Основные понятия Интернет

Следующие темы рассмотрят в деталях средства, которые предлагаются программисту, а также большинство стандартов прикладных протоколов.

История создания сети Интернет

Частью того, что делает Интернет столь замечательным, является почти повсеместное его использование, а также его размеры и темпы роста обьединенного Интернета. DARPA начала работы в направлении разработки межсетевой технологии в середине 70-х, но архитектура и протоколы приняли форму, в которой они известны сейчас, лишь в 1977-1979 годах. В это время DARPA была известна как основное агентство, финансирующее исследования в области сетей с коммутацией пакетов, и внедрила множество новшеств в этой области в хорошо известную ARPANET. ARPANET использовала обычные выделенные линии точка-точка для соединения компьютеров, но DARPA также финансировала использование коммутации пакетов в радиосетях и спутниковых линиях связи. По существу растущее разнообразие аппаратных сетевых технологий вынудило DARPA изучить межсетевое взаимодействие и продвинуться по направлению к обьединенной сети.

Доступность результатов  исследований, финансировавшихся DARPA, привлекла внимание нескольких исследовательских  групп, особенно тех исследователей, кто уже имел опыт использования  пакетной коммутации в ARPANET. DARPA собирало неформальные встречи исследователей для обмена идеями и обсуждения результатов экспериментов. С 1979 года в проект TCP/IP включилось так много исследователей, что DARPA образовало неформальный комитет для координации и управления разработкой протоколов и архитектур развивающегося обьединенного Интернета. Названная Группа по Конфигурации и Управлению Интернетом(ICCB), эта группа регулярно собиралась до 1983 года, когда она была реорганизована.

Обьединенный Интернет начал существовать с 1980 года, когда DARPA начала устанавливать на машинах, присоединенных к ее исследовательской сети, новый протоколы TCP/IP. ARPANET вскоре после создания стал магистральной сетью нового Интернета и был использован для большинства из ранних экспериментов с TCP/IP. Переход к технологии Интернета был завершен в январе 1983 года, когда секретариат МО США установил, что все компьютеры, присоединенные к глобальным сетям, используют TCP/IP. В это же самое время Оборонное Коммуникационное Агентство(DCA) разделило ARPANET на две отдельные сети, одна для дальнейших исследований и одна для военной связи. За исследовательской сетью осталось имя ARPANET, а военная часть, которая была несколько больше, получила название MILNET.

Для того чтобы заставить  исследователей в университетах  использовать новые протоколы, DARPA стала продавать их реализацию по низкой цене. В это время большинство университетских факультетов компьютерных наук использовали версию операционной системы UNIX, разработанную в программном отделении Берклиевского Университета в Калифорнии, чаще называемую Berkeley UNIX или BSD UNIX. Финансировав создание фирмой Bolt Beranek and NewMan, Inc. (BBN) реализации протоколов TCP/IP для UNIX и финансировав интеграцию этих протоколов в программные продукты, производимые отделением в Berkeley, DARPA смогла организовать взаимодействие с 90% всех компьютерных факультетов университетов. Новое программное обеспечение с протоколами появилось вовремя, так как многие факультеты сразу же приобретали еще компьютеры и соединяли их как локальные сети. Факультетам требовались протоколы взаимодействия, а других протоколов в то время не было в общем пользовании.

Берклиевское программное  отделение стало популярным, так  как оно предлагало не только базовые  протоколы TCP/IP. Помимо стандартных  прикладных программ TCP/IP, Беркли предлагало набор утилит для работы с сетью, которые напоминали средства UNIX, используемые на одной машине. Главное преимущество утилит Беркли заключалось в их сходстве со стандартным UNIXом. Например, опытный пользователь UNIX может быстро научиться пользоваться утилитой копирования удаленных файлов Беркли(rcp), так как он ведет себя точно так, как утилита копирования файлов в UNIX, за исключением того, что она позволяет пользователям копировать файлы на удаленную машину или с нее.

Помимо набора служебных программ UNIX Беркли обеспечивает новую абстракцию операционной системы известную как порт(socket), которая позволяет прикладным программам получать доступ к коммуникационным протоколам. Являясь обобщением механизма UNIX для ввода-вывода, порт имеет опции для нескольких типов сетевых протоколов помимо TCP/IP. Ее принципы стали обсуждаться со времени ее разработки, и многие разработчики операционных систем предложили альтернативные варианты. Независимо от своих достоинств, введение абстракции порта было важным, так как позволяло программистам использовать протоколы TCP/IP с минимумом затрат. Поэтому, это стимулировало разработчиков экспериментировать с TCP/IP.

Успех технологии TCP/IP и  Интернета в университетской  среде вынудил другие группы тоже использовать его. Учитывая, что сетевое взаимодействие вскоре станет важной частью научных исследований, NSF принял активное участие в расширении Интернета TCP/IP среди ученых. Начиная с 1985 года, он начал претворять в жизнь программу создания сетей на основе его шести суперкомпьютерных центров. В 1986 он расширил деятельность в этом направлении, начав финансировать новую глобальную магистральную сеть, названную NSFNET, которая впоследствии связала все суперкомпьютерные центры между собой и ARPANET. Наконец, в 1986 NSF начал частично финансировать многие региональные сети, каждая из которых сейчас соединяет основные научно-исследовательские центры в этом районе. Все сети, финансировавшиеся NSF, используют протоколы TCP/IP, и все являются частью обьединенного Интернета.

За семь лет после  своего создания Интернет обьединил  сотни индивидуальных сетей, размещенных  в США и Европе. Он соединил почти 20000 компьютеров в университетах, правительственных и частных  исследовательских лабораториях. Как  размер, так и использование Интернета продолжают расти быстрее, чем предполагалось. К концу 1987 года было установлено, что его рост достиг 15% в месяц и оставался таким последние два года. В 1990 году обьединенный Интернет включал более 3000 активных сетей и более чем 200000 компьютеров.

Использование протоколов TCP/IP и рост Интернета не ограничивались проектами, финансирующимися правительством. Основные компьютерные корпорации присоединилось к Интернету, так же как и множество  других больших корпораций, включая: нефтяные компании, автомобильные концерны, электронные фирмы и телефонные компании. Вдобавок, многие компании используют протоколы TCP/IP в своих внутренних сетях, даже если они и не присоединены к обьединенному Интернету.

Быстрое расширение привело  к проблемам диапазонов, непредусмотренным в исходном проекте, и заставило разработчиков найти технологии для управления большими, распределенными ресурсами. В исходном проекте, например, имена и адреса всех компьютеров, присоединенных к Интернету, хранились в одном файле, который редактировался вручную и затем распространялся по всему Интернету. Но в середине 1980 года стало ясно, что центральная база данных неэффективна. Во-первых, запросы на обновление файла скоро должны были превысить возможности людей, обрабатывавших их. Во-вторых, даже если существовал корректный центральный файл, не хватало пропускной способности сети, чтобы позволить либо частое распределение его по всем местам, либо оперативный доступ к нему из каждого места.

Были разработаны новые  протоколы и стала использоваться система имен по всему обьединенному Интернету, которая позволяла любому пользователю автоматически определять адрес удаленной машины по ее имени. Известный как Доменная Система Имен, этот механизм основывается на машинах, называемых серверами имен, отвечающих на запросы об именах. Нет одной машины, содержащей всю базу данных об именах. Вместо этого, данные распределены по нескольким машинам, которые используют протоколы TCP/IP для связи между собой при ответе на запросы.

Тема 2 Протоколы сети Интернет и их стандартизация.

Многие из протоколов предшествовали Интернету, поэтому возникает вопрос:"Почему разработчики Интернета придумали новые протоколы, когда уже существует так много международных стандартов?»

Но связка протоколов TCP/IP не игнорировала международных стандартов. Она появилась просто потому, что существующие стандарты не удовлетворяли потребностям. Философия использования стандартов, когда они появляются, также означает, что когда появятся международные стандарты и обеспечат ту же самую взаимную работоспособность, что и TCP/IP, Интернет перейдет с TCP/IP на эти новые стандарты. Эти идеи согласуются с политикой федерального правительства, которое приняло Профиль Открытых Систем, который описывает использование межсетевой технологии МОС везде, где эта технология обеспечивает возможности, эквивалентные TCP/IP.

Важно понимать, что Интернет не является новым видом физической сети. На самом деле это метод  взаимного соединения физических сетей  и набор соглашений для использования  сетей, которые позволяют компьютерам взаимодействовать друг с другом. В то время как аппаратная технология играет небольшую роль при концептуальном проектировании, важно понимать разницу между низкоуровневыми механизмами, обеспечиваемыми самим оборудованием, и высокоуровневыми средствами, которые обеспечивает программное обеспечение протоколов Интернета. Также важно понимать, как средства, обеспечиваемые технологией коммутации пакетов, влияют на наш выбор абстракций высокого уровня.

Два подхода к сетевому взаимодействию

Независимо от того, обеспечивают ли они соединение между компьютерами или между компьютерами и терминалами, коммуникационные сети могут быть разделены  на два основных типа: с коммутацией  каналов и коммутацией пакетов. Сети с коммутацией каналов работают, образуя выделенное соединение(канал) между двумя точками. Телефонная сеть США использует технологию с коммутацией каналов - телефонный вызов устанавливает канал от вызывающего телефона через локальную АТС, по линиям связи, к удаленной АТС, и, наконец, к отвечающему телефону. Пока существует канал, телефонное оборудование постоянно опрашивает микрофон, кодирует полученное значение в цифровой форме, и передает его по этому каналу к получателю. Отправителю гарантируется, что опросы будут доведены и воспроизведены, так как канал обеспечивает скорость 64 Кбит/с, которой достаточно для передачи оцифрованного голоса. Преимущество коммутации каналов заключается в ее гарантированной пропускной способности: как только канал создан, ни один сетевой процесс не уменьшит пропускной способности этого канала. Недостатком при коммутации каналов является ее стоимость: платы за каналы являются фиксированными и независимыми от трафика. Например, можно заплатить за телефонный вызов, даже если две разговаривающие стороны вообще ничего не говорили.

Сети с коммутацией  пакетов, тип, обычно используемый при соединении компьютеров, используют совершенно другой подход. В сетях с коммутацией пакетов трафик сети делится на небольшие части, называемые пакетами, которые объединяются в высокоскоростных межмашинных соединениях. Пакет, который обычно содержит только несколько сотен байтов данных, имеет идентификатор, который позволяет компьютерам в сети узнавать, предназначен ли он им, и если нет, то помогает им определить, как послать его в указанное место назначения. Например, файл, передаваемый между двумя машинами, может быть разбит на большое число пакетов, которые посылаются по сети по одному. Оборудование сети доставляет пакеты к указанному месту назначения, а сетевое программное обеспечение собирает пакеты опять в один файл. Главным преимуществом коммутации пакетов является то, что большое число соединений между компьютерами может работать одновременно, так как межмашинные соединения разделяются между всеми парами взаимодействующих машин. Недостатком ее является то, что по мере того как возрастает активность, данная пара взаимодействующих компьютеров получает все меньше сетевой пропускной способности. То есть, всякий раз, когда сеть с коммутацией пакетов становится перегруженной, компьютеры, использующие сеть, должны ждать, пока они не смогут послать следующие пакеты.

Несмотря на потенциальный  недостаток не гарантируемой сетевой пропускной способности, сети с коммутацией пакетов стали очень популярными. Причинами их широкого использования являются стоимость и производительность. В связи с тем, что к сети может быть подключено большое число машин, требуется меньше соединений и стоимость остается низкой. Так как инженеры смогли создать высокоскоростное сетевое оборудование, с пропускной способностью обычно проблем не возникает. Так много компьютерных соединений использует коммутацию пакетов, что далее в книге термин СЕТЬ будет обозначать только сеть с коммутацией пакетов.

Глобальные сети

Сети с коммутацией  пакетов, которые разрослись до больших географических размеров(например, континентальной части США), сильно отличаются от сетей, имеющих небольшие размеры(например, одну комнату). Чтобы помочь охарактеризовать различия в пропускной способности и способах использования, технологии коммутации пакетов часто делят на три большие категории: глобальные сети(WAN), городские сети(MAN) и локальные сети(LAN). Технологии WAN, иногда называемые long haul networks(буквально - сети дальних перевозок), позволяют взаимодействующим местам быть достаточно далеко друг от друга и предназначены для использования на больших расстояниях. Обычно WAN работают на более низких скоростях, чем другие технологии, и имеют гораздо большие паузы при соединении. Обычно скорости WAN лежат в диапазоне от 9.6 Кбит/с до 45 Мбит/с.

Самый новый вид сетевого оборудования, технологии MAN позволяют  взаимодействовать в географических областях средних размеров и работают на скоростях от средних до высоких. Они получили такое имя из-за способности  одной MAN занимать область размером с большой город. MAN работают с меньшими паузами, чем WAN, но не могут обеспечить взаимодействие на таких же больших расстояниях. Типичные MAN работают со скоростями от 56 Кбит/с до 100 Мбит/с.

Технологии LAN обеспечивают наивысшие скорости соединений между компьютерами, но не позволяют им занимать большие области. Например, типичная LAN занимает пространство, такое же как одно здание или небольшой университетский городок, и работает со скоростями от 4 Мбит/с до 2 Гбит/с.

Мы уже говорили о  компромиссе между скоростью и расстоянием: технологии, обеспечивающие более высокие скорости взаимодействия, работают на более коротких расстояниях. Существуют и другие различия среди технологий в указанных выше трех категориях. В технологиях LAN каждый компьютер обычно содержит сетевое интерфейсное устройство, которое соединяет машину напрямую с сетевой средой передачи данных(например, медным проводом или коаксиальным кабелем). Часто сеть является пассивной, полагая, что электронные устройства в присоединенных компьютерах сами будут генерировать и получать необходимые электрические сигналы. В технологиях MAN сеть содержит активные коммутирующие элементы, которые приводят к появлению коротких задержек при направлении данных к их назначению. В технологиях WAN сеть обычно состоит из групп сложных маршрутизаторов пакетов, соединенных линиями связи. Сеть может быть расширена добавлением нового маршрутизатора и еще одной линии связи. Присоединить компьютер к WAN значит соединить его с одним из маршрутизаторов пакетов. Эти маршрутизаторы вводят значительные паузы при маршрутизации траффика. Поэтому, чем больше становится WAN, тем больше времени ей надо для маршрутизации траффика.