Компьютерные сети и сетевые технологии
1 Белорусский государственный экономический университет Курс лекцийКомпьютерные сети и сетевые технологииО.А. СосновскийМинск 2003 Лекция 1. Общие понятия компьютерных сетей 1. История развития компьютерных сетей Компьютерные сети являются логическим результатом эволюции развития компьютерных технологий. Постоянно возрастающие потребности пользователей в вычислительных ресурсах обуславливали попытки специалистов компьютерных технологий объединить в единую систему отдельные компьютеры. В начале 60- х годов двадцатого столетия начали развиваться интерактивные (с вмешательством пользователя в протекание вычислительного процесса) многотерминальные системы разделения времени. В таких системах мощный центральный компьютер (мэйнфрейм) отдавался в распоряжение нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал (монитор с клавиатурой без системного блока), с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Компьютер по очереди обрабатывал программы и данные, поступающие с каждого терминала. Поскольку время реакции компьютера на запрос каждого терминала было достаточно мало, то пользователи практически не замечали параллельную работу нескольких терминалов и у пользователей создавалась иллюзия монопольного пользования компьютером. Терминалы, как правило, рассредоточивались по всему предприятию и функции ввода- вывода информации были распределенными, но обработка информации проводилась только центральным компьютером. Такие многотерминальные централизованные системы внешне напоминали локальные вычислительные сети, до создания которых в действительности нужно было пройти еще большой путь. Сдерживающим фактором для развития компьютерных сетей был в первую очередь экономический фактор. Из- за высокой в то время стоимости компьютеров предприятия не могли позволить себе роскошь купить несколько компьютеров, а значит и объединять в вычислительную сеть было нечего. Развитие компьютерных сетей началось с решение более простой задачи- доступ к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы в этом случае соединялись с компьютером через телефонные сети с помощью специальных устройств модемов. Следующим этапом в развитии компьютерных сетей стали соединения через модем не только «терминал - компьютер», но и «компьютер- компьютер». Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что является базовым механизмом любой компьютерной сети. Тогда впервые появились в сети возможности обмена файлами, синхронизация баз данных, использования электронной почты, т.е. те службы, являющимися в настоящее время традиционными сетевыми сервисами. Такие компьютерные сети получили название глобальных компьютерных сетей. Исторически первые компьютерные сети были созданы агентством ARPA по заданию военного ведомства США. В 1964 году была разработана концепция и архитектура первой в мире компьютерной сети ARPANET, в 1967 впервые было введено понятие протокола компьютерной сети. В сентябре 1969 года произошла передача первого компьютерного сообщения между компьютерными узлами Колифорнийского и Стенфордского университетов. В 1977 году сеть ARPANET насчитывала уже 111 узлов, а в 1983 - 4000. Сеть ARPANET прекратила свое существование в 1989 году, не выдержав конкуренцию с набирающей силу сетью Интернет. В начале 70- х годов двадцатого столетия, благодаря развитию микроэлектроники, были созданы мини- компьютеры, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймам. Несколько десятков мини- компьютеров выполняли задачи быстрее одного мэйнфрейма, но при этом все вместе стоили дешевле. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини- компьютеры стали широко использоваться в управлении технологическими процессами, складами, в бухгалтерском учете и т.д. В результате шел интенсивный процесс распределения вычислительных ресурсов по всему предприятию, что, однако, через некоторое время привело к необходимости обратного объединения всех вычислительных ресурсов в одну систему. Теперь это объединение происходило уже не базе одного компьютера, а путем подключения к сети отдельных распределенных компьютеров. Такие компьютерные сети стали называться локальными компьютерными сетями. На начальном этапе создания локальных компьютерных сетей для объединения компьютеров использовались самые разнообразные не стандартизованные устройства и программное обеспечение. Создание сети в это время требовало от разработчиков больших изобретательности и усилий. В середине 80- х годов положение дел в локальных компьютерных сетях стало кардинально меняться в сторону создания стандартных технологий объединения компьютеров в единую сеть. Были разработаны специальные методы и правила обмена информацией между компьютерами, среди которых наиболее известными стали стандарты Ethernet, Toking Ring, FDDI, Arcnet. В указанных стандартах были строго регламентированы длина, вид и порядок следования кодов, посылаемых компьютерами в сеть, правила доступа к сети отдельными компьютерами и т.д. Кроме этого в это время интенсивно начали использоваться стандартные персональные компьютеры, которые очень быстро вытеснили мини- компьютеры и мэйнфреймы. Разработанные стандартные сетевые технологии, а так же использование персональных компьютеров значительно упростили процесс создания компьютерных сетей. Для создания сети достаточно стало приобрести специальные сетевые платы (сетевые адаптеры) соответствующего стандарта, например, Ethernet, стандартный кабель со стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare. Присоединение каждого нового компьютера к сети не стало вызывать больших трудностей. Появление локальных компьютерных сетей внесло много нового в использование вычислительной техники. Появилась возможность быстрого доступа к разделяемым вычислительным ресурсам, к базе данных сразу несколькими пользователями, причем пользователь использовал на своем сетевом компьютере те же знакомые команды, как и при работе с отдельным компьютером. Задачу обработки этих команд и распределения задач между отдельными компьютерами взяла на себя сетевая операционная система. В настоящее время разделение компьютерных сетей на глобальные и локальные происходит в первую очередь по признаку их территориального размещения, по механизму установления связей между компьютерами и скорости передачи данных. 2. Глобальные и локальные сетиГлобальные сети (WAN, Wide Area Networks) позволяют организовать взаимодействие между компьютерами на больших расстояниях. Эти сети работают на относительно низких скоростях и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Протяженность глобальных сетей может составлять тысячи километров и они интегрированы с сетями масштаба страны. Локальные сети (LAN, Local Area Networks) обеспечивают наивысшую скорость обмена информацией между компьютерами и типичная локальная сеть занимает пространство в одно или несколько зданий. Протяженность локальных компьютерных сетей составляет всего лишь несколько километров.Сравнительно недавно появились городские сети или сети мегополисов (MAN, Metropolitan Area Networks). Такие сети предназначены для обслуживания территории крупного города - мегаполиса. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для разделения ресурсов на коротких расстояниях и на больших скоростях (до 100 Мбит), а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях и с низкой скоростью (56 и 64 Кбит/с и только на магистралях до 2 Мбит/с), то городские сети занимают промежуточное положение: имеют скорость до 45 Мбит/с и связывают локальные сети в масштабах города с возможностью выхода в глобальные сети.Механизмы передачи данных в глобальных и локальных сетях существенно отличаются. Глобальные сети ориентированы на соединение, т.е. еще до начала передачи данных между компьютерами сети устанавливается соединение, которое подтверждается обменом компьютеров между собой специальными сигналами (кодами). В локальных сетях, как правило, используются методы, не требующие предварительной установки соединения - данные просто передаются в канал связи без подтверждения готовности их принять. В локальных сетях каждый компьютер имеет сетевой адаптер, который достаточно просто соединяет его с каналом передачи. Глобальные сети содержат активные коммутирующие устройства, мощные маршрутизаторы для распределения сообщений и соответствующие развитые службы по обслуживанию сетевого оборудования. Среди глобальных компьютерных сетей в настоящее время наиболее популярной является сеть Internet, которую более подробно рассмотрим ниже. 3. Топология компьютерных сетейПри построении компьютерных сетей важным является выбор физической организации связей между отдельными компьютерами, т.е. топологии сети. При выборе топологии сети, наряду с чисто техническими проблемами передачи электрических сигналов, приходится решать и задачи экономного использования линий связи (1 км оптического волокна, например, стоит несколько тысяч долларов). Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер связан со всеми остальными.Полносвязная топология является громоздкой и малоэффективной, т.к. для каждой пары компьютеров выделяется отдельная электрическая линия связи и требуется большое количество коммутационных портов. Чаще всего этот вид топологии используется в глобальных сетях при небольших количествах компьютеров.Топология общая шина является достаточно распространенной топологией для локальных сетей (Рис. 1б). В этом случае компьютеры подключаются к одному общему кабелю (шине), по которому и происходит обмен информацией между компьютерами. Основными преимуществами общей шины являются дешевизна и простота разводки кабеля по отдельным помещениям. Серьезными недостатками такой топологии является низкая надежность, т.к любой дефект общего кабеля полностью парализует всю сеть, а так же невысокая производительность, поскольку в любой момент только один компьютер может передавать данные в сеть. Топология звезда (Рис. 1в) предусматривает подключение каждого компьютера отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. Концентратор служит для перенаправления передаваемой информации к одному или всем остальным компьютерам сети. По сравнению с общей шиной эта топология имеет более высокую надежность, т.к. неполадки с кабелем касаются лишь одного компьютера и только неисправность концентратора выводит из строя всю сеть. К недостатком топологии звезда можно отнести ее высокую стоимость ввиду необходимости установки дополнительного оборудования (концентратора). Кроме этого концентратор имеет ограниченное количество портов для подключения компьютеров. Поэтому для сетей с большим количеством компьютеров используется подключение нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда. В настоящее время иерархическая звезда является самой распространенной топологией как в локальных, так и в глобальных компьютерных сетях.В сетях с кольцевой топологией (Рис.1г) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он их принимает. В сетях с кольцевой топологией всегда принимаются меры для обеспечения работоспособности сети при выходе из строя одного из компьютеров. Такие сети строятся всегда, если требуется контроль предаваемой информации, т.к. данные сделав полный оборот возвращаются к компьютеру- источнику. Отметим, что по описанным типовым топологиям строятся, как правило, небольшие сети. Для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами, где можно, однако, выделить описанные выше топологии. Такие сети называются сетями со смешанной топологией. 4. Стандартизация компьютерных сетей. Понятия интерфейса, протокола и стекаПо своей сущности компьютерная сети является совокупностью компьютеров и сетевого оборудования, соединенных каналами связи. Поскольку компьютеры и сетевое оборудование могут быть разных производителей, то возникает проблема их совместимости. Без принятия всеми производителя общепринятых правил построения оборудования создание компьютерной сети было бы невозможно. Поэтому разработка и создание компьютерных сетей может происходить только в рамках утвержденных стандартов.В основу стандартизации компьютерных сетей положен принцип декомпозиции, т.е. разделения сложных задач на отдельные более простые подзадачи. Каждая подзадача имеет четко определенные функции и строго установленные связи между подзадачами. При более внимательном рассмотрении работы компьютера в сети можно выделить две основные подзадачи: взаимодействие программного обеспечения пользователя с физическим каналом связи (посредством сетевой карты) в пределах одного компьютера взаимодействие компьютера через канал связи с другим компьютером Современное программное обеспечение компьютера имеет многоуровневую модульную структуру, т.е. программный код, написанный программистом и видимый на экране монитора (модуль верхнего уровня), проходит несколько уровней обработки, прежде чем превратится в электрический сигнал (модуль нижнего уровня), передаваемый в канал связи.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17
|
