Распределенные алгоритмы (стр. 3 из 85)

(4) Взаимное доверие. Внутри одной организации можно доверять всем пользователям, но в глобальной сети это определенно не так. Глобальная сеть требует развития безопасных алгоритмов, защищающих узлы от аггресивных пользователей.

Раздел 1.1.3 посвящен краткому обсуждлению глобальных сетей, локальные сети обсуждаются в разделе 1.1.4.

1.1.3 Глобальные сети

Историческое развитие. Большая часть первооткрывательской работы в развитии глобальных компьютерных сетей было проделано в проектах агентства ARPA министерства обороны США. Сеть ARPANET начала работать в 1969, и соединяла в то время 4 узла. Эта сеть выросла до нескольких сотен узлов, и другие сети были установлены с использованием подобной технологии (MILNET, CYRPRESS). ARPANET содержит специальные узлы (называемые процессорами интерфейса сообщений (IMP)), которые предназначены только для обработки потока сообщений.

Когда UNIX системы стали широко использоваться, было признана необходимость информационного обмена между различными UNIX машинами, для чего была написана программа uucp (Unix-to-Unix CoPy). С помощью этой программы можно обмениваться файлами по телефонным каналам и сетям с пользователями UNIX – эта программа дала название быстрорастущим UUCP сетям. Также другая большая сеть, BITNET, была разработана в восьмидесятые, так как ARPANET принадлежала министерству обороны и только несколько организаций могли к ней подключаться.

Сегодня все эти сети соединены между собой с помощью узлов, которые принадлежат двум сетям (называемые шлюзами) и позволяющих обмениваться информацией узлам различных сетей. Введение унифицированного адресного пространства превратило все сети в одну виртуальную сеть, известную как Internet. Электронный адрес автора (gerard@cs.ruu.nl) обеспечивает информацию о сети, к которой подключен его департамент.

Алгоритмические проблемы и проблемы организации. Глобальные сети всегда организованы как сети типа точка-точка. Это означает, что коммуникация между парой узлов осуществляется при помощи механизма особенного по отношению к этим двум узлам. Такой механизм может быть телефонной линией, оптоволокном или спутниковой связью и т.д. Структура соединений в сетях точка-точка может быть хорошо изображена, если нарисовать каждый узел как окружность и связи между ними как линии, если линия коммуникация существует между этими двумя узлами, см. рис. 1.1. Говоря техническим языком, структура представляется графом, грани которого представляют собой линии коммуникации в сети. Сводка по терминологии теории графов приведена в Дополнении Б.

Рис. 1.1 Пример сети точка-точка

Основное назначение глобальных сетей – это обмен информацией, например, в форме электронной почты, досок объявлений, и удаленных файлов. Разработка приемлемой системы коммнуникаций для этих целей требует решения следующих алгоритмических проблем, некоторые из которых обсуждаются в Части 1 этой книги.

(1) Надежность обмена данными по типу точка-точка (глава 3). Два узла соединенные линией, обмениваются данными по этой линии, но они должны как-то справляться с потенциальной ненадежностью линии. Из-за атмосферных явлений, падения напряжения и других физических обстоятельств, сообщение, посланное через линию может быть получено с частично искаженным или даже утерянным. Эти нарушения при передаче должен быть распознаны и исправлены.
Эта проблема встречается не только для двух напрямую соединенных узлов, но также для узлов, не соединенных напрямую, а связанных посредством промежуточных узлов. В этом случае проблема даже более сложна, потому что ко всему прочему сообщения могут доставляться в порядке, отличном от того, в котором они были посланы, а также сообщения могут прибывать с большим опозданием или продублированные.

(2) Выбор путей коммуникации. (глава 4). В сети точка-точка обычно слишком дорого обеспечивать связь между каждой парой узлов. Следовательно, некоторые пары узлов должны положиться на другие узлы для того, чтобы взаимодействовать. Проблема маршрутизации касается выбора пути (или путей) между узлами, которые хотят взаимодействовать. Алгоритм, используемый для выбора пути, связан со схемой, по которой узлы именуются, т.е. форматом адреса, который узел должен использовать, чтобы послать сообщение другому узлу. Выбор пути в промежуточных узлах производится с использованием адреса, и выбор может быть сделан эффективно, если в адресе кодируется в адресах.

(3) Контроль перегрузок. Пропускная способность коммутируемой сети может сильно падать, если много сообщений передается одновременно. Поэтому генерирование сообщений различными узлами должно управляться и должно зависеть от свободных мощностей сети. Некоторые методы предотвращения перегрузок обсуждаются в [Tann88, раздел 5.3].

(4) Предотвращение тупиков. (глава 5). Сети типа точка-точка иногда называются сетями типа сохранить-и-передать, потому что сообщение, которое посылается через несколько промежуточных узлов должно сохраняться в каждом из этих узлов, а затем форвардиться к следующему узлу. Так как пространство памяти, доступное для этой цели в промежуточных узлах ограничено, то память должна тщательно управляться для того, чтобы предотвратить тупиковые ситуации. В таких ситуациях существует набор сообщений, ни одно из которых не может быть отфорвардено, потому что память следующего узла в маршруте полностью занято другими сообщениями.

(5) Безопасность. Сети, соединяют компьютеры с различными пользователями, некоторые из которых могут попытаться злоупотребить или даже испортить системы других. Так как возможно зарегистрироваться в компьютерной системе из любой точки мира, то требуются надежные методы для аутентификации пользователей, криптографические методы, сканирование входящей информации. Криптографические методы могут быть использованы, чтобы шифровать данные для безопасности от несанкционированного чтения и чтобы ставить электронные подписи против несанкционированного написания.

1.1.4 Локальные сети

Локальная сеть используется организацией для соединения набора компьютеров, которые ей принадлежат. Обычно, основное назначение этих компьютеров заключается в разделении ресурсов (как файлов, так и аппаратной перефирии) и для облегчения обмена информацией между сотрудниками. Иногда сети также используются для повышения скорости вычислений (перекладыванием задач на другие узлы) и чтобы позволить некоторым узлам быть для других запасными в случае их повреждения.

Узлы

Рис. 1.2 Сеть с шинной организацией

Примеры и организация. В первой половинек 1970-х локальная сеть Ethernet была разработана Xerox. В то время как имена глобальных сетей ARPANET, BITNET, и т.д. происходят от конкретных сетей, имена локальных сетей – это обычно имена производителей. Есть одна ARPANET, одна BITNET, и одна UUCP сеть, каждая компания может установить свою собственную Ethernet, Token Ring или SNA сеть.

В отличие от глобальных сетей, ethernet организована с использованием шинной структуры, т.е. сообщение между узлами имеет место посредством единственного механизма, к которому все узлы подключены; см. рис. 1.2. Шинная организация стала повсеместной для локальных сетей, хотя могут быть различия в том как выглядит механизм или как он используется.

Устройство Ethernet разрешает передачу только одного сообщения в каждый момент времени; другие разработки, такие как токен ринг (разработанный в лаборатории Цюрих IBM), допускает пространственное использование, которое означает, что несколько сообщений могут передаваться через механизм коммуникации одновременно. Шинная организация требует немного аппаратуры и поэтому дешевая, но имеет тот недостаток, что эта организация не очень хорошо масштабируется. Это означает, что существует очень жесткий потолок числа узлов, которые могут быть соединены одной шиной. Большие компании со многими компьютерами должны соединять их несколькими шинами, и использовать мосты для соединения шин друг с другом, создавая иерархию всей сети организации.

Не все локальные сети используют шинную организацию. IBM разработала точка-точка сетевой продукт называемый SNA для того, чтобы позволить покупателям соединять их разнообразные продукты IBM. Разработка SNA усложнялась требованием ее совместимости с почти каждым сетевым продуктом, уже предлагаемым IBM.