История развития и классификация компьютерных сетей

Первые вычислительные сети (ВС) ЭВМ появились в 60-х годах двадцатого столетия. Одной из первых сетей, оказавших влияние на дальнейшее их развитие, явилась сеть АРПА, созданная пятьюдесятью университетами и фирмами США. В настоящее время она охватывает всю территорию США, часть Европы и Азии. Сеть АРПА доказала техническую возможность и экономическую целесообразность разработки больших сетей для более эффективного использования ЭВМ и программного обеспечения.

В 60-е годы в Европе сначала были разработаны и внедрены международные сети EIN и Евронет, затем появились национальные сети. В 1972 г. в Вене была внедрена сеть МИПСА, в 1979 г. к ней присоединились 17 стран Европы, СССР, США, Канада, Япония. Она предназначена для проведения фундаментальных работ по проблемам энергетики, продовольствия, сельского хозяйства, здравоохранения и т.д. Кроме того, благодаря новой технологии сеть позволила всем национальным институтам развивать связь друг с другом.

В 80-е годы сдана в эксплуатацию система телеобработки статистической информации (СТОСИ), обслуживающая Главный вычислительный центр Центрального статистического управления СССР в Москве и республиканские вычислительные центры в союзных республиках.

В настоящее время в мире зарегистрировано более 200 глобальных сетей, 54 из которых созданы в США, 16 — в Японии.

С появлением микроЭВМ, а затем и персональных компьютеров возникли локальные вычислительные сети. Они позволили поднять на качественно новую ступень управление предприятиями и организациями, повысить эффективность использования ЭВМ, улучшить качество обрабатываемой информации, реализовать безбумажную технологию, создать новые технологии, а так же открыть доступ к мировым информационным ресурсам.

Многообразие сетевых технологий вызывает необходимость их классификации (см. таблицу).

Признак классификации	Виды компьютерных сетей
1. Охват территории	Локальные Корпоративные Территориальные (региональные) Федеральные Глобальные
2. Специализация	Универсальные Специализированные
3. Способ организации	Одноранговые (одноуровневые) Двухуровневые (централизованные)
4. Способ связи	Проводные Беспроводные Спутниковые
5. Состав ПК	Однородные Неоднородные (гетерогенные)
6. Способ передачи информации	Сети коммутации каналов Сети коммутации сообщений Сети коммутации пакетов Интегральные сети.
7. Владельцы	Общественные Корпоративные Частные Коммерческие

В соответствии с масштабом компьютерные сети принято делить на локальные и глобальные.

Локальные вычислительные сетиЛВС или LAN (Local Area Network), обеспечивают взаимодействие небольшого числа однородных компьютеров на небольшой территории (обычно в пределах одного или нескольких расположенных рядом зданий). Такие сети используют более простые методы управления взаимодействием узлов сети. При этом небольшие расстояния между узлами сети и простота управления системой связи позволяют обеспечивать более высокую скорость передачи данных.

Локальные сети, в свою очередь, делятся на централизованные и одноранговые. В одноранговых сетях управление таково, что не требуется выделения одного из компьютеров в качестве главного (сервера). Такие сети недорогие, но число пользователей в них не превышает десяти. Если же организации необходимо включать в сеть большее число пользователей, следует использовать ЛВС с централизованной архитектурой.

В условиях современных рыночных отношений широкое развитие получил крупномасштабный бизнес, которому свойственны формы организации на основе объединения предприятий и фирм в совокупные структуры. Это собирательные ассоциативные формы, к которым относят корпорации, хозяйственные ассоциации, холдинговые компании, финансово-промышленные группы и т.д. Для эффективного управления крупными организациями, имеющими большое количество филиалов, строится корпоративная вычислительная сеть, на основе которой формируются информационные связи между локальными вычислительными сетями отдельных структурных подразделений.

Корпоративная вычислительная сеть - это интегрированная, многомашинная система одного предприятия, имеющего территориальную рассредоточенностъ, состоящая из взаимодействующих локальных вычислительных сетей структурных подразделений и системы связи для передачи информации.

Построение корпоративной вычислительной сети обеспечивает:

• реализацию унифицированного доступа специалистов различных подразделений крупных предприятий к коммуникационным ресурсам;
• единое централизованное управление, администрирование и техническое обслуживание информационно-коммуникационных ресурсов;
• организацию доступа к структурированной информации в режимах on-line и off-line;
• организацию единой системы электронной почты и электронного документооборота;
• реализацию единого пользовательского интерфейса, предоставляющего пользователям средства работы с коммуникационными ресурсами корпоративной вычислительной сети;
• взаимодействие корпоративной сети крупных предприятий с информационными -системами других организаций, вычислительными сетями государственных учреждений, финансово-кредитных органов, участвующих в информационном обмене на правах абонентов телекоммуникационной корпоративной системы.

Территориальной (региональной) называют сеть, компьютеры которой находятся на большом удалении друг от друга, как правило, от десятков до сотен километров. Иногда территориальную сеть называют ведомственной. Такая сеть обеспечивает обмен данными между имеющими доступ к ресурсам сети абонентами по телефонным каналам сети общего назначения, каналам сети "Телекс", а также по спутниковым каналам связи. Количество абонентов не ограничено. Им гарантируется надежный обмен данными в режиме "реального времени". Территориальные сети строятся по идеологии открытых систем. Их абонентами являются отдельные ПК, ЛВС, телексные установки, факсимильные и телефонные установки, сетевые элементы (узлы сети связи).

Основная задача федеральной сети - создание магистралью сети передачи данных с коммутацией пакетов и предоставление услуг по передаче данных в реальном масштабе времени широкому кругу пользователей, к числу которых относятся и территориальные сети.

Глобальная (крупномасштабная) вычислительная сетьWAN (Wide Area Network) представляет собой множество географически удаленных друг от друга компьютеров, совместное взаимодействие которых обеспечивается коммуникационной сетью передачи данных и специальными программами сетевой операционной системы. Основу WAN составляют мощные многопользовательские вычислительные системы, являющиеся различного рода серверами, а также специализированные компьютеры, выполняющие функции коммуникационных узлов. Пользователи персональных компьютеров становятся абонентами сети посредством подключения своих ПК именно к этим основным узлам.

Для WAN характерны, во-первых, значительный масштаб (как по площади сети, так и по числу узлов), а во-вторых, неоднородность (т. е. различный тип архитектуры и программного обеспечения компьютеров-узлов). Эти особенности и определяют дополнительные сложности архитектуры и организации взаимодействия сетевых элементов в гетерогенных WAN.

Понятие "глобальная сеть" в настоящее время является синонимом понятия Internet. Сеть Internet - это множество серверов и локальных сетей, созданных на базе компьютеров различной мощности. Эти компьютеры служат хранилищами данных и принадлежат различным организациям, коммерческим и некоммерческим, университетам, исследовательским институтам, национальным библиотекам, отдельным лицам и т. д.

В настоящее время сеть Internet обеспечивает пользователей такими видами сервиса, как электронная почта, передача файлов, просмотр и получение информации, организованной в виде гипертекстовых файлов (сервис Word Wide Web), электронные конференции, Telnet.

Первыми появились сети коммутации каналов. Например, чтобы передать сообщение между клиентами В и Е (см. рис. 3.1.), образуется прямое соединение, включающее каналы одной из групп: 3, 5, 7; 1, 2,4,6; 1, 2, 5, 7; 3, 4, 6. Это соединение должно оставаться неизменным в течение всего сеанса. Легкость реализации такого способа передачи информации влечет за собой и его недостатки: низкий коэффициент использования каналов, высокую стоимость передачи данных, увеличение времени ожидания других клиентов.

В сетях, построенных по принципу коммутации сообщений, информация передается порциями, называемыми сообщениями. Прямое соединение обычно не устанавливается, а передача сообщения начинается после освобождения первого канала и так далее, пока сообщение не дойдет до адресата. Каждым сервером осуществляются прием информации, ее сборка, проверка, маршрутизация и передача сообщения. Недостатками коммутации сообщений являются низкая скорость передачи данных и невозможность проведения диалога между клиентами, хотя стоимость передачи и уменьшается.

При коммутации пакетовобмен производится короткими пакетами фиксированной структуры. Пакет - часть сообщения, удовлетворяющая некоторому стандарту. Малая длина пакетов предотвращает блокировку линий связи, не дает расти очереди в узлах коммутации. Это обеспечивает быстрое соединение, низкий уровень ошибок, надежность и эффективность использования сети. Но при передаче пакета возникает проблема маршрутизации, которая решается программно-аппаратными методами. Наиболее распространенными способами являются фиксированная маршрутизация и маршрутизация способом кратчайшей очереди. Фиксированная маршрутизацияпредполагает наличие таблицы маршрутов, в которой закрепляется маршрут от одного клиента к другому, что обеспечивает простоту реализации, но одновременно и неравномерную загрузку сети. В методе кратчайшей очереди используется несколько таблиц, в которых каналы расставлены по приоритетам. Приоритет - функция, обратная расстоянию до адресата. Передача начинается по первому свободному каналу с высшим приоритетом. При использовании этого метода задержка передачи пакета минимальная.

В настоящее время разработаны программно-аппаратные средства маршрутизации. Повторитель (repeater) - самый простой тип устройства для соединения однотипных ЛВС, он ретранслирует все принимаемые пакеты из одной ЛВС в другую.

Сети, обеспечивающие коммутацию каналов, сообщений и пакетов, называются интегральными. Они объединяют несколько коммутационных сетей. Часть интегральных каналов используется монопольно, т. е. для прямого соединения. Прямые каналы создаются на время проведения сеанса связи между различными коммутационными сетями. По окончании сеанса прямой канал распадается на независимые магистральные каналы. Интегральная сеть эффективна, если объем информации, передаваемой по прямым каналам, не превышает 10-15%.

Сравнительно просто классифицируются сетевые технологии по составу ПК. Однородные сетевые технологии предполагают увязку в сети однотипных средств, разрабатываемых одной фирмой. Подключение к такой сети средств других производителей возможно только при условии соблюдения в них стандартов, принятых в однородной архитектуре.

Сети делятся на общественные, частные, корпоративные и коммерческие. По рекомендациям Международной организации по стандартизации ISO для физического уровня определены следующие классы общественных сетей: до 1000 км - средней длины; до 10 000 км - длинные; до 25 000 км - самые длинные наземные; до 80 000 км - магистральные через спутник; до 160 000 км - магистральные международные через два спутника.

3.4.2.Основные компоненты компьютерных сетей, требования

Основными компонентами сети являются компьютеры (включая необходимые периферийные устройства), сетевое программное обеспечение и средства коммуникаций.

Все компьютеры, объединенные в сеть, делятся на основные и вспомогательные. Основные - это абонентские ПЭВМ (клиенты). Они выполняют все необходимые информационно-вычислительные работы и определяют ресурсы сети. Вспомогательные ЭВМ (серверы) служат для преобразования и передачи информации от одной ЭВМ к другой по каналам связи и коммутационным машинам (host-ЭВМ). Host-ЭВМ - это компьютеры, установленные в узлах сети и решающие вопросы коммутации в сети. К качеству и мощности серверов предъявляются повышенные требования, а в роли хост-машины могут выступать любые ПЭВМ.

Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее узких мест в работе вычислительной сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтерами, плоттерами) и др.

Сервер - выделенный для обработки запросов клиентов вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.

Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства (часто на отказоустойчивых дисковых массивах).

Архивационный сервер (сервер резервного копирования) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами и обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации с серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (с составлением каталога архива).

Факс-сервер (Net SatisFaxiori) - выделенный компьютер для организации эффективной многоадресной факсимильной связи

Почтовый сервер (Mail Server) - то же, что и факс-сервер, но для организации работы электронной почты. На таком сервере хранятся электронные почтовые ящики.

Сервер печати (Print Servert) предназначен для эффективного использования системных принтеров.

Коммутационная сеть (см. рис. 3.1) образуется множеством серверов и host-ЭВМ, соединенных физическими каналами связи, которые называют магистральными. В качестве магистральных каналов используют кабели типа "витая пара", коаксиальные и оптоволоконные кабели. В качестве магистральных в компьютерных сетях могут также использоваться телефонные и спутниковые каналы связи. Кроме кабелей в состав средств коммуникаций входит специализированное сетевое оборудование.

Так для подключения компьютера к локальной компьютерной сети необходимо устройство, называемое сетевым адаптером. Современные сетевые адаптеры обеспечивают передачу информации со скоростью 10-100 Мбит (миллионов бит) в секунду. При объединении компьютеров, расположенных на более значительном расстоянии друг от друга (в разных офисах, городах, странах), основным и наиболее массовым в настоящее время (но далеко не единственным) каналом передачи данных является телефонный канал. Устройство, необходимое для подключения компьютера к телефонной линии, называется модемом. Скорость передачи данных здесь меньше, чем в локальных сетях и находится в существенной зависимости от качества канала связи и типа модема. В настоящее время наблюдается тенденция к подключению локальных сетей к мировой глобальной сети Internet.

Важнейшей характеристикой локальной вычислительной сети является топология, определяемая способом объединения компьютеров

Различают два уровня топологии - физический и логический. Под физической топологией понимается реальная схема соединения узлов сети каналами связи, а под логической - структура маршрутов потоков данных между узлами. Физическая и логическая топологии не всегда совпадают.

Помимо адаптеров, модемов и коммуникационных кабелей в состав коммуникационного оборудования компьютерной сети могут входить и другие технические устройства.

Сетевое ПО включает несколько типов программных приложений. Клиент - приложение, посылающее запрос к серверу. Оно отвечает за обработку, вывод информации и передачу запросов серверу. Сервер - виртуальная ЭВМ, выполняющая функции по обслуживанию клиента и распределяющая ресурсы системы: совместно используемые несколькими пользователями принтеры, базы данных, программы, внешнюю память и др. Сетевой сервер поддерживает выполнение функций сетевой операционной системы. Сервер

К сетям, как и к отдельным персональным компьютерам, приложимо понятие "архитектура", под которой понимается конструирование сложных объединений ПК, предоставляющих пользователям широкий набор различных информационных ресурсов. Архитектура сетей имеет на6op характеристик.

Открытость. Заключается в обеспечении возможности подключения в контур сети любых типов современных персональных компьютеров.

Ресурсы. Значимость и ценность сети должны определяться набором хранимых в ней знаний, данных и способностью технических средств оперативно их представлять либо обрабатывать.

Надежность. Трактуется как обеспечение высокого показателя "наработки на отказ" за счет оперативных сообщений об аварийном режиме, тестирования, программно-логического контроля и дублирования техники.

Динамичность. Заключается в минимизации времени отклика сети на запрос пользователя.

Интерфейс. Предполагается, что сеть обеспечивает широкий набор сервисных функции по обслуживанию пользователя и предоставлению ему запрашиваемых информационных ресурсов.

Автономность. Понимается как возможность независимой работы сетей различных уровней.

Коммуникации. К ним предъявляются особые требования, связанные с обеспечением четкого взаимодействия ПК по любой принятой пользователем конфигурации сети. Сеть обеспечивает защиту данных от несанкционированного доступа, автоматическое восстановление работоспособности при аварийных сбоях, высокую достоверность передаваемой информации и вычислительных процедур.

Сетевые протоколы

При разработке сетей ЭВМ возникает задача согласования взаимодействия ЭВМ клиентов, серверов, линий связи и других устройств. Она решается путем установления определенных правил, называемых протоколами. Часть протоколов реализуется программно, часть - аппаратно. Для стандартизации протоколов была создана Международная организация по стандартизации (MOC) - ISO. Она ввела понятие архитектуры открытых систем, что означает возможность взаимодействия систем по определенным правилам, хотя сами системы могут быть созданы на различных технических средствах. Основой архитектуры открытых систем является понятие уровня логической декомпозиции сложной информационной сети. Система разбивается на ряд подсистем, или уровней, каждый из которых выполняет свои функции. ISO установила семь таких уровней.

Первый уровень, физический, определяет некоторые физические характеристики канала. Это требования к характеристикам кабелей разъемов (RS, EIA, Х.21) и электрическим характеристикам сигнала (например, модель V.22 бис обеспечивает скорость передачи данных 2400 бод). В 1994 г. в Европе утвержден стандарт V.32 для работы на любых каналах. В нем определены десять процедур, по которым модем после тестирования линии (первоначально по стандарту V.2 1) выбирает соответствующие качеству линии несущие частоты и полосу пропускания (11 комбинаций) и пр. По типу характеристик сети делятся на аналоговые (V.21 и др.), например обычная телефонная сеть, и цифровые, для которых разработан стандарт ISDN, распространенный за рубежом.

Второй уровень, канальный, управляет передачей данных между двумя узлами сети. Он обеспечивает контроль корректности передачи сблокированной информации. Каждый блок снабжается контрольной суммой. В последних разработках этот контроль перемещается в аппаратную среду. Модем, работающий по одному из протоколов коррекции ошибок и обнаруживший таковую, запрашивает повторную передачу. Для повышения скорости обмена осуществляется сжатие данных по типу архивации с применением тех же алгоритмов, например алгоритма, используемого в архиваторе ARC, или алгоритма Зимпеля в архиваторе PKZIP. При получении сообщения оно разворачивается. Длина передаваемого блока может меняться в зависимости от качества канала. В настоящее время используются Протоколы V.42 бис (CCITT), MNP5, MNP7.

Третий уровень, сетевой, обеспечивает управление потоком, маршрутизацию. Он распространяется на соглашения о блокировании данных и адресации. По одному каналу может передаваться информация с нескольких модемов для увеличения его загрузки. К этому уровню относятся Протоколы Х.25 и Х.75 (космический). Для объединения неоднородных сетей различных технологий используется Протокол IP.

Четвертый уровень, транспортный, отвечает за стандартизацию обмена данными между программами, находящимися на разных ЭВМ сети (ТРО, ТР1).

Пятый уровень, сеансовый, определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам.

Шестой уровень, представительный, определяет форматы данных, алфавиты, коды представления специальных и графических символов (ASCII, EBCDIC, ASN.l, X.409).

Седьмой уровень, прикладной, определяет уровень услуг. Например, протокол Х.400 связан со стандартизацией электронной почты. Известны такие технические средства, как телекс, телефакс, видеотекс, телетекст и др. При этом телекс поддерживает стандарт скорости передачи информации, принятый в 1988 г. в 50 бод. Телетекст обеспечивает уже 1200 бод.

Стандартизация распространяется на логический уровень передаваемой информации. Прежде всего - это стандарт на форму передаваемых документов. В банковской системе распространен стандарт SWIFT. Он определяет расположение и назначение полей документа. Принципиальным моментом при использовании этого и других компьютерных стандартов на документацию является официальное признание (де-юре) передаваемого по каналам связи документа юридически полноценным.

Каждый уровень решает свои задачи и обеспечивает сервисом расположенный над ним уровень. Правила взаимодействия разных систем одного уровня называют протоколом, правила взаимодействия соседних уровней в одной системе - интерфейсом. Каждый протокол должен быть прозрачным для соседних уровней. Прозрачность - свойство передачи информации, закодированной любым способом, быть понятным взаимодействующим уровням.

Интернет-технологии

Пользователи, подключенные к Интернет, получают доступ ко всем ресурсам глобальной сети. Они могут с помощью программных средств telnet, rlogin и т. п. осуществить регистрацию и выполнить свою работу на одном из удаленных многопользовательских компьютеров сети; совместно с другими пользователями объединять свои файловые системы в рамках распределенной в пространстве сетевой файловой системы NFS (Network File System) или воспользоваться услугами доступной практически в любой точке земного шара электронной почты E-mail, которая почти по всем параметрам превосходит обыкновенную почту.

1. Электронная почта. Наиболее распространенной сегодня стала технология компьютерного способа пересылки и обработки информационных сообщений, обеспечивающая оперативную связь между руководством рабочих групп, сотрудниками, учеными, деловыми людьми, бизнесменами и всеми желающими. Такая технология получила название электронной почты. Электронная почта - это специальный пакет программ для хранения и пересылки сообщений между пользователями компьютерной сети. Посредством электронной почты реализуется служба безбумажных почтовых отношений. Она является системой сбора, регистрации, обработки и передачи любой информации (текстовых документов, изображений, цифровых данных, звукозаписи и т.д.) по сетям ЭВМ и выполняет такие функции, как редактирование документов перед передачей, их хранение в специальном банке; пересылка корреспонденции; проверка и исправление ошибок, возникающих при передаче; выдача подтверждения о получении корреспонденции адресатом; получение и хранение информации в своем "почтовом ящике"; просмотр полученной корреспонденции. Электронная почта применяется во всех деловых сферах, сокращая время организации сделок. Для расширения сферы услуг уже созданы системы взаимодействия электронной почты с сетями факсов и телексов. Электронная почта проникает и на бытовой уровень, становясь дешевым и оперативным средством общения соседей из одного дома, улицы, разных стран. Для того чтобы послать электронное письмо, вы должны знать электронный адрес своего корреспондента. Помимо текстового сообщения вы можете.передать через электронную почту произвольный файл. В сети Internet существуют так называемые серверы рассылки, способные по предварительной заявке автоматически рассылать сообщения. С помощью такого сервера вы можете подписаться, например, на электронный вариант газеты или получать любую другую периодически обновляемую информацию в виде писем.

2. Передача файлов. Для передачи файлов используется протокол FTP (File Transfer Protocol), позволяющий переписывать файлы с дисков удаленного сервера на локальный диск вашего компьютера. Разработаны удобные программы, напоминающие широко известную оболочку Norton Commander, упрощающие процесс передачи файлов. Кроме того, для получения файлов из серверов FTP вы можете использовать программы-навигаторы, предназначенные для работы с серверами WWW. Последние становятся наиболее популярным средством хранения и представления информации в сети Internet.

3. Серверы World Wide Web. Электронная почта и передача файлов - это то, с чего начиналось становление глобальных сетей. В последнее время во всем мире наблюдается лавинообразный рост числа серверов WWW(World Wide Web), которые могут быть использованы для представления мультимедийной информации, имеющей отношение к самым разным сферам человеческой деятельности. Серверы WWW хранят информацию в виде гипертекстовых файлов, подготовленных специальным образом. Эти файлы ссылаются на другие такие же файлы, на файлы, содержащие изображение, звук и т. п. Примечательно то, что ссылки могут указывать на файлы, расположенные не только на том же самом сервере WWW, но и на любом другом сервере, подключенном к сети Internet.

4. Электронные конференции. В глобальной сети имеются серверы электронных конференции, которые хранят статьи (в виде текстовых документов), объединенные в группы. Имея доступ к такому серверу, пользователи сети могут посылать в выбранные ими группы свои статьи, а также просматривать и получать статьи, записанные туда другими пользователями.

5. Средство Теlnet. В сети Internet имеется немало серверов, предоставляющих пользователям доступ к своей консоли (экрану и клавиатуре). Обычно такие серверы работают под управлением операционной системы UNIX. Для получения доступа к консоли компьютера вы должны подключиться к сети Internet и запустить программу с названием TELNET. Версии этой программы имеются практически для любой операционной системы. В частности, программа TELNET есть в операционных системах Microsoft Windows

6. Технологии интерактивного общения клиентов сети. Помимо названных сетевых служб в Интернет существуют и другие службы, в частности, IRC и ICQ, обеспечивающие возможность интерактивного общения удаленных пользователей сети. С помощью IRC (Internet Relay Chat) множество пользователей могут заходить на так называемые "каналы" ("комнаты", "виртуальные места", как правило; имеющие тематическую направленность), чтобы "поговорить" с группой людей или с конкретным человеком. Служба ICQ (I Seek You) - очень популярный в последнее время Internet-пейджер, позволяющий в любое время узнать, находится ли некоторый пользователь в сети, "поговорить" с ним, обменяться файлами и т. д.

Воспользоваться услугами всех перечисленных выше сетевых служб можно при наличии у пользователя специальной программы-клиента. Отметим, что некоторые из таких программ-клиентов носят интегральный характер, обеспечивая взаимодействие пользователя с несколькими сетевыми службами.