Nowoczesne systemy transmisji informacji - ϶ᴛᴏ sieci komputerowe. Zbiór wszystkich abonentów sieci komputerowej nazywany jest siecią abonencką. Środki komunikacji i transmisji danych tworzą sieć transmisji danych (rys. 2.1).

Ryż. 2.1 - Schemat blokowy sieci komputerowej.

Sieć transmisji danych składa się z wielu rozproszonych geograficznie węzłów komutacyjnych połączonych ze sobą oraz z abonentami sieci wykorzystującymi różne kanały komunikacyjne.

Węzeł przełączający to zespół narzędzi sprzętowych i programowych, które zapewniają przełączanie kanałów, wiadomości lub pakietów. Pod pojęciem przełączania rozumie się w tym przypadku procedurę dystrybucji informacji, w której strumień danych docierający do węzła jednym kanałem komunikacyjnym jest transmitowany z węzła innymi kanałami komunikacyjnymi, z uwzględnieniem wymaganej trasy transmisji.

Hub w sieci transmisji danych to urządzenie, które łączy obciążenie kilku kanałów transmisji danych w celu późniejszej transmisji na mniejszej liczbie kanałów. Zastosowanie koncentratorów pozwala na obniżenie kosztów organizacji kanałów komunikacji łączących abonentów z siecią transmisji danych.

Kanał komunikacyjny to zespół środków technicznych i nośnika dystrybucji, który zapewnia transmisję dowolnego przekazu od źródła do odbiorcy za pomocą sygnałów telekomunikacyjnych.

Struktura sieci komputerowej, zbudowana na zasadzie organizacji wymiany informacji poprzez węzły komutacyjne sieci transmisji danych, zakłada, że ​​abonenci sieci nie mają między sobą bezpośrednich (dedykowanych) kanałów komunikacyjnych, lecz są połączeni z najbliższym węzłem komutacyjnym i poprzez go (i inne węzły pośrednie) z dowolnym innym abonentem tej lub nawet innej sieci komputerowej.

Zaletami budowania sieci komputerowych z wykorzystaniem węzłów komutacyjnych sieci transmisji danych są: znaczne zmniejszenie łącznej liczby kanałów komunikacyjnych i ich długości ze względu na brak największego znaczenia organizowania kanałów bezpośrednich pomiędzy różnymi abonentami sieci; wysoki stopień wykorzystania przepustowości kanałów komunikacyjnych dzięki wykorzystaniu tych samych kanałów do przesyłania różnego rodzaju informacji między abonentami sieci; możliwość ujednolicenia rozwiązań technicznych w zakresie narzędzi wymiany oprogramowania i sprzętu dla różnych abonentów sieci, w tym stworzenie integralnych węzłów usługowych zdolnych do przełączania przepływów informacji zawierających sygnały danych, głosu, telefaksu i wideo.

Obecnie w sieciach danych stosuje się trzy metody przełączania: przełączanie obwodów, przełączanie komunikatów i przełączanie pakietów.

Podczas przełączania kanałów w sieci tworzone jest bezpośrednie połączenie poprzez utworzenie kanału transmisji danych typu end-to-end (bez pośredniego gromadzenia informacji podczas transmisji). Fizyczne znaczenie przełączania kanałów polega w istocie na tym, że przed rozpoczęciem transmisji informacji w sieci przez węzły przełączające zostaje ustanowione bezpośrednie połączenie elektryczne między abonentem-nadawcą a odbiorcą wiadomości. Takie połączenie jest nawiązywane przez wysłanie przez nadawcę specjalnej wiadomości-wywołanie, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ zawiera numer (adres) wywoływanego abonenta͵ i podczas przechodzenia przez sieć zajmuje kanały komunikacyjne na całej ścieżce późniejszej transmisji wiadomości . Oczywiście podczas przełączania kanałów wszystkie elementy utworzonego kanału komunikacji od końca do końca muszą być wolne. Jeżeli połączenie nie jest realizowane w żadnej części sieci (np. nie ma wolnych kanałów między węzłami komutacyjnymi tworzącymi tor transmisji komunikatów), to abonentowi wywołującemu odmawia się nawiązania połączenia i dla sieci jego połączenie jest uważana za utraconą transmisję wiadomości, nadawca-abonent musi powtórzyć połączenie

Po nawiązaniu połączenia abonent wysyłający otrzymuje wiadomość, że może rozpocząć transmisję danych. Podstawową cechą przełączania łączy jest to, że wszystkie kanały zajęte podczas nawiązywania połączenia są wykorzystywane w procesie transmisji danych jednocześnie i są zwalniane dopiero po zakończeniu transferu danych między abonentami. Typowym przykładem sieci z komutacją łączy jest sieć telefoniczna.

Podczas przełączania komunikatów komunikat jest odbierany i akumulowany w węźle komutacyjnym, a następnie przeprowadzana jest jego kolejna transmisja. Z tej definicji wynika główna różnica między przełączaniem komunikatów a przełączaniem obwodów, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ zasadniczo polega na tym, że podczas przełączania komunikatów komunikaty są przechowywane pośrednio w węzłach przełączających i przetwarzane (określanie priorytetu komunikatów, propagacja multiemisji, nagrywanie i archiwizacja komunikatów itp. ). Aby przetwarzać wiadomości, muszą mieć format akceptowalny w sieci, czyli taki sam rodzaj rozmieszczenia poszczególnych elementów wiadomości. Wiadomość od abonenta najpierw dociera do węzła komutacyjnego sieci, z którym ten abonent jest połączony. Ponadto węzeł przetwarza wiadomość i określa kierunek jej dalszej transmisji, biorąc pod uwagę adres. Jeżeli wszystkie kanały w wybranym kierunku transmisji są zajęte, to wiadomość czeka w kolejce na moment zwolnienia żądanego kanału. Po dotarciu wiadomości do węzła sieci, do którego podłączony jest subskrybent odbiorcy, wiadomość zostaje mu przekazana w całości za pośrednictwem kanału komunikacyjnego między tym węzłem a subskrybentem. Τᴀᴋᴎᴍ , podczas przechodzenia przez sieć wiadomość zajmuje w danym momencie tylko jeden kanał komunikacyjny.

Przełączanie pakietów jest definiowane jako rodzaj przełączania komunikatów, w którym komunikaty są dzielone na części zwane pakietami i przesyłane, odbierane i przechowywane jako takie pakiety danych.

Pakiety te są ponumerowane i opatrzone adresami, co pozwala na jednoczesne i niezależne przesyłanie ich w sieci.

Lokalne i globalne sieci komputerowe i technologie do ich wykorzystania w nauczaniu dzieci w wieku szkolnym

Nowoczesny system ogólnokształcącego szkolnictwa średniego, wszystkie zawarte w nim obszary edukacyjne, w taki czy inny sposób, mają na celu rozwijanie umiejętności pracy z informacją u uczniów. To nie przypadek, że w większości programów państwowych, które określają priorytetowe obszary rozwoju edukacji w Federacji Rosyjskiej, szczególną uwagę zwraca się na kształtowanie ogólnych umiejętności edukacyjnych i ogólnokulturowych dla uczniów do pracy z informacjami i sposobami ich przetwarzania, która staje się głównym rdzeniem aktywności zawodowej absolwentów uczelni w społeczeństwie informacyjnym, niezbędnym składnikiem kultury informacyjnej. Z kolei chęć kształtowania kultury informacyjnej wśród przyszłych absolwentów prowadzi do ukierunkowania kształcenia ogólnego na zdobywanie przez studentów wiedzy o telekomunikacji i mediach, wykorzystania telekomunikacji do zdobywania różnorodnej wiedzy i twórczego wyrażania siebie, oceny wiarygodność informacji, rozwój krytycznego myślenia, korelacja informacji i wiedzy, umiejętność właściwej organizacji procesu informacyjnego, oceny i zapewnienia bezpieczeństwa informacji.
Systemy telekomunikacyjne mają pierwszorzędne znaczenie nie tylko w systemie ogólnokształcącego szkolnictwa średniego, ale odgrywają fundamentalną rolę w prawie wszystkich sferach życia społecznego. Na poziomie rozwoju telekomunikacyjnej przestrzeni informacyjnej największy ślad pozostawia poziom rozwoju pierwotnych sieci komunikacyjnych oraz poziom rozwoju sieciowych technologii informacyjnych, które słusznie można uznać za technologie przekazywanie informacji.
Pod sieć komunikacji zrozumieć całość przewodowych, radiowych, optycznych i innych kanałów komunikacyjnych, specjalistycznego sprzętu tworzącego kanały, a także centrów i węzłów komunikacyjnych, które zapewniają funkcjonowanie tej sieci. W prawie wszystkich nowoczesnych sieciach komunikacyjnych wykorzystywanych do tworzenia systemów teleinformatycznych kilka odcinków sieci różniących się charakterystyką występuje jednocześnie i współpracuje ze sobą. Okoliczności te w dużej mierze determinują strategię i taktykę tworzenia i wykorzystywania sieciowych technologii informacyjnych.
Sieciowe technologie informacyjne rozwijane równolegle z rozwojem kanałów komunikacji. Na początku ubiegłego wieku podstawę telegraficznych i telefonicznych sieci łączności stanowiły analogowe kanały łączności przewodowej i radiowej, które następnie, wraz z rozwojem mikroelektroniki, coraz częściej zaczęto zastępować cyfrowymi światłowodowymi liniami łączności, które mają znacznie wyższą charakterystykę pod względem jakości i szybkości przesyłania informacji. Powstała koncepcja technologii telekomunikacyjnych, która łączy metody racjonalnej organizacji pracy systemów telekomunikacyjnych.
Systemy telekomunikacyjne stosowane dziś w systemie liceum ogólnokształcącego opierają się z reguły na różnych połączeniach między komputerami. Podłączone komputery można oglądać z różnych perspektyw. Z jednej strony integracja komputerów to: śieć komputerowa. Z drugiej strony jest środkiem przekazywania informacji w przestrzeni, sposobem organizowania komunikacji międzyludzkiej. To właśnie dzięki tej właściwości sieci komputerowe coraz częściej nazywane są sieciami telekomunikacyjnymi, podkreślając tym samym ich przeznaczenie, a nie cechy ich urządzenia.
Wyróżnić

· lokalne i globalne sieci telekomunikacyjne. Z reguły sieć lokalna to sieć, która łączy komputery znajdujące się w tym samym budynku, jednej organizacji, w obrębie dzielnicy, miasta lub kraju. Innymi słowy, najczęściej sieć lokalna to sieć o ograniczonej przestrzeni. Sieci lokalne są powszechne w edukacji. Większość szkół i innych instytucji edukacyjnych ma komputery podłączone do sieci lokalnej. Jednocześnie nowoczesne technologie umożliwiają podłączenie poszczególnych komputerów znajdujących się nie tylko w różnych pomieszczeniach czy budynkach, ale znajdujących się na różnych kontynentach. To nie przypadek, że można spotkać placówki edukacyjne mające oddziały w różnych krajach, których komputery są podłączone do sieci lokalnych. Ponadto sieci lokalne mogą również łączyć komputery różnych instytucji edukacyjnych, co pozwala mówić o istnieniu sieci lokalnych w dziedzinie edukacji.
W przeciwieństwie do sieci lokalnych, sieci globalne nie mają ograniczeń przestrzennych. Do globalnej sieci można podłączyć dowolny komputer. Każdy może uzyskać dostęp do informacji zamieszczonych w tej sieci. Najbardziej znanym przykładem globalnej sieci telekomunikacyjnej jest Internet (INTERNET), do którego dostęp ma coraz więcej szkół średnich. Internet nie jest jedyną globalną siecią telekomunikacyjną. Są inne, takie jak sieć FIDO czy sieć SPRINT.
Tak więc większość szkół i innych placówek oświatowych ogólnokształcącego systemu szkolnictwa średniego posiada zarówno sieci lokalne, jak i możliwość korzystania z sieci globalnych.
Przy całej różnorodności technologii informacyjnych i telekomunikacyjnych, a także sposobów organizowania danych przesyłanych kanałami komunikacyjnymi, centralne miejsce zajmuje ogólnoświatowa informatyczna sieć komputerowa Internet. Co więcej, dziś jest to praktycznie jedyna globalna sieć telekomunikacyjna szeroko wykorzystywana w systemie ogólnokształcącego szkolnictwa średniego. W dużej mierze ułatwia to duża szybkość i niezawodność transmisji danych przez Internet w różnych formatach (tekst, grafika, dźwięk, wideo itp.). Internet daje możliwość zbiorowego dostępu do materiałów edukacyjnych, które mogą być prezentowane zarówno w postaci prostych podręczników (tekstów elektronicznych), jak i złożonych systemów interaktywnych, modeli komputerowych, wirtualnych środowisk uczenia się itp.
Liczba użytkowników i źródeł informacji w Internecie stale rośnie. Ponadto następuje ciągła poprawa jakości świadczonych usług telekomunikacyjnych. Dzięki temu wysokiej jakości dostęp do Internetu uzyskują nie tylko przedsiębiorstwa i organizacje działające w sferze gospodarczej i nie tylko, ale także szkoły ogólnokształcące.
Współczesny Internet charakteryzuje się poważnym problemem zorganizowania globalnego wyszukiwania informacji. Opracowano tak zwane wyszukiwarki, które za pomocą żądanego słowa lub kombinacji słów znajdują łącza do tych stron w sieci, w których prezentowane jest to słowo lub kombinacja. Jednocześnie, mimo istnienia istniejących wyszukiwarek, użytkownik musi poświęcić dużo czasu zarówno na proces wyszukiwania informacji, jak i na przetwarzanie i usystematyzowanie otrzymanych danych.
W edukacji problem ten jest szczególnie dotkliwie odczuwalny: jeśli edukacyjne zasoby informacyjne są prezentowane w sieci, to z reguły są one prezentowane niesystematycznie. Brak systematycznego podejścia do umieszczania takich zasobów, a także brak jednolitości w rozwiązywaniu problemów psychologicznych, pedagogicznych, technologicznych, estetycznych, ergonomicznych i szeregu innych problemów w rozwoju i eksploatacji zasobów edukacyjnych w Internecie prowadzi do praktyczne niewykorzystywanie zalet telekomunikacji w celu poprawy jakości procesu edukacyjnego.
Najpopularniejsza technologia komunikacyjna i odpowiadająca jej usługa w sieciach komputerowych stała się technologią komputerowej metody wysyłania i przetwarzania wiadomości informacyjnych, która zapewnia operacyjną komunikację między ludźmi. E-mail (e-mail) - system przechowywania i przekazywania wiadomości pomiędzy osobami posiadającymi dostęp do sieci komputerowej. Za pomocą poczty elektronicznej wszelkie informacje (dokumenty tekstowe, obrazy, dane cyfrowe, nagrania dźwiękowe itp.) mogą być przesyłane przez sieci komputerowe. Usługa ta zapewnia:

• edycja dokumentów przed transmisją,
• przechowywanie dokumentów i wiadomości,
• przekazywanie maila,
• sprawdzanie i korygowanie błędów występujących podczas transmisji,
• wydanie potwierdzenia odbioru korespondencji przez adresata,
• odbieranie i przechowywanie informacji,
• przeglądanie otrzymanej poczty.

E-mail może służyć do komunikacji z uczestnikami procesu edukacyjnego oraz przesyłania materiałów edukacyjnych i metodycznych. Ważną właściwością poczty elektronicznej, atrakcyjną dla szkół ogólnokształcących, jest możliwość realizacji asynchronicznej wymiany informacji. Aby korzystać z poczty, wystarczy opanować kilka poleceń klienta poczty elektronicznej do wysyłania, odbierania i przetwarzania informacji. Zwróć uwagę, że podczas komunikacji przez e-mail jest więcej problemów psychologicznych i pedagogicznych niż technicznych. Faktem jest, że w bezpośredniej komunikacji międzyludzkiej informacje są przekazywane nie tylko za pomocą mowy, uwzględniono tutaj inne formy komunikacji: mimikę, gesty itp. Oczywiście emotikony mogą służyć do przekazywania emocji podczas korespondencji, ale nie rozwiązuje to problemu depersonalizacji komunikacji. Jednak przejście na język pisany niesie ze sobą takie pozytywne cechy, jak dokładność, zwięzłość wypowiedzi i dokładność.

E-mail może być wykorzystywany przez edukatorów do konsultacji, wysyłania testów i profesjonalnej komunikacji z kolegami. Wskazane jest również wykorzystanie go do prowadzenia lekcji elektronicznej w trybie asynchronicznym, gdy tekst lekcji w formie elektronicznej, fragmenty zalecanej literatury oraz inne materiały edukacyjne są wcześniej przesyłane do uczniów, a następnie konsultacje odbywają się drogą e- Poczta.
Cechą wyróżniającą i wygodą poczty elektronicznej jest możliwość wysłania tej samej wiadomości do dużej liczby odbiorców jednocześnie.
Podobną zasadę dystrybucji stosuje inny serwis internetowy o nazwie listy mailingowe . Ta usługa działa w trybie subskrypcji. Zapisując się na listę mailingową, subskrybent z określoną częstotliwością otrzymuje na swoją skrzynkę pocztową wybrane wiadomości elektroniczne na wybrany temat. Listy mailingowe pełnią funkcje czasopism w Internecie.
W systemie kształcenia ogólnego za pomocą list mailingowych można organizować tzw „wirtualne sale lekcyjne” . W utworzonej grupie badawczej dzieci w wieku szkolnym wyjaśniane są zasady i metody zapisów i zaczyna działać. Każda wiadomość zaadresowana do grupy przez któregokolwiek z jej członków jest automatycznie wysyłana do wszystkich członków grupy. Jednym z członków takiej grupy może być nauczyciel.
Główne możliwości dydaktyczne korzystania z list mailingowych to automatyczna dystrybucja materiałów edukacyjnych i metodycznych oraz organizacja wirtualnych klas.
Telekonferencje to kolejna popularna usługa świadczona przez nowoczesne sieci telekomunikacyjne i realizująca wymianę informacji między ludźmi, których łączy wspólne interesy.
Konferencja telefoniczna to forum internetowe zorganizowane w celu dyskusji i wymiany wiadomości na określony temat.
Telekonferencje umożliwiają publikowanie interesujących wiadomości na specjalnych komputerach w sieci. Wiadomości można czytać, łącząc się z komputerem i wybierając temat do dyskusji. Ponadto, jeśli chcesz, możesz odpowiedzieć autorowi artykułu lub wysłać własną wiadomość. W ten sposób zorganizowana jest dyskusja sieciowa, która ma charakter wiadomości, ponieważ wiadomości są przechowywane przez krótki czas.
Obecność sprzętu audio-wideo (mikrofon, kamera cyfrowa itp.) podłączonego do komputera umożliwia organizowanie komputerowych konferencji audio-wideo, które są coraz bardziej rozpowszechnione w systemie ogólnokształcącego szkolnictwa średniego.
W przeciwieństwie do list mailingowych opartych na poczcie e-mail, niektóre grupy dyskusyjne i grupy dyskusyjne działają w czasie rzeczywistym. Różnica polega na tym, że w przypadku listy mailingowej wymiana informacji odbywa się off-line poprzez automatyczne wysyłanie e-maili. Serwer grup dyskusyjnych natychmiast publikuje wszystkie wiadomości na forum publicznym i przechowuje je przez pewien czas. Telekonferencje pozwalają więc na zorganizowanie dyskusji zarówno on-line, jak iw trybie opóźnionym. Przy organizacji szkoleń warto korzystać z grup dyskusyjnych moderowanych przez nauczyciela.
Wraz z rozwojem technicznych środków sieci komputerowych wzrasta szybkość przesyłania danych. Dzięki temu użytkownicy podłączeni do sieci mogą nie tylko wymieniać wiadomości tekstowe, ale także przesyłać dźwięk i obraz na znaczną odległość. Jednym z przedstawicieli programów realizujących komunikację przez sieć jest program NetMeeting, będący częścią zestawu Internet Explorer. MS NetMeeting to narzędzie informatyzacyjne, które implementuje możliwość bezpośredniej komunikacji przez Internet.
Należy zauważyć, że do realizacji komunikacji dźwiękowej wymagane jest odpowiednie wyposażenie techniczne: karta dźwiękowa, mikrofon oraz systemy nagłaśniające. Do transmisji wideo potrzebna jest karta graficzna i kamera lub tylko kamera obsługująca standard Video for Windows.
Główne obszary wykorzystania MS NetMeeting w procesie edukacyjnym to:

• organizowanie wirtualnych szkoleń i konsultacji w czasie rzeczywistym, w tym komunikacja głosowa i transmisja obrazów wideo uczestników;
• wymiana informacji w trybie tekstowym i graficznym;
• organizacja wspólnej pracy z informacją edukacyjną w trybie on-line;
• przesyłanie informacji edukacyjnych i metodycznych w postaci plików w czasie rzeczywistym.

Jedną z najważniejszych technologii telekomunikacyjnych jest rozproszone przetwarzanie danych. W takim przypadku w miejscu pochodzenia i zastosowania informacji wykorzystywane są komputery osobiste. Jeżeli są one połączone kanałami komunikacyjnymi, to umożliwia to rozłożenie ich zasobów na wydzielone funkcjonalne obszary działalności i zmianę technologii przetwarzania danych w kierunku decentralizacji.
W najbardziej złożonych rozproszonych systemach przetwarzania danych nawiązywane jest połączenie z różnymi serwisami informacyjnymi i systemami ogólnego przeznaczenia (serwisami informacyjnymi, krajowymi i światowymi systemami wyszukiwania informacji, bazami danych i bankami wiedzy itp.).
Niezwykle ważną usługą dla liceów ogólnokształcących realizowaną w sieciach komputerowych jest: automatyczne wyszukiwanie informacji. Korzystając ze specjalistycznych narzędzi - systemów wyszukiwania informacji, można szybko znaleźć interesujące informacje w światowych źródłach informacji.
Głównymi celami dydaktycznymi wykorzystania tego typu zasobów otrzymanych za pośrednictwem kanałów telekomunikacyjnych w nauczaniu uczniów są przekazywanie informacji, kształtowanie i utrwalanie wiedzy, kształtowanie i doskonalenie umiejętności, kontrola asymilacji i uogólniania.
Korzystanie z aktualnie dostępnych zasobów informacji edukacyjnych, z których większość publikowana jest w Internecie, umożliwia:

• organizować różne formy zajęć dzieci w wieku szkolnym w celu samodzielnego wydobywania i prezentacji wiedzy;
• "wykorzystanie pełnego zakresu możliwości nowoczesnych technologii informacyjnych i telekomunikacyjnych w procesie wykonywania różnego rodzaju działań edukacyjnych, w tym rejestracji, gromadzenia, przechowywania, przetwarzania informacji, dialogu interaktywnego, modelowania obiektów, zjawisk, procesów, funkcjonowania laboratoriów (wirtualny, ze zdalnym dostępem do rzeczywistego sprzętu) itp.;
• wykorzystanie w procesie edukacyjnym możliwości technologii multimedialnych, systemów hipertekstowych i hipermedialnych;
• diagnozy zdolności intelektualnych uczniów, a także poziomu ich wiedzy, umiejętności i przygotowania do danej lekcji;
• zarządzać nauką, automatyzować procesy monitorowania wyników zajęć edukacyjnych, szkolenia, testowania, generować zadania w zależności od poziomu intelektualnego danego ucznia, poziomu jego wiedzy, umiejętności, cech jego motywacji;
• stworzyć warunki do realizacji niezależnych działań edukacyjnych uczniów, do samokształcenia, samorozwoju, samodoskonalenia, samokształcenia, samorealizacji;
• pracować w nowoczesnych środowiskach telekomunikacyjnych, zapewnić zarządzanie przepływem informacji.

Telekomunikacja komputerowa jest więc nie tylko potężnym narzędziem edukacyjnym, które pozwala uczyć pracy z informacją, ale z drugiej strony telekomunikacja komputerowa jest szczególnym środowiskiem komunikacji między ludźmi, środowiskiem interaktywnej interakcji między przedstawicielami różnych użytkowników krajowych, wiekowych, zawodowych i innych, niezależnie od ich lokalizacji.
Niestety, wiele istniejących metod efektywnego wykorzystania technologii telekomunikacyjnych w procesie nauczania dzieci w wieku szkolnym wciąż nie jest w pełni wykorzystywanych przez nauczycieli. Współczesny nauczyciel powinien, oprócz umiejętności pracy z najnowszymi technologiami komputerowymi, mieć wyobrażenie o możliwych sposobach ich wykorzystania w procesie dydaktycznym. Doświadczenie teoretycznego i praktycznego opanowania przez nauczycieli różnych metod wykorzystania technologii telekomunikacyjnych w procesie uczenia się może stać się podstawą do podnoszenia efektywności i jakości nauczania, kształtowania i dalszego doskonalenia ich umiejętności zawodowych.

Niemal każda nowoczesna firma ma potrzebę poprawy wydajności sieci i technologii systemów komputerowych. Jednym z warunków tego jest bezproblemowy transfer informacji między serwerami, magazynami danych, aplikacjami i użytkownikami. To właśnie sposób przesyłania danych w systemach informatycznych często staje się „wąskim gardłem” pod względem wydajności, niwelując wszelkie zalety nowoczesnych serwerów i systemów pamięci masowej. Deweloperzy i administratorzy systemów starają się wyeliminować najbardziej oczywiste wąskie gardła, chociaż wiedzą, że po naprawieniu wąskiego gardła w jednej części systemu pojawia się ono w innej.

Przez wiele lat wąskie gardła występowały głównie w serwerach, ale wraz z ewolucją funkcjonalną i technologiczną serwerów przeniosły się one do sieci i sieciowych systemów pamięci masowej. Ostatnio powstały bardzo duże macierze pamięci masowej, co przywraca wąskie gardła w sieci. Wzrost i centralizacja danych, a także wymagania dotyczące przepustowości aplikacji nowej generacji często pochłaniają całą dostępną przepustowość.

Kiedy menedżer usług informacyjnych staje przed zadaniem stworzenia nowego lub rozbudowy istniejącego systemu przetwarzania informacji, jedną z najważniejszych dla niego kwestii będzie wybór technologii transmisji danych. Problem ten obejmuje wybór nie tylko technologii sieciowej, ale także protokołu do podłączania różnych urządzeń peryferyjnych. Najpopularniejszymi rozwiązaniami szeroko stosowanymi do budowy sieci SAN (Storage Area Networks) są Fibre Channel, Ethernet i InfiniBand.

Technologia Ethernet

Obecnie technologia Ethernet znajduje się w czołówce sektora wysokowydajnych sieci LAN. Przedsiębiorstwa na całym świecie inwestują w okablowanie i sprzęt Ethernet oraz w szkolenia personelu. Powszechne stosowanie tej technologii utrzymuje niskie ceny na rynku, a koszty wdrażania każdej nowej generacji sieci mają tendencję do zmniejszania się. Stale rosnący ruch w dzisiejszych sieciach zmusza operatorów, administratorów i architektów sieci korporacyjnych do poszukiwania szybszych technologii sieciowych w celu rozwiązania problemu wąskich gardeł w przepustowości. Dodanie 10-Gigabit Ethernet do rodziny Ethernet umożliwia obsługę nowych aplikacji intensywnie korzystających z zasobów w sieciach LAN.

Pojawiająca się ponad ćwierć wieku temu technologia Ethernet szybko stała się dominującą w budowaniu sieci lokalnych. Ze względu na łatwość instalacji i konserwacji, niezawodność oraz niski koszt wdrożenia, jego popularność wzrosła tak bardzo, że dziś możemy śmiało powiedzieć, że prawie cały ruch w Internecie zaczyna się i kończy w sieciach Ethernet. Zatwierdzony w czerwcu 2002 roku standard IEEE 802.3ae 10-Gigabit Ethernet wyznaczył punkt zwrotny w rozwoju tej technologii. Wraz z jej pojawieniem się obszar wykorzystania Ethernetu rozszerza się na skalę sieci miejskich (MAN) i rozległych (WAN).

Istnieje wiele czynników rynkowych, które zdaniem analityków branżowych wysuwają technologię 10-Gigabit Ethernet na pierwszy plan. W rozwoju technologii sieciowych pojawienie się sojuszu firm deweloperskich, którego głównym zadaniem jest promowanie nowych sieci, stało się już tradycją. 10-Gigabit Ethernet nie był wyjątkiem. Początkiem tej technologii była organizacja 10-Gigabit Ethernet Alliance (10 GEA), w skład której weszli tacy giganci branży jak 3Com, Cisco, Nortel, Intel, Sun i wiele innych firm (łącznie ponad sto). Jeśli w poprzednich wersjach Fast Ethernet lub Gigabit Ethernet programiści pożyczali pewne elementy innych technologii, to specyfikacje nowego standardu były tworzone niemal od zera. Ponadto projekt 10-Gigabit Ethernet koncentrował się na dużych sieciach transportowych i szkieletowych, na przykład obejmujących całe miasto, podczas gdy nawet Gigabit Ethernet został opracowany wyłącznie do użytku w sieciach lokalnych.

Standard 10-Gigabit Ethernet zapewnia transmisję przepływu informacji z prędkością do 10 Gb/s po jedno- i wielomodowym kablu optycznym. W zależności od medium transmisyjnego odległość może wynosić od 65 m do 40 km. Nowa norma miała spełniać następujące podstawowe wymagania techniczne:

• dwukierunkowa wymiana danych w trybie dupleks w sieciach o topologii punkt-punkt;
• obsługa szybkości transmisji danych 10 Gb/s na poziomie MAC;
• specyfikacja warstwy fizycznej LAN PHY do łączenia się z sieciami lokalnymi działającymi w warstwie MAC z szybkością transmisji danych 10 Gb/s;
• specyfikacja warstwy fizycznej WAN PHY do podłączenia do sieci SONET/SDH, pracującej w warstwie MAC z przepływnością zgodną ze standardem OC-192;
• określanie mechanizmu do dostosowywania szybkości transmisji danych warstwy MAC do szybkości transmisji danych WAN PHY;
• obsługa dwóch rodzajów kabla światłowodowego - jednomodowego (SMF) i wielomodowego (MMF);
• niezależna od mediów specyfikacja interfejsu XGMII*;
• wstecznie kompatybilny z poprzednimi wersjami Ethernetu (zachowanie formatu pakietu, rozmiaru itp.).

* XG oznacza tutaj 10 Gigabit, a MII oznacza Media Independent Interface.

Przypomnijmy, że standard Ethernet 10/100 definiuje dwa tryby: półdupleks i pełny dupleks. Half-duplex w wersji klasycznej przewiduje wykorzystanie współdzielonego medium transmisyjnego oraz protokołu CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access / Collision Detection). Główne wady tego trybu to utrata wydajności przy wzroście liczby jednocześnie pracujących stacji oraz ograniczenia odległości związane z minimalną długością pakietu (która wynosi 64 bajty). Technologia Gigabit Ethernet wykorzystuje technikę rozszerzania nośnika, aby zachować jak najkrótszą długość pakietu, zwiększając go do 512 bajtów. Ponieważ standard 10-Gigabit Ethernet jest przeznaczony do połączeń szkieletowych punkt-punkt, tryb half-duplex nie jest uwzględniony w jego specyfikacji. Dlatego też w tym przypadku długość kanału jest ograniczona jedynie właściwościami medium fizycznego, urządzeniami używanymi do odbioru/nadawania, mocą sygnału i metodami modulacji. Niezbędną topologię można zapewnić na przykład za pomocą przełączników. Tryb transmisji dupleksowej umożliwia również utrzymanie minimalnego rozmiaru pakietu 64 bajty bez stosowania technik rozszerzania nośnej.

Zgodnie z modelem referencyjnym połączeń systemów otwartych (OSI), technologię sieciową określają dwie niższe warstwy: fizyczna (Warstwa 1, Fizyczna) i kanałowa (Warstwa 2, Łącze Danych). W tym schemacie warstwa urządzenia fizycznego Ethernet (PHY) odpowiada warstwie 1, a warstwa kontroli dostępu do nośnika (MAC) odpowiada warstwie 2. Z kolei każda z tych warstw, w zależności od zaimplementowanej technologii, może zawierać kilka podwarstw.

Warstwa MAC (Media Access Control) zapewnia logiczne połączenie pomiędzy klientami MAC równorzędnych stacji roboczych. Jego główne funkcje to inicjowanie, zarządzanie i utrzymywanie połączenia z peerem w sieci. Oczywiście normalna szybkość przesyłania danych z warstwy MAC do warstwy fizycznej PHY dla standardu 10 Gigabit Ethernet wynosi 10 Gb/s. Jednak warstwa WAN PHY musi przesyłać dane z nieco mniejszą szybkością, aby dostosować się do sieci SONET OC-192. Osiąga się to za pomocą mechanizmu dynamicznej adaptacji interwału międzyramkowego, który zapewnia jego zwiększenie o zadany okres czasu.

Podwarstwa Reconciliation (Rysunek 1) jest interfejsem między szeregowym strumieniem danych warstwy MAC a równoległym strumieniem podwarstwy XGMII. Odwzorowuje oktety danych warstwy MAC na równoległe ścieżki XGMII. XGMII to niezależny od mediów interfejs 10 Gigabit. Jego główną funkcją jest zapewnienie prostego i łatwego w implementacji interfejsu między łączem a warstwami fizycznymi. Izoluje warstwę łącza od specyfiki warstwy fizycznej, dzięki czemu pierwsza może pracować na jednym poziomie logicznym z różnymi implementacjami drugiej. XGMII składa się z dwóch niezależnych kanałów nadawczych i odbiorczych, z których każdy przenosi 32 bity danych na czterech 8-bitowych ścieżkach.

Ryż. 1. Warstwy 10-Gigabit Ethernet.

Kolejna część stosu protokołów jest związana z warstwą fizyczną 10 Gigabit Ethernet. Architektura Ethernet dzieli warstwę fizyczną na trzy podwarstwy. Podwarstwa kodowania fizycznego PCS (podwarstwa kodowania fizycznego) wykonuje kodowanie/dekodowanie strumienia danych przychodzącego zi do warstwy łącza danych. Podwarstwa PMA (Physical Media Attachment) jest konwerterem równoległym do szeregowego (do przodu i do tyłu). Przeprowadza transformację grupy kodów na strumień bitów dla transmisji szeregowej zorientowanej na bity i transformacji odwrotnej. Ta sama podwarstwa zapewnia synchronizację odbioru/nadawania. Podwarstwa PMD (Physical Media Dependent) odpowiada za sygnalizację w danym medium fizycznym. Typowe funkcje tego podpoziomu to kształtowanie i wzmacnianie sygnału, modulacja. Różne urządzenia PMD obsługują różne nośniki fizyczne. Z kolei Media Dependent Interface (MDI) definiuje typy złączy dla różnych nośników fizycznych i urządzeń PMD.

Technologia 10-Gigabit Ethernet zapewnia niski koszt posiadania w porównaniu z alternatywami, w tym koszty zakupu i obsługi, ponieważ istniejąca infrastruktura sieci Ethernet klientów bezproblemowo z nią współpracuje. Ponadto 10 Gigabit Ethernet przemawia do administratorów ze znaną organizacją zarządzania i możliwością zastosowania wyciągniętych wniosków, ponieważ wykorzystuje procesy, protokoły i mechanizmy kontrolne już wdrożone w istniejącej infrastrukturze. Warto przypomnieć, że ten standard zapewnia elastyczność w projektowaniu połączeń między serwerami, przełącznikami i routerami. Tak więc technologia Ethernet oferuje trzy główne zalety:

• łatwość użycia,
• wysoka przepustowość,
• niska cena.

Ponadto jest prostsze niż niektóre inne technologie, ponieważ umożliwia łączenie sieci znajdujących się w różnych miejscach w ramach jednej sieci. Przepustowość sieci Ethernet jest skalowalna w krokach od 1 do 10 Gb/s, co pozwala lepiej wykorzystać przepustowość sieci. Wreszcie, sprzęt Ethernet jest ogólnie bardziej opłacalny niż tradycyjny sprzęt telekomunikacyjny.

Aby zilustrować możliwości technologii, podamy jeden przykład. Korzystając z sieci 10-Gigabit Ethernet, zespół naukowców pracujących nad projektem Japanese Data Reservoir (http://data-reservoir.adm.su-tokyo.ac.jp) przesłał dane z Tokio do Research Center for Elementary Physics w Genewa Cząstki CERN-u. Łącze danych przebiegało przez 17 stref czasowych i obejmowało 11 495 mil (18 495 km). Łącze 10-Gigabit Ethernet łączyło komputery w Tokio i Genewie w ramach tej samej sieci lokalnej. W sieci wykorzystano sprzęt optyczny i przełączniki Ethernet firm Cisco Systems, Foundry Networks i Nortel Networks.

W ostatnich latach Ethernet stał się również szeroko stosowany przez operatorów telekomunikacyjnych do łączenia obiektów w mieście. Ale sieć Ethernet może rozciągać się jeszcze dalej, obejmując całe kontynenty.

kanał światłowodowy

Technologia Fibre Channel umożliwia fundamentalną zmianę architektury sieci komputerowej każdej dużej organizacji. Faktem jest, że doskonale nadaje się do wdrożenia scentralizowanego systemu przechowywania danych SAN, w którym napędy dysków i taśm znajdują się we własnej, oddzielnej sieci, w tym geograficznie dość oddalonej od głównych serwerów korporacyjnych. Fibre Channel to standard komunikacji szeregowej przeznaczony do szybkiej komunikacji między serwerami, dyskami pamięci masowej, stacjami roboczymi oraz koncentratorami i przełącznikami. Zwróć uwagę, że ten interfejs jest prawie uniwersalny, służy nie tylko do łączenia poszczególnych dysków i magazynów danych.

Kiedy pojawiły się pierwsze sieci, zaprojektowane z myślą o łączeniu komputerów w celu wspólnej pracy, wygodne i skuteczne okazało się przybliżanie zasobów do grup roboczych. W ten sposób, próbując zminimalizować obciążenie sieci, nośniki pamięci zostały równo podzielone między wiele serwerów i komputerów stacjonarnych. W sieci funkcjonują jednocześnie dwa kanały transmisji danych: sama sieć, za pośrednictwem której następuje wymiana między klientami a serwerami, oraz kanał, za pośrednictwem którego następuje wymiana danych między magistralą systemową komputera a urządzeniem pamięci masowej. Może to być łącze między kontrolerem a dyskiem twardym lub między kontrolerem RAID a zewnętrzną macierzą dyskową.

Ta separacja kanałów wynika w dużej mierze z różnych wymagań dotyczących przesyłania danych. W sieci na pierwszym miejscu jest dostarczanie niezbędnych informacji do jednego klienta spośród wielu możliwych, dla których konieczne jest stworzenie pewnych i bardzo złożonych mechanizmów adresowania. Ponadto łącze sieciowe obejmuje znaczne odległości, dlatego do przesyłania danych preferowane jest połączenie szeregowe. Ale kanał przechowywania wykonuje niezwykle proste zadanie, zapewniając możliwość wymiany z wcześniej znanym urządzeniem do przechowywania danych. Jedyne, czego się od niego wymaga, to zrobić to tak szybko, jak to możliwe. Odległości są zwykle niewielkie.

Jednak dzisiejsze sieci stają w obliczu wyzwań związanych z przetwarzaniem coraz większej ilości danych. Szybkie aplikacje multimedialne, przetwarzanie obrazu wymagają znacznie większej liczby operacji we/wy niż kiedykolwiek wcześniej. Organizacje są zmuszone do przechowywania coraz większych ilości danych w trybie online, co wymaga większej pojemności zewnętrznej pamięci masowej. Konieczność kopiowania ubezpieczeniowego ogromnych ilości danych wymaga separacji urządzeń pamięci wtórnej w coraz większych odległościach od serwerów przetwarzających. W niektórych przypadkach okazuje się, że połączenie zasobów serwera i pamięci masowej w jedną pulę dla centrum danych przy użyciu Fibre Channel jest znacznie wydajniejsze niż przy użyciu standardowego zestawu Ethernet z interfejsem SCSI.

Instytut ANSI zarejestrował grupę roboczą w celu opracowania metody szybkiej wymiany danych między superkomputerami, stacjami roboczymi, komputerami PC, napędami i urządzeniami wyświetlającymi w 1988 roku. A w 1992 roku trzy największe firmy komputerowe - IBM (http://www. ibm.com ), Sun Microsystems (http://www.sun.com) i HP (http://www.hp.com) utworzyły grupę inicjatywną FSCI (Fiber Channel Systems Initiative), której zadaniem było opracowanie metody do szybkiej transmisji danych cyfrowych. Grupa opracowała szereg wstępnych specyfikacji - profili. Ponieważ kable światłowodowe miały stać się fizycznym medium wymiany informacji, w nazwie technologii pojawiło się słowo fiber. Jednak kilka lat później do odpowiednich zaleceń dodano możliwość zastosowania drutów miedzianych. Następnie komisja ISO (Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej) zaproponowała zastąpienie włókna angielskiego pisowni światłowodem francuskim, aby jakoś zredukować skojarzenia z medium światłowodowym, zachowując prawie oryginalną pisownię. Po zakończeniu wstępnych prac nad profilami, dalsze prace nad wsparciem i rozwojem nowej technologii przejęło FCA (Fiber Channel Association), które organizacyjnie weszło do komisji ANSI. Oprócz FCA powstała również niezależna grupa robocza FCLC (Fiber Channel Loop Community), która zaczęła promować jedną z opcji technologii Fibre Channel - FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop). Obecnie FCIA (Fibre Channel Industry Association, http://www.fibrechannel.org) przejęło wszystkie prace koordynacyjne w celu promowania technologii Fibre Channel. W 1994 roku standard FC-PH (Physical Connection and Data Transfer Protocol) został zatwierdzony przez komisję T11 ANSI i otrzymał oznaczenie X3.203-1994.

Technologia Fibre Channel ma szereg zalet, które sprawiają, że ten standard jest wygodny przy organizacji wymiany danych w grupach komputerów, a także jako interfejs dla urządzeń pamięci masowej, w sieciach lokalnych oraz przy wyborze sposobów dostępu do sieci globalnych. Jedną z głównych zalet tej technologii jest duża szybkość przesyłania danych.

FC-AL to tylko jedna z trzech możliwych topologii Fibre Channel, które są szczególnie używane w systemach pamięci masowej. Oprócz tego możliwa jest topologia punkt-punkt oraz topologia gwiazdy w oparciu o przełączniki i koncentratory. Sieć zbudowana na bazie przełączników łączących wiele węzłów (rys. 2) nazywana jest fabryką w terminologii Fibre Channel.

Ryż. 2. Fabryka oparta na Fibre Channel.

W pętli FC-AL można umieścić do 126 urządzeń z możliwością wymiany podczas pracy. Przy zastosowaniu kabla koncentrycznego odległość między nimi może sięgać 30 m, natomiast w przypadku kabla światłowodowego wzrasta do 10 km. Technologia opiera się na metodzie prostego przenoszenia danych z bufora nadajnika do bufora odbiornika z pełną kontrolą tej i tylko tej operacji. Dla FC-AL zupełnie nie ma znaczenia, w jaki sposób dane są przetwarzane przez poszczególne protokoły przed i po buforowaniu, w wyniku czego rodzaj przesyłanych danych (polecenia, pakiety czy ramki) nie odgrywa żadnej roli.

Model architektoniczny Fibre Channel szczegółowo opisuje parametry połączenia i protokoły wymiany pomiędzy poszczególnymi węzłami. Model ten można przedstawić jako pięć warstw funkcjonalnych, które definiują interfejs fizyczny, protokół transmisji, protokół sygnalizacyjny, ogólne procedury i protokół mapowania. Numeracja idzie od najniższego poziomu sprzętowego FC-0, który odpowiada za parametry fizycznego połączenia, do najwyższego oprogramowania FC-4, które współdziała z aplikacjami wyższego poziomu. Protokół mapowania zapewnia komunikację z interfejsami I/O (SCSI, IPI, HIPPI, ESCON) oraz protokołami sieciowymi (802.2, IP). W takim przypadku wszystkie obsługiwane protokoły mogą być używane jednocześnie. Na przykład interfejs FC-AL, który współpracuje z protokołami IP i SCSI, nadaje się zarówno do wymiany między systemami, jak i między systemami. Eliminuje to potrzebę stosowania dodatkowych kontrolerów we/wy, znacznie zmniejsza złożoność okablowania i oczywiście całkowity koszt.

Ponieważ Fibre Channel jest protokołem niskiego poziomu, który nie zawiera poleceń I/O, komunikację z urządzeniami zewnętrznymi i komputerami zapewniają protokoły wyższego poziomu, takie jak SCSI i IP, dla których FC-PH służy jako transport. Protokoły sieciowe i we/wy (takie jak polecenia SCSI) są konwertowane na ramki protokołu FC-PH i dostarczane do miejsca docelowego. Każde urządzenie (komputer, serwer, drukarka, urządzenie pamięci masowej), które może komunikować się za pomocą technologii Fibre Channel, nazywane jest portem węzła lub po prostu węzłem. Dlatego głównym celem Fibre Channel jest możliwość manipulowania protokołami wysokiego poziomu przy użyciu różnych mediów transmisyjnych i już istniejących systemów kablowych.

Wysoka niezawodność wymiany podczas korzystania z Fibre Channel wynika z dwuportowej architektury urządzeń dyskowych, cyklicznej kontroli przesyłanych informacji oraz urządzeń hot-swap. Protokół obsługuje prawie każdy używany obecnie system okablowania. Jednak najczęściej używane są dwa media - optyka i skrętka. Łącza optyczne służą do łączenia urządzeń w sieci Fibre Channel, natomiast skrętka służy do łączenia poszczególnych elementów urządzenia (na przykład dysków w podsystemie dyskowym).

Standard zapewnia wiele przepustowości i zapewnia kurs wymiany 1, 2 lub 4 Gb/s. Biorąc pod uwagę, że dwa kable optyczne są używane do łączenia urządzeń, z których każde działa w tym samym kierunku, ze zrównoważonym zestawem operacji zapisu-odczytu, szybkość wymiany danych podwaja się. Innymi słowy, Fibre Channel działa w trybie pełnego dupleksu. Pod względem megabajtów prędkość paszportowa Fibre Channel wynosi odpowiednio 100, 200 i 400 MB/s. W rzeczywistości, przy 50% współczynniku zapisu do odczytu, prędkość interfejsu osiąga 200, 400 i 800 MB/s. Rozwiązania Fibre Channel 2 Gb/s są obecnie najbardziej popularne, ponieważ oferują najlepszy stosunek jakości do ceny.

Należy pamiętać, że sprzęt Fibre Channel można z grubsza podzielić na cztery główne kategorie: adaptery, koncentratory, przełączniki i routery, a te ostatnie nie zostały jeszcze rozpowszechnione.

Rozwiązania Fibre Channel są zazwyczaj projektowane dla organizacji, które muszą przechowywać duże ilości informacji w trybie online, przyspieszyć operacje podstawowej i dodatkowej zewnętrznej pamięci masowej w sieciach intensywnie korzystających z danych oraz tych, które mają zewnętrzną pamięć masową z dala od serwerów w większej odległości. . Typowe zastosowania rozwiązań Fibre Channel to bazy danych i banki danych, systemy analizy i wspomagania decyzji big data, systemy przechowywania i przetwarzania informacji multimedialnych dla telewizji, studiów filmowych, a także systemy, w których ze względów bezpieczeństwa dyski muszą być usuwane z serwerów na znaczne odległości.

Fibre Channel umożliwia oddzielenie wszystkich przepływów danych między serwerami korporacyjnymi, archiwizację danych itp. z sieci lokalnej użytkownika. W tej opcji możliwości konfiguracyjne są ogromne - każdy serwer ma dostęp do dowolnego zasobu dyskowego, na który zezwala administrator systemu, możliwy jest dostęp do tego samego dysku kilku urządzeń jednocześnie i to z bardzo dużą prędkością. W tej opcji archiwizacja danych również staje się łatwym i przejrzystym zadaniem. Klaster można utworzyć w dowolnym momencie, zwalniając dla niego zasoby w dowolnym systemie pamięci masowej Fibre Channel. Skalowanie jest również dość jasne i zrozumiałe – w zależności od tego, jakich funkcji brakuje, można dodać albo serwer (który będzie kupowany wyłącznie na podstawie jego możliwości obliczeniowych), albo nowy system pamięci masowej.

Jedną z bardzo ważnych i niezbędnych cech Fibre Channel jest możliwość segmentacji lub, jak to się mówi, podziału na strefy. Podział na strefy jest podobny do podziału na sieci wirtualne (Virtual LAN) w sieci lokalnej – urządzenia znajdujące się w różnych strefach nie „widzą” się nawzajem. Podział na strefy możliwy jest zarówno za pomocą tkaniny przełączanej (Switch Fabric) jak i na podstawie wskazania adresu WWN (World Wide Name). Adres WWN jest podobny do adresu Ethernet MAC, każdy kontroler FC ma swój unikalny adres WWN, który jest przypisany przez producenta, a każdy poprawny system przechowywania pozwala na wprowadzenie adresów tych kontrolerów lub portów matrycy, z którymi to urządzenie jest wolno pracować. Podział na strefy ma przede wszystkim na celu poprawę bezpieczeństwa i wydajności sieci SAN. W przeciwieństwie do normalnej sieci, nie możesz uzyskać dostępu do urządzenia, które jest zamknięte dla tej strefy ze świata zewnętrznego.

Technologia FICON Technologia FICON (Fiber CONnection) zapewnia zwiększoną wydajność, zwiększoną funkcjonalność i komunikację na duże odległości. Jako protokół przesyłania danych jest oparty na standardzie ANSI dla systemów Fibre Channel (FC-SB-2). Pierwszy uniwersalny standard IBM do komunikacji między komputerami mainframe i urządzeniami zewnętrznymi (takimi jak dyski, drukarki i napędy taśmowe) opierał się na połączeniach równoległych, nie różniąc się zbytnio od kabli wielożyłowych i złączy wielostykowych, które były używane w tamtych latach do podłączania drukarek biurkowych do komputerów PC. Wiele równoległych przewodów służyło do przenoszenia większej ilości danych „na raz” (równolegle); w komputerach mainframe nazywano to autobusem i tagiem. Ogromne fizyczne złącza i okablowanie były jedynym sposobem komunikacji, dopóki nie pojawiły się na rynku w latach 90. XX wieku. Technologie ESCON. Była to zasadniczo inna technologia: po raz pierwszy użyła światłowodu zamiast miedzi i przesyłała dane nie równolegle, ale szeregowo. Wszyscy wiedzieli, że ESCON jest znacznie lepszy i szybszy, przynajmniej na papierze, ale wymagało to wielu testów i przekonania kupujących, zanim technologia została powszechnie przyjęta. Uważa się, że technologia ESCON pojawiła się podczas spowolnienia rynku; dodatkowo urządzenia obsługujące ten standard zostały wprowadzone z zauważalnym opóźnieniem, więc technologia spotkała się z letnim przyjęciem i prawie cztery lata zajęło jej powszechne przyjęcie. Dzięki FICON historia w dużej mierze się powtórzyła. IBM po raz pierwszy wprowadził tę technologię na serwery S/390 w 1997 roku. Wielu analityków od razu zrozumiało, że jest to pod wieloma względami bardziej zaawansowane technicznie rozwiązanie. Jednak od kilku lat FICON jest używany prawie wyłącznie do podłączania napędów taśmowych (znacznie ulepszone rozwiązanie do tworzenia kopii zapasowych i odzyskiwania) i drukarek. Dopiero w 2001 roku IBM w końcu wyposażył FICON w swój serwer Enterprise Storage Server o nazwie kodowej Shark. Wydarzenie to ponownie zbiegło się w czasie z poważnym spowolnieniem gospodarczym i spowolnieniem wprowadzania nowych technologii w przedsiębiorstwach. Dosłownie rok później zaistniał szereg okoliczności, które przyczyniły się do przyspieszonego przyjęcia FICON. Tym razem koncepcja światłowodu nie była już nowa, a technologie sieci pamięci masowej (SAN) były wszechobecne zarówno w świecie komputerów mainframe, jak i poza nim. Rynek pamięci masowej stale się rozwija. Dzisiejsze urządzenia, zwane Directors, zaprojektowane od początku do obsługi ESCON, teraz obsługują standard Fibre Channel i wdrażają rozwiązania FICON oparte na tych samych urządzeniach. Według twórców, FICON zapewnia znacznie większą funkcjonalność niż Fibre Channel.

InfiniBand

Architektura InfiniBand definiuje wspólny standard obsługi operacji we/wy w podsystemach komunikacyjnych, sieciowych i pamięci masowej. Ten nowy standard doprowadził do powstania InfiniBand Trade Association (IBTA, http://www.infinibandta.org). Mówiąc najprościej, InfiniBand to standard architektury I/O nowej generacji, który wykorzystuje podejście sieciowe do łączenia serwerów centrum danych, pamięci masowej i urządzeń sieciowych.

Technologia InfiniBand została opracowana jako otwarte rozwiązanie, które może zastąpić wszystkie inne technologie sieciowe w wielu różnych obszarach. Dotyczyło to powszechnych technologii LAN (wszystkie typy sieci Ethernet i sieci pamięci masowej, w szczególności Fibre Channel) oraz wyspecjalizowanych sieci klastrowych (Myrinet, SCI itp.), a nawet podłączania urządzeń I/O do komputerów PC jako ewentualnej wymiany magistral PCI i kanały we/wy, takie jak SCSI. Ponadto infrastruktura InfiniBand mogłaby służyć do łączenia fragmentów wykorzystujących różne technologie w jeden system. Przewagą InfiniBand nad wyspecjalizowanymi, wysokowydajnymi technologiami sieciowymi zorientowanymi na klastry jest jego wszechstronność. Na przykład firma Oracle Corporation wspiera InfiniBand w swoich rozwiązaniach klastrowych. Rok temu HP i Oracle ustanowiły rekord wydajności TPC-H (dla baz danych 1 TB) w klastrze ProLiant DL585 InfiniBand z systemem Oracle 10g w systemie Linux. Latem 2005 r. IBM osiągnął rekordowe wartości dla TPC-H (dla baz danych o pojemności 3 TB) w środowisku DB2 i SuSE Linux Enterprise Server 9 na klastrze InfiniBand xSeries 346. Jednocześnie osiągnięty koszt transakcji był prawie o połowę niższy. od najbliższych konkurentów.

Wykorzystując technikę zwaną przełączaną siecią szkieletową lub przełączającą siatką, InfiniBand przenosi ruch we/wy z procesorów serwerów na urządzenia peryferyjne i inne procesory lub serwery w całym przedsiębiorstwie. Jako kanał fizyczny używany jest specjalny kabel (link), zapewniający szybkość transmisji danych 2,5 Gb/s w obu kierunkach (InfiniBand 1x). Architektura jest zorganizowana jako wielowarstwowa, zawiera cztery warstwy sprzętowe i wyższe warstwy zaimplementowane programowo. W każdym kanale fizycznym można zorganizować wiele kanałów wirtualnych, przypisując im różne priorytety. Aby zwiększyć prędkość, istnieją wersje InfiniBand 4x i 12x, które wykorzystują odpowiednio 16 i 48 przewodów, a szybkości przesyłania danych na nich wynoszą 10 Gb / s (InfiniBand 4x) i 30 Gb / s (InfiniBand 12x).

Rozwiązania oparte na architekturze InfiniBand są poszukiwane na czterech głównych rynkach: korporacyjne centra danych (w tym hurtownie danych), wysokowydajne klastry komputerowe, aplikacje wbudowane i komunikacja. Technologia InfiniBand umożliwia łączenie standardowych serwerów w klastry, aby zapewnić centrom danych wydajność, skalowalność i odporność na awarie, które normalnie można znaleźć tylko w zaawansowanych platformach za milion dolarów. Ponadto pamięć masową InfiniBand można dołączyć do klastrów serwerów, umożliwiając bezpośrednie połączenie wszystkich zasobów pamięci masowej z zasobami obliczeniowymi. Rynek wysokowydajnych klastrów zawsze intensywnie poszukuje nowych sposobów na rozszerzenie możliwości obliczeniowych i dlatego może znacznie skorzystać z wysokiej przepustowości, małych opóźnień i doskonałej skalowalności oferowanych przez niedrogie produkty InfiniBand. Wbudowane aplikacje, takie jak systemy wojskowe, systemy czasu rzeczywistego, przetwarzanie strumienia wideo itp., znacznie skorzystają na niezawodności i elastyczności połączeń InfiniBand. Ponadto rynek telekomunikacyjny stale domaga się zwiększonej przepustowości połączenia, co jest osiągane dzięki połączeniom InfiniBand o przepustowości 10 i 30 Gb/s.

Warstwa fizyczna protokołu InfiniBand definiuje parametry elektryczne i mechaniczne, w tym kable światłowodowe i miedziane, złącza, parametry definiujące właściwości hot swap. Na poziomie połączeń określane są parametry przesyłanych pakietów, operacje łączenia punkt-punkt, cechy przełączania w podsieci lokalnej. Na poziomie sieci określone są zasady routingu pakietów między podsieciami; w obrębie podsieci ten poziom nie jest wymagany. Warstwa transportowa zapewnia łączenie pakietów do wiadomości, multipleksowanie kanałów i usługi transportowe.

Zwróćmy uwagę na kilka kluczowych cech architektury InfiniBand. We/Wy i klastrowanie wykorzystują jedną kartę InfiniBand w serwerze, eliminując potrzebę stosowania oddzielnych kart do komunikacji i przechowywania (jednak w typowym serwerze zalecane jest posiadanie dwóch takich kart skonfigurowanych do redundancji). Potrzebujesz tylko jednego połączenia z przełącznikiem InfiniBand na serwer, sieć IP lub SAN (nadmiarowość ogranicza się do prostego zduplikowania połączenia z innym przełącznikiem). Wreszcie, architektura InfiniBand rozwiązuje problemy z łącznością i ograniczenia przepustowości na serwerze, zapewniając jednocześnie wymaganą przepustowość i łączność dla zewnętrznych systemów pamięci masowej.

Architektura InfiniBand składa się z następujących trzech głównych komponentów (rysunek 3). HCA (Host Channel Adapter) jest instalowany wewnątrz serwera lub stacji roboczej, która pełni rolę głównego (hosta). Działa jako interfejs między kontrolerem pamięci a światem zewnętrznym i służy do łączenia hostów z infrastrukturą sieciową opartą na technologii InfiniBand. HCA implementuje protokół przesyłania wiadomości i podstawowy mechanizm DMA. Łączy się z co najmniej jednym przełącznikiem InfiniBand i może komunikować się z co najmniej jednym TCA. Adapter TCA (Target Channel Adapter) jest przeznaczony do podłączania urządzeń takich jak dyski, macierze dyskowe lub kontrolery sieciowe do sieci InfiniBand. To z kolei służy jako interfejs między przełącznikiem InfiniBand a kontrolerami I/O urządzeń peryferyjnych. Te kontrolery nie muszą być tego samego typu ani klasy, co pozwala na łączenie różnych urządzeń w jeden system. W ten sposób TCA działa jako pośrednia warstwa fizyczna między ruchem danych w strukturze InfiniBand a bardziej tradycyjnymi kontrolerami we/wy dla innych podsystemów, takich jak Ethernet, SCSI i Fibre Channel. Należy zauważyć, że TCA może również bezpośrednio oddziaływać z HCA. Przełączniki i routery InfiniBand zapewniają centralne punkty dokowania, a do głównej karty HCA można podłączyć wiele TCA. Przełączniki InfiniBand stanowią rdzeń infrastruktury sieciowej. Za pomocą wielu kanałów są one połączone ze sobą iz TCA; można zaimplementować mechanizmy, takie jak grupowanie łączy i równoważenie obciążenia. Jeśli przełączniki działają w tej samej podsieci utworzonej przez bezpośrednio połączone urządzenia, routery InfiniBand łączą te podsieci, tworząc połączenie między kilkoma przełącznikami.

Ryż. 3. Główne elementy sieci SAN opartej o InfiniBand.

Wiele zaawansowanych funkcji logicznych systemu InfiniBand jest wbudowanych w adaptery łączące węzły z systemem we/wy. Każdy typ adaptera odciąża hosta od zadań transportowych przy użyciu adaptera kanału InfiniBand, który jest odpowiedzialny za organizowanie komunikatów we/wy w pakiety w celu dostarczania danych przez sieć. W rezultacie system operacyjny hosta i procesor serwera są zwolnione z tego zadania. Warto zauważyć, że taka organizacja zasadniczo różni się od tego, co dzieje się z komunikacją opartą na protokole TCP/IP.

InfiniBand definiuje wysoce elastyczny zestaw łączy i mechanizmów warstwy transportowej, które umożliwiają precyzyjne dostrojenie charakterystyki sieci SAN opartej na InfiniBand w oparciu o wymagania aplikacji, w tym:

• opakowania o zmiennej wielkości;
• maksymalny rozmiar jednostki transferu: 256, 512 bajtów, 1, 2, 4 KB;
• nagłówki tras lokalnych warstwy 2 (LRH, Local Route Header) do kierowania pakietów do żądanego portu adaptera kanału;
• opcjonalny nagłówek warstwy 3 dla globalnego routingu (GRH, Global Route Header);
• obsługa multiemisji;
• wariantowe i niezmienne sumy kontrolne (VCRC i ICRC) w celu zapewnienia integralności danych.

Maksymalny rozmiar jednostki transmisji określa cechy systemu, takie jak fluktuacja pakietów, narzut enkapsulacji i opóźnienia, które są używane podczas projektowania systemów wieloprotokołowych. Możliwość pominięcia globalnych informacji o trasie podczas przekazywania do lokalnej podsieci zmniejsza obciążenie komunikacji lokalnej. Kod VCRC jest przeliczany za każdym razem, gdy przechodzi następne łącze kanału komunikacyjnego, a kod ICRC jest przeliczany po odebraniu pakietu przez miejsce docelowe, co gwarantuje integralność transmisji przez łącze i przez cały kanał komunikacyjny.

InfiniBand definiuje kontrolę przepływu w oparciu o uprawnienia, aby zapobiec blokowaniu linii i utracie pakietów, a także kontrolę przepływu w warstwie łącza i kontrolę przepływu end-to-end. Kontrola warstwy łącza oparta na uprawnieniach przewyższa szeroko stosowany protokół XON/XOFF pod względem swoich możliwości, eliminując ograniczenie maksymalnego zasięgu komunikacji i zapewniając lepsze wykorzystanie łącza. Odbiorczy koniec łącza wysyła uprawnienia do nadajnika, wskazując ilość danych, które można niezawodnie odebrać. Dane nie są przesyłane, dopóki odbiornik nie wyśle ​​przydziału wskazującego, że w buforze odbioru jest wolne miejsce. Mechanizm transferu uprawnień między urządzeniami jest wbudowany w protokoły połączeń i łączy, aby zapewnić niezawodną kontrolę przepływu. Kontrola przepływu w warstwie łącza jest zorganizowana na zasadzie per-VC, co zapobiega rozprzestrzenianiu się konfliktów transmisji, tak jak robią to inne technologie.

Dzięki InfiniBand komunikacja ze zdalnymi modułami pamięci masowej, funkcje sieciowe i połączenia między serwerami będą osiągane poprzez połączenie wszystkich urządzeń za pośrednictwem centralnej, ujednoliconej struktury przełączników i kanałów. Architektura InfiniBand pozwala na umieszczenie urządzeń we/wy w odległości do 17 m od serwera przy użyciu przewodu miedzianego, do 300 m przy użyciu kabla światłowodowego wielomodowego oraz do 10 km przy użyciu światłowodu jednomodowego.

Dziś InfiniBand stopniowo ponownie zyskuje na popularności jako technologia szkieletowa dla klastrów serwerów i systemów pamięci masowej oraz w centrach danych jako podstawa połączeń między serwerami i systemami pamięci masowej. Dużo pracy w tym kierunku wykonuje organizacja o nazwie OpenIB Alliance (Open InfiniBand Alliance, http://www.openib.org). W szczególności sojusz ten ma na celu opracowanie standardowego stosu obsługi InfiniBand o otwartym kodzie źródłowym dla systemów Linux i Windows. Rok temu wsparcie dla technologii InfiniBand zostało oficjalnie włączone do jądra Linux. Ponadto pod koniec 2005 roku przedstawiciele OpenIB zademonstrowali możliwość wykorzystania technologii InfiniBand na duże odległości. Punktem kulminacyjnym demonstracji był transfer danych 10 Gb/s na dystansie 80,5 km. W eksperymencie uczestniczyły centra przetwarzania danych wielu firm i organizacji naukowych. W każdym punkcie końcowym protokół InfiniBand był enkapsulowany w interfejsach SONET OC-192c, ATM lub 10 Gigabit Ethernet bez pogorszenia przepustowości.

1. Przedmiot dyscypliny naukowej, zadanie i cel nauczania tej dyscypliny
Dyscyplina „Technologie transmisji informacji” jest jedną z dyscyplin normatywnych, która wchodzi w cykl kształcenia przyrodniczego (podstawowego) specjalistów w dziedzinie „Informatyki”.

Dyscyplina przewiduje rozważenie głównych technologii przesyłania informacji w sieciach komputerowych na poziomie fizycznym, kanałowym i sieciowym.

Materiał wykładowy dotyczy technologii telekomunikacyjnych, podstawowych elementów teorii informacji, charakterystyki i klasyfikacji sieci informacyjnych, modelu odniesienia (OSI), linii komunikacyjnych i kanałów transmisji danych, technologii transmisji danych na poziomie fizycznym, technologii transmisji danych na poziomie łącza danych w sieciach lokalnych i globalnych technologie przesyłania informacji na poziomie sieci w sieciach IP.

Cel dyscypliny:

• zapoznanie się z podstawowymi elementami teorii informacji i technologii telekomunikacyjnych;
• kształtowanie wiedzy teoretycznej w zakresie technologii przesyłania informacji w sieciach komputerowych;
• nauczyć dokonywania rozsądnego wyboru wymaganych technologii i środków przekazu informacji w rozwoju sieci komputerowych i aplikacji internetowych;
• zdobyć praktyczne umiejętności pracy ze środkami przekazu informacji w sieciach komputerowych na poziomie fizycznym, kanałowym i sieciowym.

Celem studiowania na kierunku „Technologie transferu informacji” jest teoretyczne i praktyczne szkolenie przyszłych specjalistów z takich zagadnień jak:

• technologie przesyłania informacji w sieciach komputerowych;
• protokoły przesyłania informacji w sieci LAN, dzierżawione (szeregowe) linie komunikacyjne i sieci globalne z komutacją obwodów i pakietów;
• środki transmisji informacji w sieciach informacyjnych;
• architektura sieci informacyjnych.

2. Co student powinien wiedzieć, umieć i z czym zapoznać się w wyniku studiowania dyscypliny W wyniku studiowania dyscypliny student musi:
WIEDZIEĆ:

• podstawowe elementy teorii informacji;
• podstawowe nowoczesne technologie przesyłania informacji na poziomie fizycznym, kanałowym i sieciowym;
• rodzaje i cechy linii komunikacyjnych i kanałów transmisji informacji;
• metody konwersji sygnałów i metody multipleksacji kanałów komunikacyjnych;
• nowoczesne metody transmisji informacji w sieciach kompozytowych.

• uzasadnić wybór technologii przesyłania informacji do rozwiązywania praktycznych problemów w procesie projektowania sieci komputerowych;
• wykonać projekt konstrukcji kablowej sieci komputerowej;
• przeprowadzimy dobór osprzętu systemu kablowego do budowy infrastruktury LAN.

BYĆ ŚWIADOMYM:

• z głównymi trendami rozwoju technologii transmisji informacji;
• z perspektywą rozwoju technologii telekomunikacyjnych;
• z nowoczesnymi środkami wymiany i przetwarzania informacji w sieciach lokalnych i terytorialnych;

Program kursu 150 godzin akademickich składa się z dwóch modułów merytorycznych (edukacyjnych) po 5 punktów (objętość punktów ECTS wynosi 30 godzin akademickich) i składa się z zajęć stacjonarnych i samodzielnej pracy studentów.

Wykorzystane źródła informacji:

1. Sieć komputerowa. Zasady, technologie, protokoły: Podręcznik dla uczelni. 4 wyd. / W.G. Olifer, Stany Zjednoczone Olifer - Petersburg. Piotr, 2010. - 944 s.
2. Broido V.L. Systemy komputerowe, sieci i telekomunikacja: Podręcznik dla uczelni. 2. wyd. - Petersburg: Piotr, 2006 - 703 s.
3. Tkaczenko W.A. to w. Comp „yuternі merezhi i telecommunіkatsії : navch. posіbnik / V. A. Tkachenko, O. V. Kasіlov, V. A. Ryabik. - Charków: NTU „KhPI”, 2011. - 224 s.
4. A. L. DMITRIEV Systemy optyczne do transmisji informacji / Poradnik. - Petersburg: SPbGUITMO, 2007. - 96 str.