12.История и тенденции развития компьютерных сетей: эволюция вычислительных систем.
Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются результатом эволюции двух отраслей – 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.
Эволюция вычислительных систем
Системы пакетной обработки
Первые компьютеры 50-х годов (сложные в управлении, дорогие, громоздкие) 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 программы, 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. Достоинство: это наиболее эффективный режим использования вычислительной мощности процессора ЭВМ, как самого дорогого устройства. Недостаток: невозможность интерактивной работы пользователя (неприемлемые задержки обработки заявок на обслуживание).
Многотерминальные системы
С удешевлением процессоров в начале 60-х годов начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени (рис. 1.2). В таких системах компьютер используется в режиме разделения времени несколькими пользователями. Каждый из них работает за собственным терминалом (совокупность устройств ввода-вывода), с помощью которого он мог вести диалог с компьютером.
Терминалы могут быть рассредоточены по предприятию. Вычислительная мощность остается полностью централизованной, но функции ввода и вывода данных уже являются распределенными. Иллюзия единоличного владения компьютером. (Некоторые, далекие от вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполняются внутри их дисплея.)
Многотерминальные системы стали первым шагом к созданию локальных вычислительных сетей. Но построение локальных сетей в то время не было актуальным. Из-за высокой стоимости предприятия не могли себе позволить приобретение нескольких компьютеров.
Построение глобальных сетей началось с решения более простой задачи – доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Затем появились системы, в которых были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. В первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие.
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.
В первых глобальных сетях часто использовались уже существующие каналы связи, изначально предназначенные для других целей. Например, телефонные каналы тональной частоты. Особенностями таких каналов являлись низкая скорость передачи дискретной информации (десятки килобит) и значительные искажения сигналов. Поэтому сервисы таких сетей ограничивались передачей файлов и электронной почтой, а протоколы отличаются сложными процедурами контроля и восстановления данных (например, Х.25).
Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определялся прогрессом телефонных сетей. За последние 4 десятка лет были разработаны технологии, позволяющие передавать данные со скоростями от сотен мегабит до нескольких терабит (PDH, SDH, DWDM). В настоящее время глобальные сети по разнообразию и качеству сервисов догнали локальные сети.
Важным событием, повлиявшим на эволюцию компьютерных сетей стало появление больших интегральных схем (БИС) в начале 70-х годов. Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров. Несколько мини-компьютеров, имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм, выполняли некоторые задачи (хорошо распараллеливаемые) быстрее.
Мини-компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако компьютеры по-прежнему продолжали работать автономно (рис. 1.3).
Рост интенсивности использования компьютерной техники приводил к необходимости обмениваться в автоматическом режиме данными с пользователями других подразделений. Это вызвало появление первых локальных вычислительных сетей (рис. 1.4).
Локальные сети (Local Area Networks, LAN) — это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км. В отдельных случаях локальная сеть может иметь размеры в несколько десятков километров. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.
Вначале для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные программно-аппаратные средства. Т.е. устройства сопряжения, использующие собственный способ представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т. п., могли соединять только те модели компьютеров, для которых были разработаны.
Только в середине 80-х годов утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже – FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры.
В конце 90-х был выявлен явный лидер 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. Другие достоинства: возможность выбора из диапазона скоростей в наибольшей степени отвечающей задачам предприятия и потребностям пользователей; простота обслуживания и интеграции сетей, благодаря близости по принципам работы различных технологий семейства.