Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.6] ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 361

всеми приемниками, однако все абоненты, кроме третьего, его не полу-

чат, так как специальное устройство – селектор, стоящее за приемником

и обозначенное на рисунке буквой С, сравнивает адрес получателя в

пакете с собственным и не пропускает чужие пакеты. Таким образом, из

потока пакетов, циркулирующих в эфире, каждый абонент выбирает

только те, которые адресованы именно ему.

На практике реализовать принцип селекции было не так просто. По-

скольку к передающей среде одновременно подключаются все

абонен-

ты, ее пропускная способность должна быть достаточно высокой. Кро-

ме того, необходимо было решить проблему столкновения (коллизии)

пакетов, одновременно посланных несколькими передатчиками. Тем не

менее все технические трудности были успешно преодолены, и в

1970 году первая широковещательная сеть, названная Aloha (это слово

на местном языке соответствует английскому hello, то есть «привет!»)

успешно заработала. Сначала скорость передачи данных в сети состав-

ляла всего 9600 бит/с, в дальнейшем она постоянно возрастала. Сеть

Aloha функционирует до сих пор, а Норман Абрамсон является вице-

президентом компании AlohaNet.

Абонент 2

1 3

Абонент 4

Абонент 3

Абонент 1

1 3

Принцип селекции пакетов

362 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Дальнейший прогресс компьютерных сетей, исполь-

зующих принцип селекции пакетов, связан с именем

Роберта (Боба) Меткалфа (Metcalfe, Robert; р. 1946).

После окончания Массачусетсского технологического института он

поступил на работу в знаменитый Xerox PARC. В начале 70-х годов там

разрабатывался проект Alto и был создан первый, еще очень дорогой,

лазерный принтер, способный печатать с разре-

шающей способностью 500 точек на дюйм. Была

поставлена задача обеспечить возможность печати

документов на одном лазерном принтере с любого

компьютера центра. Меткалф блестяще решил про-

блему, предложив создать локальную компьютер-

ную сеть, подобную Aloha, но уменьшенную до

размеров одного здания. При этом в качестве об-

щей передающей среды предлагалось использовать

обычный коаксиальный кабель. В 1973 году сеть

была построена, она называлась Alto Aloha Network

и работала на скорости 2,94 Мбит/с.

Через несколько лет экспериментов, в 1976 го-

ду, новая технология локальных сетей была опубликована и получила

название Ethernet (от слова ether – эфир), однако официальным днем ее

рождения считается 22 мая 1973 года, когда Меткалф положил на стол

руководству 13-страничный проект с описанием идеи Alto Aloha

Network.

Как мы уже не раз отме-

чали, фирма Xerox, в которой

родились многие гениальные

идеи (вспомним хотя бы

мышь, графический интер-

фейс компьютера Alto, язык

программирования Smalltalk,

растровый дисплей, лазер-

ный принтер, язык описания

страниц PostScript), не суме-

ла довести эти идеи до коммерческой реализации. Поэтому в 1979 году

Меткалф ушел из Xerox и организовал собственную фирму 3Com (со-

кращение от слов computer, communication, compatibility) с целью про-

движения на рынок технологии Ethernet. Ему удалось уговорить трех

лидеров компьютерного рынка – DEC, Intel и Xerox принять Ethernet в

Роберт Меткалф

(р. 1946)

Технология

Ethenet

Рисунок из статьи Р. Меткалфа, 1976 г.

§ 4.6] ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 363

качестве общего промышленного стандарта, в 1980 году этот стандарт

стал международным.

За прошедшие 20 лет технология Ethernet пережила подлинный

взрыв популярности, превзойдя самые смелые прогнозы. Около

100 миллионов компьютеров имеют выход в мир через сетевые карты,

работающие по ее протоколам. Массовое производство устройств при-

вело к резкому снижению их стоимости: если в середине 80-х годов се-

тевая карта стоила около 1500 долларов, то сейчас – менее десяти. Од-

новременно постоянно увеличивается скорость передачи данных. Начав

с 2,94 Мбит/с, технология быстро освоила 10, затем 100 Мбит/с (Fast

Ethernet). Недавно принят стандарт Gigabit Ethernet, не за горами и бо-

лее высокие скорости.

Физически передающая среда в сети Ethernet может быть организо-

вана различными способами. Ранний вариант, предложенный самим

Меткалфом, использует магистральный коаксиальный кабель, к кото-

рому в нужных местах подключаются абоненты. Этот вариант самый

простой и дешевый, так как не требует дополнительного активного

оборудования, однако с эксплуатационной точки зрения не самый

удобный: плохой контакт в точке подключения одного компьютера вы-

водит из строя всю сеть. Поэтому в последнее время применяется топо-

логия в виде звезды. В центре звезды устанавливается активное обору-

дование, организующее общую среду, к нему витыми медными парами

подключаются абоненты. В простейшем случае это оборудование пред-

ставляет со

бой концентратор (hub), попросту транслирующий сигналы

с каждого входного порта на все остальные, однако с развитием техно-

логии активное оборудование становилось все более «умным». В со-

Hub

Коаксиал

Физические реализации Ethernet

364 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

временных сетях оно представлено весьма совершенными коммутато-

рами (switch), которые с целью уменьшения вероятности коллизий ана-

лизируют конфигурацию сети и передают пакеты только на тот порт, к

которому подключен получатель. Таким образом, с развитием техноло-

гии Ethernet граница между сетями с коммутацией и селекцией пакетов

постепенно стирается.

С другой стороны, для сетей, в которых компьютеры не имеют по-

стоянного местонахождения, например, в выставочных залах, разрабо-

тана беспроводная технология RadioLAN, когда каждая сетевая карта

оснащена миниатюрным приемопередатчиком. Здесь мы видим чистый

пример спирального развития идеи – радиосеть Aloha на современной

технологической базе.

Ради объективности следует сказать, что на сегодняшний день

Ethernet – не единственная технология локальных сетей, однако ее со-

перники (Token Ring, ArcNet, Fiber Distribution Data Interface – FDDI) по

уровню распространенности, соотношению цена/качество и демокра-

тичности значительно ей уступают.

Когда в 1990 году Боб Меткалф оставил 3Com,

посвятив себя преподавательской работе и жур-

налистике, годовой оборот компании исчислялся

миллиардами долларов. В новый высокодоход-

ный сектор рынка устремилось множество конкурентов. В 80-е годы

образовалось несколько крупных компаний, узко специализированных

на производство оборудования для LAN и WAN: Сabletron, Bay

Networks и Cisco Systems. Эта «большая четверка» быстро затмила клас-

сических поставщиков компьютеров и средств связи, таких, как IBM и

Lucent Technologies

. Особенно впечатляющих успехов добилась Cisco

Systems, основанная в 1987 году несколькими сотрудниками Стен-

фордского университета. За короткое время она не только стала при-

знанным лидером рынка сетевых технологий (доход в 2000 году соста-

вил 18,9 млрд долларов, число сотрудников превысило 12

000 человек,

у 3Com соответственно 4,3 млрд и 7

000 человек), но по рыночной капи-

тализации вошла в число крупнейших компаний мира. В марте

2000 года она вообще была признана самой дорогой компанией на пла-

нете с суммарной стоимостью акций 555,4 млрд долларов, тогда как у

Microsoft, занявшей второе место, этот показатель составил 541,4 млрд

Lucent Technologies – одна из компаний, образовавшихся в результате принуди-

тельного деления монополиста AT&T на составные части.

Рынок сетевого

оборудования

и технологий

§ 4.6] ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 365

долларов. Хотя показатель рыночной капитализации не очень устойчи-

вый, он быстро меняется в соответствии с биржевой конъюнктурой, и в

первой десятке лидеров места постоянно меняются, удивительный

коммерческий успех компании Cisco Systems несомненен. Такой ре-

кордной скорости роста до сих пор добивалась только Compaq. Этот

факт говорит о том, что сетевой сектор – один из самых масштабных и

динамичных на рынке высоких технологий.

К концу XX века локальные вычислительные се-

ти получили такое широкое распространение во

всех организациях, что стали восприниматься

непременным элементом офисной инфраструктуры, как электричество

или телефон. Современный подход к устройству корпоративных ло-

кальных сетей основывается на концепции структурированных кабель-

ных систем (СКС). При строительстве или реконструкции зданий,

предназначенных для офисов, прокладывается единая унифицирован-

ная кабельная система, предназначенная для локальной компьютерной

сети, телефонии, пожарной и охранной сигнализации, а также для элек-

тропитания компьютеров и бытовых приборов. В каждом помещении

наряду с обычными электрическими устраиваются информационные

розетки. Как правило, на рабочем месте устанавливается сдвоенная ин-

формационная розетка – для компьютера и телефона. Пучки кабелей от

Штаб-квартира Cisco Systems в Силиконовой долине

Корпоративные

локальные сети

366 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

рабочих мест одного этажа выходят на этажные кроссы и образуют го-

ризонтальные подсистемы. Горизонтальные подсистемы объединяются

вертикальной кабельной подсистемой и выводятся на главный кросс,

где кабели разводятся по назначению. Компьютерные линии подклю-

чаются к активному оборудованию – концентраторам или коммутато-

рам Ethernet, телефонные – к учрежденческой автоматической телефон-

ной станции (УАТС) и т.д. В больших зданиях, насчитывающих не-

сколько сот рабочих мест, активное оборудование устанавливается в

каждой горизонтальной подсистеме, а вертикальная подсистема делает-

ся на основе оптических кабелей.

В интернет

Маршрутизатор

Коммутатор

УАТС

Корпоративный сервер

Двойная

розетка

Рабочее место

Кросс

2 этажа

Кросс

2 этажа

Главный

кросс

Вертикальная система

Горизонтальная система 1 этажа

Горизонтальная система 2 этажа

Структурированная кабельная система

§ 4.7] СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 367

Структурированная кабельная система обладает высокой надежно-

стью и мобильностью: при перемещениях сотрудников из одного по-

мещения в другое не нужно прокладывать новых линий, достаточно

изменить коммутацию на кроссе.

Логическим развитием идеи структурированных кабельных систем

являются так называемые интеллектуальные здания, проекты которых

появились в последнее время. В таких зданиях кроме единой коммуни-

кационной системы создаются компьютерные центры управления всей

бытовой инфраструктурой – лифтами, охранной, противопожарной,

отопительной, вентиляционной и другими системами. Интеллектуаль-

ное здание может быть оборудовано спутниковой антенной, дающей

скоростной выход в интернет, иметь внутреннюю радиосеть для бес-

проводного подключения мобильных телефонов всех сотрудников, ряд

других больших и малых удобств.

§ 4.7. Сетевые информационные технологии

Говоря об истории развития компьютерных сетей, мы делали акцент

на технической стороне передачи данных, не касаясь проблем исполь-

зования сетей для решения реальных задач. Настало время поговорить о

том, для чего нужны компьютерные сети, ведь они создаются не сами

для себя, а для оказания некоторых услуг пользователям.

В настоящее время в мире насчитывается много сотен тысяч сетей.

Подавляющее число их принадлежит к категории локальных (LAN),

объединяющих компьютеры одного здания или группы зданий. Неко-

торые сети являются изолированными, но большинство их в той или

иной степени связаны друг с другом, являясь абонентами магистраль-

ных территориальных (Wide (или World) Area Network – WAN) сетей,

охватывающих города, страны и континенты. В сетях взаимодействуют

миллионы компьютеров, использующих различные аппаратные плат-

формы и операционные системы. Для того чтобы вся эта структура

слаженно работала и абоненты различных локальных сетей, располо-

женных на разных континентах, могли общаться друг с другом, суще-

ствует определенная система правил и работающих по этим правилам

телекоммуникационных служб, организованная по иерархическому

принципу.

368 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Идея многоуровневой схемы взаимо действия

объектов в сложной распределенной системе

взята из самой жизни. Рассмотрим повнима-

тельнее, как происходит общение между

двумя организациями в традиционной бумажной системе документо-

оборота. Предположим, имеются два предприятия A и B (см. рисунок).

В каждом из них существует иерархия коммуникационных служб, ко-

торую можно достаточно четко подразделить на три уровня.

На высшем уровне обоих предприятий находятся руководители, ко-

торые поддерживают между собой некоторый содержательный диалог.

Для каждого вида деятельности существуют строгие и однозначные

правила общения, без которых деловая жизнь невозможна. Если, на-

пример, предприятие A заказывает продукцию, то оно должно прислать

заявку по определенной форме, предприятие B эту заявку подтвержда-

ет, затем высылает счет на оплату и т.д. Свод правил общения для уда-

ленных объектов, находящихся на одном уровне иерархии, в сетевом

словаре называется протоколом. Протоколов на уровне руководителей

может быть несколько, для каждого вида деятельности свой. Один – для

обеспечения поставок продукции, второй – для предъявления претензий

по качеству, третий – для др

ужеского неформального общения и т. д.

Подготовив очередное сообщение в соответствии с выбранным прото-

колом, руководитель не задумывается о его дальнейшей судьбе. Он сам

не оформляет письма, не пишет почтовый адрес (которого может и не

знать), не пакует письма в конверты и не проверяет доставку их по на-

значению, будучи уверен, что все это сделают нижестоящие службы. С

точки зрения руководителей, между ними существует виртуальный, то

есть воображаемый канал общения, подчиняющийся правилам соответст-

вующего протокола.

На следующем уровне расположена канцелярия предприятия, она

предоставляет вышестоящему уровню услуги по передаче сообщений.

На этом уровне сообщения превращаются в надлежащим образом

оформленные письма, которые заверяются печатями, подписываются и

снабжаются логическими адресами типа «Президенту фирмы «Луч»

г-ну И.И. Иванову». Канцелярия следит за тем, чтобы строго выполня-

лись единые для всех предприятий правила оформления и прохождения

писем, зафиксированные в протоколах передачи сообщений, иначе мо-

гут возникнуть недоразумения. В обязанности канцелярии входит также

обеспечение надежности переписки, для чего все письма нумеруются и

регистрируются в журналах входящей и исходящей корреспонденции.

Иерархия

коммуникационных

служб и протоколов

§ 4.7] СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 369

При организации переписки постоянно отправляются уведомления о

получении писем, в случае неполучения письма адресатом высылаются

копии и т.д. Вместе с тем канцелярию не волнует, где расположена эта

самая фирма «Луч» и каким образом письмо будет доставлено адресату,

об этом позаботится нижестоящая служба.

На нижнем уровне иерархии размещается служба доставки (экспе-

диция). Она предоставляет канцелярии услуги по физической доставке

писем по указанному логическому адресу, не интересуясь их содержа-

нием и оформлением. Доставка может осуществляться разными спосо-

бами (курьером, обычной почтовой службой, спецпочтой для доставки

секретной корреспонденции, частной экспресс-почтой). Каждая из сис-

тем доставки имеет свои требования к упаковке отправлений и свой

способ физической адресации абонентов. В экспедиции каждое письмо

вкладывается в стандартный для данной системы пакет, на котором

Протокол

передачи пакетов

в физической среде

Reception

Ac cou nt ing

Протокол

общения начальников

Протокол

общения секретарей

Сообщения

Письма

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

Предприятие A

Предприятие B

Пакеты

Трехуровневая система обмена сообщениями в традиционной системе

документооборота

370 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

пишется физический адрес получателя опять-таки в принятом для дан-

ной системы формате (например, для городской почты достаточно на-

писать «5-я ул., д.2»). При соблюдении этих протокольных соглашений

система является прозрачной средой, обеспечивающей доставку потока

пакетов.

Приведенная многоуровневая схема взаимодействия удаленных

предприятий обладает многими достоинствами. Основное – независи-

мость служб друг от друга, каждый уровень может реализовываться,

развиваться и совершенствоваться, не затрагивая соседних. Руководи-

тели могут договариваться о новых принципах взаимодействия, не ог-

лядываясь на канцелярские ограничения, а служба доставки может вы-

брать наиболее приемлемый способ транспортировки пакетов, не изме-

няя принципы делопроизводства.

Современные компьютерные сети организованы по такому же ие-

рархическому принципу. Классической и наиболее подробной считает-

ся семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Оpen

System Interconnection – OSI), предложенная в начале 1980-х годов

международной организацией по стандартизации (ISO), однако в этой

модели можно достаточно четко выделить три обобщенных слоя, соот-

ветствующих рассмотренной нами схеме бумажного документооборота.

Следуя устоявшейся традиции, мы рассмотрим их снизу вверх.

Нижние уровни коммуникационных протоколов

(в терминологии OSI – первый и второй) обра-

зуют канальный слой, определяющий базовую

пакетную технологию передачи данных между абонентами в пределах

одной сети. Подобно тому, как в традиционной системе связи исполь-

1. Физический уровень

2. Канальный уровень

3. Пакетный уровень

4. Транспортный уровень

5. Сеансовый уровень

6. Представительный уровень

7. Прикладной уровень

1. Физический уровень

2. Канальный уровень

3. Пакетный уровень

4. Транспортный уровень

5. Сеансовый уровень

6. Представительный уровень

7. Прикладной уровень

Прикладной

слой

Транспортный

слой

Канальный

слой

Семиуровневая модель OSI и ее упрощенное представление

в виде трех слоев протоколов

Протоколы

канального слоя