Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

¬˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ ÒËÒÚÂÏ˚,
ÒÂÚË Ë ÚÂÎÂÍÓÏÏÛÌË͇ˆËË

Москва, 2009

Чекмарев Ю. В.

Допущено учебнометодическим объединением
по образованию в области коммерции
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по специальностям
351400 «Прикладная информатика (в экономике)»;
080301 (351300) «Коммерция (торговое дело)»;
080111 (061500) «Маркетинг»;
032401 (350700) «Реклама»

Издание второе, исправленное и дополненное

УДК 681.142.2
ББК 32.97
Ч37

Чекмарев Ю. В.
Ч37
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Издание
второе, исправленное и дополненное. – М.: ДМК Пресс, 2009. –
184 с. : ил.

ISBN 9785940744597

В издании описываются принципы построения, архитектура и функциональная организация вычислительных систем, сетей и телекоммуникаций. Даны описания основных
устройств и звеньев вычислительных машин и телекоммуникационных вычислительных сетей. Рассмотрены их программное и аппаратное обеспечение, функционирование,
эффективность и перспективы развития. Показаны использование средств вычислительной техники в системах мультимедиа, сетевых технологиях, локальных, корпоративных и
глобальных сетях.
Учебное пособие предназначено для студентов нетехнических высших учебных заведений, обучающихся по экономическим и другим специальностям.

УДК 681.142.2
ББК 32.97

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами
без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не
может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные
ошибки, связанные с использованием книги.

© Чекмарев Ю. В., 2009
ISBN 9785940744597
© Оформление, ДМК Пресс, 2009

—Ó‰ÂʇÌËÂ

1. ¬‚‰ÂÌË .............................................................................. 6

1.1. Общие сведения о вычислительных системах, сетях и телекоммуникациях .................................................................................... 6

1.2. Понятие системы, сети и телекоммуникации .......................... 9

1.3. Классификация вычислительных систем .............................. 12

1.4. Понятие телекоммуникационных вычислительных сетей .... 15

2. ‘ËÁ˘ÂÒÍË ÓÒÌÓ‚˚ ‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı
ÔÓˆÂÒÒÓ‚ ............................................................................... 18

2.1. Понятие процесса. Прикладной процесс.
Управление взаимодействием прикладных процессов ................ 18

2.2. Понятие о системах телеобработки данных .......................... 22

2.3. Организация передачи данных ............................................. 25

2.4. Защита от ошибок. Абонентские пункты систем
телеобработки............................................................................... 29

2.5. Понятие модема ..................................................................... 32

3. ŒÒÌÓ‚˚ ÔÓÒÚÓÂÌˡ Ë ÙÛÌ͈ËÓÌËÓ‚‡Ìˡ
‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı χ¯ËÌ .................................................. 34

3.1. Общие принципы построения и архитектуры
вычислительных машин ............................................................... 34

3.2. Персональные ЭВМ ................................................................ 39

3.3. Информационнологические основы вычислительных
машин. Системы счисления ......................................................... 40

3.4. Представление информации в ЭВМ. Арифметические
и логические основы ЭВМ ............................................................. 43

4. ‘ÛÌ͈ËÓ̇θ̇ˇ Ë ÒÚÛÍÚÛ̇ˇ
Ó„‡ÌËÁ‡ˆËˇ ›¬Ã ............................................................... 49

4.1. Общие принципы функциональной и структурной
организации ЭВМ ......................................................................... 49

4.2. Центральный процессор ........................................................ 54

4.3. Основная память.................................................................... 57

Содержание
4

4.4. Периферийные устройства .................................................... 58
4.4.1. Внешние ЗУ .................................................................... 58
4.4.2. Устройства вводавывода .............................................. 61

4.5. Внешние устройства. Программное обеспечение .................. 65
4.5.1. Внешние устройства ...................................................... 65
4.5.2. Программное обеспечение ЭВМ ..................................... 70

5. ŒÒÓ·ÂÌÌÓÒÚË Ë Ó„‡ÌËÁ‡ˆËˇ
ÙÛÌ͈ËÓÌËÓ‚‡Ìˡ ‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı χ¯ËÌ
‡Á΢Ì˚ı Í·ÒÒÓ‚............................................................ 75

5.1. Развитие и перспективы ЭВМ ................................................ 75

5.2. Тактикотехнические данные ЭВМ ........................................ 79

5.3. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные
системы ........................................................................................ 81

5.4. Типовые вычислительные структуры
и их программное обеспечение ..................................................... 84

6.  ·ÒÒËÙË͇ˆËˇ Ë ‡ıËÚÂÍÚÛ‡
‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı ÒÂÚÂÈ (¬—) .......................................... 89

6.1. Техническое и информационное обеспечение ВС .................. 89

6.2. Программное обеспечение ВС ................................................ 93

6.3. Архитектура ВС...................................................................... 97

6.4. Кластеризация и организация функционирования ВС ....... 101

7. —ÚÛÍÚÛ‡ Ë ı‡‡ÍÚÂËÒÚËÍË ÒËÒÚÂÏ
ÚÂÎÂÍÓÏÏÛÌË͇ˆËÈ ........................................................... 105

7.1. Принцип построения телекоммуникационных
вычислительных сетей и их характеристика ............................. 105

7.2. Управление взаимодействием прикладных процессов ........ 109

7.3. Протоколы передачи данных нижнего уровня .................... 111

7.4. Цифровые сети связи ........................................................... 117

7.5. Электронная почта .............................................................. 123

8. “ÂÎÂÍÓÏÏÛÌË͇ˆËÓÌÌ˚ ÒËÒÚÂÏ˚....................... 127

8.1. Основные сведения о телекоммуникационных сетях .......... 127

Содержание

8.2. Коммутация в сетях и маршрутизация пакетов в сетях ...... 130

8.3. Различные сети и технологии ТКС ....................................... 134

8.4. Локальные вычислительные сети (ЛВС) .............................. 146

8.5. Корпоративные вычислительные сети (КВС) ...................... 152

8.6. Сети интранет...................................................................... 159

8.7. Глобальная вычислительная сеть (ГВС)............................... 160

9. ›ÙÙÂÍÚË‚ÌÓÒÚ¸ ÙÛÌ͈ËÓÌËÓ‚‡Ìˡ
ÚÂÎÂÍÓÏÏÛÌË͇ˆËÓÌÌ˚ı ‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı
ÒÂÚÂÈ Ë ÔÂÒÔÂÍÚË‚˚ Ëı ‡Á‚ËÚˡ ............................ 169

9.1. Понятие эффективности функционирования
телекоммуникационных вычислительных сетей
и методология ее оценки ............................................................. 169

9.2. Показатели эффективности функционирования ТВС
и пути ее повышения .................................................................. 173

9.3. Перспективы развития вычислительных средств ............... 178

9.4. Технические средства человекомашинного интерфейса..... 182

1.1. Œ·˘Ë ҂‰ÂÌˡ Ó ‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı
ÒËÒÚÂχı, ÒÂÚˇı Ë ÚÂÎÂÍÓÏÏÛÌË͇ˆËˇı
омпьютерные сети, называемые также «вычислительными
сетями», или «сетями передачи данных», являются логическим результатом эволюции двух важнейших научнотехнических отраслей современной цивилизации – компьютерных и телекоммуникационных технологий. С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных
систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет
набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой –  компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния,
для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.
Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями или
проводами, рканалами и оптическими коммуникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управлением
системного и прикладного программного обеспечения.
Хронологически первыми появились «глобальные сети». Они
объединяют компьютеры, рассредоточенные на расстоянии сотен
и тысяч километров. Традиционные глобальные компьютерные
сети очень многое унаследовали от телефонных сетей. В основном
они предназначены для передачи данных. В них часто используют¬‚‰ÂÌËÂ

Общие сведения о вычислительных системах

ся уже существующие не очень качественные телефонные линии
связи, что приводит к более низким, чем в локальных сетях, скоростям передачи данных и обеспечивает набор предоставляемых услуг передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты.
Локальные сети сосредоточены на территории не более 1–2 км;
построены с использованием дорогих высококачественных линий
связи, которые позволяют, применяя более простые методы передачи данных, чем в глобальных сетях, достичь высоких скоростей
обмена данными порядка 100 Мбит/с. Предоставляемые услуги отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме подключения online.
В конце 80х гг. локальные и глобальные сети имели существенные отличия по протяженности и качеству линий связи, сложности
методов передачи данных, скорости обмена данными, разнообразию услуг и масштабируемости. В дальнейшем в результате тесной
интеграции локальных и глобальных сетей произошло взаимопроникновение соответствующих технологий.
Одним из проявлений сближения локальных и глобальных сетей
является появление сетей масштаба большого города, занимающих
промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. Региональные или городские сети предназначены для обслуживания территории крупного города. При достаточно больших
расстояниях между узлами (десятки километров) они обладают качественными линиями связи и высокими скоростями обмена, иногда даже более высокими, чем в традиционных локальных сетях.
Они обеспечивают экономическое соединение локальных сетей
между собой, а также выход в глобальные сети.
В настоящее время все большее распространение получили «корпоративные сети». Корпоративная сеть (Intranet) – это сеть на уровне
компании, предприятия, главным назначением которой является
поддержание работы этой компании, предприятия. Пользователями корпоративной сети являются только сотрудники данного предприятия.
Тенденция сближения различных типов сетей характерна не
только для локальных и глобальных компьютерных сетей, но и для
телекоммуникационных сетей других типов. К телекоммуникационным сетям, кроме компьютерных, относятся телефонные сети,
радиосети и телевизионные сети. Во всех них в качестве ресурса,
предоставляемого клиентам, выступает информация.
Телефонные сети оказывают «интерактивные услуги» (interactive
services), так как два абонента, участвующие в разговоре (или несколько абонентов, если это конференция или циркулярная связь),
попеременно проявляют активность.

Введение
8

Радиои телевизионные сети оказывают «широковещательные
услуги» (broadcast service), при этом информация распространяется
только в одну сторону – из сети к абонентам, по схеме «один ко многим» (pointtomultipoint).
Конвергенция телекоммуникационных сетей идет по многим направлениям.
Прежде всего наблюдается «сближение видов услуг», предоставляемых клиентам. Компьютерные сети изначально разрабатывались для передачи алфавитноцифровой информации, которую
часть называют просто данными (data), в результате у компьютерных сетей имеется и другое название – «сети передачи данных» (data
network). Телефонные сети и радиосети созданы для передачи только голосовой информации, а телевизионные передают голос и изображение.
Первая попытка создания универсальной, так называемой мультисервисной сети, способной оказывать различные услуги, в том
числе услуги телефонии и передачи данных, привела к появлению
технологии цифровых сетей с интегральными услугами – ISDN
(Integrated Service Digital Network).
Технология сближения сетей происходит сегодня на основе цифровой передачи информации различного типа, метода коммутации
пакетов и программирования услуг. Телефония уже давно сделала
ряд шагов навстречу компьютерным сетям. Прежде всего за счет
представления голоса в цифровой форме, что делает принципиально возможным передачу телефонного и компьютерного трафика по
одним и тем же цифровым каналам (телевидение также может сегодня передавать изображение в цифровой форме). Телефонные
сети широко используют комбинацию методов коммутации каналов и пакетов.
Сегодня пакетные методы коммутации постепенно теснят традиционные для телефонных сетей методы коммутации каналов даже
при передаче голоса. У этой тенденции есть достаточно очевидная
причина – на основе коммутации пакетов можно более эффективно
использовать пропускную способность каналов связи и коммутационного оборудования.
Однако неверно было бы говорить, что методы коммуникации
каналов морально устарели и у них нет будущего. На новом витке
спирали развития они находят свое применение, но только в других
формах. Так, их используют сверхскоростные магистрали DWDM
(Dense Wave Division Multiplexing – технология спектрального – до
100 Гбит/с –  мультиплексирования), где коммутация происходит
на уровне спектральных каналов.

Понятие системы, сети и телекоммуникации

1.2. œÓÌˇÚË ÒËÒÚÂÏ˚, ÒÂÚË Ë
ÚÂÎÂÍÓÏÏÛÌË͇ˆËË

Сеть – network – взаимодействующая совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных.
Различают два понятия сети: коммуникационная сеть и информационная сеть.
Первая в основном предназначена для передачи данных и, кроме
этого, обеспечивает дополнительный сервис (VAS – ValueAddedService). Более того, она нередко выполняет и задачи, связанные
с преобразованием данных. Например, сборку потоков символов
в пакеты и разборку пакетов на потоки символов. Благодаря интеграции обработки и передачи данных строятся интеллектуальные сети. Сети объединяются друг с другом, образуя ассоциации.
Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения.
Информационная сеть создается подключением к коммуникационной сети абонентских систем. При этом на базе коммуникационной сети может быть построена не только одна, но и группа информационных сетей (рис. 1).

Рис. 1. Информационные и коммуникационные сети

Введение
10

Под системой понимают любой объект, который одновременно
рассматривается и как единое целое, и как объединенная в интересах достижения поставленной цели совокупность разнородных
элементов.
Системы значительно отличаются между собой как по составу,
так по главным целям.
Информационная система – человекокомпьютерная система
для поддержки принятия решений в производстве информационных продуктов, использующая компьютерную информационную
технологию.
Несмотря на то что различия между компьютерными, телефонными, телевизионными и первичными сетями, безусловно, существенны, все эти сети на достаточно высоком уровне абстракции
имеют подобные структуры. Телекоммуникационная сеть в общем
случае состоит из следующих компонентов (рис. 2):

•
сети доступа (access network);
•
магистральной сети, или магистрали (core network, или backbone);
•
информационных центров, или центров управления сервисами (data centers, или service control point).

Как сеть доступа, так и магистральная сеть сроятся на основе
коммутаторов.

Рис. 2. Структура телекоммуникационной сети

Каждый коммутатор оснащен некоторым количеством портов,
которые соединяются с портами других коммутаторов «каналами
связи».
Сеть доступа составляет нижний уровень иерархии телекоммуникационной сети. К этой сети подключаются «конечные (терминальные) узлы» – оборудование, установленное у пользователей
(абонентов, клиентов) сети. В случае компьютерной сети конечными узлами являются компьютеры, телефонной – телефонные аппараты, а телевизионной или радиосети – соответствующие телеи
радиоприемники.
Основное назначение сети доступа – концентрация информационных потоков, поступающих по многочисленным каналам связи
от оборудования пользователей, в сравнительно небольшом количестве узлов магистральной сети. Сеть доступа, как и телекоммуникационная сеть в целом, может состоять из нескольких уровней (на
рис. 2 их показано два). Коммутаторы, установленные в узлах нижнего уровня, мультиплексируют информацию, поступающую по
многочисленным абонентским каналам, называемым часто «абонентскими окончаниями» (local loop), и передают ее коммутаторам
верхнего уровня, чтобы те, в свою очередь, передали ее коммутаторам магистрали.
Количество уровней сети доступа зависит от ее размера, небольшая
сеть доступа может состоять из одного уровня, а крупная – из двухтрех. Следующие уровни осуществляют дальнейшую концентрацию
трафика, собирая его и мультиплексируя в более скоростные каналы.
Магистральная сеть объединяет отдельные сети доступа, выполняя функции транзита трафика между ними по высокоскоростным
каналам.
Коммутаторы магистрали могут оперировать не только с информационными пользователями, но и с агрегированными информационными потоками, переносящими данные большого количества
пользовательских соединений. В результате информация с помощью магистрали попадает в сеть доступа получателей, демультиплексируется там и коммутируется таким образом, что на входной
порт оборудования пользователя поступает только та информация,
которая ему адресована.
Информационные центры, или центры управления сервисами, –
это собственные информационные ресурсы сети, на основе которых осуществляется обслуживание пользователей. В таких центрах
может храниться информация двух типов:

•
пользовательская информация, то есть та, которая непосредственно интересует конечных пользователей сети;
•
вспомогательная служебная информация, помогающая предоставлять некоторые услуги пользователям.

Понятие системы, сети и телекоммуникации

Введение
12

Примером информационных ресурсов первого типа могут служить Webпорталы (WorldWideWeb – служба глобального соединения), на которых расположена разнообразная справочная и
новостная информация. В телефонных сетях такими центрами являются службы экстренного вызова (милиция, скорая помощь) и
справочные службы.
Ресурсами второго типа являются, например, различные системы аутентификации и авторизации пользователей, с помощью которых проверяются права пользователей на получение тех или
иных услуг.

1.3.  ·ÒÒËÙË͇ˆËˇ ‚˚˜ËÒÎËÚÂθÌ˚ı ÒËÒÚÂÏ

Под вычислительной системой (ВС) понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Естественно, вычислительная система должна оставаться интерактивной, то есть обеспечивать каждому пользователю возможность оперативного взаимодействия с системой на всех этапах решения задач.
Создание ВС преследует следующие основные цели:

•
повышение производительности системы за счет ускорения
процессов обработки данных;
•
повышение надежности и достоверности вычислений;
•
предоставление пользователям дополнительных сервисных
услуг.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

•
возможность работы в разных режимах;
•
модульность структуры технических и программных средств
совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
•
унификация и стандартизация технических и программных
решений;
•
иерархия в организации управления процессами;
•
способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
•
обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

Структура ВС – это совокупность комплексируемых элементов и
их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и
процессоры.

Классифицируют ВС по:

•
целевому назначению и выполняемым функциям;
•
типам и числу ЭВМ или процессоров;
•
архитектуре системы;
•
режимам работы;
•
методам управления элементами системы;
•
степени разобщенности элементов ВС.

По назначению ВС делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначены для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на
решение узкого класса задач.
По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и многопроцессорные.
В эпоху централизованного использования ЭВМ с пакетной обработкой информации пользователи предпочитали приобретать
компьютеры, на которых можно было бы решать почти все классы
их задач. Однако принцип централизованной обработки данных не
отвечал всем требованиям к надежности процесса обработки, затруднял развитие систем и не мог обеспечить необходимые временные параметры при диалоговой обработке данных в многопользовательском режиме. Кратковременный выход из строя центральной
ЭВМ приводит к негативным последствиям, так как приходится
дублировать функции центральной ЭВМ.
Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Для этих целей используется
комплекс машин, схематически показанный на рис. 3а.
Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивают режим повышенной надежности для периферийных устройств (Пф.У). При
этом одна из машин выполняет вычисления, а другая находится в «горячем» или «холодном» резерве, то есть в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 электронного ключа соответствует случаю,
когда обе машины обеспечивают параллельный режим вычислений.
Здесь возможны две ситуации:

•
обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения. Тем самым обеспечивается режим
повышенной достоверности, уменьшается вероятность появления ошибок в результатах вычислений;
•
обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена информацией
между машинами сохраняется. Этот вид работы относится
к режиму повышенной производительности.

Классификация вычислительных систем