8. СЕТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

8.1. Структура телефонной сети

Простейшая телефонная сеть создается путем прокладки линий связи между телефонными аппаратами всех абонентов, которые желают общаться между собой. Однако количество проводов, которое потребуется для такой сети, будет огромным. Интересно, что первые телефонные системы точно следовали этому методу. Когда телефонных аппаратов было немного, количество проводов оказывалось приемлемым. Но когда телефон перестал быть редкостью, такой подход стал неэкономичным. Поэтому сегодняшняя телефонная индустрия использует коммутируемую сеть, в которой каждый телефонный аппарат с помощью линии связи соединяется с централизованным коммутатором (телефонной станцией). Этот коммутатор обеспечивает связь, доступную только на период времени соединения двух сторон. Как только разговор/передача сигнала завершается, связь разрывается. Такая коммутируемая сеть позволяет ее абонентам пользоваться оборудованием совместно, и таким образом снизить затраты сети. Зачастую инженеры связи определяют количество нужного оборудования исходя только из соображений снижения затрат. На самом деле, основным принципом разработки сети является обеспечение качественного уровня обслуживания при наименьших расходах. Работа коммутируемой сети рассчитана на то, что в одно и то же время не будут разговаривать сразу все ее пользователи.

На рис. 8.1 показаны элементы коммутируемой сети.

Рис. 8.1. Компоненты типичной коммутируемой телефонной сети

113

Прямое соединение от каждого телефонного аппарата с местной телефонной станцией называется абонентским шлейфом или абонентской линией (local loop), которая в простейшем случае является двухпроводной. Обычно каждый абонент имеет выделенную линию, которая служит для соединения его телефонного аппарата с сетью. При коллективном соединении абонентская линия связи используется совместно несколькими абонентами (в ранних сетях коллективное соединение восьми абонентов было обычным делом).

Большинство телефонных сетей требуют, чтобы каждая телефонная станция обеспечивала соединения между линиями любых двух абонентов, которые к ней подключены. Так как клиенты одной телефонной станции связаны между собой, большинство телефонных соединений – это соединение двух линий внутри одного коммутатора. Однако возможность соединиться должны иметь любые два абонента, а это требует наличия соединения между телефонными станциями, чтобы клиенты разных станций могли быть соединены между собой. Соединительные линии между телефонными станциями называются магистральными линиями связи.

Абонентская линия. Абонентская линия – это соединение между абонентом и АТС (т. е. сетью). Так как линия связи является средством доступа абонента к сети, то обычно она является выделенной для одного пользователя (коллективные линии встречаются редко). В принципе, когда потребитель собирается сделать звонок, абонентская линия всегда доступна. Как правило, в качестве абонентской линии выступает пара свитых между собой медных проводов. Это позволяет поставщику сетевых услуг, т. е. провайдеру или оператору местной телефонной сети обеспечивать приемлемое качество передачи при низких затратах. Для передачи сигнала используется одна и та же электрическая линия в обоих направлениях (оба провода используются для передачи сигнала речи от телефонного аппарата к АТС и обратно).

Магистральные линии связи. Как было отмечено ранее, магистрали – это линии передачи между коммутаторами. Обычно магистрали выполняются как высококачественные многоканальные цифровые линии связи (проводные или оптические). Магистрали могут иметь протяженность сотни и тысячи километров и использоваться абонентами совместно. Если клиенты двух коммутаторов не связаны между собой настолько, чтобы иметь прямую магистраль (например, магистраль с высокой загрузкой), звонок может быть маршрутизирован через несколько промежуточных коммутаторов посредством магистралей, которые связывают их. Сеть AT&T (American Telephone and Telegraph Corporation) 1970-х годов была сконструирована как пирамида с пятью уровнями, где центральная АТС являлась нижним уровнем в пирамиде. Если между центральными АТС не оказывалось прямой магистрали, звонок передавался на следующий уровень. На следующем уровне коммутаторов снова искалось прямое соединение. Если такого соединения не оказывалось и на этом уровне, то звонок передавался еще выше. По мере того как звонок поднимался вверх по пирамиде, количество совместно используемого оборудования увеличивалось. Для управления трафиком в такой сети было важным минимизировать затраты на маршрутизацию звонка.

114

Рассмотрим прохождение междугороднего или международного звонка через обычную коммутируемую сеть. Когда снимается трубка телефона происходит соединение с центральной АТС местного телефонного оператора, который с помощью сигнала (гудок) сообщает о том, что произошло соединение и можно набирать номер телефона.

Когда осуществляется междугородный или международный звонок вызывающая станция занимает линию междугородной телефонной сети и передает набранный номер оператору дальней связи. Оператор дальней связи маршрутизирует звонок соответствующему оператору местной связи для завершения вызова (т. е. оператору связи, который «владеет» набранным номером). В результате сигнал вызова проходит по следующему пути: телефонный аппарат абонента N города А – АТС(А) – АМТС(А) – АМТС(Б) – АТС(Б) – телефонный аппарат абонента M города Б. Когда вызываемая сторона снимает трубку, вызов считается выполненным.

Технологии передачи речи в сетях с пакетной коммутацией. В основе современных сетевых технологий, обеспечивающих высокую эффективность использования полосы канала связи и минимальное значение задержки трафика в сети, лежит принцип коммутации ячеек и быстрого пакетного мультиплексирования. Реализация этого принципа предполагает разделение информации на ячейки небольшого размера, из которых строятся пакеты. Благодаря этому можно легко коммутировать передачу между различными типами передаваемых данных, прерывая передачу пакетов на границах ячеек и освобождая полосу пропускания канала для чувствительной к временным задержкам информации. Такой подход позволяет избавиться и от «простоев» в использовании канала.

Эффективность использования полосы канала достигается за счет динамического выделения ресурсов. При этом вся полоса пропускания канала не делится на статические сегменты для передачи речи, данных и факсимильных сообщений, а динамически распределяется в зависимости от трафика.

8.2. Интернет

Для большинства людей Интернет представляет собой некое волшебство. Действительно, что представляет собой Интернет? Откуда он появился? Кто является его владельцем? Кто управляет Интернетом? Кто платит за все это? Трудно кратко и понятно ответить на вопрос, что такое Интернет. Более или менее научные (или просто наукообразные) определения Интернета, которыми заполнены книги и статьи на эту тему, конечно, имеют свою ценность. Но для наших целей пока достаточно самого простого объяснения: Интернет – это множество компьютеров, соединенных друг с другом каналами связи, плюс набор стандартных правил, по которым они обмениваются информацией. При этом сами каналы связи, пожалуй, даже менее важны, чем правила передачи данных по ним, называемые в Интернете протоколами. Если хотя бы два компьютера взаимодействуют

116

по одному из таких протоколов – это уже настоящий Интернет. Доступ в Интернет любому пользователю стал возможен благодаря тому, что инженеры и программисты научились использовать для связи между компьютерами каналы, изначально для этого совсем не предназначенные, – обычные телефонные линии. Изобретение и совершенствование модемов – специальных устройств, позволяющих компьютеру посылать информацию по телефонным каналам связи, открыло двери в Интернет огромному количеству людей, у которых нет никакого специального сетевого оборудования, а есть лишь персональный компьютер и телефонная розетка поблизости.

Как сам Интернет, так и модемы для персональных компьютеров существуют уже довольно долго. Однако лишь совсем недавно – около 1990 года – Интернет набрал наконец критическую массу пользователей и ресурсов, необходимую для происходящей на наших глазах сетевой революции. Скоростные модемы, позволяющие обычным пользователям персональных компьютеров без ограничений наслаждаться всеми благами Интернета, появились еще позднее. А система World Wide Web (WWW, или «Всемирная паутина»), изобретенная в 1993 г. и бывшая поначалу лишь одной из многих составных частей сети, заняла доминирующее положение и стала определять лицо Интернета буквально в последние несколько лет.

Интернет – это прежде всего огромное множество компьютеров и программ. Среди последних можно найти не только такие, которые умеют хорошо решать ваши конкретные задачи, но и гораздо больше таких, чьи способности, вероятно, поначалу будет сложно даже представить.

Однако это лишь часть ответа на вопрос «что такое Интернет». Интернет сегодня – это не только огромное количество компьютеров, но еще и невероятное количество людей, для которых сеть является принципиально новым способом общения, почти не имеющим аналогов в материальном мире. Человек – существо социальное, и общение с себе подобными – одна из первейших его потребностей. Интернет – это множество компьютеров (называемых хостами) и сетей основанных на использовании стека протоколов TCP/IP, часто называемого набором протоколов Интернета. Кроме того, Интернет – не просто сеть, и не только сетевое объединение хостов. Напротив, Интернет – это некоторое количество опорных сетей, которые содержат подсети. Эти подсети могут быть публичными, частными или коммерческими.

Если принять во внимание миллионы подсетей, то «владельца» сети Интернет сложно выявить. Фактически единого владельца не существует, хотя можно определить владельцев фрагментов этих подсетей. В некотором смысле владельцем Интернета можно считать того, кто им пользуемся, т. к. все члены сообщества сети Интернет вносят в нее свой вклад. Также нет единой организации, которая бы управляла сетью Интернет. Различные организации руководят своим небольшим участком, хотя по необходимости, для большего удобства, было создано несколько центров управления. В дополнение, индивидуальные пользователи и/или организации могут предоставлять информацию для доступа общественности несколькими способами: посылать ее

117

на центральные информационные серверы или поддерживать свой информационный сервер.

Как и почему появился Интернет. Направление развития Интернет в основном определяет «Общество Интернет» или ISOC (Internet Society). Это организация на общественных началах, целью которой является содействию глобальному информационному обмену через Интернет. Он назначает Совет старейшин, который отвечает за техническое руководство и ориентацию Интернет. Совет старейшин IAB (Internet Architecture Board – совет по архитектуре Интернет) регулярно собирается, чтобы утверждать стандарты и распределять ресурсы (например, адреса). Имеется еще один общественный орган

– инженерная комиссия IETF (Internet Engineering Task Force), которая решает текущие и организационные вопросы и проблемы Интернет.

За сеть «целиком» никто не платит, т.к. в нее входит бесчисленное и постоянно изменяющееся число локальных, региональных и других сетей, а также индивидуальных пользователей. Здесь каждый платит за свою часть. Например, пользователь платит за доступ к локальной сети, оператор последней – за доступ к региональной сети, которая, в свою очередь, платит за доступ к Интернет поставщику на уровне государства.

Откуда пришла эта «сеть из сетей»? В 1957 году СССР произвел запуск первого искусственного спутника, привнеся огромное замешательство в Западный блок стран. Страх, вызванный запуском спутника, явился для США катализатором, вынудившим уделить большее внимание математике и естественнонаучным предметам в школах, а для Министерства обороны США (Department of Defense, DOD) создать Управление в области научных разработок

(Advanced Research Projects Agency, ARPA). ARPA отвечало за развитие науки и разработку проектов для армии в таких направлениях, как космос и ракетные программы.

Интернет начался с эксперимента по использованию технологии коммутации пакетов, проводимого ARPA. В 1968 году был подписан контракт о создании проекта и применения коммутации пакетов в сети. В 1969 году, менее чем через год после подписания контракта, сеть, названная ARPANet, стала функционировать между четырьмя узлами: UCLA, Стенфордским исследовательским институтом, Калифорнийским университетом в СантаБарбаре и университетом в Юте. В основе сети были предки современных устройств маршрутизаторов – специализированных мини-компьютеров, называемых интерфейсными процессорами сообщений, которые осуществляли перемещение информации между узлами. К 1971 году ARPANet распространилась по всей территории США, а к 1973 году появилась и в Европе.

Вначале протокол связи между хостами, использованный ARPANet, был назван протоколом управления сетью (Network Control Protocol). Co временем, однако, этот протокол показал себя недееспособным в работе с растущим сетевым информационным трафиком. В 1974 году в сети ARPANet было создано и применено новое, более усовершенствованное семейство протоколов, которое основывалось на протоколе управления передачей (TCP, Transmission Control Protocol) и протоколе сети Интернет (IP, Internet Protocol). Хотя стек

118

протоколов обычно называют просто как TCP/IP, на самом же деле он включает

всебя огромное количество протоколов и приложений, а протоколы TCP и IP являются только двумя из них (хотя и одними из самых важных). В 1979 году Координационному совету по управлению и конфигурированию Интернета

(ICCB, Internet Control and Configuration board) было предложено обеспечивать функции надзора за проектированием и применением протоколов в сети Интернет.

Хотя протокол TCP первоначально был определен в 1974 году, получившие наибольшее распространение версии TCP и IP были разработаны в 1981 году. В течение 1984 года ARPANet разделилась на две части. Одна – все еще называемая ARPANet, была задействована для соединения исследовательских и академических сайтов. Другая сеть, названная MILNET, была задействована для военных нужд и стала частью оборонной сети передачи данных (DDN, Defense Data Network).

В1988 году вирус Интернет-червь – самовоспроизводящаяся программа, распространяющаяся по всей сети, вывел из строя большинство систем на своем пути. Запущенный случайно выпускником Корнелла Робертом Моррисом (Robert Т. Morris) червь выявил прореху в программе отсылки почты в системе UNIX, и из-за ошибки в программе оставил после себя ужасные последствия. В то время такой необычный инцидент не наделал шумихи, но для сегодняшнего читателя это звучит знакомо. Программа Морриса продемонстрировала уязвимость Интернета за много лет до того, как бизнес стал полностью зависим от сети и таких приложений, как электронная почта и WWW.

Коммерческий Интернет. Превращение Интернета в источник прибыли (1994 г.) внесло свои коррективы – увеличился поток коммерческой информации,

вособенности рекламы, рассылаемой по электронной почте, называемой спам (spam). Корпоративных и индивидуальных пользователей Интернет ежедневно буквально заваливает почтовая реклама, предлагающая все – от порнографии до ипотеки и других услуг. Пытаясь противостоять наплыву настойчивых ненужных предложений, большинство провайдеров (ISP) публикуют правила пользования, которые позволяют, хоть и с переменным успехом, но ограничивать доступ рекламе. Многие почтовые приложения поддерживают фильтрацию сообщений на стороне сервера или клиентов, уменьшая тем самым беспорядок, который приходится разгребать пользователю, хотя это и не уменьшает количество сетевого трафика. К сожалению, закон, правила, технологии и устаревший «сетевой этикет» оказываются бессильными перед передовыми технологиями рассылки спама, попадающего в нашу почту.

Сегодня одна из наболевших проблем Интернета – его продолжающийся рост. ARPANet, начавшийся с четырех узлов в 1969 году, к августу 1981 года насчитывал всего лишь 213 узлов – далеко не впечатляющая скорость. Однако Интернет вырос в 1986 году в 2 раза, в 4 раза в 1987 и почти вдвое в 1995 году. В конце 90-х годов каждые 30 минут к Интернету добавлялась новая сеть. Так как на сегодняшний день точка насыщения явно достигнута, рост сети Интернет замедлился, но не прекратился.

119

Большая часть роста сети Интернет в Америке приходится на коммерческую сферу. Но самый быстрый рост числа пользователей Интернета имеет место за пределами Соединенных Штатов, к 1999 году фактически половина online-сообщества являлась не жителями США, а представителями других стран из всех частей мира. Интернет становится все менее централизованным вокруг США, меняя, таким образом, профиль сети.

Большая разнородность сети Интернет означает большие коммерческие возможности – сеть позволяет бизнесу достигнуть самых удаленных частей света и охватить все мировое сообщество. «Нерациональный избыток» 90-х годов породил «нерациональный пессимизм» нового тысячелетия, т. к. компании новой экономики обнаружили, что правила старой экономики, такие как необходимость получения прибыли, все еще живы. Вне зависимости от этого, Интернет продолжает процветать, и компании, занимающиеся электронной коммерцией, все еще жизнеспособны, хотя и чувствуют, что их деятельность ограничена. Все больше людей и коммерческих предприятий выходят в online, что и приводит к растущему влиянию сети Интернет на мировую экономику и на уровень жизни.

Структура сети Интернет устроена по той же модели, что и железнодорожный «интернет». Общий протокол (в этом случае протокол IP) позволяет производить соединение сетей местных, региональных, национальных и даже мировых поставщиков услуг. Эквивалентом железнодорожной стрелки является маршрутизатор, который направляет пакеты из сети одного провайдера в сеть другого провайдера, пока они не достигнут конечного места назначения.

Однако между сетью Интернет и железнодорожной сетью есть некоторые отличия, особенно касающиеся ценовых моделей. Крупные провайдеры (ISP), в общем, не против доставлять трафик сетей других провайдеров бесплатно, согласно соглашению, известному как равноправный информационный обмен (peering). Равноправный информационный обмен действует, если потоки данных приблизительно симметричны, в такой ситуации проще прийти к соглашению, нежели чем при выборе оплаты с учетом количества трафика. Крупные провайдеры могут брать оплату с мелких провайдеров за соединение, обычно это фиксированная система оплаты. В железнодорожной системе все вагоны сосчитаны, и железные дороги возмещают друг другу затраты на основе гибкой системы – с учетом количества перевозок. Некоторые полагают, что такой вид оплаты вскоре будет и в сети Интернет, в особенности когда асимметричные потоки, например, связанные с видеоприложениями на основе Web, станут более распространенными.

Современный Интернет представляет собой комплекс средств хранения, обработки и предоставления информации. Основными составляющими этого комплекса являются:

– информационные ресурсы, к которым относятся, прежде всего, мощные серверы, оборудованные высокоемкими устройствами хранения данных, а также высокоскоростные системы поиска необходимой информации;

120