Компьютерные сети1. История электросвязи насчитывает чуть больше полутора веков, за это время скорость передачи данных росла с экспоненциальной скоростью, удваиваясь каждые пять лет. 2. Первыми устройствами электрической связи были телеграфные аппараты различных конструкций, изобретенные Павлом Шиллингом (1832 г.), Чарльзом Уитстоном (1937 г.), Самюэлем Морзе (1837 г.). Наиболее совершенным из них являлся самопишущий аппарат Морзе, получивший мировое распространение. Благодаря релейным ретрансляторам дальность трансконтинентальной телеграфной связи превысила 10 000 км. Первый трансатлантический телеграфный кабель длиной 3500 км был проложен в 1858 - 1866 годах 3. Телефонный аппарат был изобретен в 1876 г. Александром Беллом; но до создания ламповых усилителей в первой трети XX века дальность междугородной телефонной связи ограничивалась расстоянием в 500-700 км. Первый трансатлантический телефонный кабель с промежуточными усилителями был проложен лишь в середине XX века, в 1956 г. 4. Изобретателем радио является Александр Попов (1895 г.), однако основные практические достижения на начальном этапе развития радиосвязи принадлежат Нобелевскому лауреату Гульельмо Маркони. В 1901 г. он впервые передал радиосигнал через океан. 5. Первая работающая система телевидения была создана Владимиром Зворыкиным в США в 1932 г. Регулярные телепередачи начались в Германии и Англии с 1936 г. 6. Основные понятия современной теории связи были сформулированы Клодом Шенноном в 1948 г. Согласно модели Шеннона система связи в общем виде состоит из источника сообщений, преобразователя сообщений в сигнал, канала связи, преобразователя сигнала в сообщение и получателя сообщений. Сообщения могут иметь различную форму (текст, речь, музыка, изображение и др.). Сообщения, получаемые или принимаемые автоматическими устройствами, называются данными; данные обычно представлены в двоично-кодированном виде. 7. Носителями сообщений в системах электросвязи являются электрические сигналы, которые подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровые сигналы характеризуются числом возможных состояний и скоростью манипуляции. Аналоговые сигналы характеризуются частотным спектром. Спектр реальных сигналов имеет конечную ширину. 8. Сигналы передаются по каналам электросвязи, которые бывают также аналоговыми и цифровыми. С точки зрения потребителя аналоговый канал характеризуется шириной полосы пропускания и уровнем шумов. Стандартный телефонный канал пропускает полосу частот от 300 до 3400 Гц. Цифровые каналы характеризуются скоростью передачи данных, измеряемой в бит/с, и частотой ошибок. 9. Для того, чтобы передать аналоговый сигнал по цифровому каналу, он должен быть оцифрован, то есть представлен в импульсно-кодированном виде (PCM). Оцифровка включает дискретизацию, квантование уровней и двоичное кодирование. Согласно теореме Котельникова минимальная частота дискретизации равна удвоенной ширине спектра сигнала. 10. Для передачи цифрового сигнала по аналоговому каналу он преобразуется в аналоговую форму с помощью процедуры модуляции. Скорость передачи двоичных данных по аналоговому каналу при любом виде модуляции ограничена теоретическим пределом, вычисляемым по формуле Шеннон. 11. Каналы электросвязи между двумя пунктами организуются посредством системы электросвязи, которая состоит из каналообразующей аппаратуры и линии передачи. По одной линии передачи с помощью аппаратуры мультиплексирования (уплотнения) может быть образовано несколько каналов. 12. Линии передачи состоят из отрезков передающей среды и промежуточного оборудования. По типу передающей среды линии передачи подразделяются на проводные (воздушные и кабельные) и беспроводные (наземные и спутниковые). Наиболее распространенным типом проводных линий для ближней связи являются кабельные линии из витых пар медных проводников, для междугородных магистральных линий чаще всего используются коаксиальные высокочастотные кабели. В последнее время традиционные медные кабели активно вытесняются волоконно-оптическими. 13. Для компенсации ослабления сигнала в дальних линиях передачи устанавливается промежуточное оборудование. В зависимости от вида передаваемых сигналов (аналоговые или цифровые) происходит усиление либо регенерация сигналов. Длина усилительного или регенерационного участка зависит от типа кабеля и сокращается с расширением спектра передаваемых частот аналогового сигнала или с повышением скорости манипуляции цифрового сигнала, а также с увеличением числа каналов в многоканальной системе. 14. Для охвата связью территории, включающей множество пунктов, создаются сети связи, которые делятся на первичные и вторичные. Первичная сеть представляет собой основу единой сети связи страны в целом (магистральная первичная сеть), отдельной географической зоны (внутризоновая сеть) или населенного пункта (местная сеть). Первичные сети обычно монополизированы и контролируются государством, однако в последнее время наблюдаются процессы их демонополизации. 15 На базе первичной сети строятся разнообразные вторичные сети, предоставляющие абонентам различные виды услуг – телефонию, радиовещание, телевещание, передачу данных и т. д.. Вторичная сеть состоит из узлов коммутации, связанных соединительными линиями, и абонентов, подключенных к узлам абонентскими линиями. По способу соединения абонентов между собой вторичные сети делятся на некоммутируемые и коммутируемые, в последних соединение между абонентами удерживается только на время сеанса связи. 16. Важнейшей проблемой развития вторичных, в том числе компьютерных сетей является «проблема последней мили», то есть способа подключения абонента к ближайшему узлу коммутации. Для компьютерных сетей в настоящее время существует несколько вариантов: • коммутируемое аналоговое соединение по телефонной сети общего пользования, скорость передачи данных до 56 кбит/с; • коммутируемое цифровое ISDN-соединение (до 128 кбит/с); • некоммутируемое цифровое DSL-соединение (0,5 – 10 Мбит/с в зависимости от длины и качества медной линии); • оптический кабель (10 – 1000 Мбит/с в зависимости от типа кабеля); • оптический луч в атмосфере (2 – 10 Мбит/с); • наземная радиолиния (0,2 – 10 Мбит/с); • радиодоступ через сотовый телефон (до 9,6 Кбит/с); • спутниковая асимметричная радиолиния типа DirecPC (нисходящий канал до 400 кбит/с, восходящий канал организуется любым из указанных выше способов). 16. Компьютерные сети в своем развитии пережили три поколения: • первое поколение (50-е и 60-е годы) – подключение удаленных терминалов к компьютерам (телеобработка, теледоступ); • второе поколение (70-е годы) – подключение компьютеров друг к другу, создание изолированных компьютерных сетей; • третье поколение (80-е и 90-е годы) – подключение сетей друг к другу, образование всемирной «сети сетей» Internet. 17. Эксперименты по телеобработке начались еще до создания электронных компьютеров, в качестве терминалов использовались буквопечатающие телеграфные аппараты. После изобретения модемов и видеотерминалов в 60 – 70-е годы в передовых странах были созданы разветвленные системы теледоступа, а также сети ЭВМ с коммутацией каналов на основе телефонных линий общего пользования. 18. В Советском Союзе в 70-е годы по инициативе академика В.М.Глушкова была провозглашена программа создания Общегосударственной автоматизированной системы (ОГАС) на базе Государственной сети вычислительных центров коллективного пользования (ГСВЦ) и Единой государственной сети передачи данных (ЕГСПД). В рамках этой программы были построены экспериментальные ВЦ коллективного пользования в Таллине, Туле, Минске и Томске. В целом проект ГСВЦ стимулировал развитие вычислительной техники и информатики в стране и привел ко многим позитивным переменам, но полностью его реализовать не удалось из-за ненадежности отечественной вычислительной техники и низкого качества линий передачи. Опыт показал, что создание крупномасштабных компьютерных сетей, основанных на принципе коммутации каналов, в условиях ненадежной связи в принципе невозможно. 19. Принцип коммутации сообщений и пакетов в сетях передачи данных предложили в 1961-1964 годах независимо друг от друга три автора: Леонард Клейнрок (MIT и UCLA), Пол Бэрэн (Rand Corporation), а Дональд Дэвис (Национальная физическая лаборатория, Великобритания). По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет преимущества в надежности и экономичности, однако требует для своей реализации наличия в узлах коммутации полноценных компьютеров. Кроме того, неизбежно возникают задержки из-за переприема сообщений, которые могут быть уменьшены, если сообщения передаются не целиком, а короткими пакетами. 20. Первая практическая реализация идеи пакетной коммутации была осуществлена в компьютерной сети Министерства обороны США ARPAnet, запущенной в эксплуатацию в конце 1969 г.. Эксперименты показали ее исключительную устойчивость и эффективность, в результате чего стала бурно разрастаться, охватив множество университетов, правительственных и иных некоммерческих организаций. В 1970-годы в США и Европе стали создаваться другие некоммерческие, а также коммерческие компьютерные сети пакетной коммутации, изолированные друг от друга и несовместимые по форматам и процедурам передачи данных. 21 Проблема совместимости компьютерных сетей могла быть решена двумя способами: необходимо было либо унифицировать внутреннюю технологию построения сетей, с тем, чтобы они были изначально совместимыми, либо искать пути объединения различных сетей на внешнем, межсетевом уровне. 22. По пути полной унификации пошла группа ведущих производителей сетевого оборудования и телефонных компаний, объединившаяся под эгидой МККТТ. Ими была разработана стандартная система протоколов передачи данных под названием «Рекомендация X.25». Многочисленные коммерческие и частные сети, построенные по стандартам X.25, обеспечивали 0 0 0 SCN гарантированную и защищенную передачу пакетов на ненадежных и медленных каналах связи. 23. Путь межсетевого взаимодействия (internetworking) избрало сообщество академических и других некоммерческих сетей, сплотившееся вокруг ARPAnet. С этой целью Роберт Кан и Винтон Серф в 1974 – 1983 годах разработали семейство межсетевых протоколов TCP / IP, позволяющих объединять разнородные сети, не вмешиваясь в их внутренние механизмы работы. С 1983 г. на него перешла ARPAnet, затем к ней подключились другие сети, образуя глобальную сеть сетей Internet (в русскоязычном варианте это слово рекомендуется употреблять как имя нарицательное и писать со строчной буквы). 24. В последующие годы интернет развивался лавинообразно, превратившись из технического феномена в социальный. Число подключенных компьютеров ежегодно удваивалось и к 2001 году составило 109 миллионов. Это неизбежно привело к коммерциализации интернета в 1990-е годы. На смену Министерству обороны США и Национальному научному фонду (NSF), поддерживавших инфраструктуру интернета в первые годы его существования, пришли частные компании, открывшие новую рыночную нишу сетевых услуг. Бурное развитие интернета быстро привело к исчерпанию пропускной способности его магистралей. Радикальным образом (увеличение скорости передачи данных в тысячу раз) эту проблему решает строительство информационных супермагистралей в рамках американских проектов Next Generation Internet – NGI и Internet2, стартовавших в 1996 г. Аналогичные проекты реализуются в других странах. 25. Родоначальником российского интернета является Институт атомной энергии им. Курчатова (ИАЭ), на базе которого в 1990 г.. была основана первая коммерческая сеть Relcom. Некоммерческие академические сети начали создаваться в 1994-1996 годах. Российским аналогом американской научной сети NSFnet стала федеральная сеть RBNet, оператором которой является Российский НИИ развития общественных сетей (РосНИИРОС). Университетское сообщество связано спутниковой сетью RUNnet во главе с Московским университетом. 26. Локальные вычислительные сети (LAN), основанные на принципе селекции пакетов в широковещательной среде, появились несколько позже территориальных сетей пакетной коммутации (WAN), однако в дальнейшем они получили широчайшее распространение и явились теми кирпичиками, из которых впоследствии с помощью WAN был построен интернет. Впервые принцип селекции был опробован в широковещательной радиосети Aloha, созданной в 1970 г. на Гавайских островах. В 1973 г. Роберт Меткалф из Xerox PARC предложил в качестве общего эфира использовать проводную магистраль, в 1976-1980 г. он разработал технологию Ethernet, которая в последующие годы стала самым популярным промышленным стандартом для организации LAN. 27. Сети передачи данных образуют телекоммуникационную основу, на котором строятся современные компьютерные сети, построенные по многоуровневой схеме. Каждому уровню сетевого взаимодействия соответствуют правила (протоколы), определяющие стандартизованные форматы и процедуры взаимодействия объектов. Классической и наиболее подробной считается семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Оpen System Interconnection – OSI), предложенная в начале 1980-х годов международной организацией по стандартизации (ISO), однако в этой модели можно выделить три обобщенных слоя. 28. Нижние уровни коммуникационных протоколов (в модели OSI – первый и второй) образуют канальный слой, определяющий базовую технологию доставки пакетов, данных между абонентами в пределах одной сети. В настоящее время для локальных сетей наиболее популярной является технология Ethernet, для магистральных глобальных сетей – Frame relay (развитие X.25) и ATM. 29. Средний – транспортный – слой коммуникационных протоколов (в модели OSI – с третьего по пятый уровни) отвечает за надежную доставку целостных сообщений, в том числе за пределы одной локальной сети. Существуют семейства (стеки) взаимосвязанных протоколов транспортного слоя, самым известным из которых является стек протоколов интернета TCP / IP. В нем протокол IP задает глобальную адресацию абонентов и определяет процедуру доставки одного пакета, а протокол TCP обеспечивает надежную передачу целостных сообщений. Поскольку цифровой формат IP-адреса неудобен конечному пользователю, в интернете организована система доменной адресации абонентов (DNS). 30. Протоколы верхних уровней (в модели OSI – шестой и седьмой), надстроенные над транспортным слоем, образуют прикладной слой. Он предоставляет пользователям высокоуровневые услуги локальной или глобальной компьютерной сети. Каждый сетевой сервис может быть организован либо по одноранговой, либо по клиент-серверной технологии. Одноранговая технология обычно применяется для поддержки простых услуг (доступ к общим файлам и устройствам) в локальных сетях, клиент-серверные технологии типичны для сервисов интернета, а также для корпоративных интранет- и эстранет-сетей. 31. Современные высокоуровневые услуги интернета сформировались в результате тридцатилетней эволюции • исторически первым сетевым сервисом была эмуляция удаленного терминала по протоколу Telnet (1969 г.); • следующей высокоуровневой услугой стала передача файлов, в локальных сетях она до сих пор является одним из основных видом сервиса. В интернете передача файлов производится по протоколу FTP, разработанному в 1972 г.; • основным видом сервиса на первом этапе развития глобальных сетей была электронная почта (E-mail), ведущая свою историю с 1972 г. Функционирование электронной почты обеспечивается несколькими протоколами, наиболее популярными из которых является протокол отправки почты SMTP и протокол получения почты POP3. На основе стандартной электронной почты в интернете реализовано еще несколько высокоуровневых сервисов, например, списки рассылки и почтовые конференции; • в 1979 г. была предложена технология групп новостей, специализированная сеть Usenet обмена новостями для пользователей системы Unix в дальнейшем превратилась в одну из крупнейших глобальных информационных систем. В 1986 году с помощью протокола NNTP группы новостей стали доступны в интернете; • для обмена текстовыми сообщениями в режиме реального времени разработано несколько технологий. С 1988 г. пользователи интернета могут вести беседу (сhat) на основе протокола IRC. В 1997 г. израильская фирма Mirabilis предложила прикладной протокол и технологию ICQ, давшую возможность фирме America on-Line организовать глобальную службу мгновенных сообщений (интернет-пейджинг); • с начала 1990-х годов в интернете начали развиваться мультимедиа-услуги. К ним относятся компьютерная телефония, видеоконференции, потоковое радио- и видеовещание. Эти виды сервиса стали возможны благодаря изобретению эффективных алгоритмов компрессии мультимедийной информации, основанных на фундаментальных математических и психофизиологических исследованиях. Для сжатия статических изображений разработан метод JPEG (1988 г.), для кодирования видеопотока и звукового сопровождения предложены стандарты MPEG, первый из которых создан в 1992 г., а наиболее совершенный MPEG-4 к 2000 году еще находился в состоянии частичной реализации; 32. Особым видом сетевого сервиса является накопление и совместное использование информационных ресурсов. Элементы этого сервиса содержались уже в группах новостей и FTP-архивах, однако его истинное развитие началось после того, как в 1989-1991 годах почти одновременно были предложены две новых интернет-технологии, основанные на различных принципах: • технология Gopher, разработанная в Университете штата Миннесота, представляет собой распределенную по интернету файловую систему, имеющую иерархическую структуру в виде дерева каталогов. Клиентская программа Gopher позволяет осуществлять навигацию по рубрикам каталогов и копировать на компьютер выбранный файл. Для облегчения поиска в Gopher-пространстве была разработана информационно-поисковая система Veronica. В первой половине 90-х годов технология Gopher пользовалась очень большой популярностью, однако впоследствии она была вытеснена более совершенной технологией WWW; • технология World Wide Web (синонимы – WWW, Web, Всемирная паутина), созданная в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Женеве, базируется на идее гипертекста, связывающего паутиной перекрестных ссылок документы, размещенные в различных местах интернета. Рассчитанная первоначально только на обслуживание специалистов в области ядерной физики, информационная система WWW в дальнейшем получила широчайшее распространение, радикальным образом изменив облик современного интернета. 33. История гипертекста начинается с классической статьи Ванневара Буша (1945 г.), содержавшей описание идеи электромеханической машины «Memex» для хранения больших массивов документов, переснятых на микрофильмы, при этом переход между документами должен был совершаться по взаимным ссылкам. Сами термины «гипертекст» и «гипермедиа» были впервые предложены Тедом Нельсоном в 1965 г. в связи с гипотетическим проектом Xanadu – всемирным хранилищем знаний, сохраняющим любую написанную или произнесенную мысль, связанную перекрестными ссылками с ранее занесенными понятиями или высказываниями. Несмотря на очевидную фантастичность этого проекта в современных условиях, сама идея гипертекста нашла воплощение в ряде документальных информационных систем, разработанных в последующие годы: проект NLS для мэйнфреймов Дугласа Энгельбарта (1968 г.), HyperCard для Apple Macintosh (1987 г.), Lotus Notes (1989 г.), Windows Help (1995 г.). 34. Духовным отцом World Wide Web является англичанин Тим Бернерс-Ли, предложивший в 1989 г. ключевые принципы этой технологии: • язык разметки гипертекстовых страниц HTML, • протокол передачи гипертекста HTTP, • универсальный локатор ресурсов URL, • общий интерфейс шлюза CGI. Бернерс-Ли сам написал первый HTTP-сервер и Web-браузер, а в 1994 г. организовал и возглавил международный WWW-консорциум (W3C), целью которого является стандартизация этого сервиса. 35. Несмотря на большие потенциальные возможности, Web-технологии на начальном этапе распространялись довольно медленно, так как все созданные к этому времени браузеры имели текстовый интерфейс и были не очень удобны для широкого круга пользователей. Ситуация коренным образом изменилась после создания в 1993 г. Марком Андриссеном из Национального центра суперкомпьютерных приложений Иллинойского университета графического браузера Mosaic. Благодаря чрезвычайно простому и понятному рядовому пользователю интерфейсу, WWW-сервис, а вместе с ним и весь интернет, получили мощнейший импульс развития. В последующие годы число сайтов ежегодно удваивалось, достигнув к 2001 г. 29 миллионов. С помощью связующих средств через Web-интерфейс стали доступны практически все другие популярные виды сетевого сервиса: электронная почта, группы новостей, Gopher, сетевое вещание и др. 36. Феномен взрывного расширения Всемирной паутины во второй половине 1990-х годов получил название Web-революции. Эта революция разворачивалась на фоне коммерциализации интернета и привела к формированию специализированного рынка сетевого программного обеспечения, в первую очередь графических Web-браузеров. В течение первых лет монополистом на рынке была фирма Netscape Communications Corp, организованная Марком Андриссеном и Джимом Кларком. Выпущенный в 1994 г. браузер Netscape Navigator, созданный на основе Mosaic, установил фактический стандарт на все последующие аналогичные продукты и за короткое время пробрел огромную популярность. В 1996 г. в ожесточенную схватку за передел рынка вступила фирма Microsoft с браузером Internet Explorer, началась продолжавшаяся почти пять лет «война браузеров». В итоге ценой огромных усилий и гигантских финансовых вложений Internet Explorer практически вытеснил Netscape Navigator с платформы Windows в менее населенную нишу других платформ. 37. В связи с резким расширением Всемирной паутины чрезвычайно актуальной стала задача нахождения необходимых пользователю ресурсов. Для поиска в Web разработаны специальные технологии, образовались компании, которые сделали это предметом своего бизнеса. Средства поискового сервиса делятся на два типа: каталоги с ручным индексированием Web-cтраниц, аналогичные библиотечным рубрикаторам, и поисковые системы (search engines), осуществляющие автоматическое составление полнотекстовых индексов. Прообразом всех интернет-каталогов стала информационная система Yahoo! (1994 г), давшая жизнь одноименной фирме. Поисковые системы берут начало от AltaVista, созданной в 1995 г.фирмой Digital Equipment. Технологии поиска, основанные на современных достижениях лингвистики, теории искусственного интеллекта, прикладной математики и информатики, продолжают интенсивно развиваться. 38. Предельная легкость, интуитивная понятность и универсальность Web-интерфейса, наличие в Сети развитых средств поиска, сделали интернет к началу XXI века универсальной информационно-коммуникационной средой и мощным рычагом ускорения продолжающейся информационной революции. Мировая информационная сеть стала самым непосредственным образом влиять на социальную (средства массовой информации, образование, здравоохранение и т. п.) и экономическую сферу. Влияние сетевых технологий на экономику прослеживается в изменении отношений хозяйствующего субъекта с собственными работниками (B2E), другими субъектами бизнеса (B2B), клиентами и покупателями (B2C), органами власти и управления (B2G): • в звене B2E внедряются технологии групповой работы, дающие возможность предоставлять работу через интернет и образовывать виртуальные творческие коллективы. Процветают творческая работа на дому и рынок оффшорного программирования; • в звене B2B происходит замена традиционного бумажного документооборота безбумажным, возникающие при этом юридические проблемы решаются использованием электронной цифровой подписи, узаконенной во многих странах; • в звене B2G c помощью сетевых технологий упрощается и ускоряется система отчетности предприятия перед контролирующими организациями. Сама власть становится более прозрачной для бизнеса, постепенно формируется понятие «электронного правительства»; • в звене B2С происходит бурное развитие не только интернет рекламы, породившей негативное явление почтового спама, но и торговли через интернет. Первый виртуальный книжный магазин YAmazon.com был открыт Джеффри Безосом в 1995 г., за несколько лет он продемонстрировал чрезвычайно большие возможности Интернет-торговли и послужил прототипом для множества аналогичных предприятий по всему миру.
|
