Вычислительные машины, сети и системы: модели и методы описания вычислительных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

№ 3063

Кафедра автоматизированных систем управления

И.В. Баранникова
А.Н. Гончаренко

Вычислительные машины,
сети и системы

Модели и методы описания
вычислительных систем

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва  2017

УДК 004 
 
Б24

Р е ц е н з е н т 

канд. техн. наук, доц. Л.В. Маркарян

Баранникова И.В.

Б24  
Вычислительные машины, сети и системы : модели и мето
ды описания вычислительных систем : учеб. пособие / И.В. Баранникова, А.Н. Гончаренко. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2017. – 72 с.

ISBN 978-5-906846-94-5

Учебное пособие посвящено современному состоянию и основным кон
цепциям развития ЭВМ, принципам построения и классификации вычислительных систем. Также в пособии представлены основные существующие на 
сегодняшний день модели и методы описания вычислительных систем. 

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготов
ки бакалавров 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», профили 
«Интеллектуальные системы обработки информации и управления», «Автоматизированные системы», «Системы автоматизированного проектирования и 
информационной поддержки изделий», а также изучающих современные информационные технологии и инфокоммуникационные системы и сети.

УДК 004

 И.В. Баранникова, 

А.Н. Гончаренко, 2017

ISBN 978-5-906846-94-5
 НИТУ «МИСиС», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..............................................................................................4
1. Модели вычислительных сетей ...........................................................5

1.1. Эталонная модель взаимодействия 
открытых систем ...................................................................................... 5
1.2. Уровни эталонной модели открытых систем ................................. 9
1.3. Основные термины и концепции вычислительных сетей ...........11
Контрольные вопросы  .......................................................................... 14

2. Вычислительные сети .........................................................................15

2.1. Классификация вычислительных сетей ....................................... 15
2.2. Основные понятия компьютерных сетей ..................................... 15
2.3. Глобальные вычислительные сети ................................................ 17
2.4. Компоненты вычислительной сети ............................................... 20
2.5. Беспроводные сети .......................................................................... 21
2.6. Radio-Ethernet .................................................................................. 24
2.7. Архитектура, компоненты сети и стандарты ............................... 29
2.8. Методы организации сети .............................................................. 33
2.9. Основные направления развития вычислительных сетей ......... 36
Контрольные вопросы ........................................................................... 42

Заключение ..............................................................................................43
Библиографический список ...................................................................44
Приложение. Принятые условные обозначения параметров ПК .......47

ПРЕДИСЛОВИЕ

На сегодняшний день в любой стране достижение высоких эко
номических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой 
деятельности. Несмотря на различие процессов информатизации в 
различных областях человеческой деятельности, ее объединяют три 
составляющие: единство основных средств производства (средства 
вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, 
подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции 
(информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека). Поэтому необходимость изучения студентами 
обучающихся по направлению подготовки бакалавра 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», профили «Интеллектуальные 
системы обработки информации и управления», «Автоматизированные системы», «Системы автоматизированного проектирования и информационной поддержки изделий» дисциплины «Вычислительные 
машины, сети и системы» объясняется местом, которое занимают 
ЭВМ в информатизации современного общества. 

Информационное обеспечение фирм, акционерных обществ, ву
зов, банков базируется на локальных сетях, которые связаны между 
собой в региональные и глобальные сети. Предметом дисциплины 
«Вычислительные машины, сети и системы» является изложение основ построения, выбора и обеспечения надежности информационновычислительных сетей. В предлагаемом пособии сделан акцент на 
особенности использования современных технических и программных средств построения локальных и глобальных сетей. Определенное место в пособии отведено методике выбора локальной сети.

1. МОДЕЛИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

1.1. Эталонная модель взаимодействия 

открытых систем

Исходя из позиций системного анализа, вычислительную сеть 

(компьютерная сеть) следует рассматривать как систему, обеспечивающую обмен данными между вычислительными устройствами (рабочие станции, серверы, маршрутизаторы и другое оборудование).

Перемещение информации между компьютерами различных схем 

является чрезвычайно сложной задачей. В начале 1980-х годов Международная организация по стандартизации (ISO) и Международный 
консультативный комитет по телеграфии и Телефонии (МККТТ), переименованный позже в Международный союз электросвязи (МСЭ), 
предложили концепцию модели сети, которая позволяет создавать реализации взаимодействующих сетей. Была разработана эталонная модель «Взаимодействие открытых систем» (ЭМВОС или OSI), описание 
которой приведено в рекомендациях Х.200 (МККТТ) и ISO 7498 (ISO).

OSI быстро стала основной архитектурной моделью для передачи 

межкомпьютерных сообщений. Несмотря на то что были разработаны другие архитектурные модели (в основном патентованные), большинство поставщиков сетей, когда им необходимо предоставить обучающую информацию пользователям поставляемых ими изделий, 
ссылаются на них как на изделия для сети, соответствующей эталонной модели. Эта модель действительно является самым лучшим средством для тех, кто изучает технологию вычислительных сетей.

Эталонная модель OSI делит проблему перемещения информации 

между компьютерами через среду сети на семь менее крупных, и, следовательно, более легко разрешимых проблем. Каждая из этих семи проблем выбрана потому, что она относительно автономна, и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию.

Каждая из семи областей проблемы решалась с помощью одного из 

уровней модели. Большинство устройств сети реализует все семь уровней. Однако в режиме потока информации некоторые реализации сети 
пропускают один или более уровней. Два самых низших уровня OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением; остальные пять 
высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.

Справочная модель OSI описывает, каким образом информация про
делывает путь через среду сети (например, провода) от одной прикладной 

программы (например, программы обработки крупноформатных таблиц) 
до другой прикладной программы, находящейся в другом компьютере. 
Так как информация, которая должна быть отослана, проходит вниз через 
уровни системы, по мере этого продвижения она становится все меньше 
похожей на человеческий язык и все больше похожей на ту информацию, 
которую понимают компьютеры, а именно «единицы» и «нули».

В качестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на 

рис. 1.1 имеет информацию для отправки в Систему В. Прикладная программа Системы А сообщается с Уровнем 7 Системы А (верхний уровень), который сообщается с Уровнем 6 Системы А, который в свою очередь сообщается с Уровнем 5 Системы А, и т.д. до Уровня 1 Системы 
А. Задача Уровня 1 – отдавать (а также забирать) информацию в физическую среду сети. После того, как информация проходит через физическую среду сети и поглащается Системой В, она поднимается через слои 
Системы В в обратном порядке (сначала Уровень 1, затем Уровень 2 и 
т.д.), пока она наконец не достигнет прикладную программу Системы В.

Хотя каждый из уровней Системы А может сообщаться со смежными 

уровнями этой системы, их главной задачей является сообщение с соответствующими уровнями Системы В. То есть главной задачей Уровня 1 
Системы А является связь с Уровнем 1 Системы В; Уровень 2 Системы 
А сообщается с Уровнем 2 Системы В и т.д. Это необходимо потому, что 
каждый уровень системы имеет свои определенные задачи, которые он 
должен выполнять. Чтобы выполнить эти задачи, он должен сообщаться 
с соответствующим уровнем в другой системе.

Рис. 1.1. Схема взаимосвязи двух систем

Уровневая модель OSI исключает прямую связь между соответ
ствующими уровнями других систем. Следовательно, каждый уровень Системы А должен полагаться на услуги, предоставляемые ему 
смежными уровнями Системы А, чтобы помочь осуществить связь с 
соответствующим ему уровнем Системы В. Взаимоотношения между 
смежными уровнями отдельной системы показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Взаимоотношения между смежными 

уровнями отдельной системы

Предположим, что Уровень 4 Системы А должен связаться с Уровнем 

4 Системы В. Чтобы выполнить эту задачу, Уровень 4 Системы А должен 
воспользоваться услугами Уровня 3 Системы А. Уровень 4 называется 
«пользователем услуг» (Service user), а Уровень 3 – «источником услуг» 
(Service provider). Услуги Уровня 3 обеспечиваются Уровню 4 в «точке 
доступа к услугам» (Service access points – SAP), которая представляет 
собой просто местоположение, в котором Уровень 4 может запросить 
услуги Уровня 3. Как видно из рис. 1.2, Уровень 3 может предоставлять 
свои услуги множеству объектов Уровня 4.

Уровень 4 Системы В узнает о том, что необходимо Уровню 4 Си
стемы А с помощью специфичных запросов соответствующих Уровней 
Системы А, которые запоминаются как управляющая информация, передаваемая между соответствующими уровнями в блоке, называемом 
заголовком; заголовок предшествует фактической прикладной информации. Например, предположим, что Система А хочет отправить в Систему В следующий текст (называемый «данные» или «информация»):

The small grey cat ran up the wall to try to catch the red bird.
Этот текст передается из прикладной программы Системы А в верх
ний уровень этой системы. Прикладной уровень Системы А должен 

передать определенную информацию в прикладной уровень Системы 
В, поэтому он помещает управляющую информацию (в форме кодированного заголовка) перед фактическим текстом, который должен быть 
передан. Этот информационный блок передается в Уровень 6 Системы 
А, который может предварить его своей собственной управляющей информацией. Размеры сообщения увеличиваются по мере того, как оно 
проходит вниз через уровни до тех пор, пока не достигнет сети, где 
оригинальный текст и вся связанная с ним управляющая информация 
перемещаются к Системе В, где они поглащаются Уровнем 1 Системы 
В. Уровень 1 Системы В отделяет заголовок Уровня 1 и прочитывает 
его, после чего он знает, как обрабатывать данный информационный 
блок. Слегка уменьшенный в размерах информационный блок передается в Уровень 2, который отделяет заголовок Уровня 2, анализирует его, чтобы узнать о действиях, которые он должен выполнить, и т.д. 
Когда информационный блок наконец доходит до прикладной программы Системы В, он должен содержать только оригинальный текст.

Концепция заголовка и собственно данных относительна и зависит 

от перспективы того уровня, который в данный момент анализирует 
информационный блок. Например, в Уровне 3 информационный блок 
состоит из заголовка Уровня 3 и следующими за ним данными. Однако 
данные Уровня 3 могут содержать заголовки Уровней 4, 5, 6 и 7. Кроме 
того, заголовок Уровня 3 является просто данными для Уровня 2. Эта 
концепция иллюстрируется на рис. 1.3. И наконец, не все уровни нуждаются в присоединении заголовков. Некоторые уровни просто выполняют трансформацию фактических данных, которые они получают, чтобы 
сделать их более или менее читаемыми для смежных с ними уровней.

Рис. 1.3. Концепция заголовка и собственно данных

Эталонная модель OSI не является реализацией сети. Она только 

определяет функции каждого уровня. В этом отношении она напоминает план для постройки любого сложного объекта. Точно также как 
для выполнения фактической работы по плану могут быть заключены 
контракты с любым количеством различных компаний, любое число 
поставщиков сети могут построить протокол реализации по спецификации протокола. И если этот план не будет предельно понятным, объекты, построенные различными компаниями, пользующимися одним и 
тем же планом, пусть незначительно, но будут отличаться друг от друга.

Частично эта разница вызвана неспособностью любой специфи
кации учесть все возможные детали реализации, а также неизбежно 
возникаюшие ошибки. Этим объясняется то, что реализация протокола Х одной компании не всегда взаимодействует с реализацией этого 
протокола, осуществленной другой компанией.

1.2. Уровни эталонной модели открытых систем

Каждый из семи уровней модели OSI имеет заранее заданный на
бор функций, которые он должен выполнить для того, чтобы связь 
могла состояться.

Прикладной уровень
Прикладной уровень – это самый близкий к пользователю уровень 

OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI; однако он обеспечивает ими 
прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. 
Примерами таких прикладных процессов могут служить программы 
обработки крупномасштабных таблиц, программы обработки слов, 
программы банковских терминалов и т.д.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие 

предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью 
информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Представительный уровень
Представительный уровень отвечает за то, чтобы информация, по
сылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для 
прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством фор

матов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Представительный уровень занят не только форматом и представ
лением фактических данных пользователя, но также структурами 
данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.

Сеансовый уровень
Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, 

управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными 
задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между 
объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной регуляции диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях 
о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень
Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть 

представлена как граница между протоколами прикладного уровня и 
протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.

Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспор
тировке данных, которые избавляют высшие слои от необходимости 
вникать в ее детали. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, 
поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных 
каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (в целях предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Сетевой уровень
Сетевой уровень – это комплексный уровень, который обеспечи
вает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным «подсетям», которые мо

гут находиться в разных географических пунктах. В данном случае 
«подсеть» – это, по сути, независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).

Так как две конечные системы, желающие организовать связь, может 

разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы 
маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

Канальный уровень
Канальный уровень (формально называемый информационно-ка
нальным уровнем, или уровнем звена передачи данных) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту 
задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в 
противоположность сетевой или логической адресации), топологии 
сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень
Физический уровень определяет электротехнические, механиче
ские, процедурные и функциональные характеристики активации, 
поддержания и дезактивации физического канала между конечными 
системами. Спецификации физического уровня определяют такие 
характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения 
напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и 
другие аналогичные характеристики.

1.3. Основные термины и концепции 

вычислительных сетей

Наука об объединении сетей (в том числе и вычислительных), как и 

другие науки, имеет свою собственную терминологию и научную базу.

Адресация
Существенным компонентом любой вычислительной системы, 

в частности вычислительной сети, является определение местонахождения компьютерных систем. Существуют различные схемы адресации, используемые для этой цели, которые зависят от используемого 
семейства протоколов. Другими словами, адресация AppleTalk отли