Компьютерные_сети_Лекции

НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА МАКАРОВА

КОМПЬЮТЕРНЕ СЕТИ

Конспект лекций

О.А. Кудин

20.02.2013

[Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа.]

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

2

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

3

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

1. Обзор компьютерных сетей

Компьютерные сети появились сравнительно недавно, в конце 60-х

годов прошлого столетия. Естественно, что компьютерные сети унаследовали много полезных свойств от других, более старых и распространенных телекоммуникационных сетей, а именно телефонных. В

тоже время компьютерные сети привнесли в телекоммуникационное пространство нечто совершенно новое – они сделали общедоступными неисчерпаемые объемы информации.

1.1. Предпосылки и история появления компьютерных сетей

Компьютерные сети не являются единственным видом сетей,

созданных человеком. Наиболее похожим примером сетей являются электрические сети. В них легко можно найти аналоги элементов любой компьютерной сети: источникам информационных ресурсов соответствуют электростанции; магистралям – высоковольтные линии электропередачи; сетям доступа – трансформаторные подстанции,

клиентским терминалам – осветительные и бытовые приборы.

С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно решает 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, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах (рис. 1.1).

4

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

Эволюция телекоммуникационных Эволюция вычислительной

сетей

техники

Эволюция

компьютерных

сетей

Рис. 1.1. Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной

техники и телекоммуникационных сетей.

1.1.1. Вычислительные системы пакетной обработки данных

Первые компьютеры 50-х годов ХХ века предназначались для очень небольшого числа высококвалифицированных пользователей. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а применялись в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мощного и надежного компьютера универсального назначения

(мэйнфрейм) (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Универсальный компьютер – мэйнфрейм.

5

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их на вычислительный центр. Операторы вводили эти данные в компьютер, а распечатанные результаты пользователи обычно получали на следующий день. Для пользователей был бы удобней интерактивный режим работы, при котором можно руководить процессом обработки своих данных с терминала. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем зачастую пренебрегали. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины – процессора.

1.1.2. Многотерминальные системы

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов ХХ века появились новые способы организации вычислительного процесса,

которые позволили учесть интересы пользователей. Начали 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 пользователей определялось его мощностью:

время реакции вычислительной системы должно было быть достаточно мало, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером других пользователей.

Рис. 1.3. Терминалы многотерминальной вычислительной системы.

6

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

Вычислительная мощность оставалась полностью централизованной,

но некоторые функции, такие как ввод и вывод данных, стали распределенными. Подобные многотерминальные вычислительные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером.

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

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. Из этого закона следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощные – их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

1.1.3.Первые компьютерные сети

Кначалу 70-х годов ХХ столетия назрела необходимость в

соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Началось все с решения более простой задачи – доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал–компьютер были реализованы удаленные связи типа компьютер–компьютер. На основе подобного механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами,

7

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными, сетевые службы.

Первыми появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN), т.е.

сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры,

возможно находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие идеи, лежащие в основе современных компьютерных сетей.

Например, многоуровневое построение коммуникационных протоколов,

концепции коммутации и маршрутизации пакетов.

Главное технологическое новшество, которое сопутствовало появлению первых глобальных компьютерных сетей, состояло в отказе от принципа коммутации каналов. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и, в значительной степени, не чувствительный к задержкам компьютерный трафик (от англ. traffic —

«движение», «транспорт», «торговля»; объём данных, передаваемой по сети за определенный период времени) гораздо эффективнее передается сетями, работающими по принципу коммутации пакетов.

В 1969 году министерство обороны США инициировало работы по объединению в единую сеть суперкомпьютеров оборонных и научно-

исследовательских центров. Эта сеть получила название ARPANET. Она стала основой для создания первой и самой известной ныне глобальной сети – Интернет.

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

1.1.4. Первые локальные сети

Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей,

произошло в начале 70-х годов прошлого века. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных

8

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию миникомпьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. 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 продолжали работать автономно (рис. 1.4).

Предприятие

Рис. 1.4. Автономное использование нескольких мини-компьютеров на одном предприятии.

Очень быстро автономная работа перестала удовлетворять пользователей, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться

9

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ

данными с компьютерами других подразделений. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных компьютерных сетей.

Локальная сеть (Local Area Network, LAN) – это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории (обычно в радиусе 1–2 км). Для соединения компьютеров друг с другом используются сетевые технологии.

Сетевая технология – это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверы, сетевые адаптеры, кабели и разъемы), а также механизмов передачи данных, достаточный для построения вычислительной сети.

В середине 80-х годов стандартные сетевые технологии

объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. С одной стороны, они были достаточно мощными, чтобы обеспечить работу сетевого программного обеспечения, а с другой – явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач и разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях.

Конец 90-х годов прошлого века выявил явного лидера среди технологий локальных сетей – семейство технологий Ethernet. В это семейство вошли: классическая технология Ethernet со скоростью передачи

10 Мбит/с; Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с; Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Простые алгоритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Это позволяет рационально строить локальную сеть, выбирая ту технологию семейства, которая в

10