Многомашинные и многопроцессорные вычислительные комплексы

Вычислительная техника в своем развитии по пути повышения быстродействия ЭВМ приблизилась к физическим пределам. Поэтому дальнейшее уменьшение времени переключения электронных схем не позволит существенно повысить производительность ЭВМ. В этих условиях требования практики (сложные физико-технические расчеты, многомерные экономико-математические модели и другие задачи) по дальнейшему повышению быстродействия ЭВМ могут быть удовлетворены только путем распространения принципа параллелизма на сами устройства обработки информации и создания многомашинных и многопроцессорных (мультипроцессорных) вычислительных систем. Такие системы позволяют производить распараллеливание во времени выполнения программы или параллельное выполнение нескольких программ. В настоящее время исключительно важное значение приобрела проблема обеспечения высокой надежности и готовности вычислительных систем, работающих в составе различных АСУ и АСУ ТП, особенно при работе, в режиме реального времени. Эта проблема решается на основе использования принципа избыточности, который ориентирует также на построение многомашинных или многопроцессорных систем (комплексов). Появление дешевых и небольших по размерам микропроцессоров и микроЭВМ облегчило построение и расширило область применения многопроцессорных и многомашинных ВС разного назначения Различие понятий многомашинной и многопроцессорной ВС поясняет рис.1. Многомашинная ВС (ММС) содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою ОП и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит, в конечном счете, путем взаимодействия операционных систем машин между собой. Это ухудшает динамические характеристики процессов межмашинного обмена данными. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов. При отказе в одной машине обработку данных может продолжать другая машина комплекса. Однако можно заметить, что при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в системе, изображенной на рис.1,а в каждой ЭВМ выйти из строя по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной. Рис. 1. Многомашинные (а) и многопроцессорные (б) системы Этих недостатков лишены многопроцессорные системы (МПС). В таких системах (рис. 1,б) процессоры обретают статус рядовых агрегатов вычислительной системы, которые подобно другим агрегатам, таким, как модули памяти, каналы, периферийные устройства, включаются в состав системы в нужном количестве. Вычислительная система называется многопроцессорной, если она содержит несколько процессоров, работающих с общей ОП (общее поле оперативной памяти) и управляется одной общей операционной системой. Часто в МПС организуется общее поле внешней памяти. Под общим полем понимается равнодоступность устройств. Так, общее поле памяти означает, что все модули ОП доступны всем процессорам и каналам ввода-вывода (или всем периферийным устройствам в случае наличия общего интерфейса); общее поле ВЗУ означает, что образующие его устройства доступны любому процессору и каналу. В МПС по сравнению с ММС достигается более быстрый обмен информацией между процессорами и поэтому может быть получена более высокая производительность, более быстрая реакция на ситуации, возникающие внутри системы и в ее внешней среде, и более высокие надежность и живучесть, так как система сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств. Многопроцессорные системы представляют собой основной путь построения ВС сверхвысокой производительности. При создании таких ВС возникает много сложных проблем, к которым в первую очередь следует отнести распараллеливание вычислительного процесса (программ) для эффективной загрузки процессоров системы, преодоление конфликтов при попытках нескольких процессоров использовать один и тот же ресурс системы (например, некоторый модуль памяти) и уменьшение влияния конфликтов на производительность системы, осуществление быстродействующих экономичных по аппаратурным затратам межмодульных связей. Указанные вопросы необходимо учитывать при выборе структуры МПС. На основе многопроцессорности и модульного принципа построения других устройств системы возможно создание отказоустойчивых систем, или, другими словами, систем повышенной живучести. Однако построение многомашинных систем из серийно выпускаемых ЭВМ с их стандартными операционными системами значительно проще, чем построение МПС, требующих преодоления определенных трудностей, возникающих при реализации общего поля памяти, и, главное, трудоемкой разработки специальной операционной системы. Многомашинные и многопроцессорные системы могут быть однородными и неоднородными. Однородные системы содержат однотипные ЭВМ или процессоры. Неоднородные ММС состоят из ЭВМ различного типа, а в неоднородных МПС используются различные специализированные процессоры, например процессоры для операций с плавающей запятой, для обработки десятичных чисел, процессор, реализующий функции операционной системы, процессор для матричных задач и др. Многопроцессорные системы и ММС могут иметь одноуровневую или иерархическую (многоуровневую) структуру. Обычно менее мощная машина (машина-сателлит) берет на себя ввод информации с различных терминалов и ее предварительную обработку, разгружая от этих сравнительно простых процедур основную, более мощную ЭВМ, чем достигается увеличение общей производительности (пропускной способности) комплекса. В качестве машин-сателлитов используют малые или микро-ЭВМ. Важной структурной особенностью рассматриваемых ВС является способ организации связей между устройствами (модулями) системы. Он непосредственно влияет на быстроту обмена информацией между модулями, а следовательно, на производительность системы, быстроту ее реакции на поступающие запросы, приспособленность к изменениям конфигурации и, наконец, размеры аппаратурных затрат на осуществление межмодульных связей. В частности, от организации межмодульных связей зависят частота возникновения конфликтов при обращении процессоров к одним и тем же ресурсам (в первую очередь модулям памяти) и потери производительности из-за конфликтов. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Объединение в один комплекс средств вычислительной техники, аппаратуры связи и каналов передачи данных предъявляет специфические требования со стороны каждого элемента многомашинной ассоциации, а также требует формирования специальной терминологии. Абоненты сети - объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети. Абонентами сети могут быть отдельные компьютеры, комплексы компьютеров, промышленные роботы, станки с числовым программным управлением и т.д. Любой абонент сети подключается к станции. Станция - аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации. Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой. Для организации взаимодействия абонентов необходима физическая передающая среда. Физическая передающая среда - линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных. На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентскими системами. Компьютерная сеть (вычислительная сеть) – система, обеспечивающая обмен данными между вычислительными устройствами – компьютерами, серверами, маршрутизаторами и другим оборудованием или программным обеспечением. Для передачи информации могут быть использованы различные среды. По территориальной распространённости различают следующие виды сетей.  BAN (Body Area Network — нательная компьютерная сеть) — сеть надеваемых или имплантированных компьютерных устройств. Нательная компьютерная сеть (англ. body area network, беспроводная нательная компьютерная сеть WBAN) — беспроводная сеть надеваемых компьютерных устройств. [1][2][3][4] BAN устройства могут быть встроены в тело, имплантированы, прикреплены к поверхности тела в фиксированном положении или совмещены с устройствами, которые люди носят в различных местах (в карманах, на руке или в сумках). Несмотря на уменьшение размера устройств, т.к. сети, состоящие из нескольких миниатюрных сенсорных блоков (BSU), объединяются с единым центральным блоком тела (BCU),[5][6] устройства размером более дециметра (планшеты, КПК), по-прежнему играют большую роль, выступая концентраторами информации, предоставляя пользовательский интерфейс для обзора и управления BAN приложениями «на месте». Разработка технологии WBAN началась около 1995 года на основе идеи использования беспроводных персональных сетей для реализации связи «на», «рядом», и «вокруг» человеческого тела. Около 6 лет спустя термин BAN стал обозначать системы, где связь полностью «в пределах», «на» или «в непосредственной близости» от человеческого тела.[7][8] Система WBAN может использовать беспроводные технологии в качестве шлюзов для достижения больших расстояний. Через шлюзы можно соединять надеваемые на человеческое тело устройства через Интернет. Таким образом, мед. работники могут получить доступ к данным о пациенте онлайн, используя Интернет вне зависимости от местоположения пациента.[9]  PAN (Personal Area Network) — персональная сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу. Персональная сеть (англ. Personal Area Network, PAN) — это сеть, построенная «вокруг» человека. PAN представляет собой компьютерную сеть, которая используется для передачи данных между устройствами, такими как компьютеры, телефоны, планшеты и персональные карманные компьютеры (КПК). Персональные сети могут использоваться как для информационного взаимодействия отдельных устройств между собой (интерперсональная коммуникация), так и для соединения их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сети Интернет (восходящая линия связи), где одно "первичное" устройство берет на себя роль интернетмаршрутизатора.  LAN (ЛВС, Local Area Network) — локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку — около шести миль (10 км) в радиусе. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешён только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.  CAN (Campus Area Network) — кампусная сеть, объединяет локальные сети близко расположенных зданий.  MAN (Metropolitan Area Network) — городские сети между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей.  WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN — сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей. Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. На рисунке 4.3 приведена одна из возможных иерархий вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Компьютерная сеть Internet является наиболее популярной глобальной сетью. В ее состав входит множество свободно соединенных сетей. Внутри каждой сети, входящей в Internet, существуют конкретная структура связи и определенная дисциплина управления. Внутри Internet структура и методы соединений между различными сетями для конкретного пользователя не имеют никакого значения. Самое существенное в работе вычислительной сети - определение набора функций, доступных ее абоненту. Коммуникационная сеть обеспечивает физическое соединение между абонентскими компьютерами - передачу сообщений по каналам связи. Анализ работы вычислительных сетей позволяет установить следующие формы взаимодействия между компьютерами:  терминал - удаленный процесс;  терминал - доступ к удаленному файлу;  терминал - доступ к удаленной базе данных;  терминал - терминал;  электронная почта. Взаимодействие терминал - удаленный процесс предусматривает обращение с терминала одного из компьютеров к процессу, находящемуся на другом компьютере сети. При этом устанавливается логическая связь с процессом и проводится сеанс работы с ним. Можно запустить удаленный процесс, получить результаты обработки данных этим процессом. При взаимодействии терминал - доступ к удаленному файлу можно открыть удаленный файл, модифицировать его или произвести транспортировку этого файла на любое внешнее устройство абонентского компьютера для дальнейшей работы с ним. Работа в режиме терминал - доступ к удаленной базе данных аналогична предыдущей форме взаимодействия. Только в этом случае производится работа с базой данных в ее полном объеме в соответствии с правами доступа, которыми обладает данный пользователь вычислительной сети. Взаимодействие терминал - терминал предусматривает обмен сообщениями между абонентами сети в диалоговом режиме. Сообщения могут посылаться как отдельным абонентам, так и группам абонентов сети. Форма взаимодействия электронная почта одна из самых распространенных в последнее время. Каждый абонент имеет "почтовый ящик" - специальный файл, в который записываются все поступающие в его адрес сообщения. Конечный пользователь может проверять в начале работы свой "почтовый ящик", выводить сообщения на печать и передавать сообщения в адрес других абонентов вычислительной сети. Для оценки качества сети можно использовать следующие характеристики:  скорость передачи данных по каналу связи;  пропускную способность канала связи;  достоверность передачи информации;  надежность канала связи и модемов. Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени - секунду. Скорость передачи данных зависит от типа и качества канала связи, типа используемых модемов и принятого способа синхронизации. Так, для асинхронных модемов и телефонного канала связи диапазон скоростей составляет 300-9600 бит/с, а для синхронных -1200- 19200 бит/с. Для пользователей вычислительных сетей значение имеют не абстрактные биты в секунду, а информация, единицей измерения которой служат байты или знаки. Поэтому более удобной характеристикой канала является его пропускная способность, которая оценивается количеством знаков, передаваемых по каналу за единицу времени - секунду. При этом в состав сообщения включаются и все служебные символы. Теоретическая пропускная способность определяется скоростью передачи данных. Реальная пропускная способность зависит от ряда факторов, среди которых и способ передачи, и качество канала связи, и условия его эксплуатации, и структура сообщений. Существенной характеристикой коммуникационной системы любой сети является достоверность передаваемой информации. Так как на основе обработки информации о состоянии объекта управления принимаются решения о том или ином ходе процесса, то от достоверности информации в конечном счете может зависеть судьба объекта. Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура, так и канал связи.. Для вычислительных сетей этот показатель должен лежать в пределах 10-6 -10-7 ошибок/знак, т.е. допускается одна ошибка на миллион переданных знаков или на десять миллионов переданных знаков. Наконец, надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы. Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов. Таким образом, коммуникационными характеристиками сети являются:  единица измерения скорости передачи данных - бит в секунду.  единица измерения пропускной способности канала связи - знак в секунду.  единица измерения достоверности: количество ошибок на знак - ошибок/знак.  единица измерения надежности: среднее время безотказной работы - час. БАЗОВЫЕ ТОПОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Топология – это конфигурация соединения элементов в сеть. Топология во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость, защищенность и т.д. Одним из подходов к классификации топологий ЛВС является выделение двух основных классов топологий: широковещательных и последовательных. В широковещательных конфигурациях каждый персональный компьютер передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными компьютерами. К таким конфигурациям относятся топологии «общая шина», «звезда с пассивным центром». В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному персональному компьютеру. Примерами последовательных конфигураций являются: произвольная (произвольное соединение компьютеров), «кольцо», «звезда с интеллектуальным центром» и др. Коротко рассмотрим три наиболее распространенные - базовые топологии ЛВС: «звезда», «шина» и «кольцо». В случае топологии «звезда» каждый компьютер через специальный сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к центральному узлу (рис. 2). Центральным узлом служит пассивный соединитель или активный повторитель. Недостатком такой топологии является низкая надежность, так как выход из строя центрального узла приводит к остановке всей сети, а также обычно большая протяженность кабелей (это зависит от реального размещения компьютеров). Иногда для повышения надежности в центральном узле ставят специальное реле, позволяющее отключать вышедшие из строя кабельные лучи. Топология «общая шина» предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры. Информация по нему передается компьютерами поочередно (рис. 3). Рис. 2. Топология «звезда» Рис. 3. Топология «шина» Достоинством такой топологии является, более высокая надежность, так как выход из строя отдельной станции не нарушает работоспособности сети в целом. Недостатки состоят в том, что обрыв основного кабеля приводит к неработоспособности всей сети, а также слабая защищенность информации в системе на физическом уровне, так как сообщения, посылаемые одним компьютером другому, в принципе, могут быть приняты и на любом другом компьютере. При кольцевой топологии данные передаются от одного компьютера другому по эстафете (рис. 4). Если некоторый компьютер получает данные, предназначенные не ему, он передает их дальше по кольцу. Адресат предназначенные ему данные никуда не передает. Достоинством кольцевой топологии является более высокая надежность системы при разрывах кабелей, чем в случае топологии с общей шиной, так как к каждому компьютеру есть два пути доступа. К недостаткам топологии следует отнести большую протяженность кабеля, невысокое быстродействие по сравнению со «звездой» (но соизмеримое с «общей шиной»), а также слабую защищенность информации, как и при топологии с общей шиной. Топология реальной ЛВС может в точности повторять одну из приведенных выше или включать их комбинацию. Рис. 4. Топология «кольцо» Структура сети в общем случае определяется следующими факторами: количеством объединяемых компьютеров, требованиями по надежности и оперативности передачи информации, экономическими соображениями и т. д. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ «КЛИЕНТ-СЕРВЕР» По дисциплине обслуживания сети современные компьютерные сети используют технологию "клиент-сервер" (client-server) или одноранговую (peer-to-peer) технологию. В одноранговых сетях все компьютеры, как правило, имеют доступ к ресурсам других компьютеров, то есть все компьютеры в сети являются равноправными. Одноранговая локальная сеть предоставляет возможность такой организации работы компьютерной сети, при которой каждая рабочая станция одновременно может быть и сервером. Преимущество одноранговых сетей заключается в том, что разделяемыми ресурсами могут являться ресурсы всех компьютеров в сети и нет необходимости копировать все используемые сразу несколькими пользователями файлы на сервер. В принципе, любой пользователь сети имеет возможность использовать все данные, хранящиеся на других компьютерах сети, и устройства, подключенные к ним. Затраты на организацию одноранговых вычислительных сетей относительно небольшие. Однако при увеличении числа рабочих станций эффективность их использования резко уменьшается. Пороговое значение числа рабочих станций, по оценкам некоторых специалистов, составляет 25. Основной недостаток работы одноранговой сети заключается в значительном увеличении времени решения прикладных задач. Это связано с тем, что каждый компьютер сети отрабатывает все запросы, идущие к нему со стороны других пользователей. Следовательно, в одноранговых сетях каждый компьютер работает значительно интенсивнее, чем в автономном режиме. Существует еще несколько важных проблем, возникающих в процессе работы одноранговых сетей: возможность потери сетевых данных при перезагрузке рабочей станции и сложность организации резервного копирования. "Клиент-сервер" — это модель взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, компьютеры не являются равноправными. Каждый из них имеет свое, отличное от других, назначение, играет определенную роль. Некоторые компьютеры в сети владеют и распоряжаются информационновычислительными ресурсами, такими как процессоры, файловая система, почтовая служба, служба печати, база данных. Другие имеют возможность обращаться к этим службам, пользуясь услугами первых. Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом, принято называть сервером этого ресурса, а компьютер, желающий им воспользоваться, — клиентом. Конкретный сервер определяется видом ресурса, которым он владеет. Так, если ресурсом являются базы данных, то речь идет о сервере Рис. 5 - Сеть по принципу «клиент-сервер» и одноранговая сеть баз данных, назначение которого — обслуживать запросы клиентов, связанные с обработкой данных; если ресурс — это файловая система, то говорят о файловом сервере или файл-сервере. В сети один и тот же компьютер может выполнять как роль клиента, так и роль сервера. Если предполагается, что проектируемая информационная система будет построена по технологии "клиент-сервер", то это означает, что прикладные программы, реализованные в ее рамках, будут иметь распределенный характер. Иными словами, часть функций прикладной программы (или, проще, приложения) будет реализована в программеклиенте, другая — в программе-сервере, причем для их взаимодействия будет определен некоторый протокол. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ INTERNET Internet представляет собой глобальную компьютерную сеть. Само ее название означает "между сетей". Это сеть, соединяющая отдельные сети. Сеть Интернет возникла в 60-е годы как проект американского министерства обороны. Роль компьютеров возрастала, возникали все новые и новые потребности в сфере совместного использования информации в территориально распределенных неоднородных (то есть включающих компьютеры разных моделей и производительности) системах, а также необходимость защиты информационных потоков во время возможных перебоев на отдельных станциях сети. Сеть Интернет опирается на семейство протоколов, созданных для обеспечения независимой маршрутизации и передачи информации в глобальных сетях, чтобы в случае отключения одной из станций сети информацию можно было передать в пункт назначения, направив ее через другие станции. Разработанный для этой цели протокол назвали протоколом межсетевого обмена (Internetworking Protocol — IP). Протокол IP получил широкое распространение в военно-технической сфере. Ученые использовали его для передачи научно-технической информации. Министерство обороны США секретно курировало огромное количество научных проектов во многих университетах страны и сумело найти эффективный способ передачи информации через разнородные сети. Именно из-за того, что в обмен информацией оказались вовлечены широкие научные круги, этот протокол быстро вышел из-под контроля военных. Его начали использовать и в исследовательских институтах NATO и в университетах Европы. Сегодня протокол IP, а значит, и Интернет, стали всемирном достоянием. Итак, кратко охарактеризуем рождение и развитие Internet. В 1960-е годы, после Карибского кризиса, фирма RAND Corporation, один из исследовательских центров Соединенных Штатов, впервые предложила создать децентрализованную компьютерную сеть, покрывающую всю страну. Проект включал в себя объединение компьютеров военных, научных и образовательных учреждений в сеть, которая могла бы сохранить работоспособность в условиях ядерной атаки. Это был ответ США на запуск 4 октября 1957 года Советским Союзом первого искусственного спутника Земли. Основной идеей проекта была децентрализация управления и подчинения, чтобы выход из строя одного или нескольких сегментов сети оставлял бы ее работоспособной. Это требование дает ключ к пониманию принципов построения и структуры Internet. В проектируемой модели сети всегда была связь между компьютером-источником и компьютеромприемником (станцией назначения). Сеть изначально предполагалась ненадежной: любая часть сети может исчезнуть в любой момент. Такая структура может быть осуществлена только в том случае, если между узлами сети существуют множественные связи. В первом варианте идеи подобной сети (1964 год, сотрудник RAND П. Бэран (Paul Baran)), просто утверждалось, что все узлы (компьютеры) сети должны иметь одинаковый статус. Каждый узел уполномочен порождать, передавать и получать сообщения от любого другого. Сообщения для передачи разбиваются на небольшие стандартизированные элементы, называемые пакетами. Каждый пакет имеет адрес назначения, и доставка сообщения обеспечивается тем, что каждый узел имеет возможность посылать (или переадресовывать) пакеты по сети к месту назначения. В конце 1960-х годов, корпорация RAND, Массачусетский технологический институт и Калифорнийский университет Лос-Анджелеса начали экспериментировать с концепцией децентрализованной сети с пересылкой пакетов. В Великобритании подобные эксперименты проводились NPL (National Physical Laboratory , Национальной физической лабораторией). В 1968 году подразделение Пентагона - ARPA (Advanced Research Projects Agency) - Агентство по работе с исследовательскими проектами в области перспективных исследований - открыло финансирование этого проекта в США. К осени 1969 года появилась на свет сеть ARPANET, состоящая к тому времени из четырех узлов, а именно:  компьютер SDS SIGMA в Калифорнийском университете ЛосАнджелеса,  компьютер SDS940 в Стэндфордском исследовательском институте,  компьютер IBM360 в Калифорнийском университете СантаБарбары,  компьютер DEC PDP-10 в университет штата Юта. Первые испытаний ARPANET оказались крайне успешными. Ученые исследовательских учреждений, послуживших испытательными полигонами, получили возможность передавать данные и совместно пользоваться удаленным доступом к компьютерам. К 1971 году ARPANET разрослась до 15 узлов, включая Массачусетский технологический институт, RAND, Гарвард, Питтсбургский университет Каренги-Меллона, Case Western Reserve и центр NASA в Эймсе. К 1972 году сеть ARPANET насчитывала уже 37 узлов, а в 1973 году впервые были подключены и зарубежные узлы – Университетский колледж в Лондоне и Королевская лаборатория радиолокации в Норвегии. Ответственность за администрирование сети взяло на себя DCA (Defence Communication Agency, Оборонное агенство по коммуникациям), в настоящее время называемое DISA (Defence Information Systems Agency, Оборонное агенство по информационным системам). Несмотря на то, что изначально ARPANET состояла из соединений между самыми престижными исследовательскими институтами США, и что первые обоснования создания ARPANET подчеркивали ее важность как средства удаленного доступа к компьютерам, основной поток информации по сети не соответствовал своему первоначальному предназначению. Первое время ученые действительно использовали сеть только для координации своих исследований и обмена сообщениями со своими коллегами. Однако весьма быстро сеть превратилась в высокоскоростную компьютеризированную «веревочку», которую многие использовали для передачи личных сообщений, сплетен и просто разговоров. Несмотря на то, как в реальности использовались новые возможности, создание ARPANET и концепции децентрализованной сети с пакетной передачей данных в целом означали огромный успех. В течение 1970-х годов эта легко расширяемая система претерпела гигантский рост. Её децентрализованная структура, существенно отличающаяся от структур существовавших в то время корпоративных сетей, позволяла подключать к сети компьютеры практически любого типа, - при одном лишь условии, что эти компьютеры «понимали» протокол (соглашение о стандарте) пакетной передачи данных NCP (Network Control Protocol, Протокол сетевого управления). Этот протокол стал предшественником ныне используемого TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, Протокол управления передачей/Протокол Intenet, или Межсетевой Протокол). Уже в 1974 году В. Серф и Б. Кан, сотрудники NSF (National Science Foundation, Государственный фонд научных исследований - аналог нашего Министерства Науки), опубликовали свои первые спецификации нового протокола управления передачей данных TCP/IP, который до 1977 года использовался при подключении к ARPANET других компьютерных сетей. Протокол TCP/IP, открытый для общего использования, отличался от NCP тем, что сообщение разбивались, и преобразовывались в пакеты на узле отправки, обратное преобразование со сборкой сообщения из пакетов происходило на узле назначения. Протокол IP устанавливал адресацию пакетов, которая позволяла пакетам достичь места назначения, проходя через многочисленные узлы, или даже сети, стандарты которых отличались от стандарта NCP для ARPANET. Эти решения могут показаться странными, как и предположение о «ненадежной» сети, но уже имеющийся опыт показал, что большинство этих решений вполне разумно и верно. Пока ISO (Organization for International Standartization, Международная Организация по Стандартизации) тратила годы, создавая окончательный стандарт для компьютерных сетей, активисты Internet начали устанавливать IP-программное обеспечение на все возможные типы компьютеров. Вскоре это стало единственным приемлемым способом для связи разнородных компьютеров. Такая схема понравилась правительству и университетам, которые проводят политику покупки компьютеров у различных производителей. Каждый покупал тот компьютер, который ему нравился и вправе был ожидать, что сможет работать по сети совместно с другими компьютерами. Протокол TCP/IP послужил толчком для дальнейшего расширения ARPANET, поскольку он легко устанавливался на практически любой компьютер и позволял сети с легкостью развиваться вширь от любого существующего узла. К 1983 году ARPANET, которая к тому времени уже получила общепринятое имя Internet, отражающее ее структуру мощной совокупности связанных между собой компьютеров и сетей, официально отказалась от использования протокола NCP в пользу более развитого и распространенного протокола TCP/IP. В этом же году из ARPANET выделилась MILNET, которая стала относиться к Defence Data Network (DDN, Оборонная сеть обмена данными) министерства обороны США. Термин Internet стал использоваться для обозначения единой сети: MILNET и ARPANET. И хотя в 1991 году ARPANET прекратила свое существование, название Internet продолжило свое существование, так как Сеть стала объединять в себе уже и международные сети. Это решение было официально поддержано Министерством Обороны США, – протокол вошел в MIL STD (Military Standarts, Военные стандарты), и все, кто работал в сети, обязаны были перейти к этим новым протоколам. Для облегчения этого перехода ARPA обратилась с предложением к руководителям фирмы Berkley Software Design - внедрить протоколы TCP/IP в Berkley (BSD) UNIX. С этого и начался союз UNIX и TCP/IP. UNIX – это одна из наиболее популярных операционных систем для серверов Internet. 1980-е годы стали периодом бурного роста Internet. В то время начали появляться Локальные Вычислительные Сети (LAN), например, такие как Ethernet и др. Одновременно появились компьютеры, которые стали называть рабочими станциями. На большинстве рабочих станций была установлена операционная система UNIX. Эта ОС имела возможность работы в сети с Протоколом Internet (IP). В связи с возникновением принципиально новых задач и методов их решения появилась новая потребность: организации желали подключиться к ARPANET своей локальной сетью. Охват мирового сообщества Internet существенно расширился благодаря включению следующих сетей:  EUNet – Европейская сеть UNIX-машин, год подключения – 1982.  EARN – Европейская сеть учебных и научно-исследовательских учреждений, год подключения – 1983.  JUNET – Японская сеть UNIX-машин, год подключения – 1984.  JANET – Объединенная академическая сеть Великобритании, год подключения – 1984. В конце 80-х годов наиболее влиятельные учереждения США на средства, выделенные NSF, основали NSFNET – пять суперкомпьютерных центров в Принстоне, Питтсбурге, Калифорнийском университете СантаБарбары и университете Корнели. Сеть из этих пяти центров обычно называется «магистральных хребтом Internet в США» (Internet Backbone). Эта сеть была доступна для использования в любых научных учреждениях. Было создано всего лишь пять центров потому, что они очень дороги даже для богатой Америки. Именно поэтому их и следовало использовать кооперативно. Возникла проблема связи: требовался способ соединить эти центры и предоставить доступ к ним различным пользователям. Сначала была сделана попытка использовать коммуникации ARPANET, но это решение потерпело крах, столкнувшись с бюрократией оборонной отрасли и проблемой обеспечения персоналом. Тогда NSF решил построить свою собственную сеть, основанную на IP технологии ARPANET. Центры были соединены специальными телефонными линиями с пропускной способностью 56 Кбит/сек. Однако, было очевидно, что не стоит даже и пытаться соединить все университеты и исследовательские организации непосредственно с центрами, т.к. проложить такое количество кабеля - не только очень дорого, но практически невозможно. Поэтому решено было создавать сети по региональному принципу. В каждой части страны заинтересованные учреждения должны были соединиться со своими ближайшими соседями. Получившиеся цепочки подсоединялись к суперкомпьютеру в одной из своих точек, таким образом, суперкомпьютерные центры были соединены вместе. В такой топологии любой компьютер мог связаться с любым другим, передавая сообщения через соседей. Это решение было успешным, но настала пора, когда сеть уже более не справлялась с возросшими потребностями. Совместное использование суперкомпьютеров позволяло подключенным общинам использовать и множество других вещей, не относящихся к суперкомпьютерам. Неожиданно университеты, школы и другие организации осознали, что заимели под рукой море данных и мир пользователей. Поток сообщений в сети нарастал все быстрее и быстрее пока, в конце концов, не перегрузил управляющие сетью компьютеры и связывающие их телефонные линии. В 1987 г. контракт на управление и развитие сети был передан компании Merit Network Inc., которая занималась образовательной сетью Мичегана совместно с фирмами IBM и MCI. Менее чем за два года, продолжающееся расширение Internet и растущие потребности в вычислительных мощностях привели к модернизации в 1988 году магистрали NSFNET, сетевые управляющие машины были также заменены на более быстрые. Важно отметить то, что усилия NSF по развитию сети привели к тому, что любой желающий может получить доступ к сети. Прежде Internet была доступна только для исследователей в области информатики, государственным служащим. В 1987 году число компьютеров, подключенных к Intenet составило более 10 000. К 1989 году это число достигло 100 000. В 1992 году число компьютеров в сети превысило миллион. Однако, наиболее серьезным развитием Internet в 1990-х годах стало создание WWW (World Wide Web, Всемирная паутина). Итак, логическая структура Internet представляет собой некое виртуальное объединение, имеющее свое собственное информационное пространство. Internet обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, которые входят в сети, подключенные к ней. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют. Соединение сетей обладает громадными возможностями. С собственного компьютера любой абонент Internet может передавать сообщения в другой город, просматривать каталог библиотеки Конгресса в Вашингтоне, знакомиться с картинами на последней выставке в музее Метрополитен в Нью-Йорке, участвовать в конференции IEEE и даже в играх с абонентами сети из разных стран. Internet предоставляет в распоряжение своих пользователей множество всевозможных ресурсов. Основные ячейки Internet - локальные вычислительные сети. Это значит, что Internet не просто устанавливает связь между отдельными компьютерами, а создает пути соединения для более крупных единиц - групп компьютеров. Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Internet, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к Internet. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Internet. Они называются хост-компьютерами (host - хозяин). Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света. Важной особенностью Internet является то, что она, объединяя различные сети, не создает при этом никакой иерархии - все компьютеры, подключенные к сети, равноправны. Internet самостоятельно осуществляет передачу данных. К адресам станций предъявляются специальные требования. Адрес должен иметь формат, позволяющий вести его обработку автоматически, и должен нести некоторую информацию о своем владельце. С этой целью для каждого компьютера устанавливаются два адреса: цифровой IP-адрес (IP - Internetwork Protocol - межсетевой протокол) и доменный адрес. Оба эти адреса могут применяться равноценно. Цифровой адрес удобен для обработки на компьютере, а доменный адрес - для восприятия пользователем. Цифровой адрес имеет длину 32 бита. Для удобства он разделяется на четыре блока по 8 бит, которые можно записать в десятичном виде. Адрес содержит полную информацию, необходимую для идентификации компьютера. Два блока определяют адрес сети, а два другие - адрес компьютера внутри этой сети. Существует определенное правило для установления границы между этими адресами. Поэтому IP-адрес включает в себя три компонента: адрес сети, адрес подсети, адрес компьютера в подсети. Например: В двоичном коде цифровой адрес записывается следующим образом: 10000000001011010000100110001000. В десятичном коде он имеет вид: 192.45.9.200. Адрес сети - 192.45; адрес подсети - 9; адрес компьютера - 200. Доменный адрес определяет область, представляющую ряд хосткомпьютеров. В отличие от цифрового адреса он читается в обратном порядке. Вначале идет имя компьютера, затем имя сети, в которой он находится. В системе адресов Internet приняты домены, представленные географическими регионами. Они имеют имя, состоящее из двух букв. Компьютерное имя включает, как минимум, два уровня доменов. Каждый уровень отделяется от другого точкой. Слева от домена верхнего уровня располагаются другие имена. Все имена, находящиеся слева, - поддомены для общего домена. Например, географические домены некоторых стран: Франция - fr; Канада- са; США - us; Россия – ru, Украина - ua. Существуют и домены, разделенные по тематическим признакам. Такие домены имеют трехбуквенное сокращенное название. Так, учебные заведения - edu. Правительственные учреждения - gov. Коммерческие организации - com. WORLD-WIDE-WEB (WWW - Всемирная паутина) «Всемирная паутина» является одной из самых популярных информационных служб Internet. Две основные особенности отличают WWW: использование гипертекста и возможность клиентов взаимодействовать с другими приложениями Internet. Гипертекст - текст, содержащий в себе связи с другими текстами, графической, видео- или звуковой информацией. Концепция гипертекста была предложена Т. Нельсоном. Именно он считается отцом идеи гипертекста в том виде, в котором он сейчас существует. Простейший пример гипертекста – книга, оглавление которой содержит ссылки на главы и разделы книги (здесь ссылка — это номер страницы, с которой начинается соответствующие глава или раздел). Посмотрев в оглавление, человек узнает номер страницы нужной ему главы, и открывает книгу на искомой странице. Для того, чтобы найти интересующую его главу книги, человек не должен просматривать всю книгу - оглавление предоставляет ему возможность быстрого "попадания" на ту главу или раздел, который ему необходимы. Рассказывая о том, что послужило прообразом для этого изобретения, Нельсон вспоминает отрывок из одного очерка В. Буша, написанного в 1945 году: "Работа человеческой мысли построена на принципе ассоциаций. Анализируя какое-либо понятие или элемент, она непременно стремится поставить ему в соответствие какой-нибудь другой знакомый образ, подсказываемый ассоциацией мыслей, и это соответствие устанавливается благодаря трудноуловимой паутине связей, формируемых клетками человеческого мозга". Спроецировав эту идею о работе мозга одного человека на компьютерную сеть, охватывающую весь мир, Нельсон стал основоположником идеи явления, которое впоследствии переросло во "Всемирную Паутину". Но успех идеи определялся наличием сети. При наличии сети тексты, связанные друг с другом ссылками, можно размещать на различных, территориально удаленных компьютерах, и создавать и редактировать тексты могут разные люди. Таким образом, создается "паутина" взаимосвязанных текстов, способная стать гигантским информационным хранилищем человеческой цивилизации. В 1988 году проект гипертекстовой системы Xanadu Т. Нельсона обрел источник финансирования у Дж. Уокера, основателя Autodesk. Тогда Уокер пророчески заявил: "В 1964 году Xanadu была мечтой одиночки. В 1980 году — общей целью небольшой группы талантливых технологов. В 1989 году она станет продуктом. А в 1995 году она начнет переделывать мир". Решающий шаг в создании WWW совершил Т. Бернерс-Ли. В конце восьмидесятых годов он, работая в Лаборатории физики элементарных частиц европейского центра ядерных исследований, более известного под именем CERN, занимался проблемами применения идей гипертекста для построения информационной среды, которая решила бы проблемы обмена информацией между физиками, работавшими в большом неоднородном CERN'е, и их партнерами в других странах. CERN был уникальным местом, одним из оживленных перекрестков Интернет. Еще до WWW Бернерс-Ли создал гипертекстовую систему Enquire, которая была по сути записной книжкой. В ней, как и впоследствии в WWW, была заложена идея о том, что компьютеры должны представлять информацию подобно тому, как она представляется в нашем мозгу, т.е. ассоциативно. Проект, который, в конечном счете, привел к созданию Всемирной Паутины и того явления, которое мы теперь называем Web-технология, стартовал в CERN в 1989 году. Почему именно там и тогда? Дело в том, что в 80-х годах в науке и в особенности в ядерной физике остро проявилась проблема коммуникаций. В условиях информационного взрыва традиционные методы обмена научной информацией в виде статей в научных журналах оказались несостоятельными. Часто информация устаревала, не успев дойти до потребителя. К этому моменту в Интернет уже существовал целый набор средств, предназначенных для передачи данных из одной компьютерной системы в другую (в том числе и электронная почта, средства передачи файлов, организации телеконференций и т.д.). Однако они не обладали некоторыми возможностями, которые были ключевыми для обычных людей — потребителей информации. Во-первых, они не позволяли представить разнообразную информацию в виде составных объектов разной природы (текст, графика, аудио и видео), расположенных в разных точках Земного шара. Во-вторых, интерфейс между ними и человеком был ограничен, он не был простым и естественным для восприятия. В-третьих, данные средства не предоставляли доступ множеству потребителей информации к единому массиву структурированной, согласованной и изменяющейся в реальном времени информации. Собственно, Бернерс-Ли как раз и сотворил Всемирную Паутину, заимствовав идею гипертекста у Нельсона и творчески развив ее. Бернерс-Ли предложил проект в 1989, и через год уже был готов первый вариант программного обеспечения для платформы NeXTstep. Он выпустил начальный протокол передачи гипертекстов, управляющий движением информации в Паутине, разработал универсальный указатель ресурсов как общую систему адресации, объединившую в себе большинство существующих в Интернет технологий поиска и связи, наконец, он создал язык разметки гипертекстов. Однако, настоящий переворот в жизни WWW произошел тогда, когда Internet стал доступен всему миру. Этот переворот совершил М. Андриссен, в то время сотрудник Национального центра прикладных систем для суперкомпьютеров (NCSA), разработав зимой 1993 года в соавторстве со своим коллегой по NCSA Э. Байна программу для просмотра информации, представленной в виде гипертекстов. Программа называлась Mosaic. Как и любая начальная версия программы, она обладала некоторыми недостатками, но главное в ней уже было — графика стала полноправной частью интерфейса, мышь — основным средством работы с информацией, и Интернет стал доступен миллионам пользователей. Основным достоинством Mosaic было то, что она требовала от пользователя не больше знаний о своей внутренней сути, чем требуется знаний об устройстве автомобиля от человека, сидящего за его рулем. Mosaic стала распространяться быстрее любой когда-либо написанной программы. Охарактеризуем кратко основы Web-системы. Ее задача - обеспечить человеку простой и естественный доступ к информации, представленной в виде гипертекстов. Web-система работает по принципу "клиент-сервер". Клиент (иногда используют термин "Web-клиент") — это специальная программа, обеспечивающая человеку универсальный интерфейс для доступа к структурированной информации, представленной набором связанных документов в специальном формате. Фактически, Web-клиент помогает человеку "перемещаться" в информационном пространстве, осуществлять навигацию. Именно поэтому Web-клиент получил более распространенное название "программа-навигатор" или просто "навигатор" — название, произошедшее от английского слова browser. Навигатор является "входным окном" в Web-систему и предоставляет пользователю доступ ко всем ее информационным ресурсам. Главное отличие навигатора от программ аналогичного назначения в других системах "клиент-сервер" - универсальность. Одна и та же программа обеспечивает доступ к любой информации в системе, независимо от ее характера. Сервер (часто используют термин "Web-сервер") представляет собой специальную программу, владеющую и распоряжающуюся набором связанных документов, которые содержат всю информацию, относящуюся к данной предметной области. Web-сервер отвечает за обработку запросов, поступающих по сети от навигатора, то есть выбирает затребованную навигатором страницу в специальном формате и передает ее навигатору. Web-сервер собирает информацию из различных источников, выступая для пользователя в качестве "информационного концентратора". Существует несколько видов источников информации для Webсервера. Она может храниться в файлах или в базах данных, а также поступать от внешних по отношению к Web-серверу программ. Часть информации при этом может формироваться "на лету", в момент получения запроса. Информация из различных источников может легко комбинироваться даже в рамках одной страницы, доступной навигатору. Как уже говорилось выше, для обмена информации в Web-технологии выбран формат гипертекста. Для разметки документов и задания структуры гипертекста используется язык HTML (HyperText Markup Language — язык разметки гипертекста). HTML — универсальный язык для описания гипертекстов. Он предназначен не столько для описания структуры информации, сколько для ее внешнего представления. HTML — один из двух основных стандартов Web-технологии. Стандарт языка зафиксирован, однако он быстро развивается, как развивается и сама Web-технология. Соглашения диалога навигатора и Web-сервера при передаче информации определяются протоколом HTTP (HyperText Transfer Protocol, протокол передачи гипертекста). HTTP — второй ключевой стандарт Webтехнологии. Отметим, что она не накладывает на сервер и навигатор практически никаких иных ограничений, кроме того, что общение между ними осуществляется по протоколу HTTP, а для передачи информации используется язык HTML. Разнообразие реализаций Web-серверов и навигаторов, выполненных различными разработчиками, и жесткая необходимость их полной совместимости потребовали очень точного следования стандартам. Так как создание собственного сервера WWW является сложным и дорогостоящим, то многие пользователи сети Internet могут размещать свою информацию на уже существующих серверах. Собственные страницы WWW можно создавать с помощью таких средств, как Microsoft Internet Assistant for Word и Netscape Navigator Gold. Редактор страниц Microsoft Internet Assistant представляет собой набор макрокоманд, на базе которого создаются документы HTML. Редактор, встроенный в навигатор Netscape Navigator Gold, содержит средства для работы с языком JAVA. Этот язык позволяет интерпретировать программы, полученные из сети, на локальном компьютере пользователя. JAVA - язык объектно-ориентированного программирования. Он используется для передового способа создания приложений для Internet - программирования аплетов (аплет - небольшое приложение). С помощью аплетов можно создавать динамичные Web-страницы.