Обозначения, используемые в курсе
В тексте курса используются следующие пиктограммы для обозначения сетевых устройств различных типов:
Глава 1. Базовые понятия сетевых технологий
История компьютерных сетей
Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерных технологий. В 1940-х годах компьютеры были огромными электромеханическими устройствами, которые часто выходили из строя. В 1947 году, с изобретением полупроводниковых транзисторов, появились перспективы создания небольших по размерам, более надежных компьютеров. В 1950-х стали широко использоваться мэйнфреймы – мощные и надежные компьютеры универсального назначения, команды программ и данные для которых содержались на перфокартах.
Перфокарта – носитель информации, изготавливаемый из тонкого картона, информация на котором представлялась наличием или отсутствием отверстий в определенных позициях.
На основе мэйнфреймов строили системы пакетной обработки данных.
Мэйнфреймы представляли собой высокопроизводительные компьютеры общего назначения со значительным объемом оперативной и внешней памяти и предназначались для выполнения интенсивных вычислительных работ. Такие компьютеры были большие, громоздкие и дорогие, часто они занимали по объему комнаты и целые здания.
В конце 50-х годов были изобретены интегральные схемы. В 60-х годах, по мере удешевления процессоров, появились новые способы организации вычислительного процесса. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, что стало первым шагом на пути создания локальных компьютерных сетей. В таких системах использовались мэйнфреймы с подключенными к ним терминалами, причем терминалы могли быть рассредоточены на территории всего предприятия. Несмотря на то, что подобные многотерминальные системы были похожи на локальные компьютерные сети, подключение к мэйнфреймам удаленных терминалов не являлось сетевым взаимодействием, т. к. терминалы обеспечивали только преобразование формы информации, но не ее обработку. Такие среды строились на основе системной архитектуры IBM (System Network Architecture, SNA) или на основе сетевой архитектуры Digital.
Рис. 1.1Интерактивная многотерминальная система
В конце 60-х - начале 70-х годов появление больших интегральных схем (БИС) привело к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. В 1978 году компания Apple Computer выпустила персональный компьютер. Через три года появился компьютер, созданный компанией IBM, который был дешевле своего предшественника. Низкая стоимость и большая функциональность привели к широкому использованию персональных компьютеров для дома и бизнеса. Каждый компьютер выполнял свою задачу, таким образом, появилась идея разделения компьютерных ресурсов по всему предприятию, однако при этом каждый компьютер должен оставаться автономно работающим устройством. Очень скоро стала очевидна низкая эффективность такого подхода. Необходимо было найти решение, которое удовлетворяло бы следующим требованиям: устраняло дублирование оборудования и ресурсов, обеспечивало эффективный обмен информацией между устройствами, снимало проблему управления взаимосвязанными устройствами. Предприятия и организации начали объединять свои компьютеры в сеть или расширять существующие сети, причем делали они это с той же скоростью, с которой появлялись новые сетевые технологии. В результате в начале 80-х годов произошел стремительный рост в области объединения компьютеров в сеть. Так появились первые локальные сети (LAN, Local Area Network).
Компьютерная сеть (сеть передачи данных) — группа устройств, объединенных между собой каким-либо способом с целью совместного доступа к ресурсам и обмена информацией.
В середине 80-х годов появились проблемы, связанные с хаотичным развитием локальных сетей. Многие сетевые технологии оказались несовместимыми друг с другом, поскольку у них была разная аппаратная и программная реализация. В результате чего сетям, использующим разные спецификации, было трудно взаимодействовать друг с другом.
Возникла необходимость в стандартизации правил сетевого взаимодействия. Решением этой проблемы стало появление стандартов на локальные вычислительные сети. В 1983 г. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) принял стандарт IEEE 802.3 на технологию Ethernet, разработанную Робертом Меткалфом в 1973 г. В 1985 г. был принят стандарт IEEE 802.5 на технологию Token Ring, изначально разработанную компанией IBM. В середине 80-х стали популярными технологии FDDI (Fiber Distributed Data Interface) и ARCNET (Attached Resource Computer NETwork).
Стандартные технологии превратили процесс построения локальных сетей из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевой адаптер соответственного стандарта, например Ethernet, подключить к нему кабель и установить на компьютер соответствующую сетевую операционную систему.
Рис. 1.2Локальная сеть на основе технологии Ethernet
По мере увеличения числа компьютеров в организациях и на предприятиях, вскоре стало очевидно, что только локальных сетей уже недостаточно. Требовалось найти способ передачи информации от одной локальной сети к другой, которые находились на больших расстояниях друг от друга. Решение этой проблемы было найдено в создании глобальных сетей (WAN, Wide Area Network). Началось все с простой задачи – доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на сотни и тысячи километров. Терминалы объединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме. С использованием этого механизма, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие службы, ставшие теперь традиционными.
Рис. 1.3Глобальная сеть
Начиная с 60-х годов и продолжая в 70, 80, 90-х годах, Министерство обороны США проводило работы по созданию большой и надежной глобальной сети. В 1969 году Министерство обороны США посчитало, что на случай войны Америке нужна надежная система передачи информации. Агентство передовых исследовательских проектов (ARPA) предложило разработать для этого компьютерную сеть. Разработка такой сети была поручена Калифорнийскому университету в Лос-Анджелесе, Стэндфордскому исследовательскому центру, Университету штата Юта и Университету штата Калифорния в Санта-Барбаре. Первое испытание технологии произошло 29 октября 1969 года. Сеть состояла из двух терминалов, один из которых находился в Калифорнийском университете, а второй на расстоянии 600 км от него - в Стэндфордском университете.
Компьютерная сеть была названа ARPANET, которая в рамках проекта объединила четыре указанных научных учреждения. Затем сеть ARPANET начала активно увеличиваться и развиваться, ее начали использовать ученые из разных областей науки.
В 1973 году к сети ARPANET были подключены первые иностранные организации из Великобритании и Норвегии, сеть стала международной. Параллельно с ARPANET стали появляться и формироваться другие сети университетов и предприятий.
1 января 1983 года сеть ARPANET была полностью переведена с протокола Network Control Protocol (NCP) на протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) и стала первой подсетью будущей сети Интернет. Впоследствии было принято решение о принятии протокола TCP в качестве стандарта Министерства обороны США и о последующем выделении военного сегмента сети MILnet, что сократило сеть ARPANET с 113 до 68 узлов. В это же время произошли другие важные события: протокол TCP/IP вошел в операционную систему Berkeley Unix (4.2 BSD), что стало толчком для появления целого поколения компьютеров - рабочих Unix-станций.
Стек протоколов TCP/IP создавался продолжительное время в течение нескольких лет. Впервые о TCP/IP было сказано в 1973 году на заседании International Network Working Group, прошедшем в Великобритании, где Роберт Кан и Винт Серф выступили с проектом статьи, которая позже, в мае 1974 года, была опубликована в одном из самых престижных журналов Transactions on Communications, выпускаемом институтом IEEE. В статье, озаглавленной «A Protocol for Packet Network Intercommunication», были изложены основы будущего протокола TCP/IP, в становление которого каждый из соавторов внес свой вклад. Кан был одним из ведущих сотрудников компании BBN, которая изготовила связное оборудование для ARPANET, и самостоятельно подошел к идеям, близким к TCP, а Серф занимался аналогичными задачами в Стэндфордском университете.
Главная идея, предложенная авторами, состояла в том, чтобы перенести обеспечение надежности коммуникаций из сети в подключенные к ней серверы. Идея оказалась отличной и была принята учеными и военными одновременно. После этого протокол начал жить своей жизнью, пока еще под названием TCP. В совершенствовании нового протокола приняли участие многие инженеры и ученые, в итоге к октябрю 1977 года его работу удалось продемонстрировать не только в ARPANET, но и в пакетной радиосети, а также спутниковой сети SATNET.
К разработке протокола присоединились Джонатан Постел и Дэни Коэн, которые вместе с Каном и с Серфом пришли к выводу о необходимости разделения протокола на две части. В результате появились протоколы TCP и IP. Протокол TCP отвечает за разбиение сообщения на сегменты, сборку их на стороне получателя, обнаружение ошибок и восстановление порядка сегментов, если он был нарушен в процессе передачи. Протокол IP, или Internet Protocol, отвечает за маршрутизацию отдельных сообщений. К 1978 году стек протоколов TCP/IP окончательно оформился в том виде, в каком он известен сегодня.