Навчальні цілі. Ознайомлення студентів з основами побудови комп’ютерних мереж, різновидами їх архітектур, адресацією в мережах.
Час - 90 хв.
План проведення лекції та розрахунок часу
Загальні положення______________________________________________-_5__ хвилин
Навчальні питання
1. Системи пакетної обробки – 15 хвилин
2. Локальні та глобальні комп’ютерні мережі – 15 хвилин
3. Типові топології– 20 хвилин
4. Адресація вузлів мереж – 20 хвилин
5. Поняття конвергенції мереж – 10 хвилин
Висновок_____________________________________________-5__ хвилин
ЛІТЕРАТУРА:
(рекомендована для студентів)
В. Г. Дурнев, А. Ф. Зеневич, Б. И. Крук, В. П. Кубанов, В. В. Романов, В. И. Иванов. Электросвязь. Введение в специальность. – М.: Радио и связь, 1988.
Текст лекції
Комп'ютерні мережі є логічним результатом еволюції двох найважливіших науково-технічних галузей сучасної цивілізації — комп'ютерних і телекомунікаційних технологій.
З одного боку, мережі є окремим випадком розподілених обчислювальних систем, в яких група комп'ютерів узгоджено виконує набір взаємозв'язаних задач, обмінюючись даними в автоматичному режимі. З іншого боку, комп'ютерні мережі можуть розглядатися як засіб передачі інформації на великі відстані, для чого в них застосовуються методи кодування і мультиплексування даних, що одержали розвиток в різних телекомунікаційних системах.
Системи пакетної обробки
Перші комп'ютери 50-х років — великі, громіздкі і великої вартості — призначалися для дуже невеликої кількості вибраних користувачів. Часто вони займали цілі будівлі. Такі комп'ютери не були призначені для інтерактивної роботи користувача, а використовувалися в режимі пакетної обробки.
Системи пакетної обробки, як правило, будувалися на базі мейнфрейму — могутнього і надійного комп'ютера універсального призначення. Користувачі готували перфокарти, що містять дані і команди програм, і передавали їх у обчислювальний центр. Оператори вводили ці карти в комп'ютер, а роздруковані результати користувачі одержували звичайно тільки наступного дня. Таким чином, одна невірно набита карта означала як мінімум добову затримку. Звичайно, для користувачів інтерактивний режим роботи, при якому можна з терміналу оперативно керувати процесом обробки своїх даних, був би зручнішим. Але інтересами користувачів на перших етапах розвитку обчислювальних систем в значній мірі нехтували. Основною задачею ставилася ефективність роботи найдорожчого пристрою обчислювальної машини — процесору, навіть за рахунок ефективності роботи фахівців, які ним користувалися.
У міру здешевлення процесорів на початку 60-х років з'явилися нові способи організації обчислювального процесу, які дозволили врахувати інтереси користувачів. Почали розвиватися інтерактивні багатотермінальні системи розділення часу. В таких системах кожний користувач одержував власний термінал, за допомогою якого він міг вести діалог з комп'ютером. Кількість одночасно працюючих з комп'ютером користувачів залежала від його потужності так, щоб час реакції обчислювальної системи був достатньо малим, і користувачу була не дуже помітна паралельна робота з комп'ютером інших користувачів.
Термінали, вийшовши за межі обчислювального центру, розосередилися по всьому підприємству. І хоча обчислювальна потужність залишалася повністю централізованою, деякі функції — такі як введення і виведення даних — стали розподіленими. Подібні багатотермінальні централізовані системи зовні вже були дуже схожі на локальні обчислювальні мережі. Дійсно, рядовий користувач роботу за терміналом мейнфрейма сприймав приблизно так само, як зараз він сприймає роботу за підключеним до мережі персональним комп'ютером. Користувач міг дістати доступ до спільних файлів і периферійних пристроїв, при цьому у нього підтримувалася повна ілюзія одноосібного володіння комп'ютером, оскільки він міг запустити потрібну йому програму у будь-який момент і майже зразу ж одержати результат.
Багатотермінальні системи, що працюють в режимі розділення часу, стали першим кроком на шляху створення локальних обчислювальних мереж.
Проте до появи локальних мереж потрібно було пройти ще великий шлях, оскільки багатотермінальні системи, хоча і мали зовнішні риси розподілених систем, все ще підтримували централізовану обробку даних.
З іншого боку, і потреба підприємств в створенні локальних мереж в цей час ще не була актуальною.
Глобальні та локальні комп’ютерні мережі
Виникла потреба в з'єднанні комп'ютерів, що знаходяться на великій відстані один від одного. Спочатку необхідно було розв’язати простішу задачу — доступу до комп'ютера з терміналів, віддалених від нього на багато сотень, а то і тисячі кілометрів. Термінали з'єднувалися з комп'ютерами через телефонні мережі за допомогою модемів. Такі мережі дозволяли численним користувачам одержувати віддалений доступ до ресурсів декількох потужних комп'ютерів. Потім з'явилися системи, в яких разом з віддаленими з'єднаннями типу термінал-комп'ютер були реалізовані і віддалені з’єднання типу комп'ютер-комп'ютер.
Комп'ютери одержали можливість обмінюватися даними в автоматичному режимі, що, власне, і є базовою ознакою будь-якої обчислювальної мережі. На основі подібного механізму в перших мережах були реалізовані служби обміну файлами, синхронізації баз даних, електронної пошти і інші, що стали тепер традиційними мережні служби.
Отже, хронологічно першими з'явилися глобальні мережі (Wide Area Networks, WAN), тобто мережі, які об'єднували територіально розосереджені комп'ютери.
Саме при побудові глобальних мереж були вперше запропоновані і відпрацьовані багато основних ідей, що лежать в основі сучасних обчислювальних мереж. Такі, наприклад, як багаторівнева побудова комунікаційних протоколів, концепції комутації і маршрутизації пакетів.
Глобальні комп'ютерні мережі дуже багато успадковували від інших, набагато старших і поширеніших глобальних мереж — телефонних. Головна технологічна новина, яку привнесли з собою перші глобальні комп'ютерні мережі, полягала у відмові від принципу комутації каналів, який протягом багатьох десятків років успішно використовувався в телефонних мережах.
Складний телефонний канал, що виділявся на весь час сеансу зв'язку та передавав інформацію з постійною швидкістю, не міг ефективно використовуватися пульсуючим трафіком комп'ютерних даних, у якого періоди інтенсивного обміну чергуються з тривалими паузами. Натурні експерименти і математичне моделювання показали, що пульсуючий і в значній мірі не чутливий до затримок комп'ютерний трафік набагато ефективніше передається мережами, що працюють за принципом комутації пакетів, коли дані розділяються на невеликі порції — пакети, — які самостійно переміщаються по мережі завдяки наявності адреси кінцевого вузла в заголовку пакету.
Оскільки прокладання високоякісних ліній зв'язку на великі відстані обходиться дуже дорого, то в перших глобальних мережах часто використовувалися вже існуючі канали зв'язку, спочатку призначені зовсім для інших цілей. Наприклад, протягом багатьох років глобальні мережі будувалися на основі телефонних каналів тональної частоти, здатних в кожний момент часу вести передачу тільки однієї розмови в аналоговій формі. Оскільки швидкість передачі дискретних комп'ютерних даних по таких каналах була дуже низькою (десятки кілобітів в секунду), набір послуг, що надавалися, в глобальних мережах такого типу, звичайно обмежувався передачею файлів, переважно у фоновому режимі, і електронною поштою. Крім низької швидкості такі канали мають і інший недолік — вони вносять значні спотворення в передавані сигнали. Тому протоколи глобальних мереж, побудованих з використанням каналів зв'язку низької якості, відрізняються складними процедурами контролю і відновлення даних. Типовим прикладом таких мереж є мережі Х.25, розроблені ще на початку 70-х, коли низькошвидкісні аналогові канали, що орендувалися у телефонних компаній, були переважаючим типом каналів, що сполучали комп'ютери і комутатори глобальної обчислювальної мережі.
В 1969 році міністерство оборони США ініціювало роботи по об'єднанню в єдину мережу суперкомп'ютерів оборонних і науково-дослідних центрів. Ця мережа, що одержала назву ARPANET, стала відправною точкою для створення першої і найвідомішої нині глобальної мережі — Internet.
Мережа ARPANET об'єднувала комп'ютери різних типів, що працювали під управлінням різних ОС з додатковими модулями, що реалізовували комунікаційні протоколи, спільні для всіх комп'ютерів мережі. ОС цих комп'ютерів можна вважати першими мережними операційними системами.
Прогрес глобальних комп'ютерних мереж багато в чому визначався прогресом телефонних мереж.
З кінця 60-х років в телефонних мережах все частіше стала застосовуватися передача голосу в цифровій формі. Це призвело до появи високошвидкісних цифрових каналів, що сполучали автоматичні телефонні станції (АТС) і дозволяюли одночасно передавати десятки і сотні розмов. Була розроблена спеціальна технологія для створення так званих первинних, або опорних, мереж. Такі мережі не надають послуг кінцевим користувачам, вони є фундаментом, на якому будуються швидкісні цифрові канали «точка-точка», які з’єднують устаткування інших, так званих накладених мереж, які вже працюють на кінцевого користувача.
Спочатку технологія первинних мереж була виключно внутрішньою технологією телефонних компаній. Проте з часом ці компанії почали здавати частину своїх цифрових каналів, утворених в первинних мережах, в оренду підприємствам, які використовували їх для створення власних телефонних і глобальних комп'ютерних мереж.
До теперішнього часу глобальні мережі за різноманітністю і якістю послуг, що надаються, наздогнали локальні мережі, які довгий час лідирували в цьому відношенні, хоча і з'явилися значно пізніше.
Перші локальні мережі. В результаті технологічного прориву в області виробництва комп'ютерних компонентів з'явилися великі інтегральні схеми (ВІС). Їх порівняльно невисока вартість та функціональні можливості призвели до створення міні-комп'ютерів, які стали реальними конкурентами мейнфреймів. Навіть невеликі підрозділи підприємств отримали можливість мати власні комп'ютери. Міні-комп'ютери вирішували задачі управління технологічним обладнанням, інші задачі рівня відділу підприємства. Таким чином, з'явилася концепція розподілу комп'ютерних ресурсів по всьому підприємству. Проте при цьому всі комп'ютери однієї організації як і раніше продовжували працювати автономно.
Йшов час, і потреби користувачів обчислювальної техніки зростали. Їх вже не задовольняла ізольована робота на власному комп'ютері. Необхідно було в автоматичному режимі обмінюватися комп'ютерними даними з користувачами інших підрозділів. Відповіддю на цю потребу стала поява перших локальних обчислювальних мереж.
Локальні мережі (Local Area Networks, LAN) — це об'єднання комп'ютерів, зосереджених на невеликій території, звичайно в радіусі не більше 1-2 км, хоча в окремих випадках локальна мережа може мати і більші розміри, наприклад, декілька десятків кілометрів. В загальному випадку локальна мережа є комунікаційною системою, що належить одній організації.
Мережна технологія — це узгоджений набір програмних і апаратних засобів (наприклад, драйверів, мережних адаптерів, кабелів і роз'ємів) і механізмів передачі даних по лініях зв'язку, достатній для побудови обчислювальної мережі.
Різноманітні пристрої сполучення, що використовують власні способи представлення даних на лініях зв'язку, свої типи кабелів і т. п., могли з’єднувати тільки ті конкретні моделі комп'ютерів, для яких були розроблені. В середині 80-х років стан справ в локальних мережах змінився. Затвердилися стандартні мережні технології об'єднання комп'ютерів в мережу — Ethernet, ArcNet, Token Ring, Token Bus, дещо пізніше — FDDI. Потужним стимулом для їх появи стали персональні комп'ютери. Ці масові продукти сталі ідеальними елементами для побудови мереж — з одного боку, вони були достатньо потужними, щоб забезпечувати роботу мережного програмного забезпечення, а з іншого — явно потребували об'єднання своєї обчислювальної потужності для вирішення складних задач, а також розділення дорогих периферійних пристроїв і дискових масивів. Тому персональні комп'ютери стали переважати в локальних мережах, причому не тільки як клієнтські комп'ютери, але і як центри зберігання і обробки даних, тобто мережні сервери, потіснивши з цих звичних ролей міні-комп'ютери і мейнфрейми.
Всі стандартні технології локальних мереж спиралися на той же принцип комутації, який був з успіхом випробуваний і довів свої переваги при передачі трафіку даних в глобальних комп'ютерних мережах, — принцип комутації пакетів.
Стандартні мережні технології перетворили процес побудови локальної мережі з мистецтва в рутинну роботу. Для створення мережі було достатньо придбати стандартний кабель, мережні адаптери відповідного стандарту, наприклад Ethernet, вставити адаптери в комп'ютери, приєднати їх до кабелю стандартними роз'ємами і встановити на комп'ютери одну з мережних операційних систем.
Розробники локальних мереж привнесли багато нового в організацію роботи користувачів. Так, стало набагато простіше і зручніше, ніж в глобальних мережах, одержувати доступ до спільних мережних ресурсів — на відміну від глобальної в локальній мережі користувач звільнений від запам'ятовування складних ідентифікаторів ресурсів, що розділяються. Для цих цілей система надає йому список ресурсів в зручній для сприйняття формі, наприклад у вигляді деревовидної ієрархічної структури («дерева» ресурсів). Ще один прийом, що раціоналізував роботу користувача в локальній мережі, полягає в тому, що після з'єднання з віддаленим ресурсом користувач дістає можливість звертатися до нього за допомогою тих же команд, що і для роботи з локальними ресурсами. Результатом і одночасно рушійною силою такого прогресу стала поява величезного числа непрофесійних користувачів, звільнених від необхідності вивчати спеціальні команди для мережної роботи.