Компьютерные_сети_Лекции
.pdfНАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА МАКАРОВА
КОМПЬЮТЕРНЕ СЕТИ
Конспект лекций
О.А. Кудин
20.02.2013
[Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа. Введите аннотацию документа. Аннотация обычно представляет собой краткий обзор содержимого документа.]
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
1. ОБЗОР КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ ............................................................................ |
4 |
1.1. Предпосылки и история появления компьютерных сетей...................................................... |
4 |
1.1.1. Вычислительные системы пакетной обработки данных ...................................................... |
5 |
1.1.2. Многотерминальные системы................................................................................................ |
6 |
1.1.3. Первые компьютерные сети ................................................................................................... |
7 |
1.1.4. Первые локальные сети........................................................................................................... |
8 |
1.2. Объединение технологий локальных и глобальных компьютерных сетей .......................... |
11 |
1.3. Предпосылки появления мультисервисных сетей ................................................................. |
12 |
Выводы ............................................................................................................................................ |
14 |
Вопросы и задания.......................................................................................................................... |
14 |
2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ............... |
16 |
2.1. Взаимодействие двух компьютеров........................................................................................ |
16 |
2.1.1. Связь компьютера с периферийным устройством.............................................................. |
18 |
2.1.2. Обмен данными между двумя компьютерами................................................................... |
18 |
2.2. Сетевое программное обеспечение ........................................................................................ |
19 |
2.2.1. Сетевые службы и сервисы ................................................................................................... |
20 |
2.2.2 Сетевая операционная система ............................................................................................. |
22 |
2.2.3 Сетевые приложения.............................................................................................................. |
23 |
3. КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ И ПАКЕТОВ............................................................... |
25 |
3.1 Коммутация каналов................................................................................................................. |
25 |
3.2 Коммутация пакетов ................................................................................................................. |
28 |
4 МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ OSI.............................. |
35 |
4.1 Декомпозиция задач сетевого взаимодействия...................................................................... |
35 |
4.2 Общая характеристика модели OSI .......................................................................................... |
37 |
4.3 Функции уровней модели OSI................................................................................................... |
39 |
2
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
3
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
1. Обзор компьютерных сетей
Компьютерные сети появились сравнительно недавно, в конце 60-х
годов прошлого столетия. Естественно, что компьютерные сети унаследовали много полезных свойств от других, более старых и распространенных телекоммуникационных сетей, а именно телефонных. В
тоже время компьютерные сети привнесли в телекоммуникационное пространство нечто совершенно новое – они сделали общедоступными неисчерпаемые объемы информации.
1.1. Предпосылки и история появления компьютерных сетей
Компьютерные сети не являются единственным видом сетей,
созданных человеком. Наиболее похожим примером сетей являются электрические сети. В них легко можно найти аналоги элементов любой компьютерной сети: источникам информационных ресурсов соответствуют электростанции; магистралям – высоковольтные линии электропередачи; сетям доступа – трансформаторные подстанции,
клиентским терминалам – осветительные и бытовые приборы.
С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно решает набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах (рис. 1.1).
4
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
Эволюция телекоммуникационных Эволюция вычислительной
сетей
техники
Эволюция
компьютерных
сетей
Рис. 1.1. Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной
техники и телекоммуникационных сетей.
1.1.1. Вычислительные системы пакетной обработки данных
Первые компьютеры 50-х годов ХХ века предназначались для очень небольшого числа высококвалифицированных пользователей. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а применялись в режиме пакетной обработки.
Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мощного и надежного компьютера универсального назначения
(мэйнфрейм) (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Универсальный компьютер – мэйнфрейм.
5
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их на вычислительный центр. Операторы вводили эти данные в компьютер, а распечатанные результаты пользователи обычно получали на следующий день. Для пользователей был бы удобней интерактивный режим работы, при котором можно руководить процессом обработки своих данных с терминала. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычислительных систем зачастую пренебрегали. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины – процессора.
1.1.2. Многотерминальные системы
По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов ХХ века появились новые способы организации вычислительного процесса,
которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с
помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих пользователей определялось его мощностью:
время реакции вычислительной системы должно было быть достаточно мало, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером других пользователей.
Рис. 1.3. Терминалы многотерминальной вычислительной системы.
6
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
Вычислительная мощность оставалась полностью централизованной,
но некоторые функции, такие как ввод и вывод данных, стали распределенными. Подобные многотерминальные вычислительные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером.
Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей.
В этот период был справедлив так называемый закон Гроша,
который эмпирически отражал уровень технологии того времени. В
соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости. Из этого закона следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощные – их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.
1.1.3.Первые компьютерные сети
Кначалу 70-х годов ХХ столетия назрела необходимость в
соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Началось все с решения более простой задачи – доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал–компьютер были реализованы удаленные связи типа компьютер–компьютер. На основе подобного механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами,
7
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными, сетевые службы.
Первыми появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN), т.е.
сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры,
возможно находящиеся в различных городах и странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие идеи, лежащие в основе современных компьютерных сетей.
Например, многоуровневое построение коммуникационных протоколов,
концепции коммутации и маршрутизации пакетов.
Главное технологическое новшество, которое сопутствовало появлению первых глобальных компьютерных сетей, состояло в отказе от принципа коммутации каналов. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и, в значительной степени, не чувствительный к задержкам компьютерный трафик (от англ. traffic —
«движение», «транспорт», «торговля»; объём данных, передаваемой по сети за определенный период времени) гораздо эффективнее передается сетями, работающими по принципу коммутации пакетов.
В 1969 году министерство обороны США инициировало работы по объединению в единую сеть суперкомпьютеров оборонных и научно-
исследовательских центров. Эта сеть получила название ARPANET. Она стала основой для создания первой и самой известной ныне глобальной сети – Интернет.
К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству предоставляемых услуг догнали локальные сети, которые долгое время лидировали в этом отношении, хотя и появились значительно позже.
1.1.4. Первые локальные сети
Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей,
произошло в начале 70-х годов прошлого века. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных
8
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию миникомпьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные компьютеры.
Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия.
Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации продолжали работать автономно (рис. 1.4).
Предприятие
Мини-ЭВМ |
Мини-ЭВМ |
Терминалы |
Терминалы |
Отдел № 1 |
Отдел № 2 |
Мини-ЭВМ |
Мини-ЭВМ |
Терминалы |
Терминалы |
Отдел № 3 |
Отдел № 4 |
Рис. 1.4. Автономное использование нескольких мини-компьютеров на одном предприятии.
Очень быстро автономная работа перестала удовлетворять пользователей, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться
9
ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. ЛЕКЦИИ
данными с компьютерами других подразделений. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных компьютерных сетей.
Локальная сеть (Local Area Network, LAN) – это объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории (обычно в радиусе 1–2 км). Для соединения компьютеров друг с другом используются сетевые технологии.
Сетевая технология – это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверы, сетевые адаптеры, кабели и разъемы), а также механизмов передачи данных, достаточный для построения вычислительной сети.
В середине 80-х годов стандартные сетевые технологии
объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. С одной стороны, они были достаточно мощными, чтобы обеспечить работу сетевого программного обеспечения, а с другой – явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач и разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях.
Конец 90-х годов прошлого века выявил явного лидера среди технологий локальных сетей – семейство технологий Ethernet. В это семейство вошли: классическая технология Ethernet со скоростью передачи
10 Мбит/с; Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с; Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Простые алгоритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Это позволяет рационально строить локальную сеть, выбирая ту технологию семейства, которая в
10