Раздел 3. Основы сетевых технологий
Тема 3.1 Эволюция вычислительных сетей
Тема 3.1 Эволюция вычислительных сетей
Прообраз сети
«История любой отрасли науки или техники позволяет не только удовлетворить естественное любопытство, но и глубже понять сущность основных достижений в этой отрасли, а также выявить тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития»
Сети передачи данных
Сети передачи данных (вычислительные, компьютерные сети) - результат эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации:
-
компьютерных технологий
-
телекоммуникационных технологий
-
Сети передачи данных - частный случай распределенных вычислительных систем:
-
группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме.
-
Компьютерные сети - средство передачи информации на большие расстояния:
-
применяются методы кодирования и мультиплексирования данных (как в телекоммуникационных системах)
Компьютерная сеть — это:
-
совокупность компьютеров,
-
связь посредством коммуникационной системы,
-
программное обеспечение предоставляет пользователям доступ к ресурсам компьютеров;
Сеть образована компьютерами разных типов:
-
небольшие микропроцессоры,
-
рабочие станции,
-
мини-компьютеры,
-
персональные компьютеры,
-
суперкомпьютеры.
Передача сообщений между любой парой компьютеров сети обеспечивается коммуникационной системой:
-
повторители,
-
коммутаторы,
-
маршрутизаторы и др.;
Компьютерная сеть позволяет пользователю:
-
работать со своим компьютером, как с автономным,
-
пользоваться информационными и аппаратными ресурсам других компьютеров сети
Эволюция сетей
Этап 1. Появление первых ЭВМ:
-
ламповые вычислительные устройства,
-
проектирование, эксплуатация, программирование – функции одного коллектива разработчиков;
-
программирование на машинном языке;
-
отсутствие системного программного обеспечения;
-
библиотек математических и служебных подпрограмм
-
организация вычислительного процесса вручную с пульта управления.
Этап 2. Появление ВМ на полупроводниковых элементах (середина 50-х голов):
-
выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти,
-
первые алгоритмические языки,
-
новый тип системного программного обеспечения — трансляторы
-
системные управляющие программы — мониторы для автоматизированной организации вычислительного процесса – прообраз операционной системы
Язык управления заданиями для монитора:
-
определялась последовательность действий при обработке данных:
-
признак начала отдельной работы,
-
вызов транслятора,
-
вызов загрузчика,
-
признаки начала и конца исходных данных
-
Монитор:
-
автоматически выполнял пакет заданий.
-
самостоятельно обрабатывал типовые аварийные ситуации:
-
отсутствие исходных данных,
-
переполнение регистров,
-
деление на ноль,
-
обращение к несуществующей области памяти и т. д.
-
Этап 3. Появление ВМ на ИС (1965–1975 годы)
-
Появились все основные механизмы, присущие современным ОС:
-
мультипрограммирование,
-
мультипроцессирование,
-
поддержка многотерминального многопользовательского режима,
-
виртуальная память,
-
файловые системы,
-
разграничение доступа и сетевая работа
-
-
Системное программирование превращается в отрасль индустрии,.
-
Развивается мультипрограммирование:
-
способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре,
-
реализовано в двух вариантах:
-
пакетная обработка;
-
разделение времени.
-
-
Системы пакетной обработки:
-
для решения вычислительных задач
-
главный критерий эффективности - пропускная способность, Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования
Системы пакетной обработки: схема функционирования
Системы пакетной обработки:
-
в пакет включаются задачи, требующие разных ресурсов
-
достигается сбалансированная нагрузка
-
переключение процессора с одной задачи на другую происходит по инициативе активной задачи (может занять процессор надолго)
-
изоляция пользователя-программиста от процесса выполнения задания
-
пользователь получает результат после обработки всего пакета заданий
Системы разделения времени:
-
критерий эффективности - удобство и эффективность работы пользователя
-
меньшая пропускная способность
-
снижение производительности из-за частого переключение процессора с задачи на задачу
-
пользователям предоставляется возможность интерактивной работы с несколькими приложениями
-
приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, пользователи поддерживают с ними диалог
Многотерминальные системы:
-
терминалы вышли за пределы вычислительного центра, рассредоточились по предприятию.
-
появились системы удаленного ввода заданий:
-
пользователи формировали свои задания и управляли их выполнением со своего терминала.
-
Многотерминальные системы:
-
терминалы соединялись с процессором с помощью:
-
модемных соединений телефонных сетей,
-
выделенных каналов.
-
-
в операционных системах появились специальные модули протоколов связи
-
вычислительные системы с удаленными терминалами и централизованной обработкой данных явились прообразом современных компьютерных сетей
-
системное программное обеспечение — прообраз сетевых операционных систем.
Многотерминальная
система
Многотерминальные системы :
-
централизованная обработка данных
-
внешние признаки локальных вычислительных сетей,
-
пользователь работал за терминалом мэйнфрейма так же, как сейчас за персональным компьютером-клиентом:
-
доступ к общим файлам и периферийным устройствам,
-
иллюзия единоличного владения компьютером,
-
запуск нужной программы и оперативное получение результата.
-
Этап 4. Глобальные сети (конец 60-х годов)
Реализовано взаимодействие мэйнфреймов и суперкомпьютеров:
-
глобальные связи,
-
техника коммутации
Разработаны средства обмена данными между компьютерами в автоматическом режиме:
-
службы обмена файлами,
-
синхронизации баз данных,
-
электронная почта,
-
другие сетевые службы.
В 1969 году создана сеть ARPANET - отправная точка Internet:
-
компьютеры разных типов,
-
различные ОС,
-
дополнительные модули ОС, реализующие единые коммуникационные протоколы
Такие ОС можно считать первыми сетевыми операционными системами.
Сетевые ОС позволяли:
-
рассредоточить пользователей,
-
организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами,
-
выполнять все функции локальной операционной системы,
-
взаимодействовать по сети с операционными системами других компьютеров.
Первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN):
-
объединяли территориально рассредоточенные компьютеры,
-
реализовывали основные концепции современных вычислительных сетей:
-
многоуровневое построение коммуникационных протоколов,
-
технология коммутации пакетов,
-
маршрутизация пакетов в составных сетях
-
Глобальные компьютерные сети - наследники глобальных телефонных сетей:
-
отказ от принципа коммутации каналов, присущего телефонным сетям:
-
на время сеанса связи выделялся составной канал с постоянной скоростью
-
-
особенность трафика компьютерных данных – пульсация , т.е. Чередование интенсивного обмена и продолжительных пауз.
-
для компьютерного трафика подходит принцип коммутации пакетов
-
данные разделяются на небольшие пакеты,
-
пакеты самостоятельно перемещаются по сети за счет встраивания адреса конечного узла в заголовок пакета.
-
В первых глобальных сетях использовались существующие каналы связи:
-
телефонные каналы тональной частоты (в каждый момент времени ведется передача одного разговора в аналоговой форме),
-
очень низкая скорость передачи,
-
значительные искажения сигнала,
-
основные сервисы таких глобальных сетей:
-
передача файлов в фоновом режиме,
-
передача электронной почты.
-
С конца 60-х годов в телефонных сетях:
-
передача голоса в цифровой форме,
-
высокоскоростные цифровые каналы,
-
одновременная передача сотни разговоров.
Разработана специальная технология плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) для опорных сетей.
-
скорость передачи до 140 Мбит/с,
-
внутренняя технология телефонных компаний.
-
С конца 80-х годов - технология синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH):
-
скорости цифровых каналов до 10 Гбит/c,
-
-
Технология спектрального мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division Multiplexing):
-
Скорость до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду.
-
Этап 5. Локальные сети (начало 70-х годов)
Технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов - появились большие интегральные схемы (БИС):
-
создание мини-компьютеров -реальных конкурентов мэйнфреймов
-
концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию
-
НО! все компьютеры работали автономно
Автономная работа компьютеров предприятия
-
Появилась потребность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами.
-
Соединение мини-компьютеров и разработка программного обеспечения для взаимодействия
-
Появились первые локальные вычислительные сети
Связи компьютеров в первых локальных сетях
Этап 6. Стандартные технологии сетей - Ethernet, Arcnet, Token Ring (середина 80-х годов)
Появились персональные компьютеры – идеальные элементы для сетей:
-
достаточно мощные для работы сетевого программного обеспечения,
-
нуждались в объединении вычислительной мощности для решения сложных задач,
-
потребность разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов,
-
стали играть роль клиентских мест и серверов.
Для создания сети:
-
приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet,
-
приобрести стандартный кабель,
-
присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами
-
установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare.
-
сеть начинала работать
Новые способы организации работы пользователей:
-
удобный доступ к разделяемым ресурсам:
-
просмотр списков ресурсов без запоминания их идентификаторов
-
после соединения с удаленным ресурсом можно работать с ним теми же командами
-
-
качественные кабельные линии связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с.