Контрольные вопросы

1. Что понимается под термином «процесс»?

2. Назовите основные элементы управления процессом.

3. Что такое «межпроцессорное взаимодействие»?

4. Основные особенности систем с разделением времени.

4. Основные особенности модели «клиент – сервер».

5. Каким образом организуется конкуренция между процессами?

Лекция № 13 Сети

Цель лекции

Изучить классификацию и особенности построения компьютерных сетей.

План лекции

1. Классификация сетей.

2. Сетевые протоколы.

3. Безопасность сетей.

Ранние компьютерные сети состояли из машин, соединяемых для передачи файлов. Программное обеспечение, необходимое для управления такими коммуникациями между машинами, добавлялось к операционной системе в форме обслуживающего программного обеспечения. Сегодня взаимодействие между компьютерами с помощью сетей широко распространено. Многие современные системы программного обеспечения, такие как всемирные информационно-поисковые системы, системы бухгалтерского учета компаний и даже некоторые компьютерные игры, являются распределенными системами (distributed system), то есть они состоят из элементов, функционирующих на разных компьютерах сети. Поэтому программное обеспечение, необходимое для поддержки таких систем, трансформировалось из простых пакетов обслуживающих программ в систему сетевого программного обеспечения, обеспечивающую сложную инфраструктуру сети. В каком-то смысле сетевое программное обеспечение развивается в операционную систему сети. В оставшейся части этой главы мы рассмотрим некоторые вопросы, связанные с этой областью системного программного обеспечения.

1 Классификация сетей

Каждая компьютерная сеть принадлежит к одной из следующих обширных категорий: локальные вычислительные сети - ЛВС (local area networks - LAN), и глобальные вычислительные сети - ГВС (wide area networks - WAN). Локальная сеть, как правило, состоит из нескольких компьютеров, находящихся в одном здании или комплексе зданий. Например, компьютеры, используемые в университетском городке или на одном заводе, могут быть соединены единой локальной сетью. Глобальная сеть соединяет машины, которые могут находиться в противоположных концах города или света. Основное различие между локальными и глобальными сетями заключается в технологиях, используемых для установления путей соединения. Например, использование спутниковых линий связи характерно для глобальных сетей, но не для локальных. В связи с этим сегодня программное обеспечение обычно заключается в небольшой изолированной части всего пакета сетевого программного обеспечения, а это означает, что с точки зрения перспектив развития программного обеспечения различие между локальными и глобальными сетями становится все менее и менее важным.

По типу физической среды передачи данных различают беспроводные (спутниковые, радиорелейные, оптические) и кабельные сети в которых может использоваться телефонный, оптоволоконный или коаксиальный кабель, а так же кабель с витой парой (скрученные между собой для уменьшения влияний внешних помех несколько пар проводов).

По скорости передачи данных сети делятся на низкоскоростные (до 10 Мбит/с), среднескоростные (до 100 Мбит/с) и высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с). С увеличением скорости передачи данных возрастает стоимость линий связи, такая же связь наблюдается между дальностью передачи информации и стоимостью сетей.

При классификации по принадлежности сети делят на ведомственные (которые принадлежат одной организации и располагаются на ее территории) государственные или национальные (используемые в государственных структурах) а так же международные.

Другой принцип классификации сетей базируется на том, является ли право собственности на проект внутреннего устройства сети общественным достоянием или же принадлежит отдельной корпорации. Сеть первого типа называется открытой сетью, а второго типа — закрытой, или частной сетью. Сеть Internet является открытой системой. Связь через Internet регулируется открытой системой стандартов, известной как семейство протоколов TCP/IP, которое мы рассмотрим в следующем разделе. В противоположность этому, компания Novell Inc. является главным поставщиком сетевого программного обеспечения, которое было разработано ею и является ее частной собственностью. Таким образом, сетевые системы, устанавливаемые и поддерживаемые с помощью программного обеспечения компании Novell, являются закрытыми.

Еще один способ классификации основывается на топологии сетей, т.е. на геометрической схеме соединения входящих в них машин. На рис. 1 представлены четыре наиболее распространенные конфигурации: а) "кольцо", в этом случае машины соединены по замкнутому кругу; б) "шина", здесь все машины соединены общей линией связи, называемой шиной; в) "звезда", в этой конфигурации одна машина служит концентратором (hub), к которому подключаются все остальные машины; г) неупорядоченная, когда машины соединяются случайным образом. Неупорядоченная конфигурация характерна для глобальных сетей, тогда как при создании локальных обычно используется конфигурация "кольцо" или "шина", поскольку в этом случае работа по созданию сети чаще всего ведется под единым руководством.

Internet. Если мы соединим несколько уже существующих независимых сетей, то получим сеть из сетей. Наиболее известный пример такой структуры — глобальная суперсеть Internet (пишется всегда с прописной буквы), которая возникла в 1973 году в ходе программы, начатой американским агентством DARPA для проведения различных исследований в интересах министерства обороны США. Цель лекциию этой программы была разработка средств соединения разнообразных компьютерных сетей, позволяющих им функционировать как единая надежная сеть. В настоящее время Internet является глобальным объединением множества локальных и глобальных сетей, включающим миллионы машин. Сети в Internet соединены с помощью специальной машины, называемой маршрутизатором (рис. 2). Маршрутизатор (router) — это машина, принадлежащая к обеим сетям и передающая сообщения из одной сети в другую.

Рисунок 1 - Типы конфигурации сетей

Рисунок 2 - Объединение локальных сетей

Иногда вместо термина маршрутизатор используется термин шлюз (gateway). Однако шлюзами обычно называют более сложные соединения, чем типичные маршрутизаторы. Например, "шлюз" чаще всего используется по отношению к машине, соединяющей две надсети из сетей, причем в каждой надсети используется разный межсетевой протокол. В частности, шлюзом будет называться машина, соединяющая локальную корпоративную сеть с Internet.

Концептуально Internet на логическом уровне может рассматриваться как объединение сетевых кластеров, называемых доменами; каждый из доменов обычно состоит из сетей, принадлежащих к одной организации, например университету, компании или государственному учреждению. Каждый домен является автономной системой, конфигурация которой может быть выбрана местным руководством произвольно, вплоть до объединения из нескольких глобальных сетей. Адрес каждой машины в Internet представляет собой строку из 2 бит (рис 3), состоящую из двух частей: первая задает домен, в котором находится машина, а вторая определяет конкретную машину внутри домена. Часть адреса, определяющая домен, называется сетевым идентификатором и присваивается домену организацией InterNIC (Internet Network Information Center — Центр сетевой информации Internet) в процессе создания домена, при регистрации его в InterNIC. Именно эта процедура регистрации гарантирует, что каждый домен в Internet будет иметь уникальный сетевой идентификатор. Часть адреса, определяющая конкретную машину в домене, называется адресом узла. (Термин узел (host) часто используется по отношению к машине в сети с Цель лекциию подчеркнуть ее роль как пункта назначения для запросов, поступающих от других машин.) Адрес узла устанавливается локальной администрацией домена; обычно это администратор сети или системный администратор. Например, сетевой идентификатор Тамбовского государственного технического университета — 195.19.104. Сетевые идентификаторы традиционно записывают в десятичной нотации с точками. Машина в этом домене будет иметь адрес, подобный следующему: 192.207.177.14. Последний байт здесь является адресом узла.

Рисунок 3 – Структура Internet-адреса машины

Представление адресов в битовой форме неудобно для нашего восприятия. Поэтому организация InterNIC присваивает каждому домену также уникальный мнемонический адрес, называемый именем домена. Каждый локальный администратор имеет право расширить это имя домена, чтобы получить мнемоническое имя для машины внутри домена. Например, имя домена Тамбовского государственного технического университета — tstu.ru. Отдельная машина в этом домене может иметь мнемоническое имя www.tstu.ru.

Нотация с точками, используемая в мнемоническом адресе, никак не связана с десятичной нотацией с точками, используемой для представления адресов в битовой форме. Напротив, элементы мнемонического адреса определяют местонахождение машины внутри иерархической системы классификации. В частности, адрес www.tstu.ru определяет машину, которой присвоено имя www в пределах организации tstu, входящий в российский домен ru. Если домен очень большой, локальная администрация может разделить его на поддомены, и тогда мнемонические адреса машин внутри домена станут длиннее. Например, пусть домену университета присвоено имя tstu.ru и пусть принято решение о разделении его на поддомены. Тогда адрес машины в университете может иметь вид ftp.is.tstu.ru; это означает, что машина с сетевым именем ftp находится в поддомене is домена tstu, входящий в домен России ru.

Локальная администрация каждого домена ответственна за ведение каталога, содержащего мнемонические адреса и соответствующие цифровые Internet-адреса машин данного домена. Каталог поддерживается на специально выделенной для этих целей машине данного домена, которая играет роль сервера, именуемого сервером доменных имен (domain name server - DNS). Назначение этого сервера состоит в предоставлении ответов на запросы, касающиеся адресов. Все серверы имён образуют распределённую в Internet систему каталогов, предназначенную для перевода адресов из мнемонической в эквивалентную цифровую форму. В частности, если пользователь хочет послать сообщение, причем адрес места назначения указан им в мнемонической форме, система серверов имен используется для перевода этого адреса в эквивалентную последовательность битов, совместимую с программным обеспечением Internet. Обычно эта задача выполняется за доли секунды.

Если организация принимает решение подключиться к Internet, она может стать частью уже существующего домена или найти в Internet точку, к которой можно будет подсоединить маршрутизатор и создать собственный домен. Преимущество создания нового домена состоит в том, что организация сама контролирует свое поведение, а не подчиняется администрации другой организации. Чтобы создать новый домен, организация должна зарегистрироваться в InterNIC и получить собственный сетевой идентификатор и имя домена.

Сетевые ресурсы и службы Internet. Соединенные в сеть компьютеры получают возможность совместно использовать периферийное оборудование (принтеры, плоттеры, дисководы, стримеры, сканеры, факс-модемы) и обмениваться информацией предоставляя информационные ресурсы (каталоги, файлы, базы данных) и т.д.

Совместное использование ресурсов обеспечивает существенную экономию средств и времени. Однако в отличие от отдельного компьютера, где все ресурсы контролируются и предоставляются операционной системой, в Internet используются сетевые сервисы (службы), которые обеспечивают доступ пользователя и/или процесса к определенному ресурсу сети Интернет. В простейшем понимании сетевая служба – это пара программ (клиент и сервер), взаимодействующих между собой согласно определенным правилам (протоколам) (рис. 4). Соответственно, когда речь идет о работе служб Интернет, то имеется в виду взаимодействие серверного оборудования и его программного обеспечения, клиентского оборудования и его программного обеспечения.

Рисунок 4 - Взаимодействие серверного оборудования и его программного обеспечения с клиентским оборудования и его программным обеспечением

Таким образом, чтобы воспользоваться какой-либо из служб, необходимо установить на компьютере клиентскую программу, и подключить ее к серверной программе.

Например, суперсеть Internet в настоящее время является средством публикации мультимедиа-документов, содержащих гипертекст (hypertext), т.е. текст со словами, фразами и графическими изображениями, связанными с другими документами. Читатель такого текста может при необходимости получить доступ к связанным с ним документам. Для этого ему достаточно просто указать на соответствующую ссылку и щелкнуть мышью или выбрать эту ссылку с помощью клавиш со стрелками. Предположим, что в гипертекстовом документе есть следующее предложение: "Исполнение симфоническим оркестром "Болеро" Мориса Равеля было просто выдающимся", причем имя Морис Равель связано с другим документом, возможно, содержащим информацию об этом композиторе. Пользователь может просмотреть этот материал, поместив на имя Морис Равель указатель мыши и нажав кнопку мыши. Более того, если установлены соответствующие ссылки, читатель сможет прослушать аудиозапись указанного произведения, выбрав слово Болеро.

Таким способом читатель гипертекстового документа может изучать связанные с ним документы или следовать развитию мысли, переходя от документа к Документу. По мере того как возрастает количество документов, связанных ссылками с другими документами, образуется некое подобие паутины из взаимосвязанной информации. В компьютерной сети документы, образующие эту информационную паутину, могут находиться на различных машинах, охватывая ссылками всю сеть. Подобная информационная паутина, развернутая в Internet, охватывает весь земной шар, и поэтому получила название всемирной паутины (World Wide Web, WWW, или просто Web).

Пакеты программ, помогающие пользователям работать с гипертекстовыми документами, относятся к одной из двух категорий: программы, исполняющие роль клиента, и программы-серверы (рис 5). Программа-клиент выполняется на машине пользователя и имеет своей Цель лекциию получение запрошенных пользователем материалов и представление их в подобающем виде. Именно программа-клиент предоставляет пользователю интерфейс, позволяющий этому пользователю получать доступ и просматривать информацию, размещенную в Web. Поэтому такую программу клиент часто называют броузером (browser), или Web-броузером. Сервер гипертекста функционирует на машине, содержащей те документы, к которым запрошен доступ. Задача сервера — предоставить доступ к размещенным на его машине документам (Web-сайту) в соответствии с запросами, поступающими от клиентов. Короче говоря, пользователь получает доступ к гипертекстовым документам, пользуясь услугами функционирующего на его машине броузера, а этот броузер выполняет требования пользователя, обращаясь с запросами к службам гипертекстовых серверов, размещенных в Internet.

Рисунок 5 - Получение доступа к Web-документам

Набор доступных на сегодняшний день броузеров включает разнообразные продукты конкурирующих фирм. Эти программы способны работать с документами, включающими звукозаписи, фотографии и видеозаписи. Такие документы иногда называют гипермедиа, чтобы подчеркнуть их отличие от традиционного гипертекста.

Для создания гипертекста необходимо иметь средства установки ссылок между документами. Для этих целей каждый документ идентифицируется уникальным адресом, который называется URL-адресом (Uniform Resource Locator —унифицированный указатель ресурса). Содержащаяся в URL информация позволяет броузеру связаться с соответствующим сервером и запросить требуемый документ. Типичный URL-адрес имеет вид: http://www.is.tstu.ru/is/inph/index.html. Здесь http – протокол для доступа к документу, www.is.tstu.ru – мнемоническое имя узла, на котором находится документ, /is/inph/ - путь к каталогу, определяющий местонахождение документа внутри файловой системы узла, index.html – имя документа. Иногда URL-адрес не указывает явным образом на конкретный документ, а состоит лишь из имени используемого протокола и мнемонического имени машины. В подобных случаях сервер этой машины возвращает определенный документ (обычно называемый основной страницей (home page)), кратко описывающий информацию доступную на этой машине. Такие сокращенные URL-адреса являются средством установления контакта с организациями. Например, URL-адрес http://www.tstu.ru указывает на основную страницу Тамбовского государственного технического университета, содержащую ссылки на многие документы, связанные с этим университетом и образовательные учреждения Тамбова.

Гипертекстовый документ похож на традиционный текстовый тем, что его содержание также символ за символом закодировано с использованием таблицы символов стандарта ASCII или Unicode. Различие же состоит в том, что гипертекстовый документ дополнительно содержит специальные маркеры, подробно описывающие, как этот документ должен выглядеть на экране компьютера и какие элементы этого документа должны быть связаны с другими документами. Данная система маркеров получила название языка разметки гипертекстов HTML (Hyper Text Markup Language). Таким образом, при создании Web страницы автор помещает в нее информацию, необходимую броузеру клиента для выполнения его задач, записывая ее на языке HTML.

В целом работа других служб аналогична, однако для них применяются соответствующие протоколы и сетевое программное обеспечение (см. табл.1). Например, сервис электронной почты обеспечивает направленную передачу сообщений от одного человека к другому. Чтобы воспользоваться электронной почтой, необходимо соблюсти протоколы отправки и принятия сообщений и иметь программу (почтовый клиент) и установить связь с почтовым сервером. Электронная почта использует протоколы SMPT и POP3.

Таблица 1

Служба	Протокол	Программа сервер	Программа клиент
Web-служба (World Wide Web)	HTTP	Web-сервер	Браузер
Электронная почта (E-mail)	POP3, SNTP	Почтовый сервер	Почтовый клиент
Служба новостей (телеконференции Usenet)	NNTP	Сервер новостей	Клиент службы новостей
Служба передачи файлов (FTP-служба)	FTP	Ftp-сервер	Ftp-клиент

В отличие от электронной почты служба новостей предоставляет ненаправленную передачу сообщений от одного человека всем, кто пожелает с этим сообщением познакомиться. Обмен сообщениями между клиентом службы новостей и сервером новостей обеспечивается с использованием протокола NNTP.

Для передачи файлов через Интернет используется FTP-служба получившая название по одноименному протоколу. Соответственно, чтобы получить файл, необходимо иметь на компьютере программу, являющуюся ftp-клиентом и установить на компьютере связь с ftp-сервером, предоставляющим доступ к своему файловому архиву. Для обмена файлами используется FTP протокол.