Локальные компьютерные сети
Сети передачи данных, называемые также вычислительными или компьютерными сетями, являются результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации — компьютерных и телекоммуникационных технологий.
С одной стороны, сети передачи данных представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме.
С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.
Идея компьютера была предложена английским математиком Чарльзом Бэбиджем (Charles Babig) в середине девятнадцатого века. Однако его механическая «аналитическая машина» по-настоящему так и не заработала. Подлинное рождение цифровых вычислительных машин произошло вскоре после окончания второй мировой войны. В середине 40-х годов были созданы первые ламповые вычислительные устройства.
С середины 50-х годов начался следующие период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы — полупроводниковых элементов. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора.
Третий период (1965 — 1980) характеризуется переходом от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам. К этому же периоду относится зарождение первых глобальных сетей для получения доступа удаленных пользователей к ресурсам ЭВМ и эффективного их использования.
Четвертый период (1980 — настоящее время) связан с появлением больших интегральных схем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. С распространением компьютеров появилась потребность в оперативном обмене информацией, что привело к созданию и развитию сетей передачи данных.
Своим рождением компьютерные сети обязаны желанию владельцев ПК совместно использовать данные и иметь обратную связь. Как явствует из названия, компьютерная сеть — это несколько связанных между собой компьютеров. Эти компьютеры могут быть соединены друг с другом при помощи кабелей или проводов, по которым осуществляется передача данных. В последнее время популярны беспроводные сети, использующие для передачи данных радиоволны или инфракрасное излучение. Таким образом, с появлением сетей отпала необходимость бегать с дискетой от компьютера к компьютеру. Всего различают несколько типов сетей (по территориальному принципу):
Локальная вычислительная сеть (LAN) — система, которая объединяет компьютеры, находящиеся в одном или нескольких зданиях; Территориальная (региональная) вычислительная сеть (WAN) -объединение из нескольких локальных вычислительных сетей. Иногда крупную территориальную сеть также называют глобальной вычислительной сетью; Internet — суперсеть, или Сеть сетей. Это название обусловлено тем, что Internet объединяет десятки тысяч компьютерных сетей (частных, коммерческих, академических, правительственных) более чем в 100 странах мира. Когда вы выходите на просторы Internet, вам доступна информация с миллионов компьютеров, подключенных к сети.
Появлением сети мы обязаны компании Rand Corporation и нескольким учебным заведениям — в их числе Массачусетскому технологическому институту (Massachusetts Institute of Technology, MIT) и Калифорнийскому университету в Лос-Анжелесе (University of California at Los Angeles, UCLA), разработавшим новый сетевой протокол. Он должен был обеспечить высокоскоростную связь между двумя компьютерами в сети даже в случае обрыва какого-либо из промежуточных кабелей, выбрав новый доступный маршрут движения информации. Технология получила признание Министерства обороны США (U.S. Department of Defense, DOD), потому что позволяла обеспечить непрерывную связь в условиях кризисных ситуаций. В 1969 году Агентство перспективных исследований Министерства обороны США (DOD Advanced Research Projects Agency, ARPA) приступило к созданию первой сети на основе нового протокола. Первоначально сеть, получившая название ARPANET, объединяла четыре суперкомпьютера, находящиеся на территории США. Далее история возникновения вычислительных сетей продолжается именно с них.
Суперкомпьютер — компьютер, обладающий большой вычислительной мощностью. Наиболее известны суперкомпьютеры CRAY (США). Использование таких машин позволяет выполнять сложные вычисления для прогнозирования погоды, расчета характеристик ядерного оружия либо создания компьютерных спецэффектов. Стоимость суперкомпьютеров редко опускается ниже 60 миллионов американских долларов. Экспорт подобной техники в третьи страны из США запрещен. Наибольшим числом суперкомпьютеров на сегодняшний день обладают Соединенные Штаты Америки.
В ARPANET была применена идея коммутации пакетов, когда любая информация — например, электронное письмо — разбивается на несколько частей (пакетов), которые независимо друг от друга перемещаются различными путями (маршрутами), пока не достигнут места назначения. На месте пакеты собираются в первоначальное письмо. Если какой-то из пакетов не дошел до адресата, передающий компьютер повторяет его отправку. Все это гарантирует целостность получаемого сообщения даже в случае, если часть коммуникационных линий выйдет из строя.
Система ARPANET оказалась очень удобной для обмена информацией. Она позволяла оперативно пересылать электронную почту, и эта особенность системы была использована для того, чтобы связать между собой научных работников. Сеть позволила увеличить производительность труда. На основе ARPANET в 80-х годах формируется новая высокоскоростная сеть NSFNET, созданная Национальным научным фондом США (National Science Foundation, NSF). В это же время правительство США отказывается от использования ARPANET в военных целях. Министерство обороны США было вынуждено создать новую закрытую сеть MILNET. Но тем не менее система ARPANET продолжала служить для объединения исследовательских центров и могла частично обмениваться информацией с военной сетью MILNET. Именно это объединение двух сетей получило название Internet. Когда слово «internet» пишут со строчной буквы, то подразумевают любую совокупность отдельных сетей, работающих совместно.
Мы же рассматриваем Internet, всемирную Сеть сетей, взаимодействующих друг с другом на основе определенных протоколов, которые для простоты так и называют — протоколы Internet.
Internet обеспечивает пересылку файлов, удаленный доступ к информации и сеансы работы с ней, пересылку сообщений электронной почты, поддерживает службу новостей и предоставляет много других услуг. Объединяет более 16 тысяч локальных сетей, 37 миллионов компьютеров и более 80 миллионов пользователей (на момент написания статьи).
В середине 80-х появляется большое количество локальных вычислительных сетей (ЛВС). Большинство из них в то время объединяло ученых — специалистов в определенной области; например, пользователями CSNET (Computer Science Network) были специалисты по вычислительной технике и программированию. С течением времени многие ЛВС были подключены к Internet, что позволило пользователям разных сетей обмениваться информацией между собой.
В 1986 году NSFNET объединяла пять суперкомпьютеров. Именно эта сеть служит базовой для Internet — в ней осуществляется основная работа по передаче сообщений и данных. Физической основой сети являются линии передач — волоконно-оптические, спутниковые и микроволновые.
Но жизнь не стоит на месте, и наряду с NSFNET в других странах также создавались свои компьютерные сети и обеспечивалось их соединение с NSFNET/Internet. Так, в Канаде была создана сеть CA*Net, обслуживающая около 1,5 миллионов человек и имеющая доступ к сети NFSNET. Сегодня региональные сети соединены между собой, образуя систему гораздо более широкую и мощную, чем каждая из ее составляющих. В настоящее время Internet развивается в направлении создания новых опорных сетей. Осенью 1996 года началась разработка проекта lnternet2. В строительстве lnternet2 принимают участие более сорока частных фирм. Новый стандарт Internet базируется на высоко скоростных оптоволоконных магистралях, а так же, на беспроводных сетях, третьего и четвертого поколения (3G и 4G).
История развития глобальных сетей
Около 20 лет назад Министерство Обороны США создало сеть, которая явилась предтечей Internet, - она называлась ARPAnet. ARPAnet была экспериментальной сетью, - она создавалась для поддержки научных исследований в военно-промышленной сфере, - в частности, для исследования методов построения сетей, устойчивых к частичным повреждениям, получаемым, например, при бомбардировке авиацией и способных в таких условиях продолжать нормальное функционирование. Это требование дает ключ к пониманию принципов построения и структуры Internet. В модели ARPAnet всегда была связь между компьютером-источником и компьютером-приемником (станцией назначения). Сеть a priori предполагалась ненадежной: любая часть сети может исчезнуть в любой момент+
На связывающиеся компьютеры - не только на саму сеть - также возложена ответственность обеспечивать налаживание и поддержание связи. Основной принцип состоял в том, что любой компьютер мог связаться как равный с равным с любым другим компьютером.
Передача данных в сети была организована на основе протокола Internet - IP. Протокол IP - это правила и описание работы сети. Этот свод включает правила налаживания и поддержания связи в сети, правила обращения с IP-пакетами и их обработки, описания сетевых пакетов семейства IP (их структура и т.п.). Сеть задумывалась и проектировалась так, чтобы от пользователей не требовалось никакой информации о конкретной структуре сети. Для того, чтобы послать сообщение по сети, компьютер должен поместить данные в некий ``конверт'', называемый, например, IP, указать на этом ``конверте'' конкретный адрес в сети и передать получившиеся в результате этих процедур пакеты в сеть.
Эти решения могут показаться странными, как и предположение о ``ненадежной'' сети, но уже имеющийся опыт показал, что большинство этих решений вполне разумно и верно. Пока Международная Организация по Стандартизации (Organization for International Standartization - ISO) тратила годы, создавая окончательный стандарт для компьютерных сетей, пользователи ждать не желали. Активисты Internet начали устанавливать IP-программное обеспечение на все возможные типы компьютеров. Вскоре это стало единственным приемлемым способом для связи разнородных компьютеров. Такая схема понравилась правительству и университетам, которые проводят политику покупки компьютеров у различных производителей. Каждый покупал тот компьютер, который ему нравился и вправе был ожидать, что сможет работать по сети совместно с другими компьютерами.
Примерно 10 лет спустя после появления ARPAnet появились Локальные Вычислительные Сети (LAN), например,такие как Ethernet и др. Одновременно появились компьютеры, которые стали называть рабочими станциями. На большинстве рабочих станций была установлена Операционная Система UNIX. Эта ОС имела возможность работы в сети с протоколом Internet (IP). В связи с возникновением принципиально новых задач и методов их решения появилась новая потребность: организации желали подключиться к ARPAnet своей локальной сетью. Примерно в то же время появились другие организации, которые начали создавать свои собственные сети, использующие близкие к IP коммуникационные протоколы. Стало ясно, что все только выиграли бы, если бы эти сети могли общаться все вместе, ведь тогда пользователи из одной сети смогли бы связываться с пользователями другой сети.
Одной из важнейших среди этих новых сетей была NSFNET, разработанная по инициативе Национального Научного Фонда (National Science Foundation - NSF), аналога нашего Министерства Науки. В конце 80-х NSF создал пять суперкомпьютерных центров, сделав их доступными для использования в любых научных учреждениях. Было создано всего лишь пять центров потому, что они очень дороги даже для богатой Америки. Именно поэтому их и следовало использовать кооперативно. Возникла проблема связи: требовался способ соединить эти центры и предоставить доступ к ним различным пользователям. Сначала была сделана попытка использовать коммуникации ARPAnet, но это решение потерпело крах, столкнувшись с бюрократией оборонной отрасли и проблемой обеспечения персоналом.
Тогда NSF решил построить свою собственную сеть, основанную на IP технологии ARPAnet. Центры были соединены специальными телефонными линиями с пропускной способностью 56 Kbps (7 KB/s). Однако, было очевидно, что не стоит даже и пытаться соединить все университеты и исследовательские организации непосредственно с центрами, т.к. проложить такое количество кабеля - не только очень дорого, но практически невозможно. Поэтому решено было создавать сети по региональному принципу. В каждой части страны заинтересованные учреждения должны были соединиться со своими ближайшими соседями. Получившиеся цепочки подсоединялись к суперкомпьютеру в одной из своих точек, таким образом суперкомпьютерные центры были соединены вместе. В такой топологии любой компьютер мог связаться с любым другим, передавая сообщения через соседей.
Это решение было успешным, но настала пора, когда сеть уже более не справлялась с возросшими потребностями. Совместное использование суперкомпьютеров позволяло подключенным общинам использовать и множество других вещей, не относящихся к суперкомпьютерам. Неожиданно университеты, школы и другие организации осознали, что заимели под рукой море данных и мир пользователей. Поток сообщений в сети (трафик) нарастал все быстрее и быстрее пока, в конце концов, не перегрузил управляющие сетью компьютеры и связывающие их телефонные линии. В 1987 г. контракт на управление и развитие сети был передан компании Merit Network Inc., которая занималась образовательной сетью Мичигана совместно с IBM и MCI. Старая физически сеть была заменена более быстрыми (примерно в 20 раз) телефонными линиями. Были заменены на более быстрые и сетевые управляющие машины.
Процесс совершенствования сети идет непрерывно. Однако, большинство этих перестроек происходит незаметно для пользователей. Включив компьютер, вы не увидите объявления о том, что ближайшие полгода Internet не будет доступна из-за модернизации. Возможно даже более важно то, что перегрузка сети и ее усовершенствование создали зрелую и практичную технологию. Проблемы были решены, а идеи развития проверены в деле.
Важно отметить то, что усилия NSF по развитию сети привели к тому, что любой желающий может получить доступ к сети. Прежде Internet была доступна только для исследователей в области информатики, государственным служащим и подрядчикам. NSF способствовал всеобщей доступности Internet по линии образования, вкладывая деньги в подсоединение учебного заведения к сети, только если то, в свою очередь, имело планы распространять доступ далее по округе. Таким образом, каждый студент четырехлетнего колледжа мог стать пользователем Internet.
И потребности продолжают расти. Большинство таких колледжей на Западе уже подсоединено к Internet, предпринимаются попытки подключить к этому процессу средние и начальные школы. Выпускники колледжей прекрасно осведомлены о преимуществах Internet и рассказывают о них своим работодателям. Вся эта деятельность приводит к непрерывному росту сети, к возникновению и решению проблем этого роста, развитию технологий и системы безопасности сети.