История и принципы организации глобальных сетей
Тема 1. ИСТОРИЯ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ГЛОБАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
1. История развития глобальных сетей
2. Технологическая основа Интернет
1. История развития глобальных сетей
Как и множество других технологических изобретений, глобальные компьютерные сети вышли из недр исследовательских проектов сугубо военного назначения. Запуск в Советском Союзе первого искусственного спутника Земли в 1957 году ознаменовал начало технологического соревнования между СССР и США. В 1958 году для проведения и координации научно-исследовательской деятельности в военной области при Министерстве обороны США было выделено специальное Агентство Передовых Исследовательских Проектов (Advanced Research Projects Agency – ARPA). В его ведении, в частности, находились и работы по обеспечению безопасности связи и коммуникации в случае начала ядерной войны. Такая система передачи данных должна была обладать максимальной устойчивостью к повреждениям и быть способной функционировать даже при полном выведении из строя большинства своих звеньев.
Рекомендуемые материалы
В 1967 году для создания сети передачи данных было решено использовать разбросанные по всей стране компьютеры ARPA, соединив их обычными телефонными проводами. Работы по созданию первой глобальной компьютерной сети, получившей название ARPANet, велись быстрыми темпами и уже к 1968 году появились ее узлы, первый из которых был построен в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (University of California in Los-Angeles, UCLA), второй – в Стенфордском исследовательском институте (Stanford Research Institute, SRI). В сентябре 1969 года состоялась передача первого компьютерного сообщения между этими центрами, что фактически ознаменовало рождение сети ARPANet. К декабрю 1969 г. ARPANet насчитывала 4 узла, в июле 1970 г. – восемь, а в сентябре 1971 г. уже 15 узлов. В 1971 году программистом Рэем Томлисоном (Ray Tomlison) разработана система электронной почты, в частности, в адресации впервые использован значок @ («коммерческая эт»). В 1974 году было открыто первое коммерческое приложение ARPANet – Telnet, обеспечивающее доступ к удаленным компьютерам в режиме терминала.
К 1977 году Сеть объединяла уже десятки научных и военных организаций, как в США, так и в Европе, а для связи использовались уже не только телефонные, но также спутниковые и радиоканалы. 1 января 1983 года было ознаменовано принятием единых Протоколов Обмена Данными – TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol).
Рис. 1- Схема узлов и каналов связи сети ARPANet в 1980 году.
Выдающееся значение этих протоколов заключалось в том, что с их помощью разнородные сети получили возможность производить обмен данными друг с другом. Именно этот день фактически явялется днем рождения Интернет, как сети, объединяющей глобальные компьютерные сети. Не даром одним из наиболее емких и точных определений Интернет является «сеть сетей».
В 1986 году Национальным Фондом Науки США (The National Science Foundation – NSF) была запущена в эксплуатацию NSFNet, связавшая компьютерные центры по всем Соединенным Штатам с «суперкомпьютерами». NSFNet изначально базировалась на TCP/IP, то есть была открыта для включения новых сетей, но первоначально была доступна лишь для зарегистрированных пользователей, в основном, университетов. Вся военная часть выделилась в MILNet, которая отошла исключительно в ведение американских военных организаций. NSFNet являлась высокоскоростной компьютерной сетью, базирующейся на суперкомпьютерах, соединенных оптоволоконными кабелями, радио- и спутниковой связью. До 1995 года она составляла основу Интернет в Соединенных Штатах – была «хребтом» (backbone) американской части глобальных компьютерных сетей (у других стран имелись собственные «хребты»). В 1996 году NSFNet была приватизирована, а научным организациям было предписано договариваться о доступе к информационным магистралям с коммерческими Интернет-провайдерами. В академических кругах это решение признано ошибочным, и практически с того же года ведутся эксперименты по воссозданию некоммерческой сети научных и образовательных учреждений, под условным названием Интернет-2.
Рис. 2 – Компьютерная сеть NSFNet в середине 90-х годов
Мощное сочетание спутниковых и оптико-волоконных каналов позволило создать в США единое цифровое пространство.
До середины 1990 годов Интернет был доступен относительно узкому академическому сообществу, а его наполнение не отличалось богатством и разнообразием. Обмен электронными письмами, общение в группах новостей по интересам с помощью текстовых сообщений, доступ к ограниченному числу серверов по telnet и получение файлов по FTP (File Transfer Protocol – Протокол Передачи Файлов) были уделом энтузиастов до 1991 года, когда появился Gopher, приложение, впервые позволившее свободно перемещаться по глобальным сетям без предварительного знания адресов необходимых серверов. Поначалу не привлекло особого внимания и объявление о разработке нового приложения – Всемирной паутины (World Wide Web – WWW), сделанного в 1991 году в Европейском центре ядерных исследований (European Center for Nuclear Research, CERN). Созданный специалистом CERN Тимом Бернерсом-Ли (Tim Berners-Lee) Протокол Передачи Гипертекста (HyperText Transmission Protocol – http) предназначался для обмена информацией среди физиков, трудившихся в удаленных друг от друга лабораториях. Однако в 1992-93 годах WWW еще по-прежнему представлял собой черно-белый текстовой ресурс. Ситуация значительно изменилась в 1993 году, после того как в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (National Center for Supercomputing Applications, NCSA) был создан первый графический интерфейс к World Wide Web – браузер Mosaic. Mosaic оказался настолько популярен, что один из разработчиков программы Марк Андриссен (Mark Andreessen) основал компанию Netscape, занявшуюся разработкой аналога Mosaic – браузера Netscape Navigator.
Повсеместное использование Интернет широкими массами пользователей фактически началось в 1994 году с созданием нового браузера – Netscape Navigator. Его появление не только упростило доступ к информации Всемирной паутины, но, главное, позволило размещать в виртуальной вселенной практически все виды данных. На смену текстовым черно-белым приложениям пришла многокрасочная среда, наполненная графикой, анимацией, аудио- и видеоданными. Такая среда сразу же привлекла большее число пользователей, что в свою очередь стимулировало еще большее число организаций и частных граждан размещать в Сети свои данные. Получилась своеобразная замкнутая спираль, каждый последующий виток которой значительно превышает предшествующий.
Этот процесс продолжается и поныне, захватывая все новые и новые страны. Еще в июле 2002 года Сеть насчитывала более 172 миллионов хостов (компьютеров, имеющих оригинальный IP-адрес), а число пользователей равнялось 689 миллионам человек, из более чем 170 стран мира, что составляло на тот момент 9 % населения Земли. По данным компании Nua.com рубеж в 1 миллиард был преодолен в 2005 году.
2. Технологическая основа Интернет
С технической точки зрения, Интернет сегодня представляет собой миллионы находящихся в разных частях планеты компьютеров, которые связаны друг с другом волоконно-оптическими, спутниковыми или телефонными каналами. У Сети нет единого центра и единой администрации. Общую координацию его деятельности осуществляют международные организации, членами которых являются наиболее авторитетные эксперты из разных стран. Так, например, Internet Research Task Force занимается проблемами развития семейства протоколов TCP/IP, Internet Engineering Task Force – проблемами новых стандартов и протоколов, Internet Corporation for Assigned Names and Numbers – распределением адресного пространства в глобальном масштабе. Ключевые вопросы, представляющие всеобщий интерес для пользователей Интернет, вначале обсуждаются высококвалифицированными экспертами, а затем, в случае одобрения, принимаются сообща руководством наиболее авторитетных сетей. Остальные вправе присоединиться к новшествам или проигнорировать их, оказавшись, таким образом, в изоляции.
В основе передачи данных в глобальных сетях лежит технология коммутации пакетов. Каждый передаваемый файл разбивается на небольшие порции, которые помещаются в пакет, содержащий адреса как отправляющего, так и принимающего компьютера. Пакеты путешествуют по сети самостоятельно, что фактически исключает возможность их безвозвратной утраты: при потере одного пакета он может быть легко переслан повторно. Поскольку каждый пакетик пересылается независимо от других и вперемешку с тысячами подобных, по одному телефонному кабелю одновременно могут работать большое число пользователей, совершенно не замечая этого. Это, помимо прочего, обеспечивает и относительную дешевизну передачи данных по Интернет, например, стоимость посылки электронного письма ничтожна по сравнению со стоимостью пересылки по факсу сообщения равного объема.
Глобальные компьютерные сети изначально разрабатывались таким образом, чтобы выход из строя их отдельных участков не приводил к полной остановке всей системы. По этой причине изначально была выбрана идеология, согласно которой все узлы Сети имели равные права относительно друг друга. Отсутствие «главных» компьютеров делает всю систему устойчивой, так как вывод из строя подобных центров мог бы привести к разрушению всей сети.
Устойчивость работы достигается за счет системы маршрутизации, которая лежит в основе управления потоками данных в глобальных сетях. Эта система в автоматизированном режиме регулирует пересылку потоков пакетов с компьютера на компьютер по указанным адресам.
Ее основными элементами являются маршрутизаторы, которые, располагаясь на узлах Сети, содержат постоянно актуализируемую информацию о текущем состоянии компьютеров сетевого окружения и каналов связи. Опираясь на таблицы маршрутизации, потоки данных направляются к цели оптимальными на данный момент путями в обход временно поврежденных участков. Именно эта технология обеспечивает высокую устойчивость глобальной сети, в которой отдельные узлы и линии связи могут выйти из строя, но вся сеть при этом не теряет своей работоспособности, автоматически осуществляя доставку данных в обход поврежденных участков.
Каждая входящая в Интернет сеть самостоятельно заботится о решении своих технологических, организационных и финансовых проблем. В их собственности или аренде находится все необходимое для передачи данных: каналы связи, мощные сервера и маршрутизаторы, осуществляющие регулирование информационных потоков.
Бюджет сетей формируется за счет платы, взимаемой с конечных пользователей, которыми являются как целые организации, так и отдельные граждане. Конечный пользователь, оформивший контракт с определенным поставщиком доступа в Интернет (Internet Service Provider – ISP) в каждом случае соединяется только с местной сетью, предоставляемой провайдером. Все остальное – дело аппаратного и программного обеспечения, обеспечивающего беспрепятственное путешествие по виртуальному миру: для клиента любые переходы от сети к сети становятся абсолютно прозрачными. Финансовые взаиморасчеты между самими сетями практически полностью повторяют отношения между почтовыми ведомствами разных стран: получая плату с одного клиента в одной стране, почтовые службы производят взаимные расчеты, исходя из объемов переданной друг другу корреспонденции.
Введем определение компьютерной сети:
Сеть представляет собой совокупность компьютеров, объединенных средствами передачи данных. Средства передачи данных в общем случае могут состоять из следующих элементов: связных компьютеров, каналов связи (спутниковых, телефонных, цифровых, волоконно-оптических, радио- и других), коммутирующей аппаратуры, ретрансляторов, различного рода преобразователей сигналов и других элементов и устройств.
Архитектура сети ЭВМ определяет принципы построения и функционирования аппаратного и программного обеспечения элементов сети.
Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления (централизованные и децентрализованные), методам коммутации (без коммутации, телефонная коммутация, коммутация цепей, сообщений, пакетов и дейтаграмм и т. д.), видам среды передачи и т. д.
Интернет — это объединение множества подсетей, обеспечивающее распространение информационных потоков по всему земному шару. Интернет, называемый также глобальной сетью, имеет в своем составе десятки миллионов узловых компьютеров, обслуживающих сотни миллионов пользователей.
Internet – этo глoбaльнaя кoмпьютepнaя ceть. Бoлee фopмaльнo этo зaфикcиpoвaнo в oпpeдeлeнии Internet, кoтopoe былo дaнo Фeдepaльным coвeтoм пo инфopмaциoнным ceтям (Federal Networking Council) 24 oктябpя 1995 г.: «Internet – глoбaльнaя инфopмaциoннaя cиcтeмa, чacти кoтopoй лoгичecки взaимocвязaны дpyг c дpyгoм пocpeдcтвoм yникaльнoгo aдpecнoгo пpocтpaнcтвa, ocнoвaннoгo нa пpoтoкoлe Internet Protocol (IP) или eгo пocлeдyющиx pacшиpeнияx, cпocoбнaя пoддepживaть cвязь c иcпoльзoвaниeм кoмплeкca пpoтoкoлoв Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/ IP), иx пocлeдyющиx pacшиpeний или дpyгиx IP-coвмecтимыx пpoтoкoлoв, и кoтopaя oбecпeчивaeт, иcпoльзyeт или дeлaeт дocтyпным, пyбличнo или чacтным oбpaзoм, кoммyникaциoнный cepвиc выcoкoгo ypoвня».
Дpyгими cлoвaми, Internet – этo взaимocвязь ceтeй, бaзиpyющиxcя нa eдинoм кoммyникaциoннoм пpoтoкoлe – TCP/IP.
Еcли нa Internet cмoтpeть c тoчки зpeния пoльзoвaтeля, тo oн пpeдcтaнeт кaк глoбaльнoe cpeдcтвo oбмeнa инфopмaциeй, кaк нeкaя «инфopмaциoннaя cyпepмaгиcтpaль». Онa, c oднoй cтopoны, дaeт пoльзoвaтeлям вoзмoжнocть oбщaтьcя мeждy coбoй, coздaвaть виpтyaльныe cooбщecтвa, a c дpyгoй – иcпoльзoвaть нaxoдящyюcя в Internet инфopмaцию или пpeдcтaвлять ee дpyгим. Сeгoдня в дoпoлнeниe к этим oпpeдeлeниям мoжнo дoбaвить нoвoe: Internet – мoщный и пepcпeктивный инcтpyмeнт бизнeca.
Вceм этим oпpeдeлeниям Internet oбязaн cвoим cocтaвным чacтям, кaждaя из кoтopыx выпoлняeт pяд фyнкций, нeoбxoдимыx, чтoбы кoнeчный пoльзoвaтeль мoг бeз ocoбoгo тpyдa и глyбoкoгo знaния пpимeняeмыx тexнoлoгий пoлyчить дocтyп кo вceм вoзмoжнocтям этoгo пpeкpacнoгo cpeдcтвa.
В сетях обычно выделяется один или несколько компьютеров, предназначенных для обслуживания других компьютеров сети. Такие компьютеры называются сетевыми серверами (от слова serve — обслуживать, снабжать). Чтобы сервер выполнял свои функции, на нем должно быть установлено программное обеспечение сервера. Как правило, в качестве сервера выбирают компьютер с более высокой производительностью, большими объемами оперативной памяти и жестких дисков. Основными задачами серверов являются хранение данных и обработка запросов.
Остальные компьютеры сети (кроме серверов) называются рабочими станциями. Рабочие станции могут не иметь жестких дисков и вообще дисководов. Первичная загрузка таких рабочих станций производится по локальной сети. Однако в большинстве случаев в качестве рабочих станций используются полноценные компьютеры, которые могут работать как в сети, так и в автономном режиме (отключенными от сети). В сетях с сервером рабочие станции выступают как клиенты сети, поэтому о таких сетях говорят, что это сети типа клиент-сервер.
Оператор рабочей станции (клиент) имеет доступ к определенным ресурсам сервера. Посылая запрос на сервер, он получает отклик. Таким образом, клиент может пользоваться программами и данными, хранящимися на сервере, может выполнять печать на сетевых принтерах, работать с базами данных и т. д.
Чтобы компьютерная сеть могла работать, недостаточно одного оборудования и линий связи. Необходимо еще соответствующее программное обеспечение, которое «заставит» сеть функционировать нужным образом. Прежде всего, на каждом компьютере, входящем в сеть, должна быть установлена операционная система. Все современные ОС (например, Windows, UNIX) поддерживают работу в компьютерной сети.
Как компьютеры, обменивающиеся сообщениями, понимают друг друга? Это возможно благодаря тому, что они используют один и тот же «язык», называемый протоколом.
Протокол— это совокупность стандартов для обмена информацией между устройствами. При работе в сети протокол определяет схему передачи данных и порядок взаимодействия компьютеров. На каждом из компьютеров может быть установлено различное программное обеспечение, однако они должны поддерживать один протокол обмена данными.
Основным языком компьютеров, подключенных к Интернету, является транспортный протокол ТСР/1Р. Этот протокол принят всеми участниками Интернета и поддерживается практически всеми производителями сетевого оборудования.
Интернет составляют сети различного масштаба и пропускной способности.
Основные компьютеры Интернета, представляющие так называемый «хребет» глобальной сети, соединяются мощными дорогостоящими каналами связи с гигантской скоростью передачи данных.
Компьютеры пользователей подсоединяются к телефонным линиям через специальные устройства — модемы. Относительно модемов пока только скажем, что они обеспечивают сопряжение компьютеров с линиями связи.
Модемы в одном направлении выполняют кодировку сигналов компьютера перед посылкой их в сеть, а в другом направлении осуществляют декодировку сигналов, полученных из сети.
Связующими звеньями между клиентами и Интернетом выступают организации или частные лица, называемые ISP (Internet Servece Provider — поставщик услуг Интернета), или провайдеры. Сервер провайдера имеет несколько модемных входов, к которым могут подключаться пользователи для доступа в Интернет.
Провайдер предоставляет пользователям, как правило, следующие услуги Интернета:
- доступ к информационным ресурсам Интернета;
- адрес электронной почты;
- выделение необходимого пространства на своем узле для WеЬ-сайта абонента.
Возможны также дополнительные услуги, например, регистрация индивидуального домена пользователя, предоставление выделенной линии связи и др.
В настоящее время благодаря постоянному развитию Интернета пользователь может выбрать провайдера с интересующим его спектром услуг.
Провайдер сообщит также имя почтового сервера для обработки электронной почты. Многие провайдеры предоставляют бесплатное гостевое подключение для получения информации о своих услугах и для пополнения суммы на счету пользователя. С этой целью провайдер сообщает адрес своего сервера, имя (1оgin) и пароль (раsswoard) для гостевого подключения.
Главное отличие сети Интернет от других сетей заключается именно в ее протоколах TCP/IP, охватывающих целое семейство протоколов взаимодействия между компьютерами сети. TCP/IP - это технология сети Интернет. Протокол TCP/IP состоит из двух частей - IP и TCP.
Протокол IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) реализует распространение информации в IP-сети. Он обеспечивает доставку пакетов, его основная задача - маршрутизация пакетов.
Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) - это протокол с установлением логического соединения между отправителем и получателем. Он обеспечивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности передаваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов.
Будучи базовым протоколом TCP/IP имеет неоспоримые преимущества: открытость, масштабируемость, универсальность и простота использования, но у этого семейства протоколов есть и недостатки: проблема защиты информации, неупорядоченность передачи пакетов и невозможность отследить маршрут их продвижения, объем адресного пространства.
Hазрабатываются новые версии протоколов, которые должны решить эти недостатки.
Таким образом, с информационной точки зрения, Интернет - это совокупность миллионов информационных центров, называемых web-сайтами, содержащих терабайты разнообразной информации и тесно связанные множеством взаимосвязей.
С социальной и экономической точки зрения, Интернет - это единая среда общения, коммуникаций, развлечения и ведения бизнеса.
С технической точки зрения Интернет - это совокупность десятков тысяч независимых сетей и миллионов компьютеров.
Вместе с этой лекцией читают "10 Многоугольники (полигоны)".
Определение Интернета, данное Федеральным Советом по информационным сетям (Federal Networking Council), гласит: «Интернет - глобальная информационная система, части которой логически взаимосвязаны друг с другом посредством уникального адресного пространства, основанного на протоколе IP (Inetrnet Protocol) или его последующих расширениях, способная поддерживать связь посредством комплекса протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), их последующих расширений или других совместимых с IP протоколов, и публично или частным образом обеспечивающая, использующая или делающая доступной коммуникационную службу высокого уровня ». Другими словами, Интернет можно определить как взаимосвязь сетей, базирующуюся на едином коммуникационном протоколе - TCP/IP.
Интернет - это сложное техническое образование, обладающее свойством самоорганизации и саморегуляции, высокой устойчивости в техническом, экономическом, социальном и политическом смысле. Сегодня невозможно указать какой-то сектор Сети, при выходе которого из строя (по любой причине) нарушилось бы функционирование Интернета в целом и его дальнейшее саморазвитие.
