Аверянов Современная информатика 2011

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;

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

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

ция по ядерным исследованиям.

181

(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.

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 того, что они ориентированы на передачу данных на большие расстояния. Для связи внутри одного здания можно использовать гораздо более дешевые и простые решения.

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 раз-

182

работчиков 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 ре-

жиме 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 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, которыебылиразработаны наначальном 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);

183

скорость передачи данных первоначально составляла 1 – 20 Мбит/с, в современных ЛВС она равна 100 – 200 Мбит/с, а в некоторых ЛВСдоходитдо104 – 105 Мбит/с;

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

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 такжесуперпозицияэтихсхемввидедереваи т.п. (рис. 4.16);

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.

При всем различии ЛВС и ГВС по мере развития этих сильно отличающихся на начальном этапе сетевых технологий происходит явное их сближение, которое уже привело к значительному их взаимопроникновению.

Одним из проявлений этого сближения является появление сетей масштаба большого города (MAN), занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями и имеющих ряд характерных особенностей как тех, так и других.

Появление новых технологий, использование оптической (цифровой) немодулированной передачи данных по оптоволоконным линиям в ГВС значительно повысило их надежность, упростило техническую реализацию, избавило от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности передачи и позволило обеспечить скорости передачи данных, сравнимые и даже превышающие скорости современных ЛВС.

Вто же самое время (как уже отмечалось) локальные сети перенимают у глобальных транспортные технологии. Все новые скоростные ЛВС поддерживают работу по индивидуальным линиям связи наряду с традиционными для ЛВС разделяемыми линиями.

Влокальных сетях также большое внимание уделяется методам защиты информации от несанкционированного доступа. Такое внимание обусловлено тем, что ЛВС перестали быть изолирован-

184

ными, чаще всего они имеют выход в «большой мир» через глобальные связи.

а

г

Рис. 4.16. Варианты топологии локальных вычислительных сетей

И, наконец, появляются технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология АТМ.

185

Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин intranet-технологии (intra – внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних (локальных).

Методы доступа в ЛВС. Методы доступа в ЛВС, входящие в состав протоколов канального уровня, определены рядом стандартов IEEE*. Наибольшее распространение получили ЛВС, использующие технологию Ethernet (802.3), реализованную в 1975 г. фирмой Xerox. Этот метод доступа опробован еще раньше в радиосети Алоха, о которой уже упоминалось.

Взависимости от типа физической среды (и топологии) стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации: 10 Base-5 – «толстый коаксиал»; 10 BASE-2 – «тонкий коаксиал» с шинной топологией; 10 Base-T – неэкранированная витая пара; 10 Base-F – оптоволокно; 100 Base-T, F – витая пара, оптоволокно с топологией «звезда».

При передаче двоичной информации по кабелю различных типов Ethernet обеспечивает пропускную способность 10 Мбит/с в полудуплексном режиме (за исключением 100 Base-T, F).

Принятый в 1995 г. стандарт Fast Ethernet обеспечивает скорость 100 Мбит/с, а принятый в 1998 г. стандарт Gigabit Ethernet предполагает скорости 1000 Мбит/с. Оба работают в дуплексном режиме.

В2002 г. принят стандарт, поддерживающий скорость передачи 10 Гбит/с (104 Мбит), а в 2009 г. предполагается принятие стандарта 40 – 100 Гбит/с (некоторые фирмы уже в 2008 г. начали выпуск оборудования для подобных сетей Ethernet).

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа (разделение среды) CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) – случайный множественный дос-

туп с контролем несущей и разрешением коллизий. Принцип доступа аналогичен сети Алоха: используется один канал (моноканал) для всех станций, хотя в Ethernet в качестве канала служит кабель, который может использоваться всеми в любой момент, когда это

* IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers – Институт инженеров по электротехнике и электронике) – организация, разрабатывающая и публикующая стандарты, непосредственно связанные с физическим уровнем и, в частности, с топологией сетей.

186

потребуется (случайным образом). Так, на рис. 4.17 три станции независимо, случайным образом обращаются к каналу. Но в отличие от простой сети Алоха станция, прежде чем занять канал для передачи своей информации, прослушивает его на предмет занятости. Таким образом, станция 2 занимает канал только после того, как станция 1 его освобождает. Однако при одновременном (или почти одновременном) обращении к каналу двух станций, когда сигнал не успевает распространиться по линии и станции не регистрируют занятости канала, возможно столкновение и искажение пакетов. В этом случае вступает в действие механизм разрешения столкновений (коллизий). Он обнаруживает столкновение и обрывает передачу. Это и представлено на рис. 4.17, где произошла коллизия между станциями 2 и 3. Обе станции ждут в течение короткого случайного интервала времени, а затем повторяют передачу. Этот метод доступа обеспечивает случайное временное уплотнение каналов и имеет очень высокую эффективность их использования.

Рис. 4.17. Метод доступа CSMA/CD

В зависимости от типа спецификации количество рабочих станций в сети лежит в диапазоне от 30 – 10 Base-2 (тонкий Ethernet) до 1024 – 10 Base-Т (неэкранированная витая пара), максимальное расстояние между узлами сети 925 м (10 Base-5, 10 Base-F – толстый коаксиальный или оптический кабель).

Широкое распространение получили также сети с маркерным методом доступа (Token Ring, ArcNet и FDDI). Принципиально они очень близки, так же как и в Ethernet они имеют общую, разде-

187

ляемую среду передачи данных, замкнутую, как правило, в кольцо (за исключением Arc Net) и представляющую общий ресурс. Метод доступа к среде не является случайным (как Ethernet) и основан на передаче станциям права на использование среды передачи в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра (импульса) специального формата, называемого маркером или токеном (token). Среди сетей с подобным методом доступа наиболее распространена разработанная в 1984 г. фирмой IBM технология Token Ring, на ее основе в 1985 г. был принят стандарт 802.5. Принцип работы Token Ring представлен на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Принцип работы ЛВС Token Ring

188

Маркерное кольцо – распространенный вариант локальной сети. Доступом к сети управляет циркулирующая по кольцу последовательность бит, называемая маркером. Чтобы послать сообщение, станция должна сначала дождаться прихода маркера, удалить маркер из кольца, направить в кольцо пакет с адресом (или последовательность пакетов) и в конце снова направить в кольцо маркер. Станции могут удалять адресованные им пакеты, сохраняя в кольце маркер. Показано, как станция А посылает сообщение станции С, которая получает его, а затем посылает сообщение станциям А и D.

В этих сетях скорость передачи достигает 16 Мбит/с, максимальное количество станций – 96, максимальная длина – 120 м.

С середины 90-х годов начался интенсивный переход от ЛВС начального уровня со скоростями 10 – 20 Мбит/с к ЛВС со скоростями 100 Мбит/с и выше. Структура стандартов IEEE 802.x представлена на рис. 4.19.

Первая высокоскоростная сеть на оптическом кабеле FDDI (Fiber Distributed Data Interface) была разработана в 1988 г. Это кольцевая сеть (двойное кольцо) протяженностью 100 км с маркерным методом доступа со скоростью до 100 Мбит/с. По своим размерам такие сети выходят за рамки общепринятых ЛВС, приближаясь к ГВС. На начальном этапе эта сеть не имела широкого распространения ввиду высокой стоимости сетевого оборудования, однако с появлением варианта этой сети на витой паре (CDDI), а также отработкой технологииоптических интерфейсовонаактивно внедряется.

Начиная с середины 90-х годов начался массовый переход традиционных ЛВС на скорости 100 Мбит/с. Это уже упоминавшийся стандарт Fast Ethernet, который по многим параметрам протоколов и технических средств совместим с начальным Ethernet, что облегчает переход к новой сети при сохранении ряда старых компонентов. Конкуренцию этой сети составляла технология 100 VGAnyLAN, которая обеспечивала скорость 100 Мбит/с и поддерживала оба, самых распространенных протокола – Ethernet и Token Ring.

Тем не менее, большая часть локальных сетей поддерживает протокол Ethernet, который к 2008 г., как уже упоминалось ранее, достиг скорости передачи 40 – 100 Гбит/с. Зависимость максимальной длины Gigabit Ethernet от типа передающей среды представлена на рис. 4.20.

189