Тема 3. Компьютерные сети (коммуникации). ОСновные понятия.

Материал для изучения «История возникновения сетей» В середине 60 – х годов прошлого века был начат выпуск семейства машин третьего поколения. Их быстродействие достигало 1 млн. операций в секунду. Машинное время стоило дорого. Идея использовать ресурсы одной мощной ЭВМ сразу несколькими пользователями привела к созданию многотерминальных вычислительных систем, состоящих из вычислительной машины и подключенных к ней терминалов. Терминал – это монитор и клавиатура. В компьютерах третьего поколения появляется устройство подключения терминалов, находящихся в нескольких десятков метров от компьютера. Для подключения удаленных терминалов были созданы специальные устройства, использующие высокоскоростные каналы передачи данных. Так была создана коммерческая версия центральной ЭВМ – IBM 305 с четырьмя терминалами, удаленными почти на километр.

В отличие от вычислительных систем, главная идея, которой руководствовались разработчики вычислительных сетей, - это идея интеграции вычислительных мощностей нескольких ЭВМ в один «электронный мозг». Именно концепция вычислительных сетей была положена в основу проекта ARPANET (сеть агентства перспективных исследований). Агентство ARPA подчинялось министерству обороны США и координировало основную массу исследований в сфере информатики. Почти все американские университеты и институты выполняли задачи ARPA. Роберту Тейлору, который руководил в агентстве бюро технологий обработки информации, пришла идея связать компьютеры друг с другом, используя одинаковые терминалы и единое программное обеспечение.

Декабрь 1969 года считают временем начала работы первой вычислительной сети. В 1971 году программистом Рэем Томлинсоном была разработана система электронной почты. В 1974 году была открыта первая коммерческая служба ARPANET – Telnet, обеспечивающая доступ к удаленным компьютерам в режиме терминала. В 1974 году был также разработан универсальный протокол передачи данных и объединения сетей (TCP/IP – автор Винтон Серф) до сих пор использующийся в сети Internet. В 1983 году министерство обороны США разделило сеть на две части: отдельно для военных целей – MILNET и для научных – ARPANET. Начало глобальной сети Internet в США датируется 1986 годом, когда Национальный научный фонд совместно с Национальным управлением по аэронавтике и космосу создали научную компьютерную сеть на базе TCP/IP и объединили ее с ARPANET.В 1989 году организационно оформились администрирование и координация сети Internet в Европе. В Советском Союзе сети появились позднее. В 1986 году была создана первая отечественная компьютерная сеть ИАСНЕТ. В 1991 году в коммерческую эксплуатацию была введена сеть RELCOM – подмножество европейской коммерческой сети , которая является составной частью глобальной сети Интернет.

Материал для изучения «Компоненты компьютерных сетей» В настоящее время с такими распространенными техническими средствами телекоммуникации, как телефон и факс, все большую роль играют компьютерные коммуникации, или компьютерные сети, которые обеспечивают информационные технологии, или сетевые технологии передачи информации. Телекоммуникация (греч. tele - далеко, вдаль; лат. communicatio -сообщение, связь) - передача информации на расстоянии.

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и других средств вычислительной техники (активного сетевого оборудования, принтеров, сканеров и т. п.), объединенных с помощью линий связи, сетевых плати работающих под управлением сетевой операционной системы. Компьютерные сети создаются для того, чтобы группа пользователей могла обмениваться данными и совместно использовать одни и те же ресурсы вычислительной системы: память, программы, файлы, принтеры, модемы, процессоры и т. п. Совместное использование ресурсов экономит затраты на приобретение и эксплуатацию аппаратных средств; увеличивает эффективность использования данных. Создание компьютерной сети требует определенных, часто довольно ощутимых, затрат: на приобретение дополнительного оборудования и программных средств, на монтаж и наладку сети, а также на ее дальнейшую эксплуатацию. Однако сейчас и в государственных, и в частных организациях и фирмах всего мира компьютерная сеть является скорее правилом, чем исключением. В компьютерных сетях каждый абонент (клиент, пользователь, участник) может использовать разные типы компьютеров, модемов, линий связей и разные коммуникационные программы. Абоненты сети – объекты, генерирующие или потребляющие информацию. Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, промышленные роботы, станки с ЧПУ. Станция – аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации. Для организации взаимодействия абонентов и станции необходима физическая передающая среда. Физическая передающая среда – линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных. На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть. Таким образом, компьютерная сеть – это совокупность абонентских систем и коммуникационной сети. Модем - устройство, переводящее двоичные сигналы, используемые ПК, в аналоговые (работает как модулятор). Аналоговые сигналы передаются по телефонным линиям и преобразуются в двоичные (работает как демодулятор). Модемы бывают внешние и встроенные. Линии связи. В качестве линий, или каналов, связи используют: выделенные линии, коммутируемые телефонные линии, каналы спутниковой связи, каналы публичных сетей, оптоволоконные, радиоканалы и т. д.

ПРИМЕЧАНИЕ: Выделенные линии(еще недавно они были основными каналами связи между компьютерами) надежны, имеют хорошую скорость передачи данных, но дороги и не очень экономичны. Сегодня выделенные линии используются в системах, где постоянно требуется срочная и надежная передача больших объемов информации, например в системах резервирования билетов. Чаще всего выделенную линию создают с помощью кабеля, который протягивается от одной из коммутируемых точек компании, т. е. выделенная линия обеспечивает доступ к зданию, где располагается фирма-клиент. Реже в качестве выделенного канала применяют отдельную телефонную линию, еще реже (обычно в местах, расположенных в некотором отдалении от информационных магистралей) - радиорелейные и спутниковые каналы. Возможен также комбинированный доступ, например с помощью телефонной и спутниковой или наземной и радиорелейной связи. В любом случае подключение по выделенной линии - дело недешевое: покупка оборудования, прокладка внешнего кабеля потребуют инвестиций.Коммутируемые телефонные линиистановятся наиболее распространенными каналами связи для компьютерной коммуникации (это обусловлено появлением высоко-качественных модемов). Телефонные линии широко распространены, сравнительно дешевы и доступны, но скорость передачи данных по ним ограниченна, и в России коммутируемые телефонные каналы сильно зашумлены. Недавно появилась новая технология цифровых телефонных линийDSL. ТехнологияDSLпозволяет по уже существующим телефонным линиям передавать данные с такими же скоростями, как по оптическому волокну или по спутниковым каналам - до 2-8 Мбит/с. И стоит это намного дешевле. С помощью DSL пользователь Интернета получит на свой компьютер полноценное видеоизображение, при этом телефонная линия останется свободной для обычных звонков. Самые скоростные линии связи сегодня -оптоволоконные(имеют скорости до 10Гбит/с). Спутниковые линии развиваются, но добиться таких скоростей пока не получается. Зато по ним передают телевидение и они доступны во всех уголках Земли. Появление цифрового телевидения облегчит передачу данных. Наземные супермагистрали строят на базе электрических кабелей, оптических кабелей и радиорелейных линий. По электрическим кабелям и радиорелейным линиям передают потоки соскоростью до 500-600 Мбит/с.

Сервер, или файл - сервер, или хост - компьютер, или головная машина сети, обеспечивает одновременную работу нескольких абонентов, обслуживая их, хранит передаваемую информацию, обеспечивает связь с другими сетями. Этот главный компьютер, через который связываются между собой все абоненты сети, называется файловым сервером, файл - сервером или просто сервером (от англ. serve - обслуживать), или хост - компьютером (от англ. host - хозяин), или головной машиной сети. В качестве головной машины обычно используют компьютер высокой производительности, с большим объемом памяти на жестком диске. К нему подсоединяют несколько линий связи, он постоянно включен и готов отвечать на вызовы абонентов сети. Серверы, в свою очередь, также можно связать между собой. В результате образуется разветвленная коммуникационная система, состоящая из нескольких связанных между собой узлов. Серверы и линии связи чаще всего принадлежат коммерческим фирмам, предоставляющим коммуникационные услуги своим абонентам за плату. Работу сервера обеспечивает специальная сетевая программа, которая ведет диалог с пользователем и поддерживает все действующие в сети протоколы связи.

Коммуникационная программа. Для согласованной работы компьютеров в сети или для управления работой сети нужна сетевая операционная система (на ПК типа IBM PC это обычно Windows 2000 или Windows NT). Основная часть сетевой операционной системы (ОС) находится на файл - сервере, а отдельные элементы - на рабочих станциях. На файл - сервере размещают и основные файлы и программы информационной системы. Сетевая ОС позволяет разграничить права доступа отдельных пользователей к ресурсам сети. Например, одним, может быть запрещен доступ к обновлению информации о стоимости тура, другим - к чтению какой-либо информации. Защита сети - непременное условие ее работоспособности, так как неопытный пользователь может быстро испортить всю информацию на сервере.

Протокол связи. В компьютерных сетях каждый абонент может использовать различные марки компьютеров, типы модемов, линии связи, коммуникационные программы. Чтобы все это многообразие оборудования и программ работало согласованно, разработаны иерархия (подчиненность) и технические соглашения (протоколы) по унификации формы представления и способов пересылки сообщений, процедур их интерпретации, совместной работы различного оборудования в сетях. Международная организация по стандартизации (ISO) подготовила и ввела в действие многоуровневую (иерархическую) структуру протоколов - OSI (соединение открытых систем). Она включает семь уровней функционирования систем передачи данных. По мере развития средств вычислительной техники и связи каждые три-пять лет появляются новые технические решения, ранее утвержденные протоколы пересматриваются и на их основе разрабатываются новые. Появление нового протокола не отменяет действие старых. Каждый из абонентов сети может выбрать, каким из протоколов он будет пользоваться во время работы в сети. Этот выбор определяется техническими возможностями (компьютер, модем, линии связи, программное обеспечение), которыми располагает абонент, и соображениями эффективности его работы.

Материал для изучения «Классификация сетей» В зависимости от территориального расположения абонентских систем информационные сети можно разделить на два основных вида: локальные сети и глобальные сети. Локальная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории (не более 2 – 2.5 км). Локальные компьютерные сети позволяют организовать передачу данных между абонентами одного офиса (одной территориально компактно расположенной организации). Локальные сети позволяют отдельным пользователям легко и быстро взаимодействовать друг с другом:

- совместно работать с документами, упростить документооборот, просматривать, корректировать и комментировать документы, не покидая своего рабочего места, не организовывая совещаний, отнимающих время, централизованно созранять и архивировать свою работу;

- совместно использовать дорогостоящие ресурсы: принтеры, накопители на жестких дисках, программы управления базами данных и другие программные продукты, имеющие сетевые версии.

Способ соединения компьютеров в сеть называют топологией сети, а правила обмена данными называют протоколом.

Основные виды топологии локальной сети: шинная, кольцевая, звездообразная. Шинной называется такая топология, когда к незамкнутому каналу (шине) поочередно подключаются компьютеры, которые называются сетевыми узлами или абонентами сети. Кольцевой называется топология, когда информация передается от абонента к абоненту по замкнутому каналу (кольцу) только в одном направлении. Звездообразной называется топология, при которой компьютеры соединены между собой не непосредственно, а через специальное устройство – концентратор или хаб.

Сети, которые охватывают площади в тысячи километров, получили название глобальных. Корпоративная (ведомственная) сеть - это сеть, обеспечивающая передачу данных между абонентами, входящими в состав ведомства (чаще всего это территориально удаленные друг от друга офисы). При необходимости корпоративная сеть подключается к сетям общего назначения (глобальным). Intranet - это организация обмена данными между различными подразделениями одной фирмы (ведомства) через сеть Internet. Internet - совокупность всех взаимосвязанных локальных, корпоративных, глобальных сетей. Нейросети - подобно биологическим, искусственные нейросети обеспечивают параллельную обработку данных. В их архитектуре в отличие от традиционного компьютера, основанного на последовательном принципе работы, нет разделения на активный процессор и пассивную память. Именно параллельность при обработке данных позволяет природным нейросетям быстро решать задачи, непосильные для самых мощных суперкомпьютеров. Подробной информации о разработках нейросетей нет, так как, во-первых, речь идет о потенциально емком и высококонкурентном рынке, а во-вторых, подобные технологии применяются военными. Но даже то немногое, что разработчики считают возможным сообщить, не оставляет сомнений в том, что начался новый виток технологической гонки, по сравнению с которым компьютерная революция будет выглядеть всего-навсего одним из подготовительных этапов. Нейросетевые фирмы были организованы исследователями, вовремя понявшими перспективы нейрокомпьютинга и сумевшие убедить в них инвесторов. Рынок нейропродукции растет стремительными темпами. По заявлению Билла Гейтса, его корпорация собирается в ближайшее время выпустить новую операционную систему, 90 % которой будет занято распознаванием образов. А по признанию одного из топ-менеджеров «Intel», фирма серьезно готовится к новому технологическому витку, в частности проводит дорогостоящие исследования в области биочипов, которые, возможно, заменят в нейрокомпьютерах будущего обычные железные процессоры. Сегодня нейрокомпьтерные технологии применяются для прогноза рынков и выявления скрытой информации из баз данных крупнейшими банками, финансовыми и страховыми компаниями. На рынке уже фигурирует сетевой агент, представляющий собой индивидуального электронного секретаря, который, изучив интересы и привычки своего хозяина, вполне может успешно заменять его при Диалоге во Всемирной паутине.

Материал для изучения «Технология файл – сервер». При файл - серверной реализации информационной системы база данных располагается в виде файлов на винчестерском диске одного из компьютеров сети. Серверы, разделяемым ресурсом которых является дисковая память (или, говоря иначе, файлы, хранящиеся на винчестерском диске), называются файл-серверами. Программы пользователей работают на рабочих станциях и при необходимости обращаются к файлам сервера, в которых хранится база данных системы. При этом возникает немало проблем. Файловый сервер обрабатывает огромное количество запросов на обслуживание файлов, это требует значительного времени. Пользователю приходится ждать. При одновременном обращении нескольких пользователей к одному файлу могут возникнуть проблемы с надежностью хранения информации, так как файловый сервер производит чтение/запись блоков данных, не контролируя их содержимое. Соответственно, некорректная работа клиентского приложения может легко разрушить базу данных системы. Каждый клиент обращается к БД - что и как этот клиент выполняет, полностью зависит от него и от надежности всей системы. Между клиентом и сервером происходит обмен большим количеством информации. При этом для изменения одного байта необходимо прочитать значительно больший массив (обычно в сотни раз больший), изменить этот один байт и снова записать информацию на диск.

Материал для изучения «Технология клиент – сервер». Эффективно эксплуатировать мощности компьютерной сети позволяет применение технологии «клиент - сервер». В основе этой технологии лежит идея разделить ключевые функции по обработке информации между программой-приложением (клиентом) и программой управления базой данных - сервером баз данных.

Технология «клиент-сервер» - основное направление современных разработок в области мощных информационных систем. При работе с большими массивами информации реальна ситуация, когда к одним и тем же данным обращаются сразу несколько пользователей, причем один читает, другой пытается удалить, а третий - обновляет ее, т. е. программы на рабочих станциях работают фактически независимо друг от друга. Каждая из программ, обращаясь к серверу за информацией, предусматривает изменение данных системы (обновление, вставка, удаление) и обычно захватывает весь информационный файл, даже если ей нужно всего несколько записей. Кроме того, каждая программа устанавливает собственные правила захвата и блокировки информационных ресурсов (с целью не допустить одновременного изменения одних и тех же данных разными пользователями). Нагрузка на сеть растет, надежность ИС снижается. При использовании технологии (архитектуры) «клиент-сервер» сервер поддерживает корректную работу всех рабочих станций, оптимизирует обслуживание, поддерживает целостность и безопасность данных.

Одноранговая сеть – сеть, в которой нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций или выделенного устройства для хранения данных. Каждая станция сети может выполнять функции, как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети могут быть доступны все устройства, подключенные к другим станциям. Достоинства одноранговых сетей: высокая надежность, «прозрачность» работы сети для пользователей, низкая стоимость, простота управления. Недостатки одноранговых сетей: зависимость эффективной работы от количества станций, сложность обеспечения защиты информации, трудности обновления программного обеспечения. Сеть с выделенным сервером – сеть, в которой один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействия между рабочими станциями и ряд сервисных функций. Взаимодействие осуществляется только через сервер. Достоинства сетей с выделенным сервером: надежная система защиты информации, высокое быстродействие, отсутствие ограничений на число станций. Недостатки сетей с выделенным сервером: высокая стоимость, меньшая гибкость по сравнению с одноранговыми сетями.

Технология «клиент-сервер» хороша тем, что между базой данных и клиентом становится посредник - SQL-сервер. Применительно к информационным системам это означает, что работа с базой данных реализуется с помощью SQL-сервера. Что же такое SQL-сервер? Начиная с 80-х гг. разрабатывается специальный язык управления базами данных - Structured Query Language (язык структурированных запросов), который в настоящее время имеет статус международного стандарта (последняя редакция утверждена в 1992 г.). Сегодня SQL-сервер - это программа, которая способна получать от программ - клиентов запросы, сформулированные на этом языке, и результаты их исполнения отправлять обратно клиенту. Поскольку запросы SQL точно указывают, какую запись в таблице желает изменить клиентское приложение, сервер может надежно контролировать допустимость требуемой операции. Технология «клиент-сервер» позволяет создавать комплексы, которые в наибольшей степени соответствуют требованиям к современным информационным системам: • дружелюбный интерфейс (простота и удобство работы БД); • производительность и безопасность; • простота и эффективность разработки приложений; • открытость архитектуры и возможность изменения аппаратных средств без изменения программ, расширения функций, масштабов системы при сохранении прежних финансовых вложений, программных) наработок.

Многие фирмы специализируются на выпуске промышленных продуктов для архитектуры «клиент-сервер», главными из них являются серверы баз данных (например, SQLBase фирмы «Centura») и средства разработки приложений (например, VisualBasic фирмы «Microsoft»).