Развитие современных информационных технологий сопровождается увеличением роли телекоммуникационных систем различного назначения и распространением различных классов компьютерных сетей. Это объясняется необходимостью более быстрой передачи информации, в том числе и управленческой, для которой важное значение имеют время и оперативность ее доставки до пользователей. Более весомым становится использовании средств электронной связи документов — электронной почты, программного обеспечения браузеров и т.д. — с помощью которых намного увеличивается эффективность работы специалистов различных уровней управления современными предприятиями и учреждениями.
Особое место в этих задачах занимают современные технологии компьютерных сетей, среди которых следует выделить локальные и глобальные сети. Это объясняется необходимостью использования корпоративной информации, содержащейся в корпоративных базах данных, которые могут располагаться как в отдельных подразделениях предприятия, так и за его пределами. Итак современные технологии обработки документов различного назначения должны базироваться на средствах телекоммуникационной связи и стандартов компьютерных сетей, выступающих как транспортные системы передачи данных.
Для повышения эффективности функционирования сетей предприятия должны использоваться средства их распространения в случае увеличения количества рабочих станций и пользователей. Это приводит к необходимости более детального изучения и использования специальных приспособлений и соответствующих стандартов для объединения отдельных локальных сетей в единую. К ним относятся концентраторы, мосты, шлюзы, коммутаторы, которые позволяют увеличивать эффективность отдельных сетей за счет объединения сетей с различными стандартами и протоколами. Выбор определенного стека протоколов обеспечивает определение возможностей работы сети по выбранным стандартом и позволяет решать вопросы оценки эффективности развертывания сети с заданным уровнем масштабируемости и распределенности данных. В связи с этим возникает необходимость обоснования выбора системного сетевого обеспечения в условиях клиент-серверной технологии доступа и обработки запросов пользователей.
Классы компьютерных сетей
Компьютерная сеть или сеть передачи данных представляет собой некоторую совокупность узлов (компьютеров, рабочих станций или другого оборудования), соединенных коммуникационными каналами, а также набор оборудования, который обеспечивает соединение станций и передачу между ними информации.
На сегодня существует огромное количество компьютерных сетей различного назначения, построенных на основе различных компьютерных и коммуникационных технологий и обусловленных использованием той или иной сетевой архитектуры.
Сетевая архитектура — это совокупность сетевых аппаратных и программных решений, методов доступа и протоколов обмена информациею. Архитектура и номенклатура сетевого оборудования современных компьютерных сетей является результатом развития технических средств и вызваны необходимостью пользователей компьютерной техники обмениваться между собой данными.
Обратимся к истокам компьютерных сетей. Первые компьютеры 50-х годов XX века были громоздкими и дорогими, они предназначались для небольшого круга пользователей. Довольно часто такие компьютеры занимали целые здания и были предназначены для использования в режиме пакетной обработки, а не для интерактивной работы пользователей.
Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мейнфрейма — мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты с данными и командами программ и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали, как правило, только на следующий день. Таким образом, ошибка в перфокарте означала как минимум суточную задержку. Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы удобнее. Разработчики компьютерных сетей в то время в значительной мере не учитывали интересы пользователей, поскольку пытались достичь наибольшей эффективности работы самого дорогого устройства вычислительной машины — процессора.
По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов XX века появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы распределения времени. В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих с компьютером пользователей зависела от его мощности, а время реакции вычислительной системы было незначительным, и пользователю не очень заметна была параллельная работа с компьютером других пользователей.
Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, некоторые функции — такие, как ввод и вывод данных, стали распределенными. Подобные многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, обычный пользователь воспринимал работу за терминалом мейнфрейма примерно так же, как сейчас он воспринимает работу с подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийному оборудованию, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу получить результат.
Однако до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, потому что многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределенных систем, все еще поддерживали только централизованную обработку данных. С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не возникла — в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот период был справедлив закон, который эмпирически отражал уровень технологии того времени. Согласно этому закону быстродействие компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощные, так как их суммарная мощность была значительно меньше быстродействие дорогой машины.
В начале 70-х годов XX века в результате технологического прорыва в сфере производства компьютерных компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мейнфреймов. Десяток мини-компьютеров, имея ту же стоимость, что и один мейнфрейм, решали некоторые задачи намного быстрее.
Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудованием, составом и другие задачи на уровне отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно.
Со временем потребности пользователей в быстродействии компьютерной техники росли. Их уже не удовлетворяла изолированная работа на собственном компьютере, пользователям хотелось обмениваться компьютерными данными с пользователями других подразделений в автоматическом режиме.
Ответ на эту потребность пришел в виде появления первых локальных вычислительных сетей.
В общем представлены локальные сети представляют собой объединение компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, как правило, в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть может иметь и большие размеры, например, несколько десятков километров. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежит одной организации.
Сначала для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные сетевые технологии.
Сетевая технология — это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверов, сетевых адаптеров, кабелей и разъемов) и механизмов передачи данных по линиям связи, достаточных для построения вычислительной сети.
Первые локальные сети оснащались различными устройствами соединения, которые использовали собственные способы представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т.д. Эти устройства могли соединять только конкретные модели компьютеров, для которых они и были разработаны.
Со временем появилась необходимость унификации оборудования и технологий компьютерных сетей. Первые стандартные технологии локальных сетей опирались на принципы коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях.
В середине 80-х годов XX века утвердились стандартные сетевые технологии объединения компьютеров в сеть — Ethernet, ArcNet, Token Ring, Token Bus, чуть позже – FDDI.
Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести стандартный кабель, сетевые адаптеры международного стандарта (например, Ethernet), установить адаптеры в компьютеры, присоединить их к кабелю стандартными соединителями и установить на компьютеры одну из популярных сетевых операционных систем (например, Novell NetWare).
Простые алгоритмы работы определили низкую стоимость оборудования Ethernet. Широкий диапазон иерархии скоростей позволял рационально строить локальную сеть, выбирая ту технологию семейства, которая в наибольшей степени отвечала задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к другу принципами работы, что упрощало обслуживание и интеграцию этих сетей.
Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть. И для этого есть веские причины, поскольку различия технологий локальных и глобальных сетей очень значительны, несмотря на их постоянное сближение.
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 коммуникационную систему, принадлежит одной организации. Через короткие расстояния в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 1000 Мбит/с. В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме on-line.
Глобальные сети Wide Area Networks (WAN) объединяют компьютеры, территориально рассредоточились, которые могут находиться в разных городах и странах. Поскольку прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения (ADSL технология). Из-за сравнительно низких скоростей таких линий связи в глобальных сетях (десятки мегабит в секунду) набор услуг обычно ограничивается передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты. Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи применяются методы и оборудование, существенно отличные от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Как правило, здесь применяются процедуры контроля и восстановления данных, поскольку наиболее типичный режим передачи данных по территориальному каналу связи связан со значительными искажениями сигналов.
Городские сети (или сети мегаполисов) Metropolitan Area Networks (MAN) являются менее распространенным типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно. Они предназначены для обслуживания территории крупного города мегаполиса. В то время как локальные сети наилучшим образом подходят для разделения ресурсов на коротких расстояниях и широковещательных передач, а глобальные сети обеспечивают работу на больших расстояниях, но с ограниченной скоростью и небогатым набором услуг, сети мегаполисов занимают некоторое промежуточное положение. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 100 Мбит/с, и предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными. Эти сети первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как Видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста. Развитие технологии сетей мегаполисов осуществлялся местными телефонными компаниями. Исторически сложилось так, что местные телефонные компании всегда обладали слабыми техническими возможностями и поэтому не могли привлечь крупных клиентов. Чтобы преодолеть свою отсталость и занять достойное место в мире локальных и глобальных сетей, местные предприятия связи занялись разработкой сетей на основе самых современных технологий, например технологии коммутации ячеек SMDS или АТМ. Сети мегаполисов являются общественными сетями, и поэтому их услуги обходятся дешевле, чем построение собственной (частной) сети в пределах города.
Общие принципы построения сетей
Изучение конкретных технологий для сетей LAN, WAN и MAN, таких как Ethernet, IP или ATM, показало, что в этих технологий есть много общего. При этом они не являются тождественными, в каждой технологии и протоколе есть свои особенности, так что нельзя механически перенести знания по одной технологии к другой.
Система принципов построения сетей передачи данных появилась в результате решения ряда ключевых проблем, многие из которых являются общими для телекоммуникационных сетей любого типа.
Одной из основных, если не сказать главных, проблем построения сетей является коммутация. Каждый узел выполняет транзитную передачу трафика, должен уметь его коммутировать, то есть обеспечивать взаимодействие пользователей сети.
На технологию коммутации непосредственно влияет принцип выбора маршрута передачи информационных потоков по сети. Маршрут, то есть последовательность транзитных узлов сети, которые должны пройти данные, чтобы попасть к получателю, должен выбираться так, чтобы одновременно достигались две цели. При этом, во-первых, данные каждого пользователя должны передаваться как можно быстрее, с минимальными задержками на пути; во-вторых, ресурсы сети должны использоваться максимально эффективно, так чтобы сеть за единицу времени передавала больше данных, поступающих от всех пользователей сети.
Задача состоит в том, чтобы добиться сочетания этих целей (эгоистической цели отдельного пользователя и коллективной цели сети как единой системы). Компьютерные сети традиционно решали эту проблему неэффективно, в пользу индивидуальных потоков, и только в последнее время появились более продуманные методы маршрутизации.