Сетевые информационные технологии

Потребность общения вызывает у социума стремление организовывать удобные для него средства, позволяющие реализовать государственные, общественные и личные нужды в этой области. На протяжении веков этому способствовали средства связи. Современные информационные технологии в области обмена информацией (сетевые технологии) позволяют не только совершенствовать существовавшие ранее, но и создавать новые.

В начале прошлого века лишь телефонная связь, образованная на базе местных, городских, государственных и, затем, международных проводных телефонных сетей, давала возможность непосредственного голосового общения между людьми. Во второй половине прошлого века телевидение позволило организовать беспроводные сеансы аудиовизуального общения.

В 1960-е г. появились первые вычислительные сети (ВС) с ЭВМ. С этого времени собственно и появляются сетевые информационные технологии, объединяющие сбор, хранение, передачу и обработку информации на ЭВМ с техникой связи. К концу XX в. компьютеры и специальное коммуникационное оборудование соединили компьютеры не только в локальные, городские, государственные, но и в международные сети, что способствовало появлению глобальной телекоммуникационной вычислительной и информационной среды. Ныне практически нет такой предметной области, где бы ни применялись сетевые информационные технологии. Сетевые технологии решают проблемы оперативного доступа различных категорий пользователей к информации в независимости от места ее нахождения.

Теоретические исследования и практический опыт позволили не только повсеместно внедрять новые информационные технологии в любые сферы жизнедеятельности общества, но и сформировали и научно обосновали основные принципы создания информационных сетей.

Сеть (англ. «Network») – это взаимодействующая совокупность объектов, связанных друг с другом линиями связи.

В информационных процессах, системах и технологиях под термином «сеть» понимают как минимум несколько компьютеров и иных вычислительных машин, соединенных между собой с помощью специального оборудования для обеспечения вычислений и обмена различными видами информации. Сложные сети подразумевают большое количество пользователей, разветвленную структуру, узлы коммутации и коммуникации, соединяющие всех в единую структуру.

Коммуникационная сеть – это система объектов, осуществляющих функции создания (генерации), преобразования, хранения и потребления продукта и линий передачи, по которым осуществляется передача этого продукта внутри сети. Объекты такой системы называют пунктами или узлами сети, а линии – коммуникациями, соединениями или каналами связи.

По функциональной принадлежности компьютерные сети бывают: информационные, вычислительные, информационно-вычислительные.

Основу сетевых технологий составляют вычислительные сети – это средства связи (телекоммуникации), с помощью которых распределенные в пространстве компьютеры объединяются в систему. Первые коммуникационные компьютерные сети создавались, в первую очередь, для проведения математических вычислений и получили название – «вычислительные сети» – это компьютерные коммуникационные сети, предназначенные для проведения измерений, экспериментов, сложных объединенных математических вычислений и т.п. работ, в том числе в автоматических и автоматизированных системах. Практически одновременно эти сети стали использовать для обмена различного рода данными (сети передачи данных) и информацией. В результате появились как информационно-вычислительные сети, так и информационные сети.

Информационно-вычислительные сети включают вычислительные сети, предназначенные для распределенной обработки данных (совместное использование вычислительных мощностей в любых предметных областях), и информационные сети, предназначенные для совместного использования информационных ресурсов.

Информационная сеть – это коммуникационная сеть, в которой информация выступает в качестве продукта создания, переработки, хранения и использования. В таких сетях осуществляются сеансы информационного взаимодействия разных категорий пользователей.

Информационное взаимодействие (англ. «Information interaction») – это процесс взаимодействия двух и более субъектов, целью и основным содержанием которого является изменение имеющейся информации хотя бы у одного из них.

Любая сеть характеризуется наличием одной или нескольких структур, управляющих ее работой и конечными пользователями (исполнителями, клиентами, заказчиками и т.п.). В информационных сетях управляющие системы называются серверами – это подключенные к сети достаточно мощные вычислительные машины, обладающие определенными ресурсами общего пользования и, как правило, возможностью объединять компьютеры в информационных сетях.

С точки зрения организации существует разделение сетей на три вида: реальные, искусственные и одноранговые.
К реальным сетям относят сети, в которых компьютеры соединяются меж-ду собой по определенной схеме посредством специальных устройств – сетевых адаптеров и требуют присутствия специалистов, осуществляющих контроль и эксплуатацию таких сетей. Их называют сетями с выделенным сервером (англ. «real network» или «Network With an Attitude», NWA). Например, NetWare фирмы Novell и Windows NT фирмы Microsoft. Эти сети позволяют осуществлять централизованное управление. Более сложной и одновременно распространенной считается технология сети «клиент/сервер», когда любой компьютер сети в определенных ситуациях может быть попеременно как сервером, так и клиентом.

Искусственные сети не требуют специального сетевого жесткого диска. Компьютеры в этих сетях связываются между собой через последовательные или параллельные порты без специальных сетевых адаптеров. Иногда такая связь называется ноль-модемной или ноль-слотовой, так как ни в один из слотов компьютера не включена сетевая плата (адаптер).

Одноранговые сети организуются по принципу «равный среди равных» (англ. «peer-to-peer network»), т.е. без выделенного сервера и относятся к промежуточному типу между реальными и искусственными. В них любой компьютер попеременно может выступать в роли сервера или рабочей станции (РС)–«клиента».

Используется и понятие «виртуальные частные сети» (англ. «Virtual Personal Network», VPN), первоначально означавшее организацию работы (рабочие места) некоторых сотрудников организации на дому. При создании таких сетей в соответствующие здания заводят один кабель, и пользователи получают возможность передачи данных, выхода в Интернет, телевидение и телефонную связь, другие информационные услуги.

Сети различаются назначением, конфигурацией, характеристиками применяемого оборудования и программ. Они бывают универсальные и специализированные; однородные (гомогенные), т.е. состоящие из программно совместимых ЭВМ, и неоднородные (гетерогенные), включающие различное программное обеспечение и разнотипные компьютеры.

В зависимости от принятого способа управления сети делятся на: централизованные, децентрализованные и смешанные.

По отношению к собственности различают частные сети и сети общего пользования.

В типизации сетей по области использования (распространения) выделяют локальные, региональные (территориальные) и глобальные сети.

С точки зрения количества используемых ЭВМ сети можно разделить на малые (до 10 ПК), средние (до 30 ПК) и большие (более 30 ПК).

По методам передачи данных существуют сети с:
1) передачей данных по выделенным каналам связи;
2) коммутацией каналов;
3) коммутацией сообщений;
4) коммутацией пакетов сообщений.

По типу организации передачи информации они подразделяются на сети с коммутацией сообщений, пакетов и каналов. Существуют варианты использования смешанных типов передачи данных.

По типу используемых средств передачи информации сети бывают проводные (кабельные), беспроводные (радио и спутниковые) и комбинированные.

 

Беспроводные сети

 

С точки зрения установления соединения беспроводные сети характеризуются двумя вариантами:
1) установление прямого соединения на все время сеанса связи, независимо от реальной загрузки канала (аналогично коммутации каналов в кабельных сетях);
2) соединение устанавливается только на время реальной передачи (аналогично системам с коммутацией пакетов). При этом емкость каналов используется значительно эффективнее.

Три фактора влияют на распространение радиосетей: 1) мобильность, 2) удаленность, 3) срочность.

Одним из способов обмена данными в беспроводных системах на радиочастоте около 2,4 ГГц и расстоянии до 100 м является Bluetooth.
Bluetooth – это технология беспроводного обмена данными между различными устройствами (мобильный телефон, ПК, принтер, цифровые аппараты, кондиционеры и др. бытовые электроприборы). В ней используются высокочастотный диапазон волн 2,4–2,48 ГГц, скорость передачи доходит до 720 Кбит/с, энергопотребление устройств – до 10 мВт, а расстояние устойчивой связи – до 100 м. Данная технология обеспечивает надежную (в том числе зашифрованную) и экономичную радиосвязь между различными цифровыми устройствами.

Структура построения сетей (топология), в первую очередь, определяется способом соединения компьютеров между собой.

Топология – это описание способа физического соединения серверов и РС в сеть. В общем случае различают базовые топологии: «шинное» (параллельное подключение компьютеров к одной линии связи), звездообразное (радиальное, т.е. когда все компьютеры – РС соединяются с одним компьютером – сервером), кольцевое и вспомогательные (смешанные или комбинированные) топологии соединения компьютеров в сеть, например, логическая кольцевая сеть, которая физически монтируется как соединение звездных топологий. К комбинированным относится не только одновременное использование названных выше способов соединения компьютеров, но и иерархическое, а также многосвязное (в этом случае каждый компьютер соединяется со всеми остальными в сети) их соединение.

Протокол сети (англ. «Network Protocol») – это стандарт на взаимодействие одноименных уровней и процессов взаимодействия между собой; документ, определяющий правила и процедуру совместного взаимодействия систем и ЭВМ.

В Интернете данные пересылаются в пакетах с помощью протокола IP.
IP-протокол (англ. «Internet Protocol») является межсетевым протоколом. Он обеспечивает доставку сетевых пакетов с информацией и межмашинные коммуникации. Протокол управляет адресацией пакетов, направляя их по разным маршрутам между узлами сети, и позволяет объединять различные сети.

Правила работы с пакетами данных называются протоколом TCP.
TCP-протокол (англ. «Transmission Control Protocol») служит для организации надёжной полнодуплексной связи между конечными пунктами (узлами) обмена информацией в Интернете. Он преобразует сообщения в поток пакетов на передающей стороне и собирает полученные пакеты в сообщения на приемной стороне.
Протокол TCP основан на протоколе IP, поэтому их обычно обозначают вместе и называют стеком TCP/IP. Эти межсетевые протоколы управляют передачей данных в сети.

В Интернете используется стандарт OSI (англ. «Open Systems Interconnection»), обеспечивающий взаимосвязь открытых систем для европейских информационных сетей. На его основе ISO разработала эталонную модель со стеком протоколов ISO/OSI.

Для приема и отправки сообщений в Интернете используются специальные протоколы POP3 и SMTP. Протокол POP3 (англ. «Post Office Protocol», версия 3) позволяет компьютеру пользователя загружать поступающую почту через телефонную сеть, а протокол SMTP (англ. «Simple Mail Transport Protocol») используется для отправки почты с компьютера пользователя.

Протокол POP3 предусматривает обращение почтового пользователя сети к почтовому серверу с предложением забрать пришедшие письма, сообщает серверу имя ящика и пароля, загружает сообщения клиенту и удаляет их из почтового ящика.

С помощью SMTP происходит накопление отправляемых писем и обеспечение их получения адресатом. Протокол SMTP использует транспортный протокол TCP, совместно с которым может использоваться и UUCP. Он не зависит от транспортной среды и может использоваться для доставки почты в сетях с протоколами, отличными от TCP/IP и Х.25.

HTTP (англ. «HyperText Transfer Protocol») – это гипертекстовый транспортный протокол для связи веб-серверов и веб-клиентов. Он является протоколом прикладного уровня, разработанным для обмена гипертекстовой информацией в Интернете.

FTP (англ. «File Transfer Protocol») – это протокол файлового обмена, используемый для пересылки файлов с одного компьютера на другой, например, для получения клиентом файлов с FTP-сервера. Обмен данными в FTP проходит по TCP-каналу и построен по технологии «клиент-сервер».

Telnet – это протокол эмуляции удаленного терминала. Он служит для управления в сети (в т.ч. Интернете) одним компьютером с другого и может использоваться для организации взаимодействий «терминал–терминал» (связь) и «процесс–процесс» (распределенные вычисления). Telnet строится как прикладной протокол над транспортным протоколом TCP.

Для работы в Интернете сервера, хосты, сайты и порталы имеют собственные адреса, аналогично почтовому адресу проживания пользователя. Адрес необходим пользователю как для проведения поиска информационных ресурсов в Интернете, так и для обмена различными сообщениями с другими пользователями. В Интернете уникальные адреса формируются с помощью доменной системы.

 

Доменная система имен и адресация в Интернете
Основными, используемыми в сетях, типами адресов являются: адрес Ethernet; IP-адрес (основной адрес в Интернете); доменные адреса; почтовые адреса; номера портов; универсальный локатор (идентификатор) сетевого ресурса (URL/URI).

Пользователи Интернета и расположенные в сети серверы, сайты, информационные системы, порталы и т.п. обладают уникальными адресами, называемыми URL (англ. «Uniform Resource Locator»). Такой адрес позволяет определить тип протокола транспортировки, имя машины, к которой нужно добраться, и имя объекта (ресурса) на этом хосте. Идентификация пользователей осуществляется с использованием метода адресации доменов. При этом различают принципы организации адресов сайтов (хостов, и других главных машин) и адресов пользователей. URL-адрес состоит из трех частей:
1) описывает транспортный протокол, используемый при пересылке данных (http, ftp);
2) доменное имя сервера в сети Интернета (компьютера, на котором находятся нужные ИР);
3) путь к конкретному (искомому) файлу.

Адрес сервера состоит из доменного имени, которое может иметь несколько уровней, считающихся по порядку справа налево и отделяющихся друг от друга точкой. Первый (верхний) доменный уровень называют зоной. Он обозначает код страны (географический домен) или профиль организации (организационный домен). Второй уровень используется для указания аббревиатуры организации, а третьего уровня может не быть или его применяют с целью обозначения подразделения (отдел, группа, факультет, филиал и др.), а также полного или сокращенного собственного имени абонента (фамилия, имя или инициалы, аббревиатура и т.п.).

Кроме подобной адресации существуют и цифровые IP-адреса, формируемые на основе системы доменных имен (англ. «Domain Name System», DNS) для преобразования условных адресов в их внутреннее представление. Эти адреса состоят из четырех групп трехразрядных цифр, отделяемых друг от друга точками и используются программами связи для автоматического определения мест доставки информации.

В Интернете нет единого руководства. Вопросами регистрации адресов серверов и пользователей занимаются, как правило, национальные агентства (в России до 2005 г. РосНИИРОС, а затем АНО «Региональный Сетевой Информационный Центр» – RU-CENTER) или службы, старающиеся корреспондироваться, а также пытающиеся разрабатывать некоторые рекомендации по использованию систем адресации, сетевых форматов и др.

 

Корпоративные сети

Корпоративные сети (сети масштаба предприятия; англ. «enterprise-wide networks») связывают между собой ЛВС, охватывающие территорию, как правило, представляющую одно или несколько близко расположенных зданий, входящих в состав этой корпорации (предприятия). В зависимости от масштаба и охватываемых территорий, они являются разновидностью территориальных и региональных сетей.
Корпоративные сети образуют сложные информационные системы (инфосистемы) с распределенной информационной архитектурой.

Распределенные сети бывают проводными и беспроводными.
Распределенные сети беспроводной широкополосной связи называют сетями широкополосного доступа (англ. «Broadband Wireless Access», BWA).

Для корпоративных сетей (как и сетей общего пользования) создается архитектура сетей связи нового поколения (англ. «Next Generation Networks», NGN), в основе которой лежит требуемая и предоставляемая пользователю системы функциональность. Благодаря этому, корпоративная сеть связи (КСС) представляет собой среду, обеспечивающую пользователям на качественно новом уровне широкий спектр услуг. В единой мультисервисной транспортной сети формируется единое информационное пространство корпорации. Специалисты отмечают, что на основе КСС возможно создание комплексных систем поддержки эксплуатационных процессов, интеллектуальных систем поддержки принятия решений (СППР), мультиагентных и иных систем.
Система управления КСС строится на основе использования объектно-ориентированной распределенной структуры.

Мультиагентные системы относятся к новому классу интеллектуальных систем. В них определяющим являются не функциональные возможности индивидуального агента, выполняющего поручения клиента в распределенной компьютерной среде, а качественно новые свойства сообщества целенаправленно действующих агентов.

Другой вариант решения данных проблем заключается в использовании GRID, представляющей набор стандартизированных служб, обеспечивающих надёжный, совместимый, дешевый и повсеместный доступ к информационным и вычислительным ресурсам, подразумевающей интеграцию на основе управляющего и оптимизирующего ПО (middleware) нового поколения. GRID не только концепция, но и работающие технологии, применяемые прежде всего для решения потоков/наборов однотипных задач. Она реализуется, в том числе, на основе метакомпьютинга – научной дисциплины по организации массовых и сложно-структурированных вычислительных процессов. Некоторые технологии GRID предполагается использовать в корпоративных системах.

К сетям нового поколения относят и нейронные сети.
Нейронные сети – это обобщенное название групп алгоритмов, умеющих обучаться на примерах, извлекая скрытые закономерности из потока данных.

При этом алгоритмы обучения не требуют предварительных знаний о существующих в предметной области взаимосвязях. Необходимо подобрать достаточное число примеров, описывающих поведение моделируемой системы в прошлом.
Компьютерные технологии, получившие название нейросетевых, работают по аналогии с принципами строения и функционирования нейронов головного мозга человека и позволяют решать чрезвычайно широкий круг задач: распознавание человеческой речи и абстрактных образов, классификацию состояний сложных систем, управление технологическими процессами и финансовыми потоками, решение аналитических, исследовательских, прогнозных задач, связанных с обширными информационными потоками. Являясь мощным технологическим инструментом, нейросетевые технологии облегчают принятие важных и неочевидных решений в условиях неопределенности, дефицита времени и ограниченных информационных ресурсов.
Гибкость и мощность нейронных сетей открывает перед неограниченные возможности применения, особенно в качестве аналитических инструментов в плохо формализуемых и многокритериальных областях (например, для анализа финансовой и банковской деятельности).

Другим сервисом Интернета было создание режима удаленного терминала. Сервис «telnet» позволяет войти в терминальный сеанс работы с удаленным компьютером. После ввода имени и пароля пользователь оказываетесь в режиме терминальной работы с удаленной машиной.
Используемый при этом протокол Telnet предназначен для осуществления эмуляции удаленных машин, т.е. организации сеансов работы на них.
Это один из наиболее простых способов переноса локальных информационных систем в технологию Интернета, т.к. он не требует переделки баз данных и программного обеспечения, которое используется при доступе. Его использование позволяет отказаться от копирования системы на каждый из компьютеров пользователей и обеспечить централизованное управление информационным ресурсом. Он продолжает оставаться важным способом первичной организации доступа к локальным информационным системам через сеть.

FTP – это протокол передачи файлов прикладного уровня, определяющий правила передачи файлов с одного компьютера на другой.

С точки зрения применения этот протокол во многом аналогичен протоколу telnet. Пользователи сети могут записать свои файлы на FTP-сервер, но для этого на их компьютерах должна быть установлена программа FTP-клиента.

Конференции бывают локальные и глобальные; модерируемые и немодерируемые. В первом случае любое письмо в конференцию сначала попадает к модератору, принимающему решения, например, стоит ли письмо направлять всем подписчикам. Во втором – будет автоматически разослано всем участникам. Участие в конференциях позволяет находиться в курсе последних событий обсуждаемой темы, получать необходимую консультацию и помощь и др.

Электронные конференции называют также телеконференциями, т.е. конференциями на расстоянии, определяя их как системы, обеспечивающие пользователям выделенный доступ к информации группового использования для проведения электронных тематических конференций; как системы типа news groups и Usenet, образующие в Интернете сообщества людей (группы пользователей глобальной сети) для обмена мнениями, консультирования, получения новостей по интересам.

Списки рассылки (Mailing list, Listserv) – это форма обмена информацией между пользователями сети Интернета, напоминающая электронную конференцию. Это практически единственный сервис, не имеющий собственного протокола и программы-клиента, работающий исключительно через электронную почту.
Он часто выполняет ту же функцию, что и электронная конференция, но это более централизованная система, как правило, поддерживаемая конкретным инициатором, осуществляющим по электронной почте обычно бесплатную рассылку всей поступающей в конференцию информации по определенной теме.

Выделяют три варианта проведения видеоконференций: студийные, групповые и персональные.
Студийные видеоконференции требуют специальных аппаратных средств, выделенных высокоскоростных линий связи и высококачественного телеоборудования.
Некоторые студийные или групповые системы видеоконференций обеспечивают одновременное соединение четырех–шести абонентов. Такой метод получил название «многопортовая конференцсвязь» (англ. «Multipoint Conference Unit», MCU) или внутренняя MCU. При каскадном включении двух устройств с внутренним MCU может образовываться до десяти точек, участвующих в одной конференции.