Глобальные вычислительные сети

Глобальные вычислительные сети. позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам. Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга.

Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки сотни километров. Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту.

К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км. Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. На рис. 6.4 приведена одна из возможных иерархий вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.

Иерархия компьютерных сетей Компьютерная сеть Internet является наиболее популярной глобальной сетью. В ее состав входит множество свободно соединенных сетей. Внутри каждой сети, входящей в Internet, существуют конкретная структура связи и определенная дисциплина управления.

Внутри Internet структура и методы соединений между различными сетями для конкретного пользователя не имеют никакого значения. Персональные компьютеры, ставшие в настоящее время непременным элементом любой системы управления, привели к буму в области создания локальных вычислительных сетей. Это, в свою очередь, вызвало необходимость в разработке новых информационных технологий. Практика применения персональных компьютеров в различных отраслях науки, техники и производства показала, что наибольшую эффективность от внедрения вычислительной техники обеспечивают не отдельные автономные ПК, а локальные вычислительные сети. 6. Глобальные сети А вот потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела.

Началось все с решения более простой задачи доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов.

Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. На основе этого механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные сети Wide Area Networks, WAN, то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей.

Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях. Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более старых и распространенных глобальных сетей телефонных. Главным результатом создания первых глобальных компьютерных сетей был отказ от принципа коммутации каналов, на протяжении многих десятков лет успешно использовавшегося в телефонных сетях.

Выделяемый на все время сеанса связи составной канал с постоянной скоростью не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями, использующими принцип коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции пакеты, которые самостоятельно перемещаются по сети за счет встраивания адреса конечного узла в заголовок пакета. 6.1 Интернет Интернет перевести этот термин можно как всемирная сеть сравнительно молодая технология.

Ее предшественницей была военная сеть Министерства обороны США ARPANet, начавшая функционировать в начале 70-х годов. Хотя технология, применявшаяся в ARPANet, и послужила основой Интернет, она не обеспечивала главного достоинства Интернет всеобщей доступности.

Этот недостаток исправила появившаяся в начале 80-х годов компьютерная сеть Национального Научного Фонда США NSFNet. NSFNet состояла из нескольких суперкомпьютеров, соединенных между собой высокоскоростными линиями связи. Каждый пользователь поначалу ими были научные центры подключался к ближайшему из этих компьютеров и таким образом получал полноценный доступ ко всем ресурсам сети. Сети, подобные NSFNet, были созданы и в других странах. Все они быстро развивались и в конце 80-х были соединены между собой.

Так в начале 90-х годов и появилась знакомая теперь всем глобальная сеть Интернет. Если говорить о России, то развитие Интернет началось в середине 90-х и в настоящий момент оно идет довольно быстрыми темпами. И в России, и во всем остальном мире Интернет является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности да, именно промышленности и привлекает пристальное внимание инвесторов, крупных и мелких фирм. Структура Internet. Интернет динамично развивающаяся структура, не принадлежащая никакому частному лицу или фирме.

Ее использованием и дальнейшим развитием занимаются тысячи различных организаций. Тем не менее в Интернет поддерживается определенный порядок, и сеть развивается в соответствии с определенными правилами. Интернет представляет собой глобальную компьютерную сеть. Само е название означает между сетей. Это сеть, соединяющая отдельные сети. Логическая структура Интернет представляет собой некое виртуальное объединение, имеющее сво собственное информационное пространства.

Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, которые входят в сети, подключнные к ней. Тип компьютера и используемая им операционная система не имеют. Соединение сетей обладает громадными возможностями. С собственного компьютера любой абонент internet может передавать сообщения в другой город, просматривать каталог библиотеки конгресса в Вашингтоне, знакомиться с картинками на последней выставке в музее Метрополитен в Нью-Йорке, участвовать в конференции IEEE и даже в играх с абонентами сети из разных стран.

Internet предоставляет в распоряжение своих пользователей множество всевозможных ресурсов. Основные ячейки internet локальные вычислительные сети. Это означает, что internet не просто устанавливает связь между отдельными компьютерами, а создат пути соединения для более крупных единиц групп компьютеров. Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к internet, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к internet.

Существуют также компьютеры, самостоятельно подключнные к internet. Они называются хост-компьютерами host-хозяин. Каждый подключнный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света. Схема подключения локальной сети к internet приведена на рисунке Подключение локальной сети к internet Важной особенностью internet является то, что она, объединяя различные сети, не создат при этом никакой иерархии все компьютеры, подключнные к сети, равноправны.

Для иллюстраций возможностей структуры некоторого участка сети internet приведена схема соединения различных сетей. 6.26 Подключение различных сетей к internet. 7. Локальные сети Локальные сети Local Area Networks, LAN это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть может иметь и более протяженные размеры, например в несколько десятков километров.

В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные программно-аппаратные средства. Разнообразные устройства сопряжения, использующие свой собственный способ представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т. п могли соединять только те конкретные модели компьютеров, для которых были разработаны, например, мини-компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компьютеры Наири с компьютерами Днепр. Такая ситуация создала большой простор для творчества студентов названия многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов Устройство сопряжения Различные типы связей в первых локальных сетях В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться.

Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть -Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов.

Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях принцип коммутации пакетов. Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу.

Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например Novell NetWare. После этого сеть начинала работать и последующее присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии. Разработчики локальных сетей привнесли много нового в организацию работы пользователей. Так, намного проще и удобнее стало получать доступ к совместно используемым сетевым ресурсам в отличие от глобальной в локальной сети пользователь освобождается от запоминания сложных идентификаторов разделяемых ресурсов.

Для этих целей система предоставляет ему список ресурсов в удобной для восприятия форме, например в виде древовидной графической структуры дерева ресурсов. Еще один прием, рационализирующий работу пользователя в локальной сети, состоит в том, что после соединения с удаленным ресурсом пользователь получает возможность обращаться к нему с помощью тех же команд, которые он использовал при работе с локальными ресурсами.

Последствием и одновременно движущей силой такого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользователей, освобожденных от необходимости изучать специальные и достаточно сложные команды для сетевой работы. Может возникнуть вопрос почему все эти удобства пользователи получили только с приходом локальных сетей Главным образом, это связано с использованием в локальных сетях качественных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбитс. При небольшой протяженности, свойственной локальным сетям, стоимость таких линий связи была вполне приемлемой.

Поэтому экономное расходование пропускной способности каналов, которое было одной из главных целей технологий ранних глобальных сетей, никогда не выходило на первый план при разработке протоколов локальных сетей.

В таких условиях основным механизмом прозрачного доступа к сетевым ресурсам локальных сетей стали периодические широковещательные объявления серверов о своих ресурсах и услугах. На основании таких объявлений клиентские компьютеры составляли списки имеющихся в сети ресурсов и предоставляли их пользователю. Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet 10 Мбитс, а также Fast Ethernet 100 Мбитс и Gigabit Ethernet 1000 Мбитс. Простые алгоритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet.

Широкий диапазон иерархии скоростей позволяет рационально строить локальную сеть, применяя ту технологию семейства, которая в наибольшей степени отвечает задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к другу по принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию этих сетей. 7.1. Ethernet Ethernet это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей.

Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован еще раньше во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля.

Эту последнюю версию фирменного стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX, или Ethernet П. На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются.

В то время как в стандарте IEEE 802.3 функции протокола разделены на уровни MAC и LLC, в оригинальном стандарте Ethernet они объединены в единый канальный уровень. В Ethernet DIX определяется протокол тестирования конфигурации Ethernet Configuration Test Protocol, который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

Часто для того, чтобы отличить стандарт Ethernet, определенный IEEE, и фирменный стандарт Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным стандартом оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений. В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base- T, 10Base-FL, lOBase-FB. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 разделом 802.3и. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбитс, используется манчестерский код. В более скоростных версиях Ethernet применяются более эффективные в отношении полосы пропускания избыточные логические коды. Все виды стандартов Ethernet в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных метод CSMACD. Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению наиболее важных проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сетевой технологии Ethernet.

Сетевая технология это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов, достаточный для построения вычислительной сети. Эпитет достаточный подчеркивает то обстоятельство, что этот набор представляет собой минимальный набор средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть. Возможно, эту сеть можно улучшить, например, за счет выделения в ней подсетей, что сразу потребует кроме протоколов стандарта Ethernet применения протокола IP, а также специальных коммуникационных устройств маршрутизаторов. Улучшенная сеть будет, скорее всего, более надежной и быстродействующей, но за счет надстроек над средствами технологии Ethernet, которая составляет базис сети. Термин сетевая технология чаще всего используется в описанном выше узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как любого набора средств и правил для построения сети, например технология сквозной маршрутизации, технология создания защищенного канала, технология IP-сетей.

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии в узком смысле, специально разрабатывались для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия.

Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить наряду с Ethernet такие известные технологии локальных сетей, как Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay.

Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных.

В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета.

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой общая шина. С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными.

Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбитс. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet. Сеть Ethernet Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом.

Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды. После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом захватывает среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два или более компьютера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства концентратора.

Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простая логика работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов. Другие базовые сетевые технологии - Token Ring, FDDI, хотя и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время имеют много общих свойств с Ethernet. В первую очередь это применение регулярных фиксированных топологий иерархическая звезда и кольцо, а также разделяемых сред передачи данных.

Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды - случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring. 8.