Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети»
| Вид материала | Лекция |
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 408.34kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 488.73kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 371.9kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 276.95kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 547.71kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 546.8kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 676.23kb.
- Урок по теме «Компьютерные сети. Интернет», 157.31kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 611.15kb.
- Лекция Глобальные сети. Интернет. Корпоративные компьютерные сети, 89.75kb.
Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети».
Лекция 1.
- Краткая история и перспективы развития компьютерных сетей.
- Основные понятия и общие принципы построения сетей (топология, кодирование сигналов, мультплексирование, коммутация пакетов, маршрутизация, протоколы.
Компьютерные сети – результат эволюции двух важнейших научно-технических отраслей – телекоммуникационных и компьютерных технологий.
Компьютерные сети (КС) появились относительно недавно, в конце 60х годов. Унаследовали много полезных свойств от более старых и развитых телекоммуникационных сетей (телефон).
С другой стороны, новым неотъемлемым фактором, принципиально повлиявшим на развитие компьютерных сетей, является наличие неисчерпаемых запасов информации. Особенно этот эффект проявился в середине 90х годов.
Именно тогда проявились главные требования к сети:
- необходимость свободного анонимного доступа к информации
- необходимость быстрого надежного обмена данными по сети.
Новые технологии, разработанные для обеспечения этих требований, были взяты на вооружение в телекоммуникационных сетях. В результате произошла конвергенция телекоммуникационных и компьютерных сетей. (Цифровая передача голосовой информации, IP-телефония и тд.)
С одной стороны, КС – это частный случай распределенных вычислительных сетей, в которых группа компьютеров выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автономном режиме.
С другой стороны, КС – это средство передачи информации, для чего применяются методы кодирования и мультиплексирования данных.
История развития.
50-е годы – первые компьютеры работали в режиме пакетной обработки.
В начале 60х годов стали развиваться многотерминальные системы, которые уже считают прообразом современных локальных КС. Терминалы вышли за пределы ВЦ, рассредоточились по всему предприятию.
Работа пользователя на удаленном терминале во многом схожа (по ощущениям пользователя) с работой на современном ПК, подсоединенном к сети. Пользователь получает доступ к общим файлам, мог в нужный момент запустить нужную программу, мог пользоваться периферийным оборудованием (печать), при этом иллюзия единоличного владения компьютером. Число пользователей зависит от мощности компьютера и должно быть достаточно малым, чтобы реакция компьютера на запросы пользователя была достаточно быстрой и пользователю не слишком заметно, что работа идет в параллельном режиме.
Главное отличие от современных КС при внешней схожести – централизованная обработка данных.
Т.О., многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания современных локальных КС.
Но до современных сетей требовалось пройти большой путь. На тот момент потребность в локальных сетях еще не созрела, поскольку компьютеры были дорогими, и как правило, предприятие могло себе позволить в лучшем случае 1 компьютер.
Активное развитие локальных сетей началось с 70е годы с появлением БИС и, соответственно, с удешевлением процессоров, с появлением миниЭВМ и затем и персональных компьютеров.
ПК оказались идеальными элементами построения сети – с одной стороны, достаточно мощные для поддержки сетевых функций, с другой стороны – они нуждались в объединении вычислительных мощностей для решения сложных задач и разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов.
ПК стали преобладать в локальных сетях не только как клиентские компьютеры, но и в качестве сетевых серверов, т.е. центров хранения и обработки данных.
Локальные Сети – local area networks (LAN) – объединение, на основе сетевых технологий, компьютеров, сосредоточенных на относительно небольшой территории, 1-2км (максимум 10) и как правило, принадлежащих одной организации.
Сетевая технология – согласованный набор аппаратных и программных средств и механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети.
Сначала было разнообразие сетевых технологий, а с середины 80х утвердились стандартные сетевые технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, ArcNET, Token Ring, FDDI.
Конец 90х выявил явного лидера средитехнологий ЛС – семейство Ethernet – классический Ethernet (10мбит\с), Fast Ethernet (100мбит\с), Gigabit Ethernet (1000мбит\с). Близки по принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию.
Глобальные КС, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, появились хронологически раньше, поскольку была потребность.
Опять же все начиналось с организации доступа к удаленным компьютерам с терминалов, находящихся в других городах, за тысячи км. Соединение шло через телефонные сети при помощи модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получить доступ к разделяемым ресурсов супермощных (на то время) ЭВМ.
Позднее появились системы, где наряду с удаленными соединениями терминал – компьютер были реализованы соединения компьютер – компьютер.
Т.О., компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что является по сути базовым признаком вычислительной сети.
Именно при развитии ГС сетей:
- Возникли службы обмена файлами, синхронизация баз данных, электронная почта – традиционные сетевые службы.
- Предложены и отработаны основные идеи, лежащие в основе современных КС - многоуровневое построение коммуникационных протоколов, концепции коммутации и маршрутизации пакетов.
- Многое унаследовано от более старых коммуникационных сетей – телефонных. Главное технологическое новшество – отказ от принципа коммутации каналов, переход к коммутации пакетов.
Коммутация каналов – на все время сеанса связи выделяется составной коммутационный канал, соединяющий узлы связи, который передает информацию с постоянной скоростью.
Коммутация каналов – метод передачи данных, предусматривающий резервирование на время сеанса связи необходимых ресурсов на всем сетевом пути
Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что трафик компьютерных данных – пульсирующий, периоды интенсивного обмена данными чередуются с продолжительными паузами, в значительной степени нечувствительность к задержкам (по сравнению, например, с телефонным разговором).
В 1964 Леонард Клейнрок теоретически доказал, в рамках теории очередей, эффективность коммутации пакетов в условиях неравномерной нагрузки.
Практические эксперименты в области разработки технологий коммутации пакетов начались одновременно в защищенных военных сетях США и в национальной физической лаборатории Англии.
Коммутация пакетов – данные разделяются на небольшие порции (пакеты), которые самостоятельно перемещаются по сети благодаря наличию адреса конечного узла в заголовке пакета.
Коммутация пакетов – метод передачи пакетов (блоков информации) по сети, при котором не происходит монопольное резервирование ресурсов сети
В ЛС, из-за их небольшой протяженности, использовались, как правило, качественные кабельные линии связи, даже в первом поколении сетевые адаптеры обеспечивали скорость 10мб\с.
В первых ГС использовались уже существующие каналы связи, предназначенные для других систем – арендовались у телефонных сетей низкоскоростные аналоговые каналы.
Примеры первых сетей
На них, по сути, отрабатывались технологии коммуникаций, управления ресурсами, манипуляции удаленными данными.
Проект CONDOR – 512 корпоративных рабочих станций ночами отдают свое время для вычислений.
Проект SETI – домашние компьютеры, бесплатно, объединены в сеть для обработки данных наблюдения за звездами для поиска внеземных цивилизаций.
Проект FAFNER – существует просто распараллеливаемый, не требующий существенного обмена данными между компьютерами, алгоритм поиска простых чисел. Нобелевская премия обещана тому, кто найдет простое число с 10 тыс. знаков после запятой. Тоже компьютеры объединены на добровольной основе, проект действует до сих пор.
I-WAY – объединение 17 высокопроизводительных компьютеров, не строилась специальная сеть, а было виртуализировано объединение трех реальных коммерческих сетей на основе технологии АТМ.
В 1969г министерство США инициировало проект ARPANET по объединению в единую компьютерную сеть суперкомпьютеров оборонных и исследовательских центров. Эта сеть стала отправной точкой создания самой известной ныне глобальной сети – Интернета.
Начало коммерческого использования Интернета приходится на конец 80х годов.
Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением разных ОС, дополненных модулями, реализующими единые для всех компьютеров сети коммуникационные протоколы (правила обмена данными). Эти ОС стали первыми сетевыми ОС.
В отличие от многотерминальной ОС, сетевая ОС должна
1) выполнять все функции локальной ОС по организации работы своего компьютера,
2) иметь дополнительные средства, позволяющие взаимодействовать через сеть с другими компьютерами
3) обеспечивать распределенное хранение и обработку данных.
Программное обеспечение сетевых функций в ОС развивалось постепенно, по мере развития аппаратной базы сетевых технологий и возникновения новых возможностей и новых задач, требующих сетевой обработки.
Создание Интернета в современном виде, установка во всех узлах стек протоколов ТСР\IР приходится на начало 80х годов.
1991 – изобретение WEB.
В 80е годы отличия между глобальными и локальными сетями прослеживались весьма отчетливо:
- протяженность сетей.
- сложность методов передачи данных (в ГС сложнее, т.к. дальше и низкая надежность)
- разная скорость обмена (в ЛС выше)
- разнообразие услуг (в ЛС шире, ГС ограничивались передачей файлов и простейшими почтовыми услугами)
Постепенно различия между ГС и ЛС сглаживаются за счет взаимопроникновения технологий. Сближение происходит
(1) в методах передачи данных - на цифровой платформе по оптоволоконным каналам.
(2) Доминирование протокола IP. Этот протокол работает поверх любых технологий, объединяя различные подсети в единую сеть.
(3) Возможность передачи больших объемов информации в реальном времени – мультмедийной.
(4) World Wide Web – гипертекстовая информационная служба, основной поставщий информации в Интернете. Интерактивные возможности WEB превзошли возможности ЛС, так что разработчикам ЛС пришлось позаимствовать эту службу у ГС. Процесс переноса технологий из ГС в ЛС получил название Интранет-технологии.
(5) Еще один признак сближения – возник промежуточный вариант, сети мегаполисов - Metropoliten Area networks.
О перспективах
Появились мультисервисные сети, наметилось сближение видов услуг, т.е. происходит интеграция компьютерных и телекоммуникационных сетей.
Происходящие в наши дни изменения направлены на предоставление таких новых сервисов, как передача данных в реальном масштабе времени с целью поддержки, например, аудио- и видеопотоков. Повсеместная доступность сетей (таких как Интернет) в сочетании с мощными, компактными и доступными по цене вычислительными и коммуникационными средствами (ПК-блокноты, двунаправленные пейджеры, персональные цифровые секретари, сотовые телефоны и т.п.) делает возможной новую парадигму мобильных вычислений и коммуникаций.
Стремительное развитие сетевых, компьютерных и информационных технологий создали базу для глобального объединения вычислений и высокоскоростных сетей связи.
На рубеже веков была сформулирована концепция GRID, которая предполагает создание компьютерной инфраструктуры нового поколения, ориентированного на качественно новый уровень доступа к информационным и вычислительным ресурсам на глобальном уровне.
Термин GRID означает среду, в которой объединены находящиеся в разных местах глобальной телекоммуникационной сети вычислительные установки и которая предназначена для выполнения распределенных приложений на этих установок.
Интернет — это глобальная информационная система, которая:
- Логически взаимосвязана пространством глобальных уникальных адресов, основанных на Интернет-протоколе (IP);
- Способна поддерживать коммуникации с использованием семейства Протокола управления передачей/Интернет-протокола (TCP/IP);
- Обеспечивает, использует или делает доступной высокоуровневые сервисы, надстроенные над коммуникационной инфраструктурой.
Очень часто в литературе используется следующее определение:
Интернет – это сеть сетей, функционирующая на основе стека протоколов TCP/IP.
В настоящее время более 1 млрд человек пользуются Интернетом, это составляет около 16% населения Земли, за последние 5 лет число пользователей Интернет возросло в 3 раза.
Протокол - набор правил, управляющий функционированием сети и обеспечивающий обмен данными.
Протокол определяет
(1) формат и очередность сообщений, которыми обмениваются два или более устройств, а также
(2) действия, выполняемые при передаче и/или приеме сообщений либо при наступлении иных событий
Интернет объединяет в единую сеть множество сетей, обеспечивая связь между хостами через промежуточные узлы.
Во взаимодействии участвуют три агента:
- приложения,
- компьютеры,
- сети.
Оконечная система (хост) - устройство, подсоединенное к одной из сетей объединенной сети и используемое для поддержания приложений.
Промежуточная система – устройство, соединенное с двумя сетями и обеспечивающее связь оконечных систем, присоединенных к различным сетям.
Мост – промежуточная система, используемая для объединения двух локальных сетей со сходными протоколами.
Маршрутизатор – промежуточная система для объединения двух сетей, протоколы которых могут отличаться. Использует межсетевой протокол, поддерживаемый всеми оконечными и промежуточными системами.
Как правило – промежуточные узлы выполняют только транспортные функции, а конечные предоставляют информационные услуги и должны поддерживать весь стек протоколов для обеспечения обмена.
Интернет имеет динамически меняющуюся инфраструктуру, где двигателем развития являются пользовательские приложения, т.е. потребности потребителей услуг Интернета.
С точки зрения обслуживания Интернет на современной стадии
(1) позволяет распределенным приложениям, работающим на оконечных системах, обмениваться данными.
(2) предоставляет службу с установкой и без установки логического соединения.
(3) не дает гарантии, сколько времени займет пересылка данных
Структура сети.
Объединяя компьютеры в сеть, нужно выбрать, каким образом соединить их друг с другом, т.е. выбрать конфигурацию физических связей – топологию.
Топология сети – конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (хосты, компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы, транзитные узлы), а ребрам – физические или или информационные связи между ними.
Топология определяет конфигурацию физических связей. Полносвязанная имеет N(N-1)/2 связей (а), ячеистая (б), кольцевая (в), звездообразная (г), дерево (д), смешанная.
Частный случай звездообразной топологии – объединение узлов через общую шину (е), где шина играет роль центрального элемента.
Кодирование – представление данных в виде электрических или оптических сигналов.
________________________________________________________
Необходимо решить проблемы синхронизации передачи данных и контроля потери\искажения данных.
Необходимо выбрать систему адресации (адресное пространство) - способ идентификации узлов сети
Пусть компьютеры связаны между собой в соответствии с некоторой топологией и выбрана система адресации.
Тогда возникает следующая важная проблема – каким способом передавать данные между конечными узлами сети?
Соединения узлов через сеть называют коммутацией.
Последовательность узлов, лежащих на пути от отправителя к получателю образует маршрут.
Обобщенная задача коммутации –
- определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать маршруты
- Маршрутизация
- выбор маршрута, т.е. определение последовательности транзитных узлов, через которые пойдут данные
- оповещение сети о выбранном маршруте
- Продвижение потоков, т.е. распознавание потоков и их локальная коммутация на каждом транзитном узле.
- Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
Информационный поток – непрерывная последовательность данных, состоящая из единиц данных (пакетов, кадров, ячеек), объединенная набором общих признаков, выделяющих их из общего сетевого трафика.
Объединяющие признаки потока:
- адрес источника,
- адрес назначения,
- подпотоки, порождаемые определенными сетевыми приложениями (электронной почтой, веб-сервером и т.д.)
Мультиплексирование данных – объединение нескольких потоков в один агрегированный поток, который может передаваться по одному физическому каналу связи.
Демультиплексирование – разделение суммарного потока на несколько составляющих его подпотоков.
Важные характеристики, связанные с передачей трафика через физические линии связи:
Предложенная нагрузка – поток данных, поступающий от пользователя на вход сети.
Скорость передачи данных – фактическая скорость потока данных, прошедшего через сеть.
Пропускная способность канала (емкость канала) - максимально возможная скорость передачи информации по каналу. (зависит не только от физических параметров канала связи, но и от выбранного способа передачи дискретной информации – кодирования данных)
