки, что, по мнению разработчиков, должно гарантировать отсутствие потери пакетов. Fast Ethernet. Технология Fast Ethernet (100BaseT) является расширением стандарта Ethernet (10BaseT) с пропускной способностью от 10 Мбит/с до 100 Мбит/с. Технология Fast Ethernet стала достаточно популярной в последнее время для организации коммуникаций внутри вычислительных кластеров благодаря своей дешевизне и относительно большой скорости. Однако ее мощностей явно недостаточно для построения истинно универсальных кластеров, предназначенных для решения разных типов задач: как требующих больших вычислений, так и ориентированных на интенсивные межпроцессорные обмены.