Основные аппаратные и программные компоненты сети
Время реакции вычислительной системы на запросы и команды пользователя, вводимые им с видеотерминала, было незначительным и создавало впечатление того, что ЭВМ полностью в его распоряжении. Но в действительности ресурсы вычислительной системы распределялись одновременно между всеми подключенными и работающими видеотерминалами.
Время работы процессора разбивалось на отдельные порции (кванты), каждая из которых предоставлялась одному пользователю, а их последовательность обеспечивала всех пользователей. Такое разделение времени работы процессора и обеспечивало совместную обработку заданий нескольких пользователей при незначительном времени реакции системы на запросы с видеотерминалов (отсюда и название система с разделением времени).
Многотерминальные системы обозначили тенденцию перехода от централизованных систем обработки данных к распределенным, поскольку в них собственно обработка выполнялась в вычислительном центре, а вводвывод информации осуществлялся уже на рабочих местах пользователей.
Кроме того, появилась возможность совместного использования единых информационных ресурсов при решении нескольких задач, что не допускалось в режиме пакетной обработки, когда и данные, и программы образовывали полностью автономную единицу в рамках одного задания пользователя.
Появление вычислительных сетей
В рамках многотерминальных систем успешно решалась задача получения доступа к ЭВМ с видеотерминалов, удаленных от нее на многие сотни, а то и тысячи километров. Видеотерминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью специальных устройств модемов, осуществлявших преобразование передаваемых данных из цифровой формы (характерной для средств вычислительной техники) в аналоговую (используемую в телефонных сетях) и обратно.
Такие системы, ставшие по сути дела первыми вычислительными сетями (за счет сетей телефонной связи), позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров.
Принцип удаленного подключения с видеотерминалов был распространен и на сами компьютеры, что давало возможность осуществлять обмен информацией между различными ЭВМ в автоматическом режиме, а это и является главным, базовым свойством любой вычислительной сети. На его основе в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными, сетевые службы.
Таким образом, первыми появились вычислительные сети, связывающие компьютеры в существенно удаленных друг от друга регионах, что указывает на их глобальный характер. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей.
Первые локальные сети
В начале 1970-х годов в результате резкого прогресса технологии появились крупные интегральные схемы. Их сравнительно небольшая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые сделались доступными отдельным подразделениям фирм и организаций и решали их специфические задачи (управление технологическими процессами, складской учет, планирование и регулирование производства и т.п.).
Таким образом, компьютерные ресурсы стали распределенными по подразделениям, но сами компьютеры работали автономно.
Такая ситуация существовала до тех пор, пока не возникла потребность в совместном использовании всех информационных ресурсов (как это было реализовано в многотерминальных системах). В ответ на это предприятия и организации начали соединять свои мини-компьютеры и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети.
Они еще во многом отличались от современных локальных сетей, в первую очередь способами соединения ЭВМ и используемыми для этого устройствами и программным обеспечением. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом применялось самое разнообразное нестандартное оборудование со своей формой представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т. п. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых были разработаны.
Создание стандартных технологий локальных сетей
В середине 1980-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Были разработаны и получили широкое распространение такие технологии объединения компьютеров в сеть, как Ethernet, Arcnet, Token Ring, ставшие стандартными. Этому во многом способствовало появление персональных компьютеров, обладающих, с одной стороны, достаточными для работы сетевого программного обеспечения возможностями и требующих, с другой стороны, объединения своих ресурсов для решения сложных задач и совместного применения дорогостоящего оборудования и информационных массивов.
Кроме того, в силу относительно низкой стоимости и простоты использования они стали действительно массовыми изделиями, доступными сотням миллионов людей во всех сферах человеческой деятельности, что и поставило задачу их объединения на основе общедоступных стандартов.
Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести соответствующие сетевые адаптеры, например Ethernet, и стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из наиболее распространенных сетевых операционных систем, например NetWare.
После этого сеть начинала работать и присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии.
Тенденции развития вычислительных сетей
В настоящее время вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быстро. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные, как и службы локальных сетей.
Подобные примеры в большом количестве демонстрирует самая популярная глобальная сеть Интернет.
Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них все чаще стало использоваться разнообразное коммуникационное оборудование коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы, благодаря чему появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру.
Возродился интерес к крупным компьютерам в основном из-за практически установленного факта, что системы, состоящие из сотен специализирующихся на сетевых операциях персональных компьютеров, обслуживать сложнее, чем несколько больших ЭВМ. Поэтому на новом витке эволюционной спирали эти вычислительные системы, получившие название мэйнфреймы, стали возвращаться в корпоративные вычислительные сети, но уже как их полноправные компоненты, поддерживающие те или иные стандартные конфигурации и принципы работы.
Проявилась еще одна очень важная тенденция, затрагивающая в равной степени как локальные, так и глобальные сети. В них стали применяться методы обработки аудио- и видеоинформации.
Сложность передачи такой информации (получившей название мультимедийной) по сети связана с ее чувствительностью к задержкам при передаче: задержки обычно приводят к искажению такой информации в конечных узлах сети.
Сегодня эти проблемы решаются различными способами, но несмотря на значительные усилия, предпринимаемые в этом направлении, до приемлемого решения проблемы пока далеко, и в этой области предстоит еще много сделать, чтобы достичь заветной цели слияния технологий не только локальных и глобальных, но и любых информационных сетей вычислительных, телефонных, телевизионных и т. п. Специалисты считают, что предпосылки для такого синтеза уже существуют, и их мнения расходятся только в оценке примерных сроков такого объединения называются сроки от 10 до 25 лет. Причем считается, что основой для объединения послужит применяемая сегодня в вычислительных сетях технология передачи данных, а не коммутации каналов, которая используется в телефонии, что указывает на значимость компьютерных сетей.
Основные аппаратные и программные компоненты сети
Даже в результате достаточно поверхностного рассмотрения работы в сети становится ясно, что вычислительная сеть это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:
компьютеров;
коммуникационного оборудования;
операционных систем;
сетевых приложений.
В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ.
Персональные компьютеры представляют собой вычислительные системы, все ресурсы которых полностью направлены на обеспечение деятельности одного рабочего места. Это наиболее многочисленный класс средств вычислительной техники, в составе которого можно выделить персональные компьютеры IBM PC и совместимые с ними, а также персональные компьютеры Macintosh фирмы Apple.
Интенсивное развитие современных информационных технологий связано именно с широким распространением с начала 1980-х годов персональных компьютеров, сочетающих относительную дешевизну с достаточно широкими для непрофессионального пользователя возможностями.
Корпоративные компьютеры (иногда называемые мини-ЭВМ или mainframe) вычислительные системы, обеспечивающие совместную деятельность многих работников в рамках одной организации, одного проекта, одной сферы информационной деятельности при использовании одних и тех же информационно-вычислительных ресурсов. Это многопользовательские вычислительные системы, имеющие центральный блок с высокой вычислительной мощностью и значительными информационными ресурсами, к которому подсоединяется большое число рабочих мест с минимальной оснащенностью (видеомонитор, клавиатура, устройство позиционирования типа мышь и, возможно, устройство печати). В принципе в качестве рабочих мест, подсоединенных к центральному блоку корпоративного компьютера, могут служить и персональные компьютеры.
Область применения корпоративных компьютеров реализация информационных технологий обеспечения управленческой деятельности в крупных финансовых и производственных организациях, организация различных информационных систем, обслуживающих многочисленных пользователей в рамках одной функции (биржевые и банковские системы, бронирование и продажа билетов для оказания транспортных услуг населению и т.п.).
Суперкомпьютеры являются вычислительными системами с предельными характеристиками вычислительной мощности и информационных ресурсов и используются в военной и космической областях деятельности, в фундаментальных научных исследованиях, глобальном прогнозировании погоды.
Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.
Второй слой это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства.
Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости.
В функциональном отношении компьютеры и коммуникационное оборудование, входящие в состав сети, выполняют достаточно широкий круг функций, основными среди которых являются: организация доступа к сети; управление передачей информации; предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети. В соответствии с этим по функциональному признаку все множество систем компьютерной сети можно разделить на абонентские, коммутационные и главные (Host) системы.
Абонентская система представляет собой компьютер, ориентированный на работу в составе компьютерной сети и обеспечивающий пользователям доступ к ее вычислительным ресурсам.
Коммутационные системы являются узлами коммутации (соединения) сети передачи данных и обеспечивают организацию составных каналов передачи данных между абонентскими системами. В качестве управляющих элементов узлов коммутации используются процессоры телеобработки или специальные коммутационные (сетевые) процессоры.
Большим разнообразием отличаются Host-системы, или сетевые серверы. Сервером принято называть специальный компьютер, выполняющий основные сервисные функции, такие как управление сетью, сбор, обработку, хранение и предоставление информации абонентам компьютерной сети. В связи с большим числом сервисных функций целесообразно разделение серверов по их функциональному назначению.
Например, файл-сервер определяется как сетевой компьютер, осуществляющий операции по хранению, обработке и предоставлению файлов данных абонентам компьютерной сети. В свою очередь, компьютер, обеспечивающий абонентским системам эффективный доступ к компьютерной сети, получил название сервер доступа.
Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие принципы управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети.
При выборе ОС важно учитывать, насколько просто она способна взаимодействовать с другими ОС сети, достаточно ли обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.
Самый верхний слой сетевых средств образуют различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять себе диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.
Преимущества и проблемы компьютерных сетей
Этот вопрос можно уточнить следующим образом: в каких случаях развертывание вычислительных сетей предпочтительнее использования автономных компьютеров или многотерминальных систем? Какие новые возможности приносит появление вычислительной сети?
И, наконец, всегда ли нужна сеть?
Если не вдаваться в частности, то конечной целью использования вычислительных сетей является повышение эффективности той деятельности, на обеспечение которой направлены ресурсы сети. Действительно, если благодаря применению компьютерной сети снизились затраты на производство уже существующего продукта, сократились сроки разработки нового изделия или ускорилось обслуживание заказов потребителей это означает, что в соответствующих организациях и предприятиях действительно нужна была сеть.
Концептуальным преимуществом компьютерных сетей перед централизованными системами является их способность выполнять параллельные вычисления. За счет этого в системе с несколькими обрабатывающими узлами (компьютерами) в принципе может быть достигнута производительность, превышающая максимально возможную на данный момент производительность любого отдельного, сколь угодно мощного процессора.
Еще одно очевидное и важное достоинство компьютерных сетей это их принципиально более высокая отказоустойчивость. Под отказоустойчивостью понимается способность системы выполнять свои функции (может быть, не в полном объеме) при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности данных.
Основой повышенной отказоустойчивости является избыточность. Избыточность обрабатывающих узлов (компьютеров в сетях) позволяет при отказе одного узла переназначать приписанные ему задачи на другие узлы.
Использование территориально распределенных вычислительных систем больше соответствует распределенному характеру прикладных задач в некоторых предметных областях, таких как автоматизация технологических процессов, банковская деятельность, бронирование и продажа авиабилетов и т.п. Во всех этих случаях имеются рассредоточенные по некоторой территории отдельные потребители информации сотрудники, организации или технологические установки. Эти потребители достаточно автономно решают свои задачи, поэтому рациональнее предоставлять им собственные вычислительные средства, но в то же время, поскольку решаемые ими задачи тесно взаимосвязаны, их вычислительные средства должны быть связаны в единую систему.
Эффективным решением в такой ситуации является применение вычислительной сети.
Для пользователя компьютерные сети дают, кроме названных, еще и такие преимущества, как возможность совместного использования данных и устройств, а также гибкого распределения работ по всей системе. Пользователь современной вычислительной сети, сидя за своим компьютером, часто не отдает себе отчета в том, что при этом он пользуется данными другого мощного компьютера, находящегося за сотни километров от него. Он отправляет электронную почту через модем, подключенный к коммуникационному серверу, общему для нескольких подразделений организации. У пользователя создается иллюзия, что эти ресурсы подключены непосредственно к его компьютеру, точнее, почти подключены, так как для работы с ними нужны незначительные дополнительные действия по сравнению с использованием действительно собственных ресурсов.
Такое свойство называется прозрачностью сети.
В последнее время стал преобладать другой побудительный мотив развертывания сетей, гораздо более важный в современных условиях, чем экономия средств за счет разделения между сотрудниками корпорации дорогой аппаратуры или программ. Этим мотивом стало стремление обеспечить сотрудникам оперативный доступ к обширной корпоративной информации.
В условиях жесткой конкурентной борьбы в любом секторе рынка выигрывает в конечном счете та фирма, сотрудники которой сумеют быстро и правильно ответить на все вопросы клиентао возможностях их продукции, об условиях ее применения, о решении любых возможных проблем и т. п. В большой корпорации вряд ли даже хороший менеджер может знать все тонкости каждого из выпускаемых фирмой продуктов, тем более что их номенклатура обновляется каждый квартал, если не каждый месяц. Поэтому очень важно, чтобы менеджер имел возможность со своего компьютера, подключенного к корпоративной сети в одном регионе, передать вопрос клиента на сервер, расположенный в центральном офисе компании в другом регионе, и оперативно получить качественный ответ, удовлетворяющий клиента.
В этом случае клиент не обратится к другой фирме, а будет прибегать к услугам данного менеджера и в будущем.
В последнее время в этой области произошли существенные изменения, связанные с использованием гипертекстовой информационной службы WWW так называемой технологии Интранет. Эта технология поддерживает достаточно простой способ представления текстовой и графической информации в виде гипертекстовых страниц, что позволяет быстро поместить самую свежую информацию на компьютеры корпоративной сети, функционально специализирующиеся на хранении данных в формате гипертекста (так называемые WWW-серверы).
Кроме того, она унифицирует просмотр информации с помощью стандартных программ Web-браузеров, работа с которыми не вызывает затруднений даже у неспециалиста. Сейчас многие крупные корпорации уже перенесли огромное число своих документов на страницы WWW-серверов, и сотрудники этих фирм, разбросанные по всему миру, используют информацию этих серверов через Интернет или Интранет.
Получая легкий и более полный доступ к информации, сотрудники принимают решение быстрее, и качество этого решения, как правило, лучше.
Использование сети приводит к совершенствованию коммуникаций, т. е. к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками организации, а также ее клиентами и поставщиками. Компьютерные сети снижают потребность предприятий в других формах передачи информации, таких как телефон или обычная почта. Зачастую именно возможность организации электронной почты является основной причиной и экономическим обоснованием развертывания вычислительной сети. Все большее распространение получают новые технологии, которые позволяют передавать по сетевым каналам связи не только компьютерные данные, но голосовую и видеоинформацию.
Корпоративная сеть, интегрирующая данные и мультимедийную информацию, может служить для организации аудио- и видеоконференций, кроме того, на ее основе удобно создать собственную внутреннюю телефонную сеть.
Конечно, вычислительные сети имеют и свои проблемы, которые в основном связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных компонентов сети.
Во-первых, это сложности, обусловленные программным обеспечением операционными системами и приложениями. Программирование для компьютерных сетей, как распределенных систем, принципиально отличается от программирования для централизованных систем. Так, сетевая операционная система, выполняя в общем случае все функции по управлению локальными ресурсами компьютера, сверх того решает многочисленные задачи по предоставлению сетевых услуг. Разработка сетевых приложений осложняется из-за необходимости организовать совместную работу их частей, реализованных на разных машинах.
Много забот доставляет обеспечение совместимости программного обеспечения.
Во-вторых, много проблем связано с транспортировкой сообщений по каналам связи между компьютерами. Основные задачи здесь гарантия надежности (чтобы передаваемые данные не терялись и не искажались) и производительности (чтобы обмен данными происходил с приемлемыми задержками).
В структуре общих затрат на вычислительную сеть расходы на решение транспортных вопросов составляют существенную часть, в то время как в централизованных системах эти проблемы полностью отсутствуют.
В-третьих, это вопросы, касающиеся обеспечения безопасности, которые гораздо сложнее решаются в вычислительной сети, чем в централизованной системе. В некоторых случаях, когда безопасность особенно важна, от использования сети лучше вообще отказаться.
Локальные и глобальные сети
Компьютерные сети классифицируют по разным признакам, но чаще всего их делят на типы по территориальному признаку, т. е. по величине территории, которую покрывает сеть. И для этого есть веские причины, так как отличия технологий локальных и глобальных сетей очень значительны, несмотря на их постоянное сближение.
Особенности локальных, глобальных и городских (региональных) сетей
К локальным сетям Local Area Networks (LAN) относят сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1 2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют с помощью простых методов передачи данных достигать высоких скоростей обмена данными порядка 100 Мбит/с.
В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме непосредственного диалога (on-line).
Глобальные сети Wide Area Networks (WAN) объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто применяются уже существующие системы связи, изначально предназначенные совсем для других целей.
Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения. Из-за низких скоростей таких линий связи в глобальных сетях (десятки килобит в секунду) набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты.
