Wykłady z przedmiotu Sieci komputerowe  podstawy
Wykład 1
Opracowali: Monika Nazarko, Krzysztof Raczkowski IIIFDS na podstawie
wykładów dr inż. Mirosława Hajdera
1
STRESZCZENIE
Wykład ten przedstawia genezę sieci komputerowych. Przybliża pojęcie spójności informacyj-
nej. Wskazuje typy architektury systemów komputerowych zapewniające ową spójność oraz
funkcje jakie pełni dowolny system informatyczny. Dla systemów sieciowych pokazano rodza-
je stacji roboczych i modele przetwarzania. Ponadto wyjaśnione są pojęcia: host, terminal, pro-
tokół, protokolizm, system homogeniczny i heterogeniczny.
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
2
SPIS TREŚCI
Streszczenie .................................................................................................................................. 1
1. Pojęcie spójności informacyjnej............................................................................................... 3
2. Funkcje systemu informatycznego ........................................................................................... 3
3. Rodzaje architektur systemów komputerowych....................................................................... 4
3.1. Architektura komputerów niezależnych z wymiennymi nośnikami ................................. 4
3.1.1. Funkcje niezależnych komputerów ............................................................................ 5
3.2. Architektura systemów wielostanowiskowych ................................................................. 5
3.2.1. Funkcje hosta i terminali ............................................................................................ 6
3.3. Architektura systemów sieciowych ................................................................................... 6
3.3.1. Funkcje serwera i stacji roboczych............................................................................. 7
3.3.2. Protokoły i protokolizm.............................................................................................. 8
3.3.3. Systemy homo- i heterogeniczne................................................................................ 8
3.3.4. Typy stacji roboczych................................................................................................. 8
3.3.5. Modele przetwarzania w systemach sieciowych ........................................................ 9
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
3
1. POJ
CIE SPÓJNOŚCI INFORMACYJNEJ
Podstawową przyczyną realizacji sieci komputerowych była chęć zapewnienia spójności in-
formacyjnej systemu.
Pojęcie spójności:
Spójność określana jest w matematyce w teorii grafów  jest to pewna cecha to-
pologii, dzięki której graf nie jest rozłączny (czyli istnieje droga łącząca dwa jego
dowolne wierzchołki)
Spójnością informacyjną nazywamy cechę systemu informatycznego, dzięki której każdy
z jego użytkowników ma dostęp do jednej i tej samej informacji.
Oznacza to, że dowolna modyfikacja danych w strukturze informatycznej jest widoczna od ra-
zu (bez żadnych opóz
nień) dla wszystkich użytkowników tego systemu.
Przykład:
Prostym przykładem obrazującym to może być struktura informatyczna przedsiębiorstwa, gdzie
przechowywane są dane osobowe pracowników. Znajdują się w dziale kadr. Tu również moż-
liwa jest ich modyfikacja. Ma do nich dostęp także strażnik pilnujący bramy. Może dzięki te-
mu zidentyfikować pracownika, który zapomniał przepustki. Modyfikacja danych w dziale
osobowym (np. pracownik został zwolniony i jego dane wykasowano z bazy) jest natychmia-
stowo widoczna u strażnika  nie wpuści już takiej osoby, gdyż jej identyfikacja nie przebie-
gnie pomyślnie.
2. FUNKCJE SYSTEMU INFORMATYCZNEGO
Dowolny system informatyczny wykonuje cztery podstawowe funkcje:
1) realizacja procesów obliczeniowych;
2) realizacja sterowania danymi;
3) realizacja interfejsu użytkownika;
4) wizualizacja.
Jest to klasyfikacja Suna.
Interfejsem użytkownika nazywamy fragment systemu operacyjnego, zadaniem którego jest
nawiązywanie i utrzymywanie kontaktu z użytkownikiem.
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
4
3. RODZAJE ARCHITEKTUR SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH
W celu zapewnienia spójności informacyjnej system komputerowy może mieć architekturę:
1) komputerów niezależnych z wymiennymi nośnikami;
2) systemów wielostanowiskowych;
3) systemów sieciowych.
3.1. Architektura komputerów niezależnych z wymiennymi nośnikami
Cechą charakterystyczną tej architektury jest to, że jednostki wchodzące w jej skład są fizycz-
nie niepołączone. Elementem zapewniającym im wzajemną łączność jest np. wymienne urzą-
dzenie dyskowe.
Przykład działania:
Pracownik, po aktualizacji bazy danych podchodzi z dyskietką do każdej komórki organizacyj-
nej firmy i dokonuje aktualizacji zasobów na każdym komputerze.
Jest to niezbyt dobra metoda  można w łatwy sposób pominąć któreś stanowisko w czasie ak-
tualizacji danych; dodatkowa wada to duże opóz
nienie (komputery mogą być w znacznej odle-
głości od siebie).
Kontynuując przykład strażnika w przedsiębiorstwie  może on nie dostać w porę aktualnej ba-
zy danych pracowników i wpuścić na teren zakładu zwolnioną niedawno osobę.
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
5
Geneza architektury komputerów niezależnych z wymiennymi nośnikami:
Pierwszą generacją przypominającą współczesne komputery była trzecia genera-
cja (rok 1964 i opracowanie przez IBM serii 3260). W owym czasie, najdroższym
elementem systemu komputerowego był procesor (kosztujący ok. 1 mln dolarów).
Dążono więc do jak najwydajniejszego wykorzystywania procesorów.
W każdym systemie informatycznym można wyróżnić dwa rodzaje operacji: prze-
twarzania i wejścia/wyjścia.
Systemy z lat 60-tych niezbyt efektywnie wykorzystywały swoje zasoby do realiza-
cji operacji wejścia/wyjścia. Stworzono więc nową klasę przetwarzania  tzw.
przetwarzanie pośrednie. Polegało ono na tym, że inna jednostka była odpowie-
dzialna za operacje wejścia/wyjścia, inna za operacje przetwarzania.
3.1.1. Funkcje niezależnych komputerów
W architekturze komputerów niezależnych z wymiennymi nośnikami każda jednostka realizuje
wszystkie poniższe funkcje:
1) procesy obliczeniowe
2) sterowanie danymi
3) interfejs użytkownika
4) wizualizacja
3.2. Architektura systemów wielostanowiskowych
Host w systemie wielostanowiskowym to jedyna jednostka dysponująca mocą przetwarzania.
Wszelkie działania związane z przetwarzaniem realizowane są przez hosta.
Terminalem nazywamy specjalizowaną jednostkę komputerową, jedynym zadaniem której jest
realizacja kontaktu z użytkownikiem.
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
6
Terminale (lub głuche terminale) nie wykonują żadnych innych działań niż wizu-
alizacja. To jednostki wyposażone w procesor wykorzystywany wyłącznie do ob-
sługi transferu danych. Wszystkie operacje wymagające mocy obliczeniowej wy-
konuje host.
Architektura systemów wielostanowiskowych jest nadal wykorzystywana. Ma du-
żą popularność w Polsce.
Ponieważ host jest jedyną jednostką, na której odbywa się przetwarzanie, struktu-
ra ta jest niezwykle wrażliwa na jego parametry. Uszkodzenie hosta powoduje
przerwę w działaniu systemu.
Host musi być jednostką o dużej mocy obliczeniowej, odporną na uszkodzenia.
Powinien być nadmiarowany programowo i sprzętowo (system fault tolerant).
Host był wyposażony w sterownik terminali  generował sygnał asynchroniczny,
konwertowany na prąd lub sygnał dz
więkowy, umożliwiający łączność hosta
z terminalem.
Host i terminal były połączone jedną, interpersonalną linią (akustyczną,
lub przewodem prądowym)  niewielkie szybkości i duża liczba użytkowników ko-
rzystających z takiego systemu wymuszały stosowanie interfejsów tekstowych.
3.2.1. Funkcje hosta i terminali
1) procesy obliczeniowe
2) sterowanie danymi
3) interfejs użytkownika
1) wizualizacja
3.3. Architektura systemów sieciowych
Podstawową wadą systemów wielostanowiskowych była centralizacja przetwa-
rzania. Stawiało to przed hostem bardzo wysokie wymagania wydajnościowe i
niezawodnościowe. Systemy te nie pozwalały realizować rozbudowanych interfej-
sów użytkownika, a jakiekolwiek uszkodzenie hostu wiązało się z niefunkcjonowa-
niem całego systemu.
Istota architektury sieciowej wiąże się z rozproszeniem procesu przetwarzania.
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
7
Informacje przesyłane między serwerem a stacją roboczą są większe niż w przy-
padku systemów wielostanowiskowych.
Ponieważ stacja robocza wyposażona jest we własną moc obliczeniową, sposoby połączenia
serwera i stacji mogą być zaawansowane, w tym również połączenie to może opierać się o me-
dia wielodostępowe (współdzielone).
Ponieważ stacja robocza dysponuje własną mocą obliczeniową, może ona wykonywać procesy
obliczeniowe o charakterze lokalnym, w tym również ochronę kryptograficzną przesyłanych
danych.
Architekturę tą cechuje niezależność komponentów systemu  awaria serwera nie wstrzymuje
pracy całego systemu. Podobnie jest ze stacjami roboczymi.
3.3.1. Funkcje serwera i stacji roboczych
1) procesy obliczeniowe o charakterze globalnym
2) sterowanie danymi o charakterze globalnym
3) interfejs administratora realizowane zwykle
4) wizualizacja związana z administratorem w sposób zdalny
1) procesy obliczeniowe lokalne
2) sterowanie danymi lokalnymi
3) interfejs użytkownika
4) wizualizacja
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
8
3.3.2. Protokoły i protokolizm
Podstawowym problemem systemów sieciowych jest konieczność zapewnienia komunikacji
pomiędzy autonomicznymi systemami. Komunikacja ta realizowana jest na bazie protokołów.
Protokołem nazywamy zbiór zasad syntaktycznych i semantycznych określających metody
komunikowania się systemu komputerowego.
Syntaktyką nazywamy gramatykę protokołu, to jest zestaw zasad określających poprawne jego
konstrukcje.
Semantyką nazywamy określenie działań wykonywanych przez poprawne gramatycznie kon-
strukcje protokołu.
Wprowadzenie protokołów powoduje wyraz
ną nadmiarowość informacyjną.
Transmisja realizowana jest znacznie mniej efektywnie. Jest to jednak niezbędne.
Trudno stworzyć jeden uniwersalny protokół.
Protokolizmem nazywamy zjawisko jednoczesnego wykorzystania w jednej i tej samej struk-
turze informacyjnej wielu różnych, niekompatybilnych protokołów. Protokolizm może pogar-
szać wszelkie charakterystyki systemu sieciowego.
3.3.3. Systemy homo- i heterogeniczne
Systemy sieciowe mogą być homogeniczne lub heterogeniczne.
Systemem homogenicznym nazywamy system oparty o elementy wykorzystujące tą samą ar-
chitekturę programowo-sprzętową.
W systemie heterogenicznym takie wymaganie nie jest stawiane (system ten budowany jest
na bazie platformy wielosystemowej).
Przykład:
Asembler jest językiem dedykowanym dla konkretnej architektury. Producent opracowując ja-
kiś procesor, tworzy jednocześnie zestaw rozkazów, które mogą być na nim wykonywane.
Chęć wykorzystania np. architektury RISC spowoduje, że moduły wykonywalne oparte o język
asemblera nie zadziałają na sprzęcie o innej architekturze (np. x86).
3.3.4. Typy stacji roboczych
Stacje robocze w systemach sieciowych możemy podzielić na:
1. niezależne,
2. bez danych,
3. bezdyskowe.
3.3.4.1. Stacje niezależne
Stacje niezależne wyposażone są w pełny zestaw urządzeń i programów, gwarantujący funk-
cjonowanie tejże stacji w oderwaniu od całości systemu (stacje stand-alone).
Stacje te posiadają własny system operacyjny, zestaw oprogramowania, urządze-
nia wejścia/wyjścia.
W tego typu stacjach utrudnione jest limitowanie dostępu do niektórych zasobów
 konieczne jest stosowanie zapór ogniowych (firewalli).
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002
9
3.3.4.2. Stacje bez danych
Stacje bez danych wyposażone są w minimalny zestaw urządzeń technicznych przeznaczonych
w szczególności do przechowywania części rdzeniowej systemu operacyjnego oraz realizacji
operacji swappingu.
W systemie bez danych użytkownik ma dostęp wyłącznie do udostępnionych mu
funkcji.
Stacje bezdyskowe i bez danych wykorzystywane są najczęściej w celu limitowa-
nia zakresu funkcji dostępnych użytkownikowi sieci (aby zwiększyć efektywność
pracy).
3.3.5. Modele przetwarzania w systemach sieciowych
Wyróżniamy następujące podstawowe modele
1. klient-serwer,
2. partnerski,
3. kooperacyjny,
4. rozproszony.
3.3.5.1. Model klient-serwer
W modelu tym użytkowników można podzielić na usługodawców, nazywanych serwerami
bądz
komputerami tylnymi, oraz usługobiorców (klientów), nazywanych również komputerami
czołowymi.
Model klient-serwer stanowi obecnie podstawę realizacji większości sieci komputerowych.
Podstawową wadą tego modelu jest konieczność podziału jednostek z punktu wi-
dzenia ich ważności w systemie oraz realizowanych funkcji.
W modelu tym główne przepływy realizowane są na trasie serwer  klient (zapy-
tanie klienta w jest zwykle znacznie mniejsze niż odpowiedz
serwera).
3.3.5.2. Model partnerski
W modelu tym nie klasyfikuje się jednostek z punktu widzenia realizowanych przez nie funk-
cji. Oznacza to, że wszystkie one z punktu funkcjonowania sieci są równoprawne.
W modelu partnerskim podstawowym problemem jest zapewnienie bezpieczeństwa. Wynika to
ze złożoności procedury rozgraniczania dostępu do usług i zasobów.
Porównując funkcje i możliwości modelu klient-serwer i partnerskiego, lepsze
charakterystyki osiąga ten drugi (pozostaje jednak kwestia bezpieczeństwa).
Obecne rozwiązania (NT, UNIX) zbliżają się do modelu partnerskiego.
3.3.5.3. Modele kooperacyjny i rozproszony
Główną przyczyną ich powstania była chęć zastosowania w systemie sieciowym wielu serwe-
rów.
Politechnika Rzeszowska im. Ignacego A
ukasiewicza
Zakład Systemów Rozproszonych
Rzeszów 2002