50300 (Глобальная компьютерная сеть Интернет)

Вступление

Глобальная сеть- совокупность компьютеров, расположенных на больших расстояниях друг от друга, а также система каналов передачи связи: средств коммуникации (переключения), обеспечивающих соединение пользовательских коммуникационных систем и обмен данными между ними.

Глобальные сети (Wide Area Networks, WAN) создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам.

Интернет - мировая глобальная компьютерная сеть. Она составлена из разнообразных компьютерных сетей, объединенных стандартными соглашениями о способах обмена информацией и единой системой адресации. Интернет использует протоколы семейства TCP/IP. Они хороши тем, что обеспечивают относительно дешевую возможность надежно и быстро передавать информацию даже по не слишком надежным линиям связи, а также строить программное обеспечение, пригодное для работы на любой аппаратуре. Система адресации (URL-адреса) обеспечивает уникальными координатами каждый компьютер (точнее, практически каждый ресурс компьютера) и каждого пользователя Интернета, создавая возможность взять именно то, что нужно, и передать именно туда, куда нужно.

1. Историческая справка

Около 20 лет назад Министерство Обороны США создало сеть,– она называлась ARPAnet. ARPAnet была экспериментальной сетью, – она создавалась для поддержки научных исследований в военно-промышленной сфере, – в частности, для исследования методов построения сетей, устойчивых к частичным повреждениям, получаемым, например, при бомбардировке авиацией и способных в таких условиях продолжать нормальное функционирование. Это требование дает ключ к пониманию принципов построения и структуры Internet. В модели ARPAnet всегда была связь между компьютером-источником и компьютером-приемником (станцией назначения). Сеть предполагалась ненадежной: любая часть сети может исчезнуть в любой момент. Передача данных в сети была организована на основе протокола Internet – IP. Протокол IP – это правила и описание работы сети. Этот свод включает правила налаживания и поддержания связи в сети, правила обращения с IP-пакетами и их обработки, описания сетевых пакетов семейства IP (их структура и т.п.). Пока Международная Организация по Стандартизации (Organization for International Standardization – ISO) тратила годы, создавая окончательный стандарт для компьютерных сетей, пользователи ждать, не желали. Активисты Internet начали устанавливать IP-программное обеспечение на все возможные типы компьютеров. Вскоре это стало единственным приемлемым способом для связи разнородных компьютеров. Такая схема понравилась правительству и университетам, которые проводят политику покупки компьютеров у различных производителей. Каждый покупал тот компьютер, который ему нравился и вправе был ожидать, что сможет работать по сети совместно с другими компьютерами.

Примерно 10 лет спустя после появления ARPAnet появились Локальные Вычислительные Сети (LAN), например, такие как Ethernet и др. Одновременно появились компьютеры, которые стали называть рабочими станциями. На большинстве рабочих станций была установлена операционная система UNIX. Эта ОС имела возможность работы в сети с протоколом Internet (IP). В связи с возникновением принципиально новых задач и методов их решения появилась новая потребность: организации желали подключиться к ARPAnet своей локальной сетью. Примерно в то же время появились другие организации, которые начали создавать свои собственные сети, использующие близкие к IP коммуникационные протоколы. Стало ясно, что все только выиграли бы, если бы эти сети могли общаться все вместе, ведь тогда пользователи из одной сети смогли бы связываться с пользователями другой сети.

Одной из важнейших среди этих новых сетей была NSFNET, разработанная по инициативе Национального Научного Фонда (National Science Foundation – NSF). В конце 80-х NSF создал пять суперкомпьютерных центров, сделав их доступными для использования в любых научных учреждениях. Было создано всего лишь пять центров потому, что они очень дороги даже для богатой Америки. Именно поэтому их и следовало использовать кооперативно. Возникла проблема связи: требовался способ соединить эти центры и предоставить доступ к ним различным пользователям. Сначала была сделана попытка использовать коммуникации ARPAnet, но это решение потерпело крах, столкнувшись с бюрократией оборонной отрасли и проблемой обеспечения персоналом.

Тогда NSF решил построить свою собственную сеть, основанную на IP технологии ARPAnet. Центры были соединены специальными телефонными линиями с пропускной способностью 56 KBPS (7 KB/s). Однако, было очевидно, что не стоит даже и пытаться соединить все университеты и исследовательские организации непосредственно с центрами, т.к. проложить такое количество кабеля – не только очень дорого, но практически невозможно. Поэтому решено было создавать сети по региональному принципу. В каждой части страны заинтересованные учреждения должны были соединиться со своими ближайшими соседями. Получившиеся цепочки подсоединялись к суперкомпьютеру в одной из своих точек, таким образом суперкомпьютерные центры были соединены вместе. В такой топологии любой компьютер мог связаться с любым другим, передавая сообщения через соседей.

Это решение было успешным, но настала пора, когда сеть уже более не справлялась с возросшими потребностями. Совместное использование суперкомпьютеров позволяло подключенным общинам использовать и множество других вещей, не относящихся к суперкомпьютерам. Неожиданно университеты, школы и другие организации осознали, что заимели под рукой море данных и мир пользователей. Поток сообщений в сети (трафик) нарастал все быстрее и быстрее пока, в конце концов, не перегрузил управляющие сетью компьютеры и связывающие их телефонные линии. В 1987 г. контракт на управление и развитие сети был передан компании Merit Network Inc., которая занималась образовательной сетью Мичигана совместно с IBM и MCI. Старая физически сеть была заменена более быстрыми (примерно в 20 раз) телефонными линиями. Были заменены на более быстрые и сетевые управляющие машины.

Процесс совершенствования сети идет непрерывно. Однако, большинство этих перестроек происходит незаметно для пользователей. Включив компьютер, мы не увидем объявления о том, что ближайшие полгода Internet не будет доступна из-за модернизации. Возможно, даже более важно то, что перегрузка сети и ее усовершенствование создали зрелую и практичную технологию.

2. Структура Глобальных сетей

Оператор сети - это компания, которая поддерживает нормальную работу сети.

Провайдер (service provider) – компания, которая оказывает платные услуги абонентам сети. Основными потребителями глобальной сети являются ЛВС, офисные АТС, кассовые терминалы, факсы, хост- компьютеры.

Сеть строится на основе выделенных каналов связи, которые соединяют коммутаторы глобальной сети между собой. Основные типы конечных узлов глобальной сети: отдельные ПК, локальные сети, маршрутизаторы и мультиплексоры, используются для одновременной передаче по сети данных и голоса.

Физическая структуризация сети - конфигурация каналов связи, образованных отдельными участками кабеля. Устройства DCE (Data Circuit terminating Equipment) представляют собой аппаратуру передачи данных по каналам, работающую на физическом уровне. Различают аппаратуру передачи данных по аналоговым и цифровым каналам. Для передачи данных по аналоговым каналам используют модемы различных стандартов, а по цифровым – устройства DSU/CSU.

DTE (Data Terminal Equipment) – это очень широкий класс устройств, которые непосредственно готовят данные для передачи по глобальной сети. DTE представляют собой устройства, работающие на границе между локальными и глобальными сетями и выполняющие протоколы уровней более высоких, чем физический. DTE могут поддерживать только канальные протоколы- такими устройствами являются удаленные мосты, либо протоколы канального и сетевого уровней – тогда они являются маршрутизаторами, а могут поддерживать протоколы всех уровней, включая прикладной- в этом случае их называют шлюзами.

Связь компьютера или маршрутизатора с цифровой выделенной линией осуществляется с помощью пары устройств, обычно выполненных в одном корпусе или же совмещенных с маршрутизатором. Этими устройствами являются: устройство обслуживания данных (Data Service Unit - DSU), и устройство обслуживания канала (Channel Service Unit - CSU). Устройство обслуживания данных DSU преобразует сигналы, поступающие от конечного оборудования данных DTE. Устройство обслуживания канала CSU также выполняет все временные отсчеты, регенерацию сигнала и выравнивание загрузки канала. CSU выполняет более узкие функции, в основном оно занимается созданием оптимальных условий передачи в линии (выравнивание). Эти устройства часто называют, одним словом DSU/CSU.

DTE принимают решения о передаче данных в глобальную сеть, а также выполняют форматирование данных на канальном и сетевом уровнях, а для сопряжения с территориальным каналом используют DCE. Такое распределение функций позволяет гибко использовать одно и тоже устройство DTE для работы с разными глобальными сетями за счет замены только DCE. Устройства DTE и DCE обобщенно называют оборудованием, размещенным на территории абонента глобальной сети – CPE (Customer Premises Equipment). Логическая структуризация сети - это конфигурация информационных потоков между ПК сети.

Перед передачей данных в сети они разбиваются на блоки, которые называются пакеты или кадры. Пакет это основная единица информации в компьютерных сетях. Разбиение на пакеты происходит на прикладном уровне, проходя через все уровни к пакету добавляется информация соответствующая данному уровню. Пакеты состоят из следующих компонентов: адрес источника; передаваемые данные; адрес места назначения; инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте пакета; информация ПК получателю, о том, как следует объединить пакеты, чтобы получить данные в исходном виде; информация о проверке на ошибки. Компоненты группируются в 3 раздела: Заголовок, данные, трейлер. Заголовок включает сигнал «говорящий» о том, что передается пакет, адрес источника, адрес места назначения. Данные включают в себя непосредственно передаваемые данные. Размер от 512 байт до 4 Кбайт. Трейлер включает информацию о проверке ошибок.

Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Наличие нескольких маршрутов к одному узлу делают возможным передачу трафика параллельно по нескольким каналам связи, это повышает пропускную способность и ее надежность. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющийся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает задержка прохождения маршрута отдельным пакетом или среднепропускная способность маршрута для последовательности пакетов.

3. Адресация в сети.

1. IP-адреса. При взаимодействии компьютеров в сети Интернет ими в качестве адреса используется IP-адрес (группа цифр: 123.123.123.123).

Любой компьютер, подключенный к Интернету и желающий обмениваться информацией с другими компьютерами должен иметь некоторое уникальное имя, или IP –адрес. IP-адрес выглядит примерно так: 127.12.232.56 Как мы видим, это — четыре 8-разрядных числа (то есть принадлежащих диапазону от 0 до 255 включительно), соединенные точками. IP –адрес имеет длину 4 байта. Какая часть IP –адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла определяется значением первых бит адреса. Значение этих бит является признаками того к какому классу относится тот или иной IP –адрес. Не все числа допустимы в записи IP-адреса: ряд из них используется в служебных целях (например, адрес 127.0.0.1 выделен для обращения к локальной машине — той, на которой был произведен запрос, а число 255 соответствует широковещательной рассылке в пределах текущей подсети).

Возникает вопрос: ведь компьютеров в Интернете миллионы (а скоро будут миллиарды). Как же мы, простые пользователи, запросив IP-адрес машины, в считанные секунды с ней соединяемся? Как "он" узнает, где на самом деле расположен компьютер и устанавливает с ним связь, а в случае неверного адреса адекватно на это реагирует? Вопрос актуален, поскольку машина, с которой, например мы собираемся связаться, вполне может находиться за океаном, и путь к ней пролегает через множество промежуточных серверов. В деталях вопрос определения пути к адресату довольно сложен. Однако достаточно нетрудно представить себе общую картину, точнее, некоторую ее модель. Предположим, что есть 1 миллиард компьютеров, каждый из которых напрямую соединен с 11 (к примеру) другими через кабели. Получается этакая паутина из кабелей. Кстати, это объясняет, почему одна из наиболее популярных служб Интернета базирующаяся на протоколе HTTP, названа WWW (World Wide Web, или Всемирная паутина).

В реальности применяются всевозможные внутренние таблицы, которые позволяют компьютеру "знать", где конкретно располагаются некоторые ближайшие его соседи. То есть любая машина в сети имеет информацию о том, через какие узлы должен пройти сигнал, чтобы достигнуть самого близкого к ней адресата — а если не обладает этими знаниями, то получает их у ближайшего соседа в момент загрузки операционной системы. Разумеется, размер таких таблиц ограничен и они не могут содержать маршруты до всех машин в Интернете (хотя в самом начале развития Интернета, когда компьютеров в сети было немного, именно так и обстояло дело).

Итак, допустим, мы сидим за компьютером номер 1 и желаем соединиться с машиной 10 с таким-то IP-адресом. Наш компьютер рассылает в одиннадцать сторон запрос, чтобы узнать у других компьютеров IP-адрес нужного нам ПК и ждет, что ему ответят. Каждый из компьютеров окружения действует по точно такому же плану. Он спрашивает у своих соседей, не слышали ли они чего о компьютере 10. В действительности дело обстоит куда сложнее. Отличия от представленной схемы частично заключаются в том, что компьютеру совсем не обязательно " запрашивать " всех своих соседей — достаточно ограничиться только некоторыми из них. Для убыстрения доступа все возможные IP- адреса делятся на четыре группы — так называемые адреса подсетей классов A, B, C и D.

Класс А: если адрес начинается с 1, то адрес относится к классу А. Номер сети занимает 1 байт, номер узла 3 байта. Максимальное число узлов 2²⁴. (с 1.0.0.0. до 126.0.0.0.)

Класс В: если адрес начинается с 128, то адрес относится к классу В. Номер сети занимает 2 байта, номер узла 2 байта. Максимальное число узлов 2¹⁶. (с 128.0.0.0. до 191.255.0.0.)

Класс С: если адрес начинается с 192, то адрес относится к классу С. Номер сети занимает 3 байта, номер узла 1 байт. Максимальное число узлов 2⁸. (с 192.0.0.0. до 223.255.255.0.)