Компьютерные_сети_Лекции
НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА МАКАРОВА КОМПЬЮТЕРНЕ СЕТИ Конспект лекций О.А. Кудин 20.02.2013 [Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа.]
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
| 1. ОБЗОР КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ . | 4 |
| 1.1. Предпосылки и история появления компьютерных сетей. | 4 |
| 1.1.1. Вычислительные системы пакетной обработки данных . | 5 |
| 1.1.2. Многотерминальные системы. | 6 |
| 1.1.3. Первые компьютерные сети . | 7 |
| 1.1.4. Первые локальные сети. | 8 |
| 1.2. Объединение технологий локальных и глобальных компьютерных сетей . | 11 |
| 1.3. Предпосылки появления мультисервисных сетей . | 12 |
| Выводы . | 14 |
| Вопросы и задания. | 14 |
| 2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. | 16 |
| 2.1. Взаимодействие двух компьютеров. | 16 |
| 2.1.1. Связь компьютера с периферийным устройством. | 18 |
| 2.1.2. Обмен данными между двумя компьютерами. | 18 |
| 2.2. Сетевое программное обеспечение . | 19 |
| 2.2.1. Сетевые службы и сервисы . | 20 |
| 2.2.2 Сетевая операционная система . | 22 |
| 2.2.3 Сетевые приложения. | 23 |
| 3. КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ И ПАКЕТОВ. | 25 |
| 3.1 Коммутация каналов. | 25 |
| 3.2 Коммутация пакетов . | 28 |
| 4 МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ OSI. | 35 |
| 4.1 Декомпозиция задач сетевого взаимодействия. | 35 |
| 4.2 Общая характеристика модели OSI . | 37 |
| 4.3 Функции уровней модели OSI. | 39 |
2
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ 1. Обзор компьютерных сетей Компьютерные сети появились сравнительно недавно, в конце 60-х годов прошлого столетия. Естественно, что компьютерные сети унаследовали много полезных свойств от других, более старых и распространенных телекоммуникационных сетей, а именно телефонных. В тоже время компьютерные сети привнесли в телекоммуникационное пространство нечто совершенно новое – они сделали общедоступными неисчерпаемые объемы информации. 1.1. Предпосылки и история появления компьютерных сетей Компьютерные сети не являются единственным видом сетей, созданных человеком. Наиболее похожим примером сетей являются электрические сети. В них легко можно найти аналоги элементов любой компьютерной сети: источникам информационных ресурсов соответствуют электростанции; магистралям – высоковольтные линии электропередачи; сетям доступа – трансформаторные подстанции, клиентским терминалам – осветительные и бытовые приборы. С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно решает 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 (рис. 1.1). 4
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ Эволюция телекоммуникационных Эволюция вычислительной сетей техники Эволюция компьютерных сетей Рис. 1.1. Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной техники и телекоммуникационных сетей. 1.1.1. Вычислительные системы пакетной обработки данных Первые компьютеры 50-х годов ХХ века предназначались для очень небольшого числа высококвалифицированных пользователей. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а применялись в режиме пакетной обработки. Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мощного и надежного компьютера универсального назначения (мэйнфрейм) (рис. 1.2). Рис. 1.2. Универсальный компьютер – мэйнфрейм. 5
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их на вычислительный центр. Операторы вводили эти данные в компьютер, а распечатанные результаты пользователи обычно получали на следующий день. Для пользователей был бы удобней интерактивный режим работы, при котором можно руководить процессом обработки своих данных с терминала. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем зачастую пренебрегали. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины – процессора. 1.1.2. Многотерминальные системы По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов ХХ века появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени . В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих пользователей определялось его мощностью: время реакции вычислительной системы должно было быть достаточно мало, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером других пользователей. Рис. 1.3. Терминалы многотерминальной вычислительной системы. 6
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ Вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, но некоторые функции, такие как ввод и вывод данных, стали распределенными. Подобные многотерминальные вычислительные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером. 
Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. 
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. Из этого закона следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощные – их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины. 1.1.3. Первые компьютерные сети К началу 70-х годов ХХ столетия назрела необходимость в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Началось все с решения более простой задачи – доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал–компьютер были реализованы удаленные связи типа компьютер–компьютер . На основе подобного механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, 7
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными, сетевые службы. Первыми появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN), т.е. сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие идеи, лежащие в основе современных компьютерных сетей. Например, многоуровневое построение коммуникационных протоколов, концепции коммутации и маршрутизации пакетов. Главное технологическое новшество, которое сопутствовало появлению первых глобальных компьютерных сетей, состояло в отказе от принципа коммутации каналов. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и, в значительной степени, не чувствительный к задержкам компьютерный трафик (от англ. traffic — «движение», «транспорт», «торговля»; объём данных, передаваемой по сети за определенный период времени) гораздо эффективнее передается сетями, работающими по принципу коммутации пакетов. В 1969 году министерство обороны США инициировало работы по объединению в единую сеть суперкомпьютеров оборонных и научно- исследовательских центров. Эта сеть получила название ARPANET. Она стала основой для создания первой и самой известной ныне глобальной сети – Интернет. К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству предоставляемых услуг догнали локальные сети, которые долгое время лидировали в этом отношении, хотя и появились значительно позже. 1.1.4. Первые локальные сети Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей, произошло в начале 70-х годов прошлого века. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных 8
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию миникомпьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации продолжали работать автономно (рис. 1.4). 
Предприятие
| Мини-ЭВМ | Мини-ЭВМ |
| Терминалы | Терминалы |
| Отдел № 1 | Отдел № 2 |
| Мини-ЭВМ | Мини-ЭВМ |
| Терминалы | Терминалы |
| Отдел № 3 | Отдел № 4 |
Рис. 1.4. Автономное использование нескольких мини-компьютеров на одном предприятии. Очень быстро автономная работа перестала удовлетворять пользователей, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться 9
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ данными с компьютерами других подразделений. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных компьютерных сетей. Локальная сеть (Local Area Network, LAN) – это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории (обычно в радиусе 1–2 км). Для соединения компьютеров друг с другом используются сетевые технологии. Сетевая технология – это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверы, сетевые адаптеры, кабели и разъемы), а также механизмов передачи данных, достаточный для построения вычислительной сети. В середине 80-х годов стандартные сетевые технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. С одной стороны, они были достаточно мощными, чтобы обеспечить работу сетевого программного обеспечения, а с другой – явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач и разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. 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. Конец 90-х годов прошлого века выявил явного лидера среди технологий локальных сетей – семейство технологий Ethernet. В это семейство вошли: классическая технология Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с; Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с; Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Простые алгоритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Это позволяет рационально строить локальную сеть, выбирая ту технологию семейства, которая в 10