Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

101

ботка данных и сами данные находятся на сервере (Рис. 3.2, б).

Возможны промежуточные варианты, когда пользовательский ин-

терфейс, обработка данных и база данных могут быть частично

реализованы на клиентской машине, а частично на сервере.

КЛИЕНТ

Запрос Возврат Запрос Возврат

операций результата операций результатов

Запрос Возврат

операций результатов

СЕРВЕР

ПРИЛО-

Запрос Возврат ЖЕНИЙ

данных данных

Запрос Возврат

данных данных

Запрос Возврат

данных данных

СЕРВЕР БД

а) б) в)

Интерфейс

пользователя

Интерфейс

пользователя

Интерфейс

пользователя

Приложение

База данных База данных База данных

Рис. 3.2. Варианты реализации модели «клиент-сервер»

Для повышения общей эффективности системы все чаще

применяются трехзвенные архитектуры. В этой архитектуре,

кроме клиентской части системы и сервера базы данных, вводит-

ся промежуточный сервер приложений (Рис. 3.2, в). На машине

клиента выполняются только интерфейсные действия, вся логика

обработки информации поддерживается сервером приложений, а

данные

располагаются на сервере баз данных.

В последние годы все чаще применяются системы с распреде-

ленными базами данных. В этом случае необходимые данные

расположены одновременно на нескольких серверах. В этом слу-

чае серверные процессы производят запросы данных с других

серверов по сети.

Еще одной целью компьютерной сети является масшта-

бируемость, то есть

способность увеличивать производитель-

102

ность системы по мере роста нагрузки на систему за счет просто-

го добавления процессоров. Когда перестает хватать возможно-

стей мэйнфрейма, всю систему требуется заменить на более про-

изводительную, что обычно влечет очень большие финансовые

затраты и неудобство для пользователей. В случае клиент-

серверной модели новые клиенты и новые серверы могут добав

ляться по мере надобности.

И, наконец, еще одна цель установки компьютерной сети име-

ет мало общего с технологией вообще. Компьютерная сеть явля-

ется мощным средством связи между удаленными друг от друга

сотрудниками организации. При помощи сети два или более уда-

ленных друг от друга сотрудника могут легко составить совмест-

ный

отчет. Если один из сотрудников изменяет документ, нахо-

дящийся на сервере, в подключенном режиме (on-line), остальные

сотрудники могут немедленно увидеть эти изменения, а не ждать

письма в течение нескольких дней. Подобное ускорение передачи

информации делает возможным сотрудничество удаленных друг

от друга групп людей. На длительном отрезке времени использо-

вание сетей для общения

между людьми может оказаться даже

важнее, чем любая из технических целей, как, например, увели-

чение надежности.

Все приведенные выше цели построения компьютерных сетей

имеют экономическую или технологическую природу. В 90-х го-

дах компьютерные сети стали предоставлять услуги частным ли-

цам на дому. Можно выделить три наиболее важных причины

популярности использования

сетей частными лицами: доступ к

удаленной информации, общение, интерактивные развлечения.

Доступ к удаленной информации может осуществляться в

различной форме. В качестве примера можно привести доступ к

финансовым учреждениям. Люди оплачивают счета, управляют

банковскими счетами и вкладами при помощи компьютерных се-

тей. Кроме того, становятся популярными Интернет-магазины с

возможностью просмотра в

подключенном режиме (on-line) ката-

логов тысяч компаний. Важным является доступ к электронным

источникам информации (газеты, библиотеки, базы данных

и т.д.). Все приведенные возможности применения сетей вклю-

чают взаимодействие между пользователем и удаленной базой

данных.

103

Следующей категорией применения сетей является общение

между частными лицами, что можно назвать ответом XXI века

веку XIX с его изобретением телефона. Электронная почта уже

широко используется миллионами людей. Электронная почта ре-

ального времени позволит удаленным пользователям без задерж-

ки также видеть и слышать друг друга. Подобная технология де-

лает возможными виртуальные собрания, называемые

видеокон-

ференциями, в которых могут принимать участие люди, находя-

щиеся далеко друг от друга.

Третья категория – развлечения – является гигантской инду-

стрией, продолжающей развиваться. По оценкам специалистов

рынок игровой индустрии в мире (компьютерные, мобильные те-

лефоны, игровые приставки) оценивается в настоящее время в 20

биллионов долларов в год.

Вместе с тем, широкое

распространение сетей вызовет новые

социальные, этические и политические проблемы. Взгляды, изла-

гаемые в сети одними людьми, могут оказаться оскорбительными

для других. Некоторые люди придерживаются точки зрения «жи-

ви и дай жить другим», однако другие считают, что помещение в

сети некоторых материалов просто недопустимо. Таким образом,

возможны различные конфликтные ситуации с непредсказуемыми

последствиями. Еще одной областью конфликтов является соблю-

дение авторских прав на информацию, размещаемую в сети. Ком-

пьютерные сети предоставляют также возможности для посылки

анонимных сообщений, дезинформации, информации оскорби-

тельного содержания и для других нежелательных действий.

Итак, подобно печатному станку 500 лет назад, компьютерные

сети предоставляют новые способы распространения гражданами

их точек

зрения среди самой различной аудитории. Новая свобо-

да распространения информации несет с собой и новые нерешен-

ные политические, юридические, психологические и социальные

проблемы.

3.3. Эволюция компьютерных систем

Обратимся сначала к компьютерному корню вычислительных

сетей. Первые компьютеры 50-х годов – большие, громоздкие и

104

дорогие – предназначались для очень небольшого числа избран-

ных пользователей. Часто эти монстры занимали целые здания.

Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной

работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обра-

ботки. Системы пакетной обработки, как правило, строились на

базе мэйнфрейма – мощного и надежного компьютера универ-

сального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты,

содержащие

данные и команды программ, и передавали их в вы-

числительный 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 задержку.

Конечно, для пользователей интерактивный режим работы,

при котором можно с терминала оперативно

руководить процес-

сом обработки своих данных, был бы гораздо удобней. Но инте-

ресами пользователей на первых этапах развития вычислитель-

ных систем в значительной степени пренебрегали, поскольку па-

кетный режим – это самый эффективный режим использования

вычислительной мощности, так как он позволяет выполнить в

единицу времени больше пользовательских задач, чем любые

другие режимы

. Во главу угла ставилась эффективность работы

самого дорогого устройства вычислительной машины – процес-

сора, в ущерб эффективности работы использующих его специа-

листов.

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появи-

лись новые способы организации вычислительного процесса, ко-

торые позволили учесть интересы пользователей. Начали разви-

ваться интерактивные многотерминальные системы разделения

времени.

В таких системах компьютер отдавался в распоряжение

сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал

собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог

с компьютером. Причем 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 поль-

зоваться преимуществами компьютеризации.

105

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рас-

средоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная

мощность оставалась полностью централизованной, некоторые

функции, такие как ввод и вывод данных, стали распределенны-

ми. Подобные 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 вос-

принимает работу за подключенным к сети персональным ком-

пьютером. 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.

Таким образом, многотерминальные системы, работающие в

режиме разделения времени, стали первым шагом на пути созда-

ния локальных вычислительных сетей. Но до появления локаль-

ных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как много-

терминальные системы, хотя и имели внешние черты распреде-

ленных систем, все еще сохраняли сущность централизованной

обработки данных.

С другой стороны, и потребность предприятий в создании ло-

кальных сетей в это время еще не созрела – в одном здании про-

сто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимо-

сти вычислительной техники предприятия не могли себе позво-

лить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот

пе-

риод был справедлив так называемый «закон Гроша», который

эмпирически отражал уровень технологии того времени. В соот-

ветствии с этим законом производительность компьютера была

пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что

за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную ма-

шину, чем две менее мощных, так как их

суммарная мощность

оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

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 компьютера-

106

ми через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети по-

зволяли многочисленным пользователям получать удаленный

доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьюте-

ров класса супер-ЭВМ. Затем появились системы, в которых на-

ряду с удаленными соединениями типа терминал–компьютер бы-

ли реализованы и удаленные связи типа компьютер–компьютер.

Компьютеры получили возможность

обмениваться данными в ав-

томатическом режиме, что, собственно, и является базовым ме-

ханизмом любой вычислительной сети. На основе этого меха-

низма в первых сетях были реализованы службы обмена файла-

ми, синхронизации баз данных, электронной почты и другие,

ставшие теперь традиционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобаль-

ные сети (Wide Area Networks, WAN),

то есть сети, объединяю-

щие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно

находящиеся в различных городах и странах. Именно при по-

строении глобальных сетей были впервые предложены и отрабо-

таны многие основные идеи и концепции современных вычисли-

тельных сетей. Такие, например, как многоуровневое построение

коммуникационных протоколов, технология коммутации паке-

тов, маршрутизация пакетов в составных

сетях.

Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали

от других, гораздо более старых и распространенных глобальных

телефонных сетей. Главным результатом создания первых гло-

бальных компьютерных сетей был отказ от принципа коммута-

ции каналов, на протяжении многих десятков лет успешно ис-

пользовавшегося в телефонных сетях. Выделяемый на все время

сеанса связи составной

канал с постоянной скоростью не мог эф-

фективно использоваться пульсирующим трафиком компьютер-

ных данных, у которого периоды интенсивного обмена череду-

ются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты и

математическое моделирование показали, что пульсирующий и в

значительной степени не чувствительный к задержкам компью-

терный трафик гораздо эффективней передается сетями, исполь-

зующими принцип коммутации

пакетов, когда данные разделя-

ются на небольшие порции – пакеты, которые самостоятельно

перемещаются по сети за счет встраивания адреса конечного узла

в заголовок пакета.

107

Так как прокладка высококачественных линий связи на боль-

шие расстояния обходится очень дорого, то в первых глобальных

сетях часто использовались уже существующие каналы связи, из-

начально предназначенные совсем для других целей. Например, в

течение многих лет глобальные сети строились на основе теле-

фонных каналов, способных в каждый момент времени вести пе

редачу только одного разговора в аналоговой форме. Поскольку

скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким

каналам была очень низкой (десятки килобит в секунду), набор

предоставляемых услуг в глобальных сетях такого типа обычно

ограничивался передачей файлов, преимущественно в фоновом

режиме, и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие

каналы имеют и другой

недостаток – они вносят значительные

искажения в передаваемые сигналы. Поэтому протоколы гло-

бальных сетей, построенных с использованием каналов связи

низкого качества, отличаются сложными процедурами контроля

и восстановления данных. Типичным примером таких сетей яв-

ляются сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х годов, когда

низкоскоростные аналоговые каналы, арендуемые у телефонных

компаний, были преобладающим

типом каналов, соединяющих

компьютеры и коммутаторы глобальной вычислительной сети.

Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определял-

ся прогрессом телефонных сетей.

С конца 60-х годов в телефонных сетях все чаще стала при-

меняться передача голоса в цифровой форме, что привело к по-

явлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих

АТС и позволяющих одновременно

передавать десятки и сотни

разговоров.

К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и

качеству сервисов догнали локальные сети, которые долгое время

были лидерами в этом отношении, хотя и появились на свет зна-

чительно позже.

Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных се-

тей, произошло в начале 70-х годов. В результате технологиче-

ского

прорыва в области производства компьютерных компонен-

тов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравни-

тельно невысокая стоимость и хорошие функциональные воз-

можности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали

108

реальными конкурентами мэйнфреймов. Эмпирический закон

Гроша перестал соответствовать действительности, так как деся-

ток мини-компьютеров, имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм,

выполнял некоторые задачи (как правило, хорошо распараллели-

ваемые) быстрее. Даже небольшие подразделения предприятий

получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини-

компьютеры выполняли задачи управления технологическим

оборудованием, складом и другие задачи

уровня отдела предпри-

ятия. Таким образом, появилась концепция распределения ком-

пьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все

компьютеры одной организации по-прежнему продолжали рабо-

тать автономно. Но шло время, потребности пользователей вы-

числительной техники росли. Их уже не удовлетворяла изолиро-

ванная работа на собственном компьютере, им хотелось в

авто-

матическом режиме обмениваться компьютерными данными с

пользователями других подразделений. Ответом на эту потреб-

ность стало появление первых локальных вычислительных сетей,

объединяющих компьютеры, сосредоточенные на небольшой

территории, обычно в радиусе не более 1 – 2 км, хотя в отдель-

ных 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 соб-

ственный способ представления данных на линиях связи, свои

типы кабелей и т. п., могли соединять только те конкретные

мо-

дели компьютеров, для которых были разработаны, например,

мини-компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или компью-

теры «Наири» с компьютерами «Днепр».

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 по-

явления послужили персональные компьютеры. Эти

массовые

продукты явились идеальными элементами для построения сетей.

С одной стороны, они были достаточно мощными для работы се-

109

тевого программного обеспечения, а с другой – явно нуждались в

объединении своей вычислительной мощности для решения

сложных задач, а также разделении дорогих периферийных уст-

ройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьюте-

ры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в ка-

честве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хране-

ния

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 гло-

бальных компьютерных сетях – принцип коммутации пакетов.

Для создания

сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры

соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный

кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъема-

ми и установить на компьютер одну из популярных сетевых опе-

рационных систем, например, Novell NetWare. После этого сеть

начинала работать и последующее присоединение каждого ново-

го компьютера не вызывало никаких проблем, если на нем был

установлен

сетевой адаптер той же технологии.

Разработчики локальных сетей привнесли много нового в ор-

ганизацию работы пользователей. Так, намного проще и удобнее

стало получать доступ к совместно используемым сетевым ре-

сурсам. В отличии от глобальной, в локальной сети пользователь

освобождается от запоминания сложных идентификаторов разде-

ляемых ресурсов. Для этих целей система

предоставляет ему спи-

сок ресурсов в удобной для восприятия форме, например, в виде

древовидной графической структуры. Еще один прием, рациона-

лизирующий работу пользователя в локальной сети, состоит в

том, что после соединения с удаленным ресурсом пользователь

получает возможность обращаться к нему с помощью тех же ко-

манд, которые он использовал при

работе с локальными ресурса-

ми. Последствием и одновременно движущей силой такого про-

гресса стало появление огромного числа непрофессиональных

пользователей, освобожденных от необходимости изучать специ-

альные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы.

Может возникнуть вопрос: почему все эти удобства пользова-

тели получили только с приходом локальных сетей? Главным об-

110

разом, это связано с использованием в локальных сетях качест-

венных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адапте-

ры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных

до 10 Мбит/с. При небольшой протяженности, свойственной ло-

кальным сетям, стоимость таких линий связи была вполне при-

емлемой. Поэтому экономное расходование пропускной способ-

ности 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 объ-

явления серверов о своих ресурсах и услугах. На основании таких

объявлений клиентские компьютеры составляли

списки имею-

щихся в сети ресурсов и предоставляли их пользователю.

Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локаль-

ных сетей – семейство Ethernet, в которое вошли классическая

технология Ethernet 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и

Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с. Простые алгоритмы работы предо-

пределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Широкий

диапазон иерархии скоростей позволяет рационально строить

ло-

кальную сеть, применяя ту технологию семейства, которая в наи-

большей степени отвечает задачам предприятия и потребностям

пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень

близки друг к другу по принципам работы, что упрощает обслу-

живание и интеграцию этих сетей.

3.4. Конвергенция сетей

В конце 80-х годов отличия между локальными и глобальны-

ми сетями проявлялись весьма отчетливо по многим технологи-

ческим параметрам и видам предоставляемых услуг.

Протяженность и качество линий связи. Локальные ком-

пьютерные сети по определению отличаются от глобальных се-

тей небольшими расстояниями между узлами сети. Это в прин-

ципе делает возможным

использование в локальных сетях более

качественных линий связи.