ПРЕЗЕНТАЦИЯ

Компьютерные сети

Выполнил ст.: Группа: ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА СИБИРСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ КООПЕРАЦИИ

4 Компьютерные сети Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации компьютерных и телекоммуникационных технологий. С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах. Компьютерные сети отнюдь не являются единственным видом сетей, созданным человеческой цивилизацией. Даже водопроводы Древнего Рима можно рассматривать как один из наиболее древних примеров сетей, покрывающих большие территории и обслуживающих многочисленных клиентов. Другой, менее экзотический пример электрические сети. В них легко можно найти все компоненты любой территориальной сети: источники ресурсов электростанции, магистрали высоковольтные линии электропередач, сеть доступа трансформаторные подстанции, клиентское оборудование осветительные и бытовые электроприборы.

5 Компьютерные сети Обратимся сначала к компьютерному корню вычислительных сетей. Первые компьютеры 50-х годов большие, громоздкие и дорогие предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки. Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день (рис.1.1.). Таким образом, одна неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку. Рис Централизованная система на базе мэйнфрейма Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы гораздо удобней.

6 Компьютерные сети Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали, поскольку пакетный режим это самый эффективный режим использования вычислительной мощности, так как он позволяет выполнить в единицу времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины процессора, в ущерб эффективности работы использующих его специалистов. По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени(рис.1.2.). В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причем время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей. Разделяя таким образом компьютер, пользователи получили возможность за сравнительно небольшую плату пользоваться преимуществами компьютеризации. Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью

7 Компьютерные сети Рис Многотерминальная система - прообраз вычислительной сети централизованной, некоторые функции такие как ввод и вывод данных стали распределенными. Подобные многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые, далекие от вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполняются внутри их дисплея.) Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Но до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределенных систем, все еще сохраняли сущность централизованной обработки данных.

8 Компьютерные сети С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не созрела в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот период был справедлив так называемый «закон Гроша», который эмпирически отражал уровень технологии того времени. В соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощных их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины. А вот потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось все с решения более простой задачи доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал- компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер.

9 Компьютерные сети Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. На основе этого механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы. Таким образом, хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей. Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях. Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более старых и распространенных глобальных сетей телефонных. Главным результатом создания первых глобальных компьютерных сетей был отказ от принципа коммутации каналов, на протяжении многих десятков лет успешно использовавшегося в телефонных сетях. Выделяемый на все время сеанса связи составной канал с постоянной скоростью не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с

10 Компьютерные сети продолжительными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями, использующими принцип коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции пакеты, которые самостоятельно перемещаются по сети за счет встраивания адреса конечного узла в заголовок пакета. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, то в первых глобальных сетях часто использовали уже существующие каналы связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, в течение многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты, способных в каждый момент времени вести передачу только одного разговора в аналоговой форме. Поскольку скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким каналам была очень низкой (десятки килобит в секунду), набор предоставляемых услуг в глобальных сетях такого типа обычно ограничивался передачей файлов, преимущественно в фоновом режиме, и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие каналы имеют и другой недостаток они вносят значительные искажения в передаваемые сигналы. Поэтому протоколы глобальных сетей, построенных с использованием каналов связи низкого качества, отличаются сложными процедурами контроля и

11 Компьютерные сети восстановления данных. Типичным примером таких сетей являются сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскоростные аналоговые каналы, арендуемые у телефонных компаний, были преобладающим типом каналов, соединяющих компьютеры и коммутаторы глобальной вычислительной сети. Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определялся прогрессом телефонных сетей. С конца 60-х годов в телефонных сетях все чаще стала применяться передача голоса в цифровой форме, что привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих АТС и позволяющих одновременно передавать десятки и сотни разговоров. Была разработана специальная технология плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH), предназначенная для создания так называемых первичных, или опорных, сетей. Такие сети не предоставляют услуг конечным пользователям, они являются фундаментом, на котором строятся скоростные цифровые каналы «точка-точка», соединяющие оборудование другой (так называемой наложенной) сети, которая уже работает на конечного пользователя. Первоначально технология PDH, поддерживающая скорости до 140 Мбит/с, была внутренней технологией телефонных компаний. Однако со временем эти компании стали сдавать часть своих каналов PDH в аренду предприятиям, которые использовали их для создания собственных телефонных и глобальных компьютерных сетей. Появившаяся в конце 80-х годов технология синхронной

12 Компьютерные сети цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) расширила диапазон скоростей цифровых каналов до 10 Гбит/с, а технология спектрального мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду. К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству сервисов догнали локальные сети, которые долгое время были лидерами в этом отношении, хотя и появились на свет значительно позже. Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей, произошло в начале 70-х годов. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Эмпирический закон Гроша перестал соответствовать действительности, так как десяток мини-компьютеров, имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм, выполнял некоторые задачи (как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини- компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию.

13 Компьютерные сети Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно(рис.1.3.). Но шло время, потребности пользователей вычислительной техники росли. Их уже не удовлетворяла изолированная работа на собственном компьютере, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться компьютерными данными с пользователями других подразделений. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных вычислительных сетей(рис.1.4. Различные типы связей в первых локальных сетях). Локальные сети {Local Area Networks, LAN) это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть может иметь и более протяженные размеры, Например, в несколько десятков километров. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Рис 1.3. Автономное использование нескольких мини- компьютеров на одном предприятии

14 Компьютерные сети На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные программно-аппаратные средства. Разнообразные устройства сопряжения, использующие свой собственный способ представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т. п., могли соединять только те конкретные модели компьютеров, для которых были разработаны, например, мини- компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компьютеры «Наири» с компьютерами «Днепр». Такая ситуация создала большой простор для творчества студентов названия многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов «Устройство сопряжения...». В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть Рис 1.4. Различные типы связей в первых локальных сетях Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей

15 Компьютерные сети с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы. Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях принцип коммутации пакетов. Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например Novell NetWare. После этого сеть начинала работать и последующее присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии.

16 Компьютерные сети Разработчики локальных сетей привнесли много нового в организацию работы пользователей. Так, намного проще и удобнее стало получать доступ к совместно используемым сетевым ресурсам в отличие от глобальной в локальной сети пользователь освобождается от запоминания сложных идентификаторов разделяемых ресурсов. Для этих целей система предоставляет ему список ресурсов в удобной для восприятия форме, например в виде древовидной графической структуры («дерева» ресурсов). Еще один прием, рационализирующий работу пользователя в локальной сети, состоит в том, что после соединения с удаленным ресурсом пользователь получает возможность обращаться к нему с помощью тех же команд, которые он использовал при работе с локальными ресурсами. Последствием и одновременно движущей силой такого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользователей, освобожденных от необходимости изучать специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы. Может возникнуть вопрос почему все эти удобства пользователи получили только с приходом локальных сетей? Главным образом, это связано с использованием в локальных сетях качественных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с. При небольшой протяженности, свойственной локальным сетям, стоимость таких линий связи была вполне приемлемой.

17 Компьютерные сети Поэтому экономное расходование пропускной способности каналов, которое было одной из главных целей технологий ранних глобальных сетей, никогда не выходило на первый план при разработке протоколов локальных сетей. В таких условиях основным механизмом прозрачного доступа к сетевым ресурсам локальных сетей стали периодические широковещательные объявления серверов о своих ресурсах и услугах. На основании таких объявлений клиентские компьютеры составляли списки имеющихся в сети ресурсов и предоставляли их пользователю. Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с. Простые алгоритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Широкий диапазон иерархии скоростей позволяет рационально строить локальную сеть, применяя ту технологию семейства, которая в наибольшей степени отвечает задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к другу по принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию этих сетей. В конце 80-х годов отличия между локальными и глобальными сетями проявлялись весьма отчетливо. Протяженность и качество линий связи. Локальные компьютерные сети по определению отличаются от глобальных сетей небольшими расстояниями между

18 Компьютерные сети узлами сети. Это в принципе делает возможным использование в локальных сетях более качественных линий связи. Сложность методов передачи данных. В условиях низкой надежности физических каналов в глобальных сетях требуются более сложные, чем в локальных сетях, методы передачи данных и соответствующее оборудование. Скорость обмена данными в локальных сетях (10, 16 и 100 Мбит/с) в то время была существенно выше, чем в глобальных (от 2,4 кбит/с до 2 Мбит/с). Разнообразие услуг. Высокие скорости обмена данными породили в локальных сетях широкий набор услуг это различные виды услуг файловой службы, услуги печати, услуги баз данных, электронная почта и др., в то время как глобальные сети в основном предоставляли почтовые услуги и иногда файловые услуги с ограниченными возможностями. Масштабируемость. «Классические» локальные сети обладают плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения станций и длину линии. При этом характеристики сети резко ухудшаются при достижении определенного предела по количеству узлов или протяженности линий связи. Глобальным сетям присуща хорошая масштабируемость, так как они изначально разрабатывались в расчете на работу с произвольными топологиями и сколь угодно большим количеством абонентов. Постепенно различия между локальными и глобальными типами сетевых

19 Компьютерные сети технологий стали сглаживаться. Изолированные ранее локальные сети начали объединять друг с другом, при этом в качестве связующей среды использовались глобальные сети. Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий. Сближение в методах передачи данных происходит на платформе цифровой (немодулированной) передачи данных по волоконно-оптическим линиям связи. Эту среду передачи данных используют практически все технологии локальных сетей для скоростного обмена информацией на расстояниях свыше 100 м, на ней же построены современные магистрали первичных сетей SDH и DWDM, предоставляющих свои цифровые каналы для объединения оборудования глобальных компьютерных сетей. Высокое качество цифровых каналов изменило требования к протоколам глобальных компьютерных сетей. На первый план вместо процедур обеспечения надежности вышли процедуры обеспечения гарантированной средней скорости доставки информации пользователям, а также механизмы приоритетной обработки пакетов особенно чувствительного к задержкам трафика, например голосового. Эти изменения нашли отражение в новых технологиях глобальных сетей, таких как frame relay и ATM. В этих сетях предполагается, что искажение битов происходит настолько редко, что ошибочный пакет выгоднее просто

20 Компьютерные сети уничтожить, а все проблемы, связанные с его потерей, перепоручить программному обеспечению более высокого уровня, которое непосредственно не входит в состав сетей frame relay и ATM. Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирование протокола IP. Этот протокол сегодня используется поверх любых технологий локальных и глобальных сетей Ethernet, Token Ring, ATM, frame relay для создания из различных подсетей единой составной сети. Компьютерные глобальные сети 90-х, работающие на основе скоростных цифровых каналов, существенно расширили набор своих услуг и догнали в этом отношении локальные сети. Стало возможным создание служб, работа которых связана с доставкой пользователю больших объемов информации в реальном времени изображений, видеофильмов, голоса, в общем, всего того, что получило название мультимедийной информации. Наиболее яркий пример гипертекстовая информационная служба World Wide Web, ставшая основным поставщиком информации в Интернете. Ее интерактивные возможности превзошли возможности многих аналогичных служб локальных сетей, так что разработчикам локальных сетей пришлось просто позаимствовать эту службу у глобальных сетей. Процесс переноса служб и технологий из глобальной сети Интернет в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин intranet-технологии (intra внутренний).

21 Компьютерные сети В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных сетях. Это обусловлено тем, что локальные сети перестали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в «большой мир» через глобальные связи. Защита локальных сетей часто строится на тех же методах шифрование данных, аутентификация и авторизация пользователей. И, наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Ярким представителем нового поколения технологий является технология ATM, которая может служить основой как глобальных, так и локальных сетей, эффективно объединяя все существующие типы трафика в одной транспортной сети. Другим примером может служить семейство технологий Ethernet, имеющее явные «локальные» корни. Новый стандарт Ethernet 10G, позволяющий передавать данные со скоростью 10 Гбит/с (в момент написания книги его разработка еще продолжалась), предназначен для магистралей как глобальных, так и крупных локальных сетей. Одним из проявлений сближения локальных и глобальных сетей является появление сетей масштаба большого города, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. Городские сети, или сети мегаполисов {Metropolitan Area Networks, MAN), предназначены для

22 Компьютерные сети обслуживания территории крупного города. Эти сети используют цифровые линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями на магистрали от 155 Мбит/с и выше. Они обеспечивают экономичное соединение локальных сетей между собой, а также выход в глобальные сети. Эти сети первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста. Для сетей мегаполисов даже был разработан специальный протокол SMDS (Switched Multimegabit Data Services), но позднее он был вытеснен более мощной технологией ATM. Современные сети типа MAN отличаются разнообразием предоставляемых услуг, позволяя своим клиентам объединять коммуникационное оборудование различного типа, в том числе и офисные АТС. Ярко выраженная в последнее время тенденция сближения различных типов сетей характерна не только для локальных и глобальных компьютерных сетей, но и для телекоммуникационных сетей других типов. К телекоммуникационным сетям, кроме компьютерных, относятся, телефонные сети, радиосети и телевизионные сети. Во всех них в качестве ресурса, предоставляемого клиентам, выступает информация. Телефонные сети оказывают интерактивные услуги (interactive services), так как два абонента, участвующие в разговоре (или несколько абонентов, если это конференция), попеременно проявляют активность.

23 Компьютерные сети Радиосети и телевизионные сети оказывают широковещательные услуги (broad­ cast services), при этом информация распространяется только в одну сторону из сети к абонентам, по схеме «один-ко-многим» (point-to-multipoint). Конвергенция телекоммуникационных сетей идет по многим направлениям. Прежде всего, наблюдается сближение видов услуг, предоставляемых клиентам. Компьютерные сети изначально разрабатывались для передачи алфавитно- цифровой информации, которую часто называют просто данными (data), в результате у компьютерных сетей имеется и другое название сети передачи данных (data networks). Телефонные сети и радиосети созданы для передачи только голосовой информации, а телевизионные сети передают голос и изображение. Первая попытка создания универсальной, так называемой мультисервисной сети, способной оказывать различные услуги, в том числе услуги телефонии и передачи данных, привела к появлению технологии цифровых сетей с интегральными услугами ISDN. Однако разработчики этой технологии ориентировались на уровень требований по передаче данных, свойственный глобальным компьютерным сетям в 80-х годов. Сегодня же скорость в 2 Мбит/с, на которой происходит подключение к сети крупных абонентов в сети ISDN, уже не может считаться удовлетворительной.

24 Компьютерные сети Широкомасштабное построение широкополосной (то есть высокоскоростной) сети с интегральными услугами B-ISDN (Broadband ISDN) планировалось осуществить в 90-е годы на базе технологии ATM, обладающей широким диапазоном скоростей, однако по ряду причин сети ATM стали качественной основой только сетей передачи данных, а телефонные услуги и широковещательные услуги радио и телевидения не получили в них большого распространения. Сегодня на роль глобальной мультисервисной сети нового поколения, часто называемой в англоязычной литературе Next Generation Network (NGN), или New Public Network (NPN), претендует Интернет, но, естественно, не в его нынешнем виде. IP-технологиям, составляющим базис Интернета, еще предстоит пройти значительный путь, чтобы с одинаковым успехом поддерживать услуги WWW и телефонии, архивов данных и видео по требованию, аудио и видео новостей, мультимедийной почты. Особую привлекательность представляют собой новые виды комбинированных услуг, в которых сочетаются несколько традиционных услуг, например, услуга универсальной службы сообщений (Unified Messaging), объединяющей электронную почту, телефонию, факсимильную службу и пейджинговую связь. Наибольших успехов на практическом поприще достигла IP-телефония, услугами которой прямо или косвенно сегодня пользуются миллионы людей.

25 Компьютерные сети Технологическое сближение сетей происходит сегодня на основе цифровой передачи информации различного типа, метода коммутации пакетов и программирования услуг. Телефония уже давно сделала ряд шагов навстречу компьютерным сетям. Прежде всего, за счет представления голоса в цифровой форме, что делает принципиально возможным передачу телефонного и компьютерного трафика по одним и тем же цифровым каналам (телевидение также может сегодня передавать изображение в цифровой форме). Телефонные сети широко используют комбинацию методов коммутации каналов и пакетов. Так, для передачи служебных сообщений (называемых сообщениями сигнализации) применяются протоколы коммутации пакетов, аналогичные протоколам компьютерных сетей, а для передачи собственно голоса между абонентами коммутируется традиционный составной канал. Дополнительные услуги телефонных сетей, такие как переадресация вызова, конференц-связь, телеголосование и др., могут создаваться с помощью так называемой интеллектуальной сети (Intelligent Network, IN), по своей сути являющейся компьютерной сетью с серверами, на которых программируется логика услуг. Сегодня пакетные методы коммутации постепенно теснят традиционные для телефонных сетей методы коммутации каналов даже при передаче голоса. У этой тенденции есть достаточно очевидная причина на основе метода коммутации пакетов можно более эффективно использовать

26 Компьютерные сети пропускную способность каналов связи и коммутационного оборудования.. Например, паузы в телефонном разговоре могут составлять до 40 % общего времени соединения, однако только пакетная коммутация позволяет «вырезать» паузы и использовать высвободившуюся пропускную способность канала для передачи трафика других абонентов. Другой веской причиной перехода к коммутации пакетов является популярность сети Интернет, построенной на основе данной технологии. Использование коммутации пакетов для одновременной передачи через пакетные сети разнородного трафика голоса, видео и текста сделало актуальным разработку новых методов обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of Service, QoS0). Методы QoS призваны минимизировать уровень задержек для чувствительного к ним трафика, например, голосового, и одновременно гарантировать среднюю скорость и динамичную передачу пульсаций для трафика данных. Поставленная задача осложняется тем, что изначально метод коммутации пакетов был рассчитан на слабо чувствительный к задержкам трафик, которому не очень мешали случайные задержки, возникающие при временном размещении пакетов в буфере промежуточного устройства сети. Тем не менее методы поддержки QoS в пакетных сетях вообще и сетях IP в частности уже существуют, причем они сохраняют сравнительно невысокую стоимость инфраструктуры сетевых магистралей.

27 Компьютерные сети Это очень важно, так как по данному показателю компьютерные сети всегда были предпочтительней телефонных, и сохранение этого соотношения является еще одной причиной построения мультисервисной сети нового поколения на основе пакетных сетей. Однако неверно было бы говорить, что методы коммутации каналов морально устарели и у них нет будущего. На новом витке спирали развития они находят свое применение, но только в других формах. Так, их используют сверхскоростные магистрали DWDM, где коммутация происходит на уровне спектральных каналов. В сетях IP сегодня начали активно применять технологию виртуальных каналов (в форме многопротокольной коммутации меток MPLS) технологию, которая сочетает пакетную коммутацию с устойчивостью путей следования трафика сетей с коммутацией каналов. Компьютерные сети также многое позаимствовали у телефонных и телевизионных сетей. Глобальные компьютерные сети строятся по такому же иерархическому принципу, что и телефонные, в соответствии с которым сети городов и районов объединяются в региональные сети, а те, в свою очередь, в национальные и международные сети. Компьютерные сети берут на вооружение методы обеспечения отказоустойчивости телефонных сетей, за счет которых последние демонстрируют высокую степень надежности, так недостающую

28 Компьютерные сети порой Интернету и корпоративным сетям. Компьютерные сети успешно используют транспортную инфраструктуру, созданную в рамках тех или иных телекоммуникационных сетей: распределительные сети кабельного телевидения (с помощью кабельных модемов), телефонные абонентские окончания (с помощью оборудования xDSL), телевизионные сети абонентского доступа MMDS и LMDS, а также опорные сети SDH и DWDM. Методы широковещания на основе групповой адресации, эмулирующие широковещание телевизионных и радиосетей, медленно, но верно приживаются в Интернете и других сетях передачи данных. Сегодня становится все более очевидным, что мультисервисная сеть нового поколения не может быть создана в результате «победы» какой-нибудь одной технологии или подхода. Ее может породить только процесс конвергенции, когда от каждой технологии будет взято все самое лучшее и соединено в некоторый новый сплав, который и даст требуемое качество для поддержки существующих и создания новых услуг. Появился новый термин инфокоммуникационная сеть, который прямо говорит о двух составляющих современной сети информационной (компьютерной) и телекоммуникационной. Компьютерные сети, как уже было отмечено, являются продуктом эволюции телекоммуникационных и вычислительных систем. Компьютерные сети относятся к распределенным (или децентрализованным) вычислительным

29 Компьютерные сети системам. Поскольку основным признаком распределенной вычислительной системы является наличие нескольких центров обработки данных, то наряду с компьютерными сетями к распределенным системам относят также мультипроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы. В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою программу. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется наиболее простым способом через общую оперативную память. Сам по себе процессорный блок не является законченным компьютером и поэтому не может выполнять программы без остальных блоков мультипроцессорного компьютера памяти и периферийных устройств. Все периферийные устройства являются для всех процессоров мультипроцессорной системы общими. Мультипроцессору не свойственна территориальная распределенность все его блоки располагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивах, как и у обычного компьютера.

30 Компьютерные сети Основное достоинство мультипроцессора его высокая производительность, которая достигается за счет параллельной работы нескольких процессоров. Так как при наличии общей памяти взаимодействие процессоров происходит очень быстро, мультипроцессоры могут эффективно выполнять даже приложения с высокой степенью связи по данным. Еще одним важным свойством мультипроцессорных систем является отказоустойчивость, то есть способность к продолжению работы при отказах некоторых элементов, например процессоров или блоков памяти. При этом производительность, естественно, снижается, но не до нуля, как в обычных системах, в которых отсутствует избыточность. Однако для того, чтобы мультипроцессор мог продолжать работу после отказа одного из процессоров, необходимо специальное программное обеспечение поддержки отказоустойчивости, которое может быть частью операционной системы или же представлять собой дополнительные служебные программы. Кластер (многомашинная система) это вычислительный комплекс, состоящий из нескольких компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого. В отличие от мультипроцессора, в котором избыточность реализована на уровне процессорных блоков, кластер

31 Компьютерные сети состоит из нескольких законченных, способных работать автономно, как правило, стандартных компьютеров, каждый из которых имеет обычную структуру, включающую один или несколько процессорных блоков, оперативную память и периферийные устройства (рис 1. 5.). Однако благодаря специальному программному и аппаратному обеспечению межкомпьютерных связей для пользователя кластер выглядит как единый компьютер. При этом каждый компьютер (называемый также узлом кластера) может быть как однопроцессорным, так и мультипроцессорным на организацию кластера это влияния не оказывает. Кластеры применяют для повышения надежности и производительности вычислительной системы. Надежность повышается за счет того, что при отказе одного из узлов кластера вычислительная нагрузка (или часть ее) переносится на другой узел. Для выполнения этой операции в кластере используется два типа связей между узлами: межпроцессорные связи и связи за счет разделяемых дисков. Межпроцессорные связи используются узлами для обмена служебной информацией. В частности, с помощью этих связей каждый узел кластера периодически проверяет состояние других узлов и выполняемых ими вычислительных задач. Если какой-либо узел или одна из его задач (входящая в набор защищаемых от отказов задач) изменили свое состояние на неработоспособное,

32 Компьютерные сети то начинается процедура перемещения (реконфигурации) нагрузки на один из работоспособных узлов. В этой процедуре важную роль играют разделяемые диски. Защищаемая задача должна хранить свои данные на одном из таких дисков, чтобы новый узел смог продолжать их использовать после отказа основного. Так как надежность дисковых накопителей достаточно высока (ее можно повысить за счет дополнительных мер, Например, зеркалирования разделяемого диска), то существенно повышается и надежность кластера по сравнению с отдельным компьютером. Время перевода нагрузки на другой узел кластера при отказе значительно больше, чем время перехода на другой процессор в мультипроцессоре, так как оно связано с активизацией новой копии программного процесса на другом узле. При этом также возможна потеря части данных, находившихся в оперативной памяти отказавшего узла, но для определенных типов вычислительной нагрузки, например систем управления базами данных или web-серверов, эти потери не сказываются на возможности продолжать вычисления. Рис 1.5. Схема мультипроцессорной системы: ОП оперативная память, П1-П4 процессоры, К1-КЗ каналы ввода-вывода, Д дисковые запоминающие устройства

33 Компьютерные сети Если кластер применяется для повышения производительности, то каждая задача, распараллеливается на несколько ветвей, которые выполняются одновременно на нескольких узлах кластера. Синхронизация работы нескольких копий задачи или их ветвей, а также синхронизация вырабатываемых ими данных осуществляются как за счет межпроцессорных связей, так и за счет разделяемой дисковой памяти. Менее тесные и менее скоростные связи между узлами кластера по сравнению со связями процессоров в мультипроцессоре диктуют область применения кластеров это задачи, достаточно независимые по данным. Для организации межпроцессорных связей в кластерах часто используются специализированные технологии, приспособленные к решению специфических задач взаимодействия компьютеров в кластере. Однако в последнее время все чаще для этой цели применяются стандартные технологии локальных сетей, например Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Совместный доступ к дискам также может осуществляться различными способами. Наиболее популярными вариантами является применение интерфейса SCSI и технологии Fibre Channel, тенденция перехода на стандартные технологии локальных сетей в этой области пока выражена не так отчетливо, как в области межпроцессорных связей, но она тоже имеется. В вычислительных сетях программные и аппаратные связи являются еще более слабыми, а автономность

34 Компьютерные сети обрабатывающих блоков проявляется в наибольшей степени основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имеющие ни общих блоков памяти, ни совместно управляемых дисковых накопителей. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы, а какая-либо «общая» операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети происходит путем передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к локальным ресурсам другого компьютера. Таким ресурсом может являться, например, вычислительная мощность компьютера в целом, именно этот ресурс использует удаленный пользователь, когда запускает свою программу на «чужом» компьютере. В качестве совместно используемых ресурсов часто выступают данные, хранящиеся на диске, а также разнообразные периферийные устройства принтеры, модемы, факс-аппараты и т. д. Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между всеми пользователями сети основная цель создания вычислительной сети. Правда, для этого недостаточно снабдить компьютеры сетевыми адаптерами и соединить

35 Компьютерные сети их кабельной системой, необходимы еще некоторые добавления к их операционным системам. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавить модули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компьютеров. Обычно такие модули называются программными серверами {server), так как их главная задача обслуживать (serve) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера. На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе некоторые специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называют программными клиентами (client). Собственно сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем. Пара модулей «клиент сервер» обеспечивает совместный доступ пользователей к определенному типу ресурсов, например к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой {service). Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых

36 Компьютерные сети служб для своих пользователей файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п. Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет клиентом. Иногда один и тот же компьютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента. Сетевые службы всегда представляют собой распределенные программы. Распределенная программа это программа, которая состоит из нескольких взаимодействующих частей (в приведенном на рисунке (рис 1.6.) примере из двух), причем каждая часть, как правило, выполняется на отдельном компьютере сети. Сетевые службы относятся к системным распределенным программам. Однако в сети могут выполняться и распределенные пользовательские программы приложения. Распределенное приложение также состоит из нескольких частей, каждая из которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению прикладной задачи. Например, одна часть приложения, выполняющаяся на компьютере пользователя, может поддерживать специализированный графический интерфейс, вторая работать на мощном выделенном компьютере и заниматься статистической обработкой введенных пользователем данных, третья заносить полученные

37 Компьютерные сети результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной СУБД. Распределенные приложения в полной мере используют потенциальные возможности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, и поэтому часто называются сетевыми приложениями. Рис Взаимодействие частей распределенного приложения Следует подчеркнуть, что не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует большое количество популярных приложений, которые не являются распределенными и целиком выполняются на одном компьютере сети. Тем не менее, и такие приложения могут использовать преимущества сети за счет встроенных в операционную систему сетевых служб. Значительная часть истории локальных сетей связана как раз с использованием таких нераспределенных приложений. Рассмотрим, например, как происходила работа пользователя с известной в свое время СУБД dBase. Обычно файлы базы данных, с которыми работали все пользователи сети, располагались на файловом сервере. Сама же СУБД хранилась на каждом клиентском компьютере в виде единого

38 Компьютерные сети программного модуля. Программа dBase была рассчитана на обработку только локальных данных, то есть данных, расположенных на том же компьютере, что и сама программа. Пользователь запускал dBase на своем компьютере, и программа искала данные на локальном диске, совершенно не принимая во внимание существование сети. Чтобы обрабатывать с помощью dBase данные, расположенные на удаленном компьютере, пользователь обращался к услугам файловой службы, которая доставляла данные с сервера на клиентский компьютер и создавала для СУБД эффект их локального хранения. Большинство приложений, используемых в локальных сетях в середине 80-х годов, являлись обычными нераспределенными приложениями. И это понятно они были написаны для автономных компьютеров, а потом просто были перенесены в сетевую среду. Создание же распределенных приложений, хотя и сулило много преимуществ (снижение сетевого трафика, специализация компьютеров), оказалось делом совсем не простым. Нужно было решать множество дополнительных проблем на сколько частей разбить приложение, какие функции возложить на каждую часть, как организовать взаимодействие этих частей, чтобы в случае сбоев и отказов оставшиеся части корректно завершали работу и т. д., и т. п.

39 Компьютерные сети Поэтому до сих пор только небольшая часть приложений является распределенными, хотя очевидно, что именно за этим классом приложений будущее, так как они в полной мере могут использовать потенциальные возможности сетей по распараллеливанию вычислений.

40 Компьютерные сети Спасибо за внимание :)