Technologie przesyłania danych i informacji. Transfer danych. Urządzenia, systemy, programy. Technologia informacyjna. Charakterystyka komputerowych sieci danych
Przyjrzeliśmy się historii rozwoju sieci komputerowych. Rozważyliśmy wszystkie ważne etapy powstawania Internetu i ogólne zasady jego działania.
Dzisiejszym tematem będzie: technologie transmisji danych w sieciach,. Oczywiście przede wszystkim – komputer. W ramach tego artykułu rozważymy również główne sposoby transmisji danych (koncepcje interfejsów fizycznych i logicznych), przeanalizujemy główne technologie kodowania sygnału podczas jego transmisji, charakterystykę linii komunikacyjnych, a także ochronę przed utratą mechanizmy.
Więc! Do czego służy sieć? Zgadza się - do przenoszenia danych (informacji) nad nim. A jak te informacje są przekazywane (dystrybuowane)? Zgadza się - po pewnym medium transmisyjne(infrastruktura kablowa lub - w zakresie komunikacji bezprzewodowej).
Technologie przesyłania danych w swojej pracy wykorzystują (w zależności od konkretnej implementacji) różne interfejsy fizyczne.
Notatka: interfejs to fizyczna (lub logiczna) granica w interakcji kilku niezależnych obiektów - rodzaj warstwy między nimi.
Interfejsy dzielą się na dwie kategorie:
- interfejsy fizyczne
- interfejsy logiczne
Interfejs fizyczny jest to końcowy port połączenia (złącze z grupą styków elektrycznych). Na przykład interfejs. ALE para portów, połączony za pomocą złączy i kabla, nazywany jest linią danych (kanałem).
Interfejs logiczny to zestaw reguł (protokół), który definiuje samą logikę wymiany danych między podłączonymi urządzeniami liniowymi (sieciowymi).
Organizacja przesyłania danych w sieci komputerowej odbywa się w ścisłej interakcji tych dwóch interfejsów: komponentu fizycznego (karta sieciowa) i logicznego (jego sterownik).
Warunkiem pomyślnego wdrożenia dowolnej technologii transmisji danych jest obecność w strumieniu danych dodatkowego komponentu - protokół przesyłania.
Protokół transferu na poziomie logicznym to zestaw reguł regulujących wymianę danych między różnymi aplikacjami lub urządzeniami. Reguły te określają jednolity sposób wysyłania wiadomości i obsługi błędów transmisji. Na poziomie fizycznym protokół jest zbiorem danych usługowych dołączonych do głównych pakietów (ramek) informacji, bez których skuteczna interakcja w sieci jest po prostu niemożliwa.
Protokół musi abstrahować (ignorować) określone medium transmisyjne, jego zadaniem jest zapewnienie niezawodne połączenie między węzłami w przełączanie chmury.
Przyjrzyjmy się bardziej szczegółowo procesowi organizacji transferu danych!
Po pierwsze, dzieje się tak: aplikacja (program) prosi system operacyjny o pozwolenie na połączenie w sieć z innym urządzeniem (drukarką, komputerem zdalnym, kamerą monitorującą itp.) System operacyjny instruuje sterownik karty sieciowej, który ładuje pierwszą porcję danych do bufora karty i inicjuje działanie interfejsu do transmisji
Na drugim końcu linii (sieci) zdalne urządzenie odbiera przychodzące dane do bufora swojej karty sieciowej. Po zakończeniu transmisji protokół sprawdza, czy w przesyłanych partiach danych (pakietach) nie ma błędów (w razie potrzeby żąda ich retransmisji) i ładuje odebrane dane z bufora karty do wcześniej zarezerwowanego miejsca pamięć o dostępie swobodnym. Stamtąd ostateczna aplikacja (program) pobiera informacje i pracuje z nimi.
Oto diagram dla jasności (klikalny):
W oparciu o wszystko, co zostało powiedziane powyżej, możemy wyciągnąć następujący wniosek: technologie budowania sieci sprowadzają się do elektrycznego i informacyjnego łączenia zdalnych urządzeń! Tych. - tworzyć fizyczne medium transmisyjne(kabel, połączenie bezprzewodowe) i zapewniają wspólny protokół komunikacyjny przez sieć.
Klient to moduł (program, serwis, oddzielny komputer), który służy do generowania i przesyłania komunikatów (żądań) do zasobów zdalnego urządzenia (serwera), z późniejszym odbiorem z niego wyników i przekazaniem ich do odpowiednich aplikacji na kliencie.
serwer jest to moduł (program, usługa...), który nieustannie oczekuje na żądania od klientów z sieci i obsługuje (przy udziale lokalnego systemu operacyjnego) te żądania.
Jeden serwer może obsługiwać wielu klientów na raz, oto kolejny przykład: baza danych, z którą współpracują klienci. Są wyposażone w moduły programu klienckiego, które łączą się z bazą danych i obsługują tylko GUI pracować z nią. Wszystkie obliczenia i przetwarzanie jednocześnie odbywają się na serwerze i wykorzystują jego zasoby.
Znajdźmy inną definicję! Komponent klient-serwer, który zapewnia dostęp do niektórych zasobów komputera przez sieć, nazywa się usługa sieciowa. Ponadto każda usługa jest powiązana z określonym rodzajem zasobów sieciowych.
Na przykład: usługa drukowania pozwala nam drukować dokumenty na drukarka sieciowa, a usługa plików — w celu uzyskania dostępu do danych znajdujących się na komputerach zdalnych. Do surfowania po Internecie służy usługa sieciowa, która składa się ze strony serwera (serwera WWW) i strony klienta (przeglądarki internetowej) użytkownika (IE, Opera, Firefox itp.)
W świetle powyższego technologie transmisji danych powinny polegać nie tylko na: System operacyjny, ale w sieciowych systemach operacyjnych, które zapewniają użytkownikowi dostęp do informacji i zasobów sprzętowych innych komputerów. Co więcej, te systemy operacyjne, zgodnie z powyższymi definicjami, dzielą się również na dwie duże klasy: systemy operacyjne dla serwerów i klientów.
Systemy klienckie wysyłają żądania głównie do komponentów serwera innych komputerów oraz komponentów serwera serwerownia OS świadczy te usługi. Oczywiście na ten moment, prawie każdy nowoczesny system operacyjny może pełnić zarówno rolę klienta, jak i serwera. Systemy serwerowe są po prostu początkowo zaprojektowane do obsługi maksymalnej liczby połączeń i mają lepszą odporność na uszkodzenia (niezawodność).
Tutaj np. jaka „zabawka” znajduje się w naszej serwerowni:
Ale o niej - innym razem :)
Porozmawiajmy teraz o tym: nowoczesne (cyfrowe) technologie transmisji sygnału wiążą się z jego konwersją (kodowaniem). Dlaczego tego potrzebujemy? Powodów jest kilka:
- Zapobieganie błędom transmisji danych (dzięki niezawodnemu rozpoznawaniu sygnału przez stronę odbiorczą)
- Dane są przesyłane szybciej (ze względu na większą gęstość) przydatna informacja w strumieniu)
Jak widać, to już dwa bardzo dobre powody, aby zwrócić należytą uwagę na metody kodowania :)
Poniższe zdjęcie pokazuje dwa sygnały: analogowy (czerwona linia) i cyfrowy (czarne „kroki”)
W tym przypadku sekwencja analogowa została zdigitalizowana (próbkowana) z określoną częstotliwością. Im wyższa częstotliwość próbkowania, tym mniejszy krok będą miały nasze "kroki" i tym bardziej zdigitalizowany sygnał będzie podobny do oryginalnego (czerwony).
Podobne procesy zachodzą podczas samplowania (digitalizacji) naszego głosu pobieranego z wejścia mikrofonowego.
W Informatyka używany kod binarny. Wewnątrz komputera odpowiada to dwóm stanom: obecności i braku napięcia elektrycznego (logiczne „zero” lub „jeden”). Tutaj - wszystko jest proste: jest prąd - „jeden”, nie - „zero”.
Nowoczesne technologie transmisji danych umożliwiają kodowanie sygnału na inne (bardziej wydajne) sposoby. Ale najpierw - jeszcze jedna mała klasyfikacja. Ze względu na sposób realizacji procedura dzieli się na:
- Fizyczne kodowanie sygnału
- i - logiczne (na wyższym poziomie - ponad fizycznym)
Przyjrzyjmy się najpierw pierwszemu punktowi. Są na przykład potencjalna metoda kodowania, przy którym jeden poziom napięcia (jeden potencjał) odpowiada jednemu, a drugiemu zero. I kiedy metoda impulsowa, impulsy o różnej polaryzacji są używane do reprezentowania liczb.
Do technologii kodowania pewien problem przy przesyłaniu danych jest to, że zewnętrzne (w stosunku do samego komputera) linie transmisji danych mogą być rozciągnięte na duże odległości i podlegają różnym zakłóceniom i zakłóceniom. Prowadzi to do zniekształcenia referencyjnych prostokątnych impulsów transmisji sygnału i potrzebne są nowe (niezawodne) algorytmy jego kodowania i transmisji.
Używany w sieciach komputerowych potencjał, oraz impulsywny kodowanie. Istnieje również sposób transmisji danych, taki jak: modulacja.
W przypadku modulacji dane dyskretne są przesyłane za pomocą sygnału sinusoidalnego o częstotliwości, która jest dobrze transmitowana przez dostępną linię komunikacyjną.
Pierwsze dwie opcje konwersji są używane dla linii wysokiej jakości, a modulacja jest stosowana w kanałach o silnych zniekształceniach sygnału. Na przykład modulacja jest stosowana w sieciach rozległych podczas przesyłania ruchu przez analogowe kanały komunikacji telefonicznej, które zostały zaprojektowane specjalnie do transmisji głosu (element analogowy) i dlatego są słabo przystosowane do transmisji impulsów cyfrowych.
Na sam sposób transmisji wpływ ma również np. ilość żył (rdzeń) w liniach komunikacyjnych. Aby zmniejszyć ich koszt, często zmniejsza się liczbę przewodów. Dzięki tej technologii przesyłanie danych odbywa się sekwencyjnie, a nie równolegle (jak to jest zwykle w przypadku linii komunikacyjnych wewnątrz komputera).
Metody kodowania w warstwie fizycznej obejmują algorytmy takie jak: NRZ(Bez powrotu Zero), Kod Manchesteru ( Manchester), MLT-3(Multi Level Transmission) i wiele innych. Nie widzę sensu w szczegółowo o nich rozwodzić się, jeśli to ciekawe – zawsze można o nich poczytać w Internecie. Krótko mówiąc, ja - otmazalsya! :)
Powiedzmy kilka słów o kodowaniu logicznym. Jak możesz zrozumieć z nazwy, odbywa się to na górze fizycznej (nałożonej na nią) i służy zapewnieniu dodatkowej niezawodności podczas przesyłania danych. W jaki sposób?
Na przykład: jeśli charakter przesyłanego sygnału przez długi czas nie zmienia się (przy przesyłaniu długich ciągów logicznych zer lub jedynek), odbiorca może popełnić błąd przy odczytywaniu kolejnego bitu informacji. Po prostu nie będzie w stanie rozłożyć ogólnego strumienia danych na oddzielne komponenty i w rezultacie poprawnie złożyć z nich oryginalną strukturę w swoim buforze.
Kodowanie logiczne (któremu poddawana jest oryginalna sekwencja danych) osadza bity o przeciwnym znaczeniu w długie sekwencje bitów lub ogólnie zastępuje je innymi sekwencjami. Ponadto pozwala poprawić charakterystykę spektralną sygnału, ogólnie - uprościć jego dekodowanie, a dodatkowo - przesłać dodatkowe sygnały sterujące we wspólnym strumieniu.
Zasadniczo do transformacji logicznej wykorzystywane są trzy technologie:
- trochę farszu
- nadmiarowe kodowanie
- kodowanie
Również - nie zatrzymuję się osobno (żeby się nie nudzić) :) Mam nadzieję, że zrozumiesz główny pomysł!
Krótko zgłoś następujący zrzut ekranu:
Na nim możesz zobaczyć, jak wygląda ten sam sygnał, gdy zastosuje się do niego różne algorytmy:
Technologie transmisji danych wiążą się z szeregiem innych problemów, z którymi trzeba sobie poradzić. A jednym z nich jest problem wzajemnej synchronizacji nadajnika jednego komputera i odbiornika drugiego. Zgadzam się, że trudno będzie zrozumieć strumień danych, jeśli dwa urządzenia zaczną go generować jednocześnie „do siebie”. Zacznie się bałagan! :)
Problem synchronizacji komputery zdalne można zdecydować różne sposoby: poprzez wymianę specjalnych impulsów zegarowych lub przesyłanie danych serwisowych, które nie są związane z głównym przepływem informacji. Jedną ze standardowych sztuczek poprawiających niezawodność transmisji jest liczenie suma kontrolna każdy bajt (blok bajtów) i przesłanie tej wartości do strony odbierającej.
Notatka: suma kontrolna to - pewna wartość obliczona przez „narzucenie” na dane określonego algorytmu i wykorzystywana do sprawdzania ich integralności podczas transmisji. Sumy kontrolne mogą być używane do szybkie porównanie dwa zestawy danych dla ich tożsamości. Różne dane będą miały różne sumy kontrolne.
Inną technologią potwierdzania integralności danych jest wymiana między współpracującymi urządzeniami sygnały odbioru, potwierdzający poprawność odbioru. Często ta funkcja jest domyślnie zawarta w samym protokole komunikacji sieciowej.
Technologie przesyłania danych polegają na przesyłaniu informacji z jednego komputera na drugi - w obu kierunkach. Nawet w przypadku, gdy wydaje nam się, że tylko odbieramy dane (np. ściągamy muzykę), tak naprawdę wymiana przebiega w dwóch kierunkach. Jest po prostu główny strumień danych (który nas interesuje - muzyka) i pomocniczy (usługowy), idący w przeciwnym kierunku, uformowany do wezwania o udanej (lub nieudanej) transmisji.
W zależności od tego, czy mogą przesyłać dane w obu kierunkach, czy nie, kanały fizyczne dzielą się na kilka typów:
- kanał dupleksowy- zapewnia jednoczesną transmisję informacji w obu kierunkach Duplex może składać się z dwóch niezależnych nośników fizycznych (jeden przewód do odbioru, drugi do transmisji). Możliwe jest również, że do zapewnienia działania dupleksowego wykorzystywane jest jedno medium. W takim przypadku klienci używają dodatkowych algorytmów do wyodrębniania każdego strumienia danych z ogólnej tablicy informacji.
- Kanał półdupleksowy- zapewnia również transmisję w obu kierunkach, ale nie jednocześnie, ale - po kolei. Tych. przez pewien czas dane są przesyłane w jednym kierunku, a potem w przeciwnym.
- Kanał simpleksowy- umożliwia przesyłanie informacji tylko w jednym kierunku. Duplex może składać się z dwóch kanałów simpleksowych.
Och, coś okazało się dużo listów :) Myślę, że na dziś wystarczy, będziemy stopniowo posuwać się do przodu. W kolejnych artykułach na pewno będziemy kontynuować naszą znajomość, ale na razie - do widzenia i - do kolejnych artykułów!
Na koniec obejrzyj film tematyczny:
W naszych czasach najbardziej rozpowszechnione są kanały komunikacji elektrycznej. To jest agregat urządzenia techniczne, które zapewniają transmisję dowolnego rodzaju wiadomości od nadawcy do odbiorcy. Odbywa się to za pomocą sygnałów elektrycznych rozchodzących się za pomocą przewodów lub sygnałów radiowych. Istnieją kanały telekomunikacyjne: telefon, telegraf, telefaks, telewizja, transmisja przewodowa i radiowa, telemechaniczna transmisja danych itp. Część integralna kanałami komunikacyjnymi są linie komunikacyjne - przewodowe i bezprzewodowe (radiowe). Z kolei komunikacja przewodowa może odbywać się po kablu elektrycznym i po linii światłowodowej. A komunikacja radiowa odbywa się na pasmach LW, MW, HF i VHF bez użycia przemienników, kanały satelitarne za pomocą przemienników kosmicznych, za pośrednictwem linii przekaźnikowych radiowych za pomocą przemienników naziemnych oraz za pośrednictwem komunikacji komórkowej za pomocą sieci naziemnych stacji bazowych.
Przewodowe linie komunikacyjne
Linie telekomunikacyjne przewodowe dzielą się na kablowe, powietrzne i światłowodowe.
linie kablowe znajomości
Linie komunikacyjne kablowe - linie komunikacyjne składające się z ukierunkowanych mediów transmisyjnych (kable), zaprojektowane wraz z przewodowymi systemami transmisyjnymi w celu zorganizowania komunikacji. Linie kablowe składają się z węzłów komunikacyjnych, bezobsługowych punktów regeneracji (wzmacniania) - NRP, NUP, trasy kablowej.
Napowietrzne linie komunikacyjne
Linie lotnicze dzielą się na linie: międzymiastowe komunikacja telefoniczna(MTS), wiejskiej łączności telefonicznej (STS), miejskiej łączności telefonicznej (GTS) oraz sieci radiofonicznych (RS).
Pod względem znaczenia linie lotnicze STS; linie abonenckie STS.
Przeczytaj także:
Opracowanie syntezatora sygnału audio z kompresją danych
Celem tego projektu kursu jest opracowanie syntezatora sygnałów audio z kompresją danych, umożliwiającego odtwarzanie komunikatów audio. Polecenia zarządzania...
Opracowanie i produkcja kompleksu wzmocnienia i digitalizacji sygnału opartego na mikrokontrolerze
Rozwój mikroelektroniki i jej szerokie zastosowanie w produkcji przemysłowej, w urządzeniach i systemach sterowania dla szerokiej gamy obiektów i procesów jest obecnie ...
Obliczanie charakterystyk łącza radiowego
Do transmisji sygnałów z anteny nadawczej (emiter) do anteny odbiorczej często wykorzystuje się środowisko naturalne jako linie przesyłowe energii. Linia transmisyjna nazywa się e ...
1. Temat dyscyplina akademicka, zadanie i cel nauczania dyscypliny
Dyscyplina „Technologie Przesyłu Informacji” jest jedną z dyscyplin normatywnych, która wchodzi w cykl kształcenia przyrodniczego (podstawowego) specjalistów z dziedziny „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;
- tworzenie wiedza teoretyczna w dziedzinie technologii transmisji 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;
- podstawowy nowoczesne technologie transmisja 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 transmisja 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 nowoczesne środki wymiana i przetwarzanie 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 lekcji klasowych oraz niezależna praca studenci.
Wykorzystane źródła informacji:
- Sieć komputerowa. Zasady, technologie, protokoły: Podręcznik dla uniwersytetów. 4 wyd. / W.G. Olifer, Stany Zjednoczone Olifer - Petersburg. Piotr, 2010. - 944 s.
- Broido V.L. Systemy komputerowe, sieci i telekomunikacja: Podręcznik dla uczelni. 2. wyd. - Petersburg: Piotr, 2006 - 703 s.
- 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.
- A. L. DMITRIEV Systemy optyczne do transmisji informacji / Poradnik. - Petersburg: SPbGUITMO, 2007. - 96 str.
Wysyłanie dobrej pracy do bazy wiedzy jest proste. Skorzystaj z poniższego formularza
Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy będą Ci bardzo wdzięczni.
Podobne dokumenty
Cechy systemów transmisji informacji w komunikacji laserowej. Historia powstania i rozwoju technologii laserowej. Struktura lokalu śieć komputerowa za pomocą atmosferycznych optycznych linii komunikacyjnych. Uwzględnienie symulacji systemu.
praca dyplomowa, dodana 10.28.2014
Nowoczesne technologie cyfrowe do przesyłania informacji. System RFTS w korporacyjnej sieci komunikacyjnej. Metodyka projektowania głównego FOCL, obliczanie magistrali Ufa-Samara. Różnice w parametrach fizycznych jednomodowych i wielomodowych kabli optycznych.
praca dyplomowa, dodana 16.04.2015
Technologie budowy sieci transmisji danych. Przygotowanie oprogramowania i sprzętu systemu transmisji informacji. Specjalistyczna wiedza w zakresie ergonomii oprogramowanie inspektor ruchu. Opracowanie systemu kablowego dla światłowodowych linii komunikacyjnych.
praca dyplomowa, dodana 24.02.2013 r.
Metody kodowania wiadomości w celu zmniejszenia objętości alfabetu znaków i zwiększenia szybkości przesyłania informacji. Schemat strukturalny systemy komunikacyjne do transmisji dyskretnych wiadomości. Obliczenie dopasowanego filtra do odbioru przesyłki elementarnej.
praca semestralna, dodana 05.03.2015
Badanie wzorców i metod przekazywania komunikatów kanałami komunikacyjnymi oraz rozwiązanie problemu analizy i syntezy systemów komunikacyjnych. Zaprojektowanie ścieżki transmisji danych pomiędzy źródłem a odbiorcą informacji. Model częściowego opisu kanału dyskretnego.
praca semestralna, dodana 05.01.2016
Komunikacja jako umiejętność przekazywania informacji na odległość. Pojęcie i rodzaje środków sygnalizacyjnych, ich cechy funkcjonalne, ocena roli i znaczenia w wyprawach. Komunikacja i sygnalizacja w warunkach arktycznych, istniejące technologie i metody, techniki.
streszczenie, dodane 31.05.2013
Co to jest TSR? Zasada budowy sieci trunkingowych. Śledzenie usług sieciowych. Technologia Bluetooth - jako sposób transmisja bezprzewodowa Informacja. Niektóre aspekty praktyczne zastosowanie Technologia Bluetooth. Analiza technologii bezprzewodowych.
praca semestralna, dodana 24.12.2006
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 systemu próbując wyeliminować najbardziej oczywiste wąskie gardła, chociaż wiedzą, że po wyeliminowaniu wąskiego gardła w jednej części systemu pojawia się 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. W ostatnie czasy stworzono bardzo duże macierze pamięci masowej, wpychając wąskie gardła z powrotem do sieci. Wzrost i centralizacja danych oraz wymagania dotyczące aplikacji nowe pokolenie do pasmo często zużywają całą dostępną przepustowość.
Gdy przed menedżerem serwisu informacyjnego staje zadanie 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 połączenia różnych urządzenia peryferyjne. 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 rozwiązań o wysokiej wydajności sieci lokalne. Przedsiębiorstwa na całym świecie inwestują w okablowanie i sprzęt Ethernet oraz w szkolenie personelu. Szerokie zastosowanie tej technologii pozwala zachować niskie ceny na rynku, a koszt wdrożenia każdej nowej generacji sieci ma 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. U początków 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). Podczas gdy w poprzednich wersjach Fast Ethernet czy Gigabit Ethernet twórcy zapożyczyli pewne elementy innych technologii, specyfikacje nowego standardu zostały stworzone 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. Nowy standard miał 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 przepływnością danych 10 Gb/s;
- specyfikacja warstwy fizycznej WAN PHY do łączenia się z sieciami SONET/SDH, pracująca 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 poprzednie wersje Ethernet (zapisz format pakietu, rozmiar 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 w tym przypadku długość kanału jest ograniczona jedynie właściwościami medium fizycznego, zastosowanymi urządzeniami odbiorczymi/nadawczymi, mocą sygnału i metodami modulacji. Niezbędną topologię można zapewnić na przykład za pomocą przełączników. Tryb transmisji dupleksowej umożliwia również utrzymanie minimalnego rozmiaru pakietu 64 bajtów bez stosowania technik rozszerzania nośnej.
Zgodnie z modelem odniesienia interakcji systemy otwarte(OSI) technologia sieciowa jest zdefiniowana przez dwie niższe warstwy: fizyczną (Warstwa 1, Fizyczna) i kanałową (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. Fizyczna podwarstwa kodowania PCS (Physical Coding Sublayer) 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) jest odpowiedzialna 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 jest atrakcyjny dla administratorów ze znaną organizacją zarządzania i możliwością zastosowania wyciągniętych wniosków, ponieważ wykorzystuje procesy, protokoły i elementy sterujące 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 prostszy 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 ogólnie bardziej opłacalne niż tradycyjne urządzenia telekomunikacyjne.
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.s.u-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, 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 w celu łączenia komputerów w celu wspólnej pracy, wygodne i skuteczne okazało się przybliżanie zasobów do grup roboczych. W związku z tym, próbując zminimalizować obciążenie sieci, nośniki pamięci zostały równomiernie 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 kanał między kontrolerem a twardy dysk lub między kontrolerem RAID a zewnętrzną macierzą dyskową.
To oddzielenie 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 stoją przed wyzwaniami związanymi 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 Nowa technologia została przejęta przez Fibre Channel Association (FCA), które zostało członkiem organizacyjnym komitetu 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 środków dostępu do globalne sieci. Jedną z głównych zalet tej technologii jest wysoka 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 poziomów funkcjonalnych, które definiują: fizyczny interfejs, protokół transmisji, protokół sygnalizacyjny, ogólne procedury i protokół wyświetlania. Numeracja idzie od najniższego poziomu sprzętowego FC-0, który odpowiada za parametry fizycznego połączenia, do najwyższego oprogramowania FC-4, które współpracuje z aplikacjami przez wysoki poziom. 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 a protokoły we/wy (takie jak polecenia SCSI) są konwertowane na ramki protokołu FC-PH i dostarczane do miejsca docelowego. Każde urządzenie (komputer, serwer, drukarka, napęd), 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 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. Kanały optyczne służą do łączenia urządzeń w sieci Fibre Channel, a skrętka służy do łączenia Poszczególne komponenty w urządzeniu (na przykład dyski w podsystemie dyskowym).
Standard zapewnia wiele przepustowości i zapewnia kurs wymiany 1, 2 lub 4 Gb/s. Biorąc pod uwagę fakt, że do połączenia wykorzystywane są dwa urządzenia kable optyczne, z których każdy działa w tym samym kierunku, z zrównoważony zestaw operacje zapisu-odczytu, szybkość wymiany danych jest podwojona. 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 dalej od serwerów. . 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 magazynowanie.
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(Wirtualna sieć LAN) w sieci lokalnej - urządzenia znajdujące się w różnych strefach nie mogą się nawzajem "widzieć". Podział na strefy możliwy jest albo za pomocą sieci przełączanej (Switch Fabric) albo na podstawie wskazania adresu WWN (World Wide Name). Adres WWN jest podobny do adresu MAC w Sieci Ethernet, każdy kontroler FC ma swój unikalny adres WWN, który jest mu przypisany przez producenta, a każdy poprawny system pamięci masowej umożliwia wprowadzenie adresów tych kontrolerów lub portów macierzy, z którymi dane urządzenie może 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 FICONTechnologia FICON (Fiber CONnection) zapewnia lepszą wydajność, ulepszone funkcjonalność i komunikacji na duże odległości. Jako protokół przesyłania danych jest oparty na standardzie ANSI dla systemów Fibre Channel (FC-SB-2). Pierwszy standard opracowany przez IBM ogólny cel do komunikacji między komputerami mainframe a urządzeniami zewnętrznymi (takimi jak dyski, drukarki i napędy taśmowe) opierała się na połączeniach równoległych, nie różniących się zbytnio od kabli wielożyłowych i złączy wielostykowych, które były używane w tamtych latach do łączenia drukarek biurkowych z komputerami 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 zamiast miedzi zastosowano w niej światłowód, a dane były przesyłane nie równolegle, ale szeregowo. Wszyscy doskonale zdawali sobie sprawę, że ESCON był 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 przez kilka lat FICON był używany prawie wyłącznie do podłączania napędów taśmowych (znacznie ulepszone rozwiązanie na potrzeby tworzenia) kopie zapasowe i odzyskiwanie) oraz drukarki. 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 popularnych 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 magistrali PCI oraz kanały we/wy, takie jak SCSI. Ponadto infrastruktura InfiniBand może służyć do agregacji pojedynczy system fragmenty przy użyciu różne technologie. Przewaga InfiniBand nad wyspecjalizowanymi, skoncentrowanymi na klastrach o wysokiej wydajności technologie sieciowe polega na jego wszechstronności. 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 wykorzystywany jest specjalny kabel (link), zapewniający szybkość transmisji danych 2,5 Gb/sw obu kierunkach (InfiniBand 1x). Architektura jest zorganizowana jako architektura warstwowa, zawiera cztery warstwy sprzętowe i wyższe warstwy zaimplementowane w oprogramowaniu. 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 tanie 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 właściwości 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 zdefiniowane 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 sprowadza się do prostego zduplikowania połączenia do innego przełącznika). Wreszcie, architektura InfiniBand rozwiązuje problemy z łącznością i ograniczenia przepustowości na serwerze, zapewniając jednocześnie wymaganą przepustowość i możliwości komunikacji 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 jednym lub większą liczbą przełączników InfiniBand i może komunikować się z jednym lub większą liczbą TCA. TCA (Adapter kanału docelowego) jest przeznaczony do podłączania urządzeń, takich jak dyski, macierze dyskowe lub kontrolery sieciowe. To z kolei służy jako interfejs między przełącznikiem InfiniBand a kontrolerami I/O urządzeń peryferyjnych. Kontrolery te nie muszą być tego samego typu ani należeć do tej samej klasy, co pozwala na łączenie ich w jeden system. różne urządzenia. W ten sposób TCA działa jako pośrednia warstwa fizyczna między ruchem danych struktury 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 i z 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 odpowiedzialnego 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;
- dodatkowy 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 kolejne łącze kanału komunikacyjnego, a kod ICRC - gdy pakiet jest odbierany przez adresata, co gwarantuje integralność transmisji po łączu i całym kanale komunikacyjnym.
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, usuwając ograniczenia maksymalnego zasięgu komunikacji i zapewniając najlepszy użytek linie komunikacyjne. 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 wsparcia 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. Najważniejszym punktem demonstracji był transfer danych 10 Gb/s na odległość 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.