Аверянов Основы современной информатики 2007

Принято считать 1969 г. началом истории Internet, когда в США была создана сеть компьютеров ARPANET. Аналогично большинству современных технологий Internet начинался как военная программа, рожденная в недрах Министерства обороны США. Первоначальные замыслы по созданию компьютерных сетей абсолютно не предполагали современную глобализацию. Основная задача, которая решалась на начальном этапе, связана с системами раннего оповещения – средство обеспечения правительственной связи на случай ядерной войны. Решение этой задачи было возложено на Агентство передовых исследовательских проектов (Advanced Research Projects Agency – ARPA) Министерства обороны США.

Чрезвычайно плодотворные идеи, заложенные и впоследствии реализованные в проекте, явились следствием популярности этих сетей. Принципиальным при разработке сети считалось то, что сеть не должна быть централизованной, состоять из отдельных сегментов (tatters – лохмотья), каждый узел сети является независимым от остальных узлов и самостоятельно отвечает за прием и передачу сообщений. В основу информационного обмена был положен принцип коммутации пакетов. В работу над созданием проекта были включены ведущие университеты США (МТИ, КАЛТЕХ и др.). В 1969 г. в ARPA было принято решение объединить суперкомпьютеры оборонных и научных управляющих центров США в единую сеть под названием ARPANET. В 1969 г. эта сеть объединяла четыре компьютера, в 1971 г. – 14, в 1973 г. – 30. Затем процесс приобрел лавинообразный характер. Соразработчиками и узлами создаваемой коммуникационной инфраструктуры стали: Национальный научный фонд (NSF), Министерство энергетики (DOE), Министерство обороны (DOD), Агентство здравоохранения (HHS), Национальное аэрокосмическое агентство (NASA). С 1989 г. объединение этих сетей и принято называть Internet (Arpanet к этому времени вышел из этого объединения). К настоящему времени узлы Internet существуют на всех континентах, точную цифру узлов сетей назвать очень сложно, так как она постоянно изменяется. Европейская часть Internet носит название EUnet. Среди Российских сетей, крупнейшей является Relcom – Reliable Communications (на-

дежные коммуникации) – полное название EUnet/Relcom. Достаточно популярны также следующие сети:

141

Sowam Teleport – коммерческая сеть, ориентированная исключительно на коммерческие организации;

FREEnet (The Network For Research Education and Engineering) –

некоммерческая сеть, созданная для объединения сетей исследовательских организаций;

RADIO-MSU – тоже некоммерческая сеть, объединяющая физические центры академии наук;

Runet – сеть российских университетов.

GLASNET – неправительственная, некоммерческая сеть, спонсируемая США.

Количество сетей в России увеличивается. Одна из характерных особенностей сетей Internet та, что впервые был технически реализован принцип коммутации пакетов, весьма удачно разработаны в 1982 г. протоколы TCP/IP и их интеграция с операционной систе-

мой UNIX.

Несколько слов о протоколах в сетях Internet. Хотя стек протоколов Internet, изображенный на рис. 4.11, не полностью соответствует эталонной модели, расхождения с ней не очень велики.

Message

Application

Packet

Transport

Datagram

Internet

Frame

Network interface

Hardware

Рис. 4.11. Стек протоколов Internet

142

Здесь следует отметить, что существует два вида стандартов – промышленные стандарты (например, те, которые разрабатывает ISO) и стандарты de facto, к которым можно отнести ряд стандартов ГBC Internet.

Первый уровень Hardware соответствует физическому уровню эталонной модели и так же, как и второй уровень Network interface, соответствующий канальному уровню, ответственному за методы доступа к каналу и логику передачи физической среды (упаковывая пакеты в формат, именуемый кадрами, – FRAME), не является характерным протоколом Internet. Основными протоколами являются протоколы TCP/IP третьего и четвертого уровней. Internet протокол (IP), обеспечивающий адресацию и маршрутизацию пакетов (Datagram), соответствует сетевому уровню эталонной модели. Он не гарантирует сохранение порядка и целостности потока пакетов и не различает логические объекты (процессы), порождающие поток информации.

Следующий уровень стека протоколов Transport, или TCP, включает в себя два протокола, также относящихся к основным протоколам Internet, не зависимым от физического канала переда-

чи. Это протокол TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей, и протокол UDP (User Datagram Protocol) – дейтаграммный протокол передачи данных. Этот уровень соответствует двум уровням эталонной модели: транспортному и сеансовому. Протокол TCP, или протокол с установлением соединения, работает в режиме виртуального канала связи (разбивает сообщение на пакеты при передаче, собирает их в правильном порядке на приеме и отвечает за целостность потока данных) и обеспечивает правила проведения сеанса связи. Протокол UDP работает в дейтаграммном режиме, не контролируя порядок доставки пакетов и их целостность, но в отличие от IP способен различать приложения (которых на одном узле может быть несколько) и передавать информацию к нужным приложениям.

Верхний уровень стека протоколов Internet – протоколы приложений (Application), которые передают транспортному уровню сообщения (Message) в необходимом формате. Протоколы Application включают в себя представительный и прикладной уровни эталонной модели.

143

Таким образом, основу протоколов Internet составляют протокол сетевого уровня IP и протоколы транспортного уровня TCP и UDP, выбор которых связан с видом приложений и типом используемого канала связи.

Учитывая, что Internet объединяет десятки, а то и сотни миллионов компьютеров, выбор способов адресации является актуальной задачей, определяющей эффективность работы сети. IP-адрес – последовательность, состоящая из четырех байтов. Принято каждый байт этой последовательности записывать в виде десятичного числа, разделенного точками, например:

192.171.153.60

Каждое место подсоединения к сетевому интерфейсу имеет свой IP-адрес. Адрес состоит из двух частей: адреса сети и адреса хоста. Под хостом понимают любой компьютер или другое устройство (принтер, терминал и т.п.), включенные в сеть. Существует пять классов IP-адресов, рис. 4.12 (ID – Identification Data – идентифика-

тор сети-хоста).

Разбивка сетей на классы А, В, С связана с разделением их по масштабности (глобальности). Количество сетей и хостов в каждом

144

классе адресации представлено в табл. 4.1. При разработке IP адресов предполагалось, что эти классы будут использоваться по различному назначению.

Классы D и Е зарезервированы под специальные нужды. Учитывая, что самые мелкие сети (класс С) имеют возможное количество узлов 254, а в реальных физических сетях их бывает значительно меньше (например, сегмент тонкого Ethernet допускает только 32 узла), важным элементом адресного пространства Internet являются подсети. Схема разбиения адресного пространства сети на подсети представлена на рис. 4.13. Из этого рисунка видно, что один и тот же узел имеет два адреса, соответствующие адресам подсети (каждый интерфейс имеет свой адрес), которые он объединяет. Для адресации подсетей используется часть IP-адресов, закрепленная за номерами хостов.

Числовая адресация удобна для машинной обработки таблиц маршрутов, но она очень неудобна для использования человеком. Эта проблема, а также проблема эффективного распределения огромного количества адресов в Internet решается с помощью домен-

ной системы имен (DNS – Domain Name System), имеющей иерар-

хическую структуру. Каждому хосту присваивается символьное имя, отражающее наиболее характерные его черты.

145

Полный адрес формируется справа налево добавлением имен вложенных доменов, разделенных точкой. Для отображения доменных имен на адреса IP существует распределенная база данных DNS, используя которую узлы могут преобразовывать доменные адреса в численные адреса IP. При этом каждый узел хранит только часть этой базы, определяющей адреса нижнего иерархического уровня. Этим и обеспечивается эффективность поиска.

При создании Internet в сети было определено несколько доменов верхнего уровня, разделяющих доменные адреса по их принадлежности к различным организациям:

gov – правительственные организации; com – коммерческие организации; org – некоммерческие организации;

edu – исследовательские организации и университеты; net – организации, занимающиеся сетевыми технологиями.

После выхода сети за пределы США в ней появились домены более высокого уровня, принадлежащие различным странам. Представим некоторые из них:

au – Австрия; fr – Франция; de – Германия; ie – Ирландия; il – Израиль; it – Италия;

nz – Новая Зеландия;

ru – Российская Федерация; us – США.

Когда говорят об использовании Internet, речь идет об использовании прикладных программ, поддерживаемых различными прикладными протоколами. Можно выделить две группы таких программ: к первым относятся телекоммуникационные программы, входящие в состав основных операционных систем (ОС) больших и малых компьютеров.

К таким приложениям ОС можно отнести следующие:

Telnet, или эмуляция терминала, обеспечивает подключение вашего терминала к удаленному компьютеру и использование его ресурсов;

147

FTP (File Transfer Protocol) обеспечивает прием и передачу файлов между компьютерами (протокол FTP также предоставляет серверу средства для идентификации клиента, хотя существует очень большое количество FTP-серверов с анонимным доступом для всех желающих);

E-mail – электронная почта, является одним из самых ранних и наиболее популярных применений Internet (существует очень большое количество почтовых программ с различными интерфейсами и функциональными возможностями).

Появление Internet привело к появлению множества новых приложений, связанных, прежде всего, с распределением информационных ресурсов этой глобальной сети. Среди распределенных ин- формационно-поисковых систем, кроме традиционных, построенных на принципе иерархических каталогов американских систем Gopher и WAIS, следует особо отметить разработанную в 1989 г. сотрудником CERN* Тимом Бернс Ли так называемую всемирную паутину – поисковую информационную систему всемирной распределенной базы данных – распределенную гипертекстовую информационную систему World Wide Web (WWW). Области распространения этой системы стремительно расширяются. Разработана развитая система инструментальных средств подготовки гипертекстовой информации. Существует большое количество программ (броузеров) с различными интеллектуальными возможностями для чтения гипертекстовой информации.

В заключение следует отметить, что Internet – не единственная ГВС такого типа.

Довольно широкое распространение получила ГВС BITNET (Because It's time NET-work), объединяющая более 1500 организа-

ций из 52 стран. Европейская часть этой сети называется EARN (European Academic Research Network). Сеть построена на основе стандарта IBM – NJE (Network Job Entry), используемого в операционной системе мейнфреймов IBM – MVS. Одним из наиболее популярных ресурсов BITNET является система почтовых списков LISTSERV. В Internet имеются шлюзы для доступа к этим спискам.

* CERN (Conceil Europeenpourla Recherche Nucleaire) – Европейская организа-

ция по ядерным исследованиям.

148

4.6. Локальные вычислительные сети, разновидности протоколов канального уровня, технические средства, используемые ЛВС

Локальные вычислительные сети (ЛВС) начали использоваться с середины 70-х годов в результате падения цен на электронные компоненты, расширения возможностей терминальных устройств, появления интеллектуальных терминалов, а затем и персональных компьютеров. В результате количество различного оборудования, установленного в учреждениях, школах, университетах, заводах и т.п., возросло. Обладатели дешевых компьютеров начали поиски технически дешевых методов их соединения между собой. Это связано с применениями, требующими оперативного использования центрального банка данных (в сбербанках, бухгалтериях, учебных классах и т.п.), коллективным использованием дорогостоящей периферии, такой, как накопители большей емкости, высококачественная печать (лазерные принтеры) и многого другого.

Средства связи, применяемые в глобальных вычислительных сетях, нецелесообразно использовать в данном случае из-за высокой стоимости абонируемых каналов и низкой скорости передачи. В рамках стандартов эта скорость находится в пределах 110 – 9600 бод.

В то время, как глобальные сети могут быть общедоступными или частными, локальные сети, как правило, принадлежат той же организации, которая соединяет ими свое оборудование. Цель разработчиков ЛВС заключается в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в одном здании. Для упрощения, а соответственно удешевления аппаратных и программных средств разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании для всех компьютеров единой разделяемой среды (Shared media), используемой компьютерами в режи-

ме разделения времени (TDM – Time Division Multiplexing).

При использовании в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина, кольцо) наряду с положительными имели место и отрицательные последствия, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого

149

всеми узлами сети, ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (которая делится, в среднем, на число компьютеров в сети), а надежность сети – надежностью этого пути. Поэтому по мере роста популярности локальных сетей и расширения сферы их применения наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, в которых конечные узлы присоединяются к индивидуальным линиям связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии АТМ, а в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой Switched (ком-

мутируемые), Switched Ethernet, Switched Token Ring обычно ис-

пользуется смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных. Чаще всего конечные узлы соединяются в небольшие разделяемые сегменты с помощью повторителей, а сегменты – друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.

Таким образом, внутри базовых структур по-прежнему работают все те же протоколы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны на начальном этапе появления ЛВС.

Изначально ЛВС имели следующие характерные особенности, отличающие их от ГВС:

работает только на ограниченной территории (как правило, это территория одного здания или рабочего участка, а ее протяженность от нескольких сотен метров до километра);

скорость передачи данных первоначально составляла 1 – 20 Мбит/с, в современных ЛВС она равна 100 – 200 Мбит/с, а в некоторых ЛВС доходит до 103 Мбит/с;

основной передающей средой на начальном этапе являлись витая пара и коаксиальный кабель, а в последнее время все большее распространение получает оптический кабель;

к основным топологиям, используемым в ЛВС (топология в контексте компьютерной сети означает способ соединения друг с другом оконечных систем или станций), относятся шина, кольцо и звезда, а также суперпозиция этих схем в виде дерева и т.п. (рис. 4.15);

использование метода коммутации пакетов при полном отказе (в отличие от ГВС) от коммутации каналов;

оперативность выполнения запросов – время прохождения запросов в ЛВС гораздо меньше ГВС.

150