Компьютерные сети эволюция вычислительных систем

Раздел 3. Основы сетевых технологий

«История любой отрасли науки или техники позволяет не только удовлетворить естественное любопытство, но и глубже понять сущность основных достижений в этой отрасли, а также выявить тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития»

Сети передачи данных

Сети передачи данных (вычислительные, компьютерные сети) — результат эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации:

компьютерных технологий
телекоммуникационных технологий

Сети передачи данных — частный случай распределенных вычислительных систем:

группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме.

Компьютерные сети — средство передачи информации на большие расстояния:

применяются методы кодирования и мультиплексирования данных (как в телекоммуникационных системах)

Компьютерная сеть — это:

совокупность компьютеров,
связь посредством коммуникационной системы,
программное обеспечение предоставляет пользователям доступ к ресурсам компьютеров;

Сеть образована компьютерами разных типов:

небольшие микропроцессоры,
рабочие станции,
мини-компьютеры,
персональные компьютеры,
суперкомпьютеры.

Передача сообщений между любой парой компьютеров сети обеспечивается коммуникационной системой:

повторители,
коммутаторы,
маршрутизаторы и др.;

Компьютерная сеть позволяет пользователю:

работать со своим компьютером, как с автономным,
пользоваться информационными и аппаратными ресурсам других компьютеров сети

Эволюция сетей‏Этап 1. Появление первых ЭВМ:

ламповые вычислительные устройства,
проектирование, эксплуатация, программирование – функции одного коллектива разработчиков;
программирование на машинном языке;
отсутствие системного программного обеспечения;
библиотек математических и служебных подпрограмм
организация вычислительного процесса вручную с пульта управления.

Этап 2. Появление ВМ на полупроводниковых элементах (середина 50-х голов):

выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти,
первые алгоритмические языки,
новый тип системного программного обеспечения — трансляторы

системные управляющие программы — мониторы для автоматизированной организации вычислительного процесса – прообраз операционной системы

Язык управления заданиями для монитора:

определялась последовательность действий при обработке данных:
- признак начала отдельной работы,
- вызов транслятора,
- вызов загрузчика,
- признаки начала и конца исходных данных

Монитор:

автоматически выполнял пакет заданий.
самостоятельно обрабатывал типовые аварийные ситуации:
- отсутствие исходных данных,
- переполнение регистров,
- деление на ноль,
- обращение к несуществующей области памяти и т. д.

Этап 3. Появление ВМ на ИС (1965–1975 годы)

Появились все основные механизмы, присущие современным ОС:
- мультипрограммирование,
- мультипроцессирование,
- поддержка многотерминального многопользовательского режима,
- виртуальная память,
- файловые системы,
- разграничение доступа и сетевая работа
Системное программирование превращается в отрасль индустрии,.
Развивается мультипрограммирование:
- способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре,
- реализовано в двух вариантах:
  - пакетная обработка;
  - разделение времени.

Системы пакетной обработки:

для решения вычислительных задач
главный критерий эффективности — пропускная способность, Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования

Системы пакетной обработки: схема функционирования Системы пакетной обработки:

в пакет включаются задачи, требующие разных ресурсов
достигается сбалансированная нагрузка
переключение процессора с одной задачи на другую происходит по инициативе активной задачи (может занять процессор надолго)
изоляция пользователя-программиста от процесса выполнения задания
пользователь получает результат после обработки всего пакета заданий

Системы разделения времени:

критерий эффективности — удобство и эффективность работы пользователя
меньшая пропускная способность
снижение производительности из-за частого переключение процессора с задачи на задачу
пользователям предоставляется возможность интерактивной работы с несколькими приложениями
приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, пользователи поддерживают с ними диалог

Многотерминальные системы:

терминалы вышли за пределы вычислительного центра, рассредоточились по предприятию.
появились системы удаленного ввода заданий:
- пользователи формировали свои задания и управляли их выполнением со своего терминала.

Многотерминальные системы:

терминалы соединялись с процессором с помощью:
- модемных соединений телефонных сетей,
- выделенных каналов.
в операционных системах появились специальные модули протоколов связи
вычислительные системы с удаленными терминалами и централизованной обработкой данных явились прообразом современных компьютерных сетей
системное программное обеспечение — прообраз сетевых операционных систем.

Многотерминальная системаМноготерминальные системы :

централизованная обработка данных
внешние признаки локальных вычислительных сетей,
пользователь работал за терминалом мэйнфрейма так же, как сейчас за персональным компьютером-клиентом:
- доступ к общим файлам и периферийным устройствам,
- иллюзия единоличного владения компьютером,
- запуск нужной программы и оперативное получение результата.

Этап 4. Глобальные сети (конец 60-х годов) Реализовано взаимодействие мэйнфреймов и суперкомпьютеров:

глобальные связи,
техника коммутации

Разработаны средства обмена данными между компьютерами в автоматическом режиме:

службы обмена файлами,
синхронизации баз данных,
электронная почта,
другие сетевые службы.

В 1969 году создана сеть ARPANET — отправная точка Internet:

компьютеры разных типов,
различные ОС,
дополнительные модули ОС, реализующие единые коммуникационные протоколы

Такие ОС можно считать первыми сетевыми операционными системами. Сетевые ОС позволяли:

рассредоточить пользователей,
организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами,
выполнять все функции локальной операционной системы,
взаимодействовать по сети с операционными системами других компьютеров.

Первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN):

объединяли территориально рассредоточенные компьютеры,
реализовывали основные концепции современных вычислительных сетей:
- многоуровневое построение коммуникационных протоколов,
- технология коммутации пакетов,
- маршрутизация пакетов в составных сетях

Глобальные компьютерные сети — наследники глобальных телефонных сетей:

отказ от принципа коммутации каналов, присущего телефонным сетям:
- на время сеанса связи выделялся составной канал с постоянной скоростью
особенность трафика компьютерных данных – пульсация , т.е. Чередование интенсивного обмена и продолжительных пауз.
для компьютерного трафика подходит принцип коммутации пакетов
- данные разделяются на небольшие пакеты,
- пакеты самостоятельно перемещаются по сети за счет встраивания адреса конечного узла в заголовок пакета.

В первых глобальных сетях использовались существующие каналы связи:

телефонные каналы тональной частоты (в каждый момент времени ведется передача одного разговора в аналоговой форме),
очень низкая скорость передачи,
значительные искажения сигнала,
основные сервисы таких глобальных сетей:
- передача файлов в фоновом режиме,
- передача электронной почты.

С конца 60-х годов в телефонных сетях:

передача голоса в цифровой форме,
высокоскоростные цифровые каналы,
одновременная передача сотни разговоров.

Разработана специальная технология плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) для опорных сетей.

скорость передачи до 140 Мбит/с,
внутренняя технология телефонных компаний.
С конца 80-х годов — технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH):
- скорости цифровых каналов до 10 Гбит/c,
Технология спектрального мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division Multiplexing):
- Скорость до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду.

Этап 5. Локальные сети (начало 70-х годов) Технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов — появились большие интегральные схемы (БИС):

создание мини-компьютеров -реальных конкурентов мэйнфреймов
концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию
НО! все компьютеры работали автономно

Автономная работа компьютеров предприятия

Появилась потребность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами.
Соединение мини-компьютеров и разработка программного обеспечения для взаимодействия
Появились первые локальные вычислительные сети

Связи компьютеров в первых локальных сетях Этап 6.Стандартные технологии сетей — Ethernet, Arcnet, Token Ring (середина 80-х годов) Появились персональные компьютеры – идеальные элементы для сетей:

достаточно мощные для работы сетевого программного обеспечения,
нуждались в объединении вычислительной мощности для решения сложных задач,
потребность разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов,
стали играть роль клиентских мест и серверов.

Для создания сети:

приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet,
приобрести стандартный кабель,
присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами
установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare.
сеть начинала работать

Новые способы организации работы пользователей:

удобный доступ к разделяемым ресурсам:
- просмотр списков ресурсов без запоминания их идентификаторов
- после соединения с удаленным ресурсом можно работать с ним теми же командами
качественные кабельные линии связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

Источник