Вычислительная и телекоммуникационная технологии

    Вычислительная  и телекоммуникационная технологии

    Компьютерные  сети, называемые также сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации – компьютерных и телекоммуникационных технологий.

    С одной стороны, сети представляют собой  частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров  согласовано выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получивших развитие в различных телекоммуникационных системах.

    Системы пакетной обработки

    Первые  компьютеры 50-х годов – большие, громоздкие и дорогие – предназначались  для очень небольшого числа пользователей. Часто эти монстры занимали целые  здания. Такие компьютеры не были предназначены  для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки.

    Системы пакетной обработки строились на базе мэйнфрейма – мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день. Таким образом, одна неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку. Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы удобен. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем в значительной  степени пренебрегали. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорого устройства вычислительной машины – процессора, даже в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

    Многотерминальные системы – прообраз сети

    По  мере удешевления процессоров в  начале 60-х годов появились новые  способы организации вычислительного  процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начала развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих с компьютером пользователей зависело от его мощности так, чтобы время реакции вычислительной системы было достаточно мало, и пользователю была не          слишком заметна параллельная работа с компьютером других пользователей.

    Терминалы, выйдя за пределы вычислительного  центра, рассредоточились по всему  предприятию. И хотя вычислительная мощность осталась полностью централизованной, некоторые функции – такие  как ввод и вывод данных – стали  распределенными. Подобные многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат.

    Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей.

    С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время ещё не созрела – в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот период был справедлив так называемый закон Гроша, который эмпирически отражал уровень технологии того времени. В соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за одну и ту же  сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощных – их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

    Первые  глобальные сети

    Потребность в соединении компьютеров, находящихся  на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось всё с решения более простой задачи – доступа к компьютеру с терминалов, удалённых от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удалённый доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удалёнными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удалённые связи типа компьютер-компьютер.

    Компьютеры  получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым  признаком любой вычислительной сети. На основе подобного механизма  в первых сетях были реализованы  службы обмена файлами, синхронизации  баз данных, электронной почты  и другие, ставшие теперь традиционными  сетевые службы.

    Хронологически  первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), то есть, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в различных городах и странах.

  Именно при построении  глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи, лежащие в основе современных вычислительных сетей. Такое, например, как многоуровневое построение коммуникационныx протоколов, концепции коммутации и маршрутизации пакетов.

  Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо  более старых и распространённых глобальных сетей - телефонных. Главное технологическое новшество, которое привнесли с собой первые глобальные компьютерные сети, состояло в отказе от принципа коммутации каналов, на протяжении многих десятков лет успешно использовавшегося в телефонных сетях.

  Выделяемый  на все время сеанса связи составной телефонный канал, передающий информацию с постоянной скоростью, не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями, работающими по принципу коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции - пакеты, - которые самостоятельно перемещаются по сети благодаря наличию адреса конечного узла в заголовке пакета.

  Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, то в первых глобальных сетях часто использовались уже существующие каналы связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, в течение многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов тональной частоты, способных в каждый момент времени вести передачу только одного разговора в аналоговой форме. Поскольку скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким каналам была очень низкой(десятки килобит в секунду), набор предоставляемых услуг в глобальных сетях такого типа обычно ограничивался передачей файлов, преимущественно в фоновом режиме, и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие каналы имеют и другой недостаток - они вносят значительные искажения в передаваемые сигналы . Поэтому протоколы глобальных сетей, построенных с использованием каналов связи низкого качества, отличаются сложными процедурами контроля и восстановления данных. Типичным примером таких сетей являются сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскоростные аналоговые каналы, арендуемые y телефонных компаний, были преобладающим типом каналов, соединяющих компьютеры и коммутаторы глобальной вычислительной сети.

  В 1969 году министерство обороны США  инициировала работы по объединению  в единую сеть суперкомпьютеров оборонных  и научно-исследовательских центров. Эта сеть, получившая название ARPANET, стала отправной точкой для создания первой и самой известной ныне глобальной сети – Internet.

  Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных ОС c дополнительными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети. ОС этих компьютеров можно считать первыми сетевыми операционными системами.

  Истинно сетевые ОС в отличие от многотерминальных  ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенные хpанение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. Любая сетевая операционная система, c одной стороны, выполняет все фyнкции локальной операционной системы, а c другой стороны, обладает некоторыми дополнительными средствами, позволяющими ей взаимодействовать через сеть c операционными системами других кoмпьютеров. Программные модyли, реализующие сетевые функции, появлялись в операционных системах постепеннo, по мере развития сетевых тeхнологий, аппарaтной базы компьютеров и возникновения новыx задач, требующих сетевой обработки.

  Прогpесс глобальных компьютеpных сетей во многом определялся прогрессом телефонных сетей.

  С конца 60-х годов в телефонных сетях все чаще стала применяться передача голоca в цифровой форме.

  Это привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих автоматические телефонные станции (АТС) и позволяющих одновременно передавать десятки и сотни paзговоpов. Была разработана специальная технология для создания тaк называемых первичных, или опорных, сетей. Такие сeти не прeдоставляют услуг конечным пользователям, они являются фундаментом, на котором строятся скоростные цифровые каналы «точка-точка», соединяющие оборудование других, так называемых наложенных сетей, которые уже работают на конечного пользователя.

  Сначала технология первичных сетей была исключительно внутренней технологией телефонных компаний. Однако со временем эти компании стали сдавать часть своих цифровых каналов, обpазованныx в первичных сетях, в аренду предприятиям, которые использовали их для создания собственных телефонных и глобальных компьютерных сетей. Сегодня первичные сети обеспечивают скорости передачи дaнныx до сотен гигабит (а в некоторых случаях до нeскольких терабит ) в секунду и густо покрывают территории всех развитых стран.

  К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству предоставляемых услуг дoгнали локальные сети, котоpые долгое время лидировали в этом отношении, хотя и появились на свет значительно позже.

  Первые  локальные сети

  Важное  событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей, произошло в начале 70-х  годов. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Эмпирический закон Гроша перестал соответствовать действительности, так как десяток мини-компьютеров, имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм, решали некоторые задачи (как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее.

  Даже  небольшие подразделения предприятий  получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно.

  Шло время, и потребности пользователей вычислительной техники росли. Их уже не удовлетворяла изолированная работа на собственном компьютере, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться компьютерными данными c пользователями других подразделений. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных вычислительных сетей.

  Локальные сети (Lосаl Area Networks, LAN) - это объединения компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть может иметь и более протяженные размеры, например, несколько десятков километров. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.

  На  первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные сетевые технологии.

  Сетевая технология - это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверов, сетевых адаптеров, кабелей и разъемов) и механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети.