Эволюция вычислительных систем

Глава 1. Эволюция вычислительных систем

Концепция вычислительных сетей является результатом эволюции компьютерной технологии. Первые компьютеры 50-х годов - большие, громоздкие, а другие - предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, и использовались в режиме пакетной обработки.

1.1 Системы пакетной обработки

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма - мощного и надёжного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день. Таким образом, одна неверно набитая карта означала как минимум суточную загрузку.

Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы гораздо удобней. Но интересам пользователей на первых этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали, поскольку пакетный режим - это самый эффективный режим использования вычислительной мощности, так как он позволяет выполнять в единицу времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины - процессора, в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

1.2 Многотермальные системы - прообраз сети

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в своё распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причём время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей. Разделяя таким образом компьютер, пользователи получили возможность за сравнительно небольшую плату пользоваться преимуществами компьютеризации.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизированной, некоторые функции - такие как ввод и вывод данных - стали распределёнными. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным в сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые, далёкие от вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполняются внутри их дисплея.)

Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Но до появления локальных сетей нужно было пройти ещё большой путь, так как многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределённых систем, всё ещё сохраняли централизованный характер обработки данных. С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время ещё не созрела - в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот период был справедлив так называемый «закон Гроша», который эмпирически отражал уровень технологии того времени. В соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну машину, чем две менее мощных - их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

Глава 2. Глобальные компьютерные сети

Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN), которые также называют территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставить свои сервисы большому количеству конечных абонентов, разбросанных по большой территории - в пределах области, страны, континента или всего земного шара. Ввиду большой протяжённости каналов связи построение глобальной сети требует очень больших затрат, в которые входит стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания канала, а также эксплуатационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Типичными абонентами глобальной компьютерной сети являются локальные сети предприятий, расположенные в разных городах и странах, которым нужно обмениваться данными между собой. Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

Глобальные сети обычно создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. Такие сети называют публичными или общественными. Существуют также такие понятия, как оператор сети и поставщик услуг сети.

Оператор сети (network operator) - это та компания, которая поддерживает нормальную работу сети. Поставщик услуг, часто называемый часто провайдером (service provider) - та компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети. Владелец, оператор и поставщик услуг могут объединяться в одну компанию, а могут представлять и разные компании.

Гораздо реже глобальная сеть создаётся какой-нибудь крупной корпорацией (такой, например, как Dow Jones или «Транснефть») для своих внутренних нужд. В этом случае сеть называется частной. Очень часто встречается и промежуточный вариант - корпоративная сеть пользуется услугами или оборудованием общественной глобальной сети, но дополняет эти услуги или оборудование своими собственными. Наиболее типичным примером здесь является аренда каналов связи, на основе которых создаются собственные территориальные сети.

Кроме вычислительных глобальных сетей существуют и другие виды территориальных сетей передачи информации. В первую очередь это телефонные и телеграфные сети, работающие на протяжении многих десятков лет, а также телексная сеть.

Ввиду большой стоимости глобальных сетей существует долговременная тенденция создания единой глобальной сети, которая может передавать данные любых типов: компьютерные данные, телефонные разговоры, факсы, телеграммы, телевизионное изображение, телетекст (передача данных между двумя терминалами), видеотекст (получение хранящихся в сети данных на свой терминал) и т.д. На сегодня существенного прогресса в этой области не достигнуто, хотя технологии для создания таких сетей начали разрабатываться достаточно давно - первая технология для интеграции телекоммуникационных услуг ISDN стала развиваться с начала 70-х годов. Пока каждый тип сети существует и наиболее тесная их интеграция достигнута в области пользования общих первичных сетей - сетей PDH и SDH, с помощью которых сегодня создаются постоянные каналы в сетях с коммутацией абонентов. Тем не менее, каждая из технологий, как компьютерных сетей, так и телефонных, старается сегодня передавать «чужой» для неё график с максимальной эффективностью, а попытки создать интегрированные сети на новом витке развития технологий продолжаются под преемственным названием Broadband ISDN (B-ISDN), то есть широкополосный (высокоскоростной) сети с интеграцией услуг. Сети B-ISDN будут основываться на технологии АТМ, как универсальном транспорте, и поддерживать различные службы верхнего уровня для распространения конечным пользователям сети разнообразной информации - компьютерных данных, аудио- и видеоинформации, а также организации интерактивного взаимодействия пользователей.

2.1 Особенности глобальных компьютерных сетей

Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN) - объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения. Из-за низких скоростей таких линий связи в глобальных сетях (десятки килобит в секунду) набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты. Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи применяются методы и оборудование, существенно отличающееся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Как правило, здесь применяются сложные процедуры контроля, и восстановления данных по территориальному каналу связи связан со значительными искажениями сигналов.

2.2 Появление глобальных сетей

Началось всё с решения более простой задачи - доступа к компьютеру с терминалов, удалённых 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 удалённый доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удалёнными соединениями типа терминал-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации без данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислительные сети. 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 коммуникации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

2.3 Обобщенная структура и функции глобальной сети

1) Транспортные функции глобальной сети.

В идеале глобальная сеть должна передавать данные абонентов любых типов, которые есть на предприятии и нуждаются в удалённом обмене информацией. Для этого глобальная сеть должна представлять комплекс услуг: передачу пакетов локальных сетей, передачу пакетов мини-компьютеров и мэйнфреймов, обмен факсами, передачу трафика офисных АТС, выход в городские, междугородные и международные телефонные сети, обмен видеоизображениями для организации видеоконференции, передачу трафика кассовых аппаратов, банкоматов.

Нужно подчеркнуть, что когда идёт речь о передаче трафика офисных АТС, то имеется в виду обеспечение разговоров только между сотрудниками различных филиалов одного предприятия, а не замена городской, национальной или международной телефонной сети. Трафик внутренних телефонных разговоров имеет невысокую интенсивность и невысокие требования к качеству передачи голоса, поэтому многие компьютерные технологии глобальных сетей, например frame relay, справляются с такой упрощенной задачей.

Большинство территориальных компьютерных сетей в настоящее время обеспечивают только передачу компьютерных данных, но количество сетей, которые могут передавать остальные типы данных, постоянно растёт.

2) Высокоуровневые услуги глобальных сетей.

Из рассматриваемого списка услуг, которые глобальная сеть предоставляет конечным пользователям, видно, что в основном она используется как транзитный транспортный механизм, предоставляющий только услуги трёх нижних уровней модели OSI. Действительно, при построении корпоративной сети сами данные хранятся и вырабатываются в компьютерах, принадлежащим локальным сетям этого предприятия, а глобальная сеть их только переносит только из одной локальной сети в другую. Поэтому в локальной сети реализуются все семь уровней модели OSI, включая прикладной, которые предоставляют доступ к данным, преобразуют их форму, организуют защиту информации от несанкционированного доступа.

Однако в последнее время функции глобальной сети, относящиеся к верхним уровням стёка протоколов, стали играть заметную роль в вычислительных сетях. Это связано в первую очередь с популярностью информации, предоставляемой публично сетью Internet. Список высокоуровневых услуг, который предоставляет Internet. Кроме доступа к гипертекстовой информации Web-узлом с большим количеством перекрёстных ссылок, которые делают источником данных не отдельные компьютеры, а действительно всю глобальную сеть, здесь нужно отметить и широковещательное распространение звукозаписей, составляющее конкуренцию радиовещанию, организацию интерактивных «бесед» - chat, организацию конференций по интересам (служба News), поиск информации и её доставку по индивидуальным заказам, и многое другое.

Эти информационные (а не транспортные) услуги оказывают большое влияние не только на домашних пользователей, но и на работу работников предприятий, которые пользуются профессиональной информацией, публикуемой другими предприятиями в Internet, в своей повседневной деятельности, общаются с коллегами с помощью конференций и chat, часто, таким образом, достаточно быстро выясняя наболевшие нерешенные вопросы.

Информационные услуги Internet оказали влияние на традиционные способы доступа к разделяемым ресурсам, на протяжении многих лет применявшиеся в локальных сетях. Всё больше корпоративной информации «для служебного пользования» распространяется среди сотрудников предприятия с помощью Web-службы, заменив многочисленные индивидуальные программные настройки над базами данных, в больших количествах разрабатываемые на предприятиях. Появился специальный термин - intranet, который применяется в тех случаях, когда технологии Internet переносятся в корпоративную сеть. К технологиям intranet относят не только службу Web, но и использование Internet как глобальной транспортной сети, соединяющей локальные сети предприятия, а также все информационные технологии верхних уровней, появившиеся первоначально в Internet и поставленные не службу корпоративной сети.

В результате глобальные и локальные сети постепенно сближаются за счёт взаимопроникновения технологий разных уровней - от транспортных до прикладных.

3) Структура глобальной сети.

Типичный пример структуры глобальной компьютерной сети приведён на рисунке 1.4, где используются следующие обозначения:

S (switch)- коммутаторы

K - компьютеры

R (router) - маршрутизаторы

MUX (multiplexor) - мультиплексор

UNI (User-Network Interface) - интерфейс пользователь - сеть и NNI (Network-Network Interface) - интерфейс сеть-сеть. Кроме того, офисная АТС обозначена аббревиатурой PBX, а маленькими чёрными квадратиками - устройства DCE.

Сеть строится на основе некоммутируемых (выделенных) каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Коммутаторы называют также центрами коммутации пакетов (ЦКП), то есть они являются коммутаторами пакетов, которые в разных технологиях глобальных сетей могут иметь и другие названия - кадры, ячейки (cell). Как и в технологиях локальных сетей принципиальной разницы между этими единицами данных нет, однако в некоторых технологиях есть традиционные названия, которые к тому же часто отражают специфику обработки пакетов. Например, кадр технологии frame relay редко называют пакетом, поскольку он не инкапсулируется в кадр или пакет более низкого уровня и обрабатывается протоколом канального уровня.

Коммутаторы устанавливаются в тех географических пунктах, в которых требуется ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящие данные многих абонентов. Естественно, выбор мест расположения коммутаторов определяется многими соображениями, в которые включается также возможность обслуживания коммутаторов квалифицированным персоналом, наличие выделенных каналов связи в данном пункте, надёжность сети, определяемая избыточными связями между коммутаторами.

Абоненты сети подключаются к коммутаторам в общем случае также с помощью выделенных каналов связи. Эти каналы связи имеют более низкую пропускную способность, чем магистральные каналы, объединяющие коммутаторы, иначе сеть бы не справилась с потоками данных своих многочисленных пользователей. Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых каналов, то есть каналов телефонных сетей, хотя в таком случае качество транспортных услуг обычно ухудшается. Принципиально замена выделенного канала на коммутируемый ничего не меняет, но вносятся дополнительные задержки, отказы и разрывы канала по вине сети с коммуникацией каналов, которая в таком случае становится промежуточным звеном между пользователем и сетью с коммутацией пакетов. Кроме того, в аналоговых телефонных сетях канал обычно имеет низкое качество из-за высокого качества шумов. Применение коммутированных каналов на магистральных связях коммутатор - коммутатор также возможно, но по тем же причинам весьма нежелательно.

В глобальной сети наличие большого количества абонентов с невысоким средним уровнем графиком весьма желательно - именно в этом случае начинают в наибольшей степени проявляться выгоды метода коммутации пакетов. Если же абонентов мало, и каждый из них создает трафик большой интенсивности (по сравнению с возможностями каналов и коммутаторов сети), то равномерное распределение во времени пульсаций трафика становится маловероятным и для качественного обслуживания абонентов необходимо использовать сеть с низким коэффициентом нагрузки.

Конечные узлы глобальной сети более разнообразны, чем конечные узлы локальной сети. Эти устройства вырабатывают данные для передачи в глобальной сети, поэтому являются для неё устройствами типа DTE (Data Terminal Equipment). Локальная отделена от глобальной маршрутизатором или удалённым мостом (который на рисунке не оказан), поэтому для глобальной сети она представлена единым устройством DTE - портом маршрутизатора или моста.

При передаче данных через глобальную сеть мосты и маршрутизаторы работают в соответствии с той же логикой, что при соединении локальных сетей. Мосты, которые в этом случае называются удалёнными мостами (remote bridges), строят таблицу МАС-адресов на основании проходящего через них трафика, и по данным этой таблицы принимают решение - передавать кадры в удалённую сеть или нет. В отличие от своих локальных собратьев, удалённые мосты выпускаются и сегодня, привлекая сетевых интеграторов тем, что их не нужно конфигурировать, а в удалённых офисах, где нет квалифицированного обслуживающего персонала, это свойство оказывается очень полезным. Маршрутизаторы принимают решение на основании номера сети пакета какого-либо протокола сетевого уровня (например, IP или IPX) и, если пакет нужно переправить следующему маршрутизатору по глобальной сети, например frame relay, упаковывают его в кадр этой сети, снабжают соответствующим аппаратным адресом следующего маршрутизатора и отправляют в глобальную сеть.

Мультиплексоры «голос-данные» предназначены для совмещения в рамках одной территориальной сети компьютерного голосового трафиков. Так как рассматриваемая глобальная сеть передаёт данные в виде пакетов, то мультиплексоры «голос-данные», работающие на сети данного типа, упаковывают голосовую информацию в кадры или пакеты территориальной сети и передают их ближайшему коммутатору точно так же, как и любой конечный узел глобальной сети, то есть мост или маршрутизатор. Если глобальная сеть поддерживает приоритезацию трафика, то кадрам голосового трафика мультиплексор присваивает наивысший приоритет, чтобы коммутаторы обрабатывали и продвигали их в первую очередь. Приёмный узел на другом конце глобальной сети также должен быть мультиплексором «голос-данные», который должен понять, что за тип данных находится в пакете - замеры голоса или пакеты компьютерных данных, - и отсортировать эти данные по своим выходам. Голосовые данные направляются офисной АТС, а компьютерные данные поступают через маршрутизатор в локальную сеть. Часто модуль мультиплексора «голос-данные» встраивается в маршрутизатор. Для передачи голоса в наибольшей степени подходят технологии, работающие с предварительным резервированием полосы пропускания для соединения абонентов, - frame relay, АТМ.

Так как конечные узлы глобальной сети должны передавать данные по каналу связи определённого стандарта, то каждое устройство типа DTE требуется оснастить устройством типа DCE (Data Circuit terminating Equipment), которое обеспечивает необходимый протокол физического уровня данного канала. В зависимости от типа канала для связи с каналами глобальных сетей используется DCE трёх основных типов: модемы для работы по выделенным и коммутируемым аналоговым каналам, устройства DCU/CSU для работы по цифровым выделенным каналам сетей технологии TDM и терминальные адаптеры (ТА) для работы по цифровым каналам сетей ISDN. Устройства DTE и DCE обобщённо называют оборудованием, размещаемым на территории абонента глобальной сети - Customer Premises Equipment, CPE.

Если предприятие не строит свою территориальную сеть, а пользуется услугами общественной, то внутренняя структура этой сети его не интересует. Для абонента общественной сети главное - это предоставляемые сетью и чёткое определение интерфейса взаимодействия с сетью, чтобы его оконечное оборудование и программное обеспечение корректно сопрягались с соответствующим оборудованием и программным обеспечением общественной сети.

Поэтому в глобальной сети обычно строго описан и стандартизован интерфейс «пользовать-сеть» (User-to-Network Interface, UNI). Это необходимо для того, чтобы пользователи могли без проблем подключаться к сети с помощью коммуникационного оборудования любого производителя, который соблюдает стандарт UNI данной технологии (например, Х.25)

Протоколы взаимодействия коммутаторов внутри глобальной сети, называемые интерфейсом «сеть-сеть» (Network-to-Network Interface, NNI), стандартизуются не всегда. Считается, что организация, создающая глобальную сеть, должна иметь свободу действий, чтобы самостоятельно решать, как должны взаимодействовать внутренние узлы сети между собой. В связи с этим внутренний интерфейс, в случае его стандартизации, носит название «сеть-сеть», а не «коммутатор-коммутатор», подчёркивая тот факт, что он должен использоваться в основном при взаимодействии двух территориальных сетей различных операторов. Тем не менее если стандарт NNI принимается, то в соответствии с ним обычно организуется взаимодействие всех коммутаторов сети, а не только пограничных.

2.4 Типы глобальных сетей

Глобальная вычислительная сеть работает в наиболее подходящем для компьютерного трафика режиме - режиме коммутации пакетов. Оптимальность этого режима для связи локальных сетей доказывают не только данные о суммарном трафике, предаваемом сетью в единицу времени, но и стоимость услуг такой территориальной сети. Обычно при равенстве предоставляемой скорости доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2-3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов, то есть публичная телефонная сеть.

Поэтому, при создании корпоративной сети необходимо стремиться к построению или использованию услуг территориальной сети со структурой, подобной структуре, то есть сети с территориально распределёнными коммутаторами пакетов.

Однако часто такая вычислительная глобальная сеть по разным причинам оказывается недоступной в том или ином географическом пункте. В то же время гораздо более распространены и доступны услуги, предоставляемые телефонными сетями или первичными сетями, поддерживающими услуги выделенных каналов. Поэтому при построении корпоративной сети можно дополнить недостающие компоненты услугами и оборудованием, арендуемыми у владельцев первичной или телефонной сети.

В зависимости от того, какие компоненты приходится брать в аренду, принято различать корпоративные сети, построенные с использованием:

выделенных каналов;

коммутации каналов;

коммутации пакетов.

Последний случай соответствует наиболее благоприятному случаю, когда сеть с коммутацией пакетов доступна во всех географических точках, которые нужно объединить в общую корпоративную сеть. Первые два случая требуют проведения дополнительных работ, чтобы на основании взятых в аренду средств построить сеть с коммутацией пакетов.

2.4.1 Выделенные каналы

Выделенные (или арендуемые - leased) каналы можно получить у телекоммуникационных компаний, которые владеют каналами дальней связи (таких, например, как «РОСТЕЛЕКОМ»), или от телефонных компаний, которые обычно сдают в аренду каналы в пределах города или региона.

Использовать выделенные линии можно двумя способами. Первый состоит в построении с их помощью территориальной сети определённой технологии, например frame relay, в которой арендуемые выделенные линии служат для соединения промежуточных, территориально распределённых коммутаторов пакетов.

Второй вариант - соединение выделенными линиями только объединяемых локальных сетей или конечных абонентов другого типа, например мэйнфреймов, без установки транзитных коммутаторов пакетов, работающих по технологии глобальной сети.

Второй вариант является наиболее простым с технической точки зрения, так как основан на использовании маршрутизаторов или удалённых мостов в объединяемых локальных сетях и отсутствии протоколов глобальных технологий, таких как Х.25 или frame relay. По глобальным каналам передаются те же пакеты сетевого или канального уровня, что и в локальных сетях.

Именно второй способ использования глобальных каналов получил специальное название «услуги выделенных каналов», так как в нём действительно больше ничего из технологий собственно локальных сетей с коммутацией пакетов не используется.

Выделенные каналы очень активно применялись совсем в недалёком прошлом и применяются сегодня, особенно при построении ответственных магистральных связей между крупными локальными сетями, так как эта услуга гарантирует пропускную способность арендуемого канала. Однако при большом количестве географически удалённых точек и интенсивном смешанном трафике между ними использование этой службы приводит к высоким затратам за счёт большого количества арендуемых каналов.

Сегодня существует большой выбор выделенных каналов - от аналоговых каналов тональной частоты с полосой пропускания 3,1 кГц до цифровых каналов технологии SDH с пропускной способностью 155 и 622 Мбит/с.

2.4.2 Глобальные сети с коммутацией каналов

Сегодня для построения глобальных связей в корпоративной сети доступны сети с коммутацией каналов двух типов - традиционные аналоговые телефонные сети и цифровые сети с интеграцией услуг ISDN. Достоинством сетей с коммуникацией каналов является их распространённость, что характерно особенно для аналоговых телефонных сетей. В последнее время сети ISDN во многих странах также стали вполне доступны корпоративному пользователю, а в России это утверждение относится пока только к крупным городам.

Известным недостатком аналоговых телефонных сетей является низкое качество составного канала, которое объясняется использованием телефонных коммутаторов устаревших моделей, работающих по принципу частотного уплотнения каналов (FDM -технологии). На такие коммутаторы сильно воздействуют внешние помехи (например, грозовые разряды или работающие электродвигатели), которые трудно отличить от полезного сигнала. Правда, в аналоговых телефонных сетях всё чаще используются цифровые АТС, которые между собой передают голос в цифровой форме. Аналоговым в таких сетях остаётся только абонентское окончание. Чем больше цифровых АТС в телефонной сети, тем выше качество канала, однако до полного вытеснения АТС, работающих по принципу FDM-коммутации, в нашей стране ещё далеко. Кроме качества каналов, аналоговые сети также обладают таким недостатком, как большое время установления соединения, особенно при импульсном способе набора номера, характерного для нашей страны.

Телефонные сети, полностью построенные на цифровых коммутаторах, и сети ISDN свободны от многих недостатков традиционных аналоговых телефонных сетей. Они представляют пользователям высококачественные линии связи, а время установления соединения в сетях ISDN существенно сокращено.

Однако даже при качественных каналах связи, которые могут обеспечить сети с коммутацией каналов, для построения корпоративных глобальных сетей эти сети могут оказаться экономически неэффективными. Так как в таких сетях пользователи платят не за объём переданного трафика, а за время соединения, то при трафике с большими пульсациями и, соответственно, большими паузами, между пакетами оплата идёт во многом не за передачу, а за её отсутствие. Это прямое следствие плохой приспособленности метода коммутации каналов для соединения компьютеров.

Тем не менее, при подключении массовых абонентов к корпоративной сети, например сотрудников предприятия, работающих дома, телефонная сеть оказывается единственным подходящим видом глобальной службы из соображений доступности и стоимости (при небольшом времени связи удалённого сотрудника с корпоративной сетью).

2.4.3 Глобальные сети с коммутацией пакетов

В 80-е годы для надёжного объединения локальных сетей и крупных компьютеров в корпоративную сеть использовалась практически одна технология глобальных сетей с коммутацией пакетов - Х.25. Сегодня выбор стал гораздо шире, помимо сетей Х.25 он включает также технологии, как frame relay, SMDS и ATM. Кроме этих технологий, разработанных специально для глобальных компьютерных сетей, можно воспользоваться услугами территориальных сетей TCP/IP, которые доступны сегодня как в виде недорогой и очень распространённой сети Internet, качество транспортных услуг которой пока практически не регламентируется и оставляет желать лучшего, так и в виде коммерческих глобальных сетей TCR/IP, изолированных от Internet и предоставляемых в аренду телекоммуникационными компаниями.

В таблице приводятся характеристики этих сетей, причём в графе «Трафик» указывается тип трафика, который наиболее подходит для данного типа сетей, а в графе «Скорость доступа» - наиболее типичный диапазон скоростей, предоставляемых поставщиками услуг этих сетей.

Принципы работы сетей TCP/IP остаются неизменными и при включении в состав этих сетей в состав глобальных сетей различных технологий.

Глава 3. Локальные компьютерные сети

К локальным сетям - Local Area Networks(LAN) - относят сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащие одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно других высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 100 Мбит/с. В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме on-line.

3.1 Первые локальные сети

В начале 70-х годов произошёл технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов - появились большие интегральные схемы. Их сравнительно невысокая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Закон Гроша перестал соответствовать действительности, так как десяток мини-компьютеров выполнял некоторые задачи (как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее одного мэйнфрейма, а стоимость такой мини-компьютерной системы была меньше.

Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения предприятия. Таким образом, появилась концепция подразделения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно.

Но шло время, потребности пользователей вычислительной техники росли, им стало недостаточно собственных компьютеров, им уже хотелось получить возможность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами. В ответ на эту потребность предприятия и организации стали соединять свои мини-компьютеры вместе и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате появились первые локальные вычислительные системы.

Они ещё во многом отличались от современных локальных сетей, в первую очередь - своими устройствами сопряжения. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т.д. Эти устройства могли соединять только те типы 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…».

3.2 Создание стандартных технологий локальных сетей

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития 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, причём не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с их привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

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 разъёмами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare. После этого сеть начинала работать и присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем - естественно, если на нём был установлен сетевой адаптер той же технологии.

Локальные сети в сравнении с глобальными сетями внесли много нового в способы организации работы пользователей. Доступ к разделяемым ресурсам стал гораздо удобнее - пользователь мог просто просматривать списки используемых ресурсов, а не запоминать их идентификаторы или имена. После соединения с удалённым ресурсом можно было работать с ним с помощью уже знакомых пользователю по работе с локальными ресурсами команд. Последствием и одновременно движущей силой такого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользователей, которым совершенно не нужно было изучать специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы. А возможность реализовать все эти удобства разработчики локальных сетей получили в результате появления качественных кабельных линий связи, на которые даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

Конечно о таких скоростях разработчики глобальных сетей не могли даже мечтать - им приходилось пользоваться теми каналами связи, которые были в наличии, так как прокладка новых кабельных систем для вычислительных сетей протяжённостью в тысячи километров потребовала бы колоссальных капитальных вложений. А «под рукой» были только телефонные каналы связи, плохо приспособленные для высокоскоростной передачи дискретных данных - скорость в 1200 бит/с была для них хорошим достижением. Поэтому экономное расходование пропускной способности каналов связи часто являлось основным критерием эффективности методов передачи данных в глобальных сетях. В этих условиях различные процедуры прозрачного доступа к удалённым ресурсам, стандартные для локальных сетей, для глобальных сетей долго оставались непозволительной роскошью.

3.3 Отличия локальных сетей от глобальных

Рассмотрим основные отличия локальных сетей от глобальных наиболее подробно. Так как в последнее время эти отличия становятся всё менее заметными, то рассмотрим сети конца 80-х годов, когда эти отличия проявлялись весьма отчётливо.

Протяженность, качество и способ прокладки линий связи. Класс локальных вычислительных сетей по определению отличается от класса глобальных сетей небольшим расстоянием между узлами сети. Это в принципе делает возможным использование в локальных сетях качественных линий связи: коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля, которые не всегда доступны (из-за экономических определений) на больших расстояниях, свойственных глобальным сетям. В глобальных сетях часто применяются уже существующие линии связи (телеграфные или телефонные), а в локальных сетях они прокладываются заново.

Сложность методов передачи и оборудования. В условиях низкой надёжности физических каналов в глобальных сетях требуются более сложные, чем в локальных сетях, методы передачи данных и соответствующее оборудование. Так, в глобальных сетях широко применяется модуляция, асинхронные методы, сложные методы контрольного суммирования, квитирование и повторные передачи искажённых кадров. С другой стороны, качественные линии связи в локальных сетях позволили упростить процедуры передачи данных за счёт применения немодулированных сигналов и отказа от обязательного подтверждения получения пакета.

Скорость обмена данными. Одним из главных отличий локальных сетей от глобальных является наличие высокоскоростных каналов обмена данными между компьютерами, скорость которых (10, 16 и 100 Мбит/с) сравнима со скоростями работы устройств и узлов компьютера - дисков, внутренних шин обмена данными и т.д. За счёт этого у пользователя локальной сети, подключённого к удалённому разделяемому ресурсу (например, диску сервера), складывается впечатление, что он пользуется этим диском, как «своим». Для глобальных сетей типичны гораздо более низкие скорости передачи данных - 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах - до 2 Мбит/с.

Разнообразие услуг. Локальные сети предоставляют, как правило, широкий набор услуг - это различные виды услуг файловой службы, услуги печати, услуги службы передачи факсимильных сообщений, услуги баз данных, электронная почта и другие, в то время как глобальные сети предоставляют почтовые услуги и иногда файловые услуги с ограниченными возможностями - передачу файлов из публичных архивов удалённых серверов без предварительного просмотра их содержания.

Оперативность выполнения запросов. Время прохождения пакета через локальную сеть обычно составляет несколько миллисекунд, время же его передачи через глобальную четь может достигать нескольких секунд. Низкая скорость передачи данных в глобальных сетях затрудняет реализацию служб для режима on-line, который является обычным для локальных сетей.

Разделение каналов. В локальных сетях каналы связи используются, как правило, совместно сразу несколькими узлами сети, а в глобальных сетях - индивидуально.

Использование метода коммутации пакетов. Важной особенностью локальных сетей является неравномерное распределение нагрузки. Отношение пиковой нагрузки к средней может составлять 100:1 и даже выше. Такой трафик обычно называют пульсирующим. Из-за этой особенности трафика в локальных сетях для связи узлов применяется метод коммутации пакетов, который для пульсирующего трафика оказывается гораздо более эффективным, чем традиционный для глобальных сетей метод коммутации каналов. Эффективность метода коммутации пакетов состоит в том, что сеть в целом передаёт в единицу времени больше данных своих абонентов. В глобальных сетях метод коммутации пакетов также используется, но наряду с ним часто применяется и метод коммутации каналов, а также некоммутируемые каналы - как унаследованные технологии некомпьютерных сетей.

Масштабируемость. «Классические» локальные сети обладают плохой масштабируемостью из-за жёсткости базовых топологий, определяющих способ подключения станций и длины линии. При использовании многих базовых топологий характеристики сети резко ухудшаются при достижении определённого предела по количеству узлов или протяжённости линии связи. Глобальным же сетям присуща хорошая масштабируемость, так как они изначально разрабатывались в расчёте на работу с произвольными топологиями.

3.4 Тенденция к сближению локальных и глобальных сетей

Если принять во внимание все перечисленные выше различия локальных и глобальных сетей, то становится ясно, почему так долго могли существовать раздельно два сообщества специалистов, занимающиеся этими двумя видами сетей. Но за последние годы ситуация резко изменилась.

Специалисты по локальным сетям, перед которыми встали задачи объединения нескольких локальных сетей, расположенных в разных, географически удалённых друг от друга пунктах, были вынуждены начать освоение чужого для них мира глобальных сетей и коммуникаций. Тесная интеграция удалённых локальных сетей не позволяет рассматривать глобальные сети в виде «чёрного ящика», представляющего собой только инструмент транспортировки сообщений на большие расстояния. Поэтому всё, что связано с глобальными сетями и удалённым доступом, стало предметом повседневного интереса многих специалистов по локальным сетям.

С другой стороны, стремление повысить пропускную способность, скорость передачи данных расширить выбор и оперативность служб, т.е. стремление улучшить качество предоставляемых услуг - всё это заставило специалистов по глобальным сетям обратить пристальное внимание на технологии, используемые в локальных сетях.

Таким образом, в мире локальных и глобальных сетей явно наметилось движение навстречу друг другу, которое уже сегодня привело к значительному взаимопроникновению технологий локальных и глобальных сетей.

Одним из проявлений этого сближения является появление сетей масштаба большого города (MAN), занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. При достаточно больших расстояниях между узлами они обладают качественными линиями связи и высокими скоростями обмена, даже более высокими, чем в классических локальных сетях. Как и в случае локальных сетей, при построении MAN уже существующие линии связи не используются, а прокладываются заново.

Сближение в методах передачи данных происходит на платформе оптической цифровой (немодулированной) передачи данных по оптоволоконным линиям связи. Из-за резкого улучшения качества каналов связи в глобальных сетях начали отказываться от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности передачи данных. Примером могут служить сети frame relay. В этих сетях предполагается, что искажение бит, происходит настолько редко, что ошибочный пакет просто уничтожается, а все проблемы, связанные с его потерей, решаются программами прикладного уровня, которые непосредственно не входят в состав сети frame relay.

За счет новых сетевых технологий и, соответственно, нового оборудования, рассчитанного на более качественные линии связи, скорости передачи данных в уже существующих коммерческих глобальных сетях нового поколения приближаются к традиционным скоростям локальных сетей (в сетях frame relay сейчас доступны скорости 2 Мбит/с), а в глобальных сетях АТМ даже и превосходят их, достигая 622 Мбит/с.

В результате службы для режима on-line становятся обычными и в глобальных сетях. Наиболее яркий пример - гипертекстовая информационная служба World Wide Web, ставшая основным поставщиком в сети Internet. Её интерактивные возможности превзошли возможности многих аналогичных служб локальных сетей пришлось просто позаимствовать эту службу у глобальных сетей. 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.

Локальные сети перенимают у глобальных сетей и транспортные технологии. Все новые скоростные технологии (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100 VG-Any LAN) поддерживают работу по индивидуальным линиям связи наряду с традиционными для локальных сетей разделяемыми линиями. Для организации индивидуальных линий связи используется специальный тип коммуникационного оборудования - коммутаторы. Коммутаторы локальных сетей соединяются между собой по иерархической схеме, подобно тому, как это делается в телефонных сетях: имеются коммутаторы нижнего уровня, к которым непосредственно подключаются компьютеры сети, коммутаторы следующего уровня соединяют между собой коммутаторы нижнего уровня и т.д. Коммутаторы более высоких уровней обладают, как правило, большей производительностью и работают с более скоростными каналами, уплотняя данные нижних уровней. Коммутаторы поддерживают не только новые протоколы локальных сетей, но и традиционные - Ethernet и Token Ring.

В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных сетях. Такое внимание обусловлено тем, что локальные сети перестали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в «большой мир» через глобальные сети. При этом часто используются те же методы - шифрование данных, аутентификация пользователей, возведение защитных барьеров, предохраняющих от проникновения с сеть извне.

И, наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология АТМ, которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а также широковещательных видеосетей, объединяя все существующие типы трафика в одной транспортной сети.

Глава 4. Современные тенденции

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причём достаточно быстро. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей. Подобные примеры в большом количестве демонстрирует самая популярная глобальная сеть - Internet.

Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру. Возродился интерес к крупным компьютерам - в основном из-за того, что после спада эйфории по поводу лёгкости работы с персональными компьютерами выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживать сложнее, чем несколько больших компьютеров. Поэтому на новом витке эволюционной спирали мэйнфреймы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы, но уже как полноправные сетевые узлы, поддерживающие Ethernet или Token Ring, а также стёк протоколов TCP/IP, ставший благодаря Internet сетевым стандартом де-факто.

Появилась ещё одна очень важная тенденция, затрагивающая в равной степени как локальные, так и глобальные сети. В них стала обрабатываться несвойственная ранее вычислительным сетям информация - голос, видеоизображения, рисунки. Это потребовало внесения изменений в работу протоколов, сетевых операционных систем и коммуникационного оборудования. Сложность передачи такой мультимедийной информации по сети связана с её чувствительностью к задержкам при передаче пакетов данных - задержки обычно приводят к искажению такой информации в конечных узлах сети. Так как традиционные службы вычислительных сетей - такие как передача файлов или электронная почта - создают малочувствительный к задержкам трафик и все элементы сетей разрабатывались в расчёте на него, то появление трафика реального времени привело к большим проблемам.

Сегодня эти проблемы решаются различными способами, в том числе и с помощью специально рассчитанной на передачу различных типов трафика технологии АТМ. Однако, несмотря на значительные усилия, предпринимаемые в этом направлении, до приемлемого решения проблемы пока далеко, и в этой области предстоит ещё много сделать, чтобы достичь заветной цели - слияния технологий любых информационных сетей - вычислительных, телефонных, телевизионных и т.д. Хотя сегодня эта идея многим кажется утопией, серьёзные специалисты считают, что предпосылки для такого синтеза уже существуют, и их мнения расходятся только в оценке примерных сроков такого объединения - называются сроки от 10 до 25 лет. Причём считается, что основой для объединения послужит технология коммутации пакетов, применяемая сегодня в вычислительных сетях, а не технология коммутации каналов, используемая в телефонии, что , наверно, должно повысить интерес к сетям этого типа, которым и посвящена данная книга.