2. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных систем, сетей и телекоммуникаций. История возникновения компьютерных сетей (кс) и Интернета

В основу построения любой ЭВМ положены два принципа – аппаратное и программное управление. Аппаратное управление применяется на «нижнем» уровне, например, для преобразования аналогового сигнала в цифровой или ввода символов с клавиатуры. Это так называемые процессоры с «жесткой логикой». В них имеется строго фиксированный набор команд. Каждая команда – это логическая схема, выполняющая определенную операцию и образующая отдельный узел. Связи между такими узлами устанавливаются при сборке и остаются неизменными, образуя нужную последовательность выполнения каждой операции. Программное управление используется при решении конкретных задач и функционировании ПО (на «верхнем» уровне). Название свое этот принцип управления получил из-за представления задачи требующей решения в виде некоторой программы вычислений. В основе любой программы лежиталгоритм8. Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решений задачи посредством конечного количества операций. Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84) [2]. Архитектура ЭВМ – это понятие, характеризующее принцип действия и конфигурацию входящих в ЭВМ программно-технических средств. Основные принципы построения и архитектуру первой ЭВМ, предложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Вот эти пять принципов [6]:

• информация представляется в двоичном коде, ее отдельные элементы называются словами;

• при обращении к словам разного назначения их различают не по способу кодирования, а по необходимости использования;

• слова размещаются в памяти и определяются адресами соответствующих ячеек;

• алгоритм представляется в виде последовательности команд, определяющих наименование операции и адрес слова;

• команды выполняются в той последовательности, в какой они размещены в памяти.

Эти пять принципов без изменений использовались в первом и втором поколениях ЭВМ, функциональная схема таких ЭВМ в общем виде изображена на рис. 1.1. Обработка информации на ЭВМ выполняется в соответствии с алгоритмом решения задачи, представленном в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команда – это управляющее слово (специфика определяется принципом №4). Существует также понятие операнда – это значение переменной используемое командой для преобразования данных. ПРИМЕЧАНИЕ По сути, истоком современной ЭВМ явилась опубликованная Д. фон Нейманом совместно с Г. Голдстайном и А. Берксом статья «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». Рис. 1.1. Функциональная схема цифровой ЭВМ (архитектура фон Неймана) Главным устройством ЭВМ является процессор, который осуществляет обработку информации, т.е. обрабатывает данные с помощью арифметических и логических операций, записанных в виде программ. Этот этап осуществляется в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Кроме этого процессор управляет выполнением команд с помощью устройства управления (УУ). УУ контролирует строгое соблюдение последовательности выполняемых команд, запрашивает из запоминающего устройства (ЗУ) следующую команду, инициирует выполнение соответствующей этой команде операции, вызывает из внутренней памяти операнды, по окончании выполнения операции помещает результат в ЗУ. ЗУ сохраняет всю необходимую информацию для работы процессора. В ЗУ хранятся требующие выполнения операции, операнды и результаты выполнения операций, а также их адреса. Устройства ввода-вывода (УВВ) служат для ввода подлежащей обработке информации (исходных данных и программ их обработки), а также вывода результатов работы ЭВМ в форме удобной пользователю. Например, ввод текстовой информации осуществляется с помощью клавиатуры, видео с использованием различных видео и web-камер, аудио с применением микрофонов. Все устройства ввода осуществляют преобразование информации понятной пользователю в машинный код (двоичный код, представленный электрическими сигналами). Обратное преобразование происходит в устройствах вывода, например, вывод на монитор, принтер и т.д. Обмен между основными функциональными устройствами ЭВМ заключается в передаче электрических сигналов по соединяющим их проводам. Для увеличения скорости передачи данных и управляющей информации используется множество параллельных проводников. Совокупность проводов (проводников на печатной плате) образует шину. Шины имеют различное назначение и в общем виде их можно условно разделить на три – шины данных(ШД), шины адреса (ША), шины управления (ШУ). Остановимся подробно на принципе №5. Дело в том, что при переходе от транзисторов к интегральным микросхемам, миниатюризации и расширении функциональных возможностей процессорных устройств ЭВМ, появилась возможность параллельной обработки команд. Это обстоятельство сделало пятый принцип фон Неймана не актуальным и на смену ВМ с управлением потоком команд пришли ЭВМ с управлением потоком данных. Особенность этих ЭВМ заключается в том, что процессор выполняет те команды, для которых готовы исходные данные (имеются все операнды).

В 1961 году Defence Advanced Research Agency (DARPA) по заданию министерства обороны США приступило к проекту по созданию экспериментальной сети передачи пакетов. Эта сеть, названная ARPANET, предназначалась первоначально для изучения методов обеспечения надежной связи между компьютерами различных типов.

Испытания первой очереди ARPANet заняли всю осень 1969 г. Затем к сети подключили еще два узла: Калифорнийский университет Санта-Барбары (UCSB) и Университет штата Юта (UTAH) . Именно эти четыре организации распределили между собой основные функции по созданию компонентов первой в истории Wide Area Network (WAN-глобальная сеть):

В 1982 году была проведена унификация семейства использовавшихся протоколов, и оно получило название протоколы TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – Протокол управления передачей/Internet протокол). Термин Internet стал использоваться для обозначения единой сети: MILNET плюс ARPANET. И хотя в 1991 году ARPANET прекратила свое существование, сеть Internet существует, ее размеры намного превышают первоначальные, так как она объединила множество сетей во всем мире. Российскому Интернету положило начало создания в начале 1990 года на базе Курчатовского Института атомной энергии компьютерной сети Relcom.

Характеристики компьютерных сетей

Скорость передачи данных является, безусловно, одной из важнейших характеристик любой компьютерной сети. Сравнительная скорость передачи данных в различных сетях:

- 9600 бит в секунду (bps - bits per second) - скорость работы дешевого модема

- 24800 bps - скорость работы хорошего модема.

- 64000 bps - скорость работы небольшой компании в Internet.

- 2'000'000 bps (2 Mbps) - скорость работы дешевой локальной компьютерной сети.

- 10'000'000 bps (10 Mbps) - скорость работы хорошей локальной компьютерной сети.

- 100'000'000 bps (100 Mbps) - скорость работы дорогой локальной компьютерной сети.

- больше 100 Mbps - тот, кто пользуется такой сетью либо очень богат, либо военный или правительственный служащий.

Совместимость тоже всегда являлась очень важной характеристикой сети. Всю историю существования компьютерных сетей человечество билось над проблемами передачи данных от компьютера или сети одного типа к другому. С приходом Internet, решение этой проблемы существенно упростилось, хотя сама проблема отнюдь не исчезла.

Классификация компьютерных сетей:

1. По территориальной распространенности.

- Локальная сеть (LAN - Local Area Network) - сеть в пределах предприятия, учреждения, одной организации.

- Региональная сеть (MAN - Metropolitan Area Network) - сеть в пределах города или области.

- Глобальная сеть (WAN - Wide Area Network) – сеть на территории государства или группы государств.

2. По назначению (применению).

- Сети отделов – для разграничения ресурсов несколько компьютеров объединяют в одну ЛС

- Сети кампусов – в пределах одного здания или на небольшой территории

- Сети корпораций – всё основное оборудование и его обслуживание ведется одной корпорацией

3. По степени закрытости.

- private – частные

- public – общественные

4. По принципу организации передачи данных

- последовательные – передача данных выполняется последовательно от одного узла к другому, и каждый узел ретранслирует принятые данные дальше

- широковещательные – в каждый момент времени передачу может вести только один узел, остальные могут только принимать информацию (напр., сети с моноканалом)

5. По скорости передачи.

- низкоскоростные сети - до 10 Мбит/с;

- среднескоростные сети- до 100 Мбит/с;

- высокоскоростные сети - свыше 100 Мбит/с.

6. По типу среды передачи.

- проводные (на коаксиальном кабеле, на витой паре, оптоволоконные);

- беспроводные с передачей информации по радиоканалам или в инфракрасном диапазоне.

7. По способу организации взаимодействия компьютеров сети.

-одноранговые

- с выделенным сервером (иерархические сети)

Сетевая топология – схема соединения компьютеров, кабельной системы и других сетевых компонентов. Наиболее распространенными видами сетевых топологий являются: шинная, кольцевая, древовидная, звездообразная, ячеистая и полносвязная.

Шинная топология – станции параллельно подключаются к единой среде передачи (шине). Во время передачи данные проходят по всей шине и достигают всех станций. Каждая станция прослушивает шину и принимает кадр, только если адрес станции совпадает с адресом получателя, установленным в кадре. Кольцевая топология - сетевая топология, при которой компьютеры соединяются последовательно и последний дополнительно соединен с первым. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. Звездообразная топология - сетевая топология, предусматривающая наличие центрального устройства (хаба, или концентратора), к которому отдельными лучами (кабелями) подключаются другие сетевые устройства и компьютеры. Древовидная топология - топология сети, в которой узлы и связи между ними образуют неориентированный граф, не содержащий замкнутых путей и позволяющий соединить единственным образом пару любых узлов.