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.