Конспект лекций «Компьютерные сети»

Лекция 1

Базовые понятия

Компьютерная сеть — это совокупность компьютеров, которые могут обмениваться между собой информацией.

Компоненты компьютерной сети:

• компьютер;
• линии связи (коммуникационное оборудование) — техника, которая реализует возможность обмена информацией (провода, устройства, иногда — компьютер, выполняющий функцию коммуникационного оборудования);
• операционная система, в особенности, модули ОС, реализующие сетевое взаимодействие;
• распределенные приложения — программы, которые работают одновременно на разных компьютерах, например, WWW.

Сервер — компьютер или программа, предоставляющая некоторые услуги.

Выделенный сервер — это компьютер, служащий только для обслуживания клиентских машин.

Доступ к нему обычно получают только администраторы системы для выполнения задач управления, мониторинга и поддержки работоспособности. Часто они выполняют только какую-то одну задачу. Например, файл-сервер.

Клиент — это компьютер или программа, запрашивающая услуги.

Клиенты бывают толстыми, тонкими и сверхтонкими.

Сравнительные характристики клиентов

толстый клиент	тонкий клиент	сверхтонкий клиент
Данные хранятся на сервере
Программа-«сервер» хранится и работает на сервере
Программа-«клиент» (стандартное ПО, например, браузер) хранится и выполняется на клиенте
Данные перекачиваются с сервера на клиент и обрабатываются программой - «клиентом» на клиенте	Данные обрабатываются на сервере
Интерфейс строится программой-«клиентом» на клиенте		Интерфейс строится на сервере и передается программе-клиенту

При доступе к почте через почтовую программу, например, Mozilla Thunderbird (данные хранятся на сервере, а интерфейс обеспечивается почтовой программой-клиентом) можно сказать, что интерфейс строится программой-«клиентом» на клиенте. В случае же доступа к почте через веб-интерфейс (данные хранятся на сервере и интерфейс (веб-странички) генерируются сервером) интерфейс строится на сервере и передается программе-клиенту.

Протокол определяет:

• формат сообщений;
• очередность сообщений;
• действия, которые необходимо выполнять при получении, приеме сообщений или при наступлении иных событий.

Пропускная способность канала связи (bandwidth) — наибольшая скорость передачи информации по каналу связи. Измеряется числом передаваемых двоичных символов в 1 с. Скорость передачи зависит от физических свойств канала связи, статистических свойств помех, способа передачи, приема сигналов и др..

Классификация компьютерных сетей

Классификация компьютерных сетей по территории

• Local Area Network (LAN) — сети одной квартиры, дома, организации.
• Metropolian Area Network (MAN), городские — высокоскоростные каналы связи в пределах большого города.
• Региональные — объединяют компьютеры географической области.
• Wide Area Network (WAN),глобальные.

Примеры Пользователи Spark объединены в локальную сеть, которую можно назвать городской (MAN). Региональная сеть: Рунет. WAN: Интернет, сети магистральных Интернет провайдеров, сети организаций с филиалами по всему миру.

Классификация компьютерных сетей по топологии

• Линейные
• Кольцевые
• «Звезда»
• Общая шина
• «Дерево»
• Полносвязные
• Смешанные

Классификация компьютерных сетей по типу среды передачи

• Проводные
  • витая пара;
  • коаксильный кабель;
  • оптоволокно.
• Беспроводные
  • радиосвязь (WiFi, WiMAX);
  • инфракрасная связь;
  • СВЧ-связь (Bluetooth).

Пример: сеть мехмата, ее топология.

Структура сети Интернет

Локальные, региональные, магистральные провайдеры

Локальный (местный) провайдер (ISP – Internet Service Provider) – поставщик услуг Интернета, работающий (как правило) в пределах одного города (ЮГИНФО, ЦТС, Интеркабель).

Региональный провайдер – одной страны, области, округа (ТрансТелекомКавказ, ЮТК, ЦТС).

Магистральный провайдер – страны, континента, земного шара (Global one Orange), Голден Телеком, Ростелеком, Verizon, Cogent)

Точки присутствия (POP), точки обмена трафиком (IX)

Ядро Интернета (или Core Backbone Network) составляют сети так называемых провайдеров первого уровня (Network Server Provider Tier-1) или магистральных провайдеров, наиболее крупными из которых являются UUNET(куплен Verizon), AT&T(в Америке), MCI (куплен Verizon), GTE/BBN (вместе с AT&T в SBC) и Sprint.

Эти сети построены в основном на базе технологий ATM и Frame Relay. Для их магистралей характерны каналы 622 и 2488 Мбит/с соответственно. Иногда встречаются каналы 9952 Мбит/с и более. Сети NSP Tier-1 свободно обмениваются между собой трафиком, причем основная часть этого обмена сосредоточена в двух зонах (Metropolian Exchange Area,MAE), расположенных в Нью-Йорке и Сан-Франциско. Хотя наибольшая концентрация NSP первого уровня приходится на США, "ареал распространения" этих сетей не ограничивается только этой страной. Другие страны получают доступ к ядру Интернета либо благодаря NSP первого уровня, имеющим точки присутствия (POP-Point of Presence) по всему миру (например, UUNET "дотягивается" и до Европы, и до Юго-Восточной Азии), либо локальным NSP первого уровня (эта практика распроcтранена в Азии).

Ниже магистральных провайдеров по иерархии расположены сетевые провайдеры следующего уровня — региональные, соединенные между собой высокоскоростными каналами передачи данных, которые, в свою очередь предоставляют доступ к Интернету местным (локальным) провайдерам (Internet Service Privider, ISP). Индивидуальные пользователи и компании-клиенты получают доступ к ресурсам Интернета именно при помощи ISP. Соединение между ISP и пользователями (частными или корпоративными) обычно осуществляется при помощи коммутируемых линий (обычных телефонных или ISDN), или посредством так называемых выделенных линий, позволяющим клиенту иметь постоянное соединение с Интернетом. Частным случаем выделенных линий являются: подключение при помощи ADSL и использование инфраструктуры кабельного телевидения. Таким образом, путь между произвольным Web-сервером и компьютером пользователя состоит из трех основных частей — участка между Web-сервером и скоростной магистралью, участка скоростной магистрали и участка, связывающего пользователя с магистралью.

На связистком жаргоне первый участок обычно называют "первой милью", а третий — "последней милью".

Недостаточная скорость передачи данных может создать неприятности как на первой, так и на последней миле. Однако проблемы первой мили решаются довольно просто — надо перевести сервер из офиса компании в серверный центр, который непосредственно подключен к магистрали. Эта услуга называется collocation.

Проблема последней мили гораздо серьезнее. Ее решение состоит в распространении систем высокоскоростного доступа, использующих технологию xDSL (в первую очередьADSL), систем кабельного телевидения. В таких системах скорости передачи данных легко достигают несколько мегабит в секунду, что для большинства приложений достаточно.

Point Of Presence (POP), точка присутствия – место расположения оборудования оператора связи (провайдера), к которому возможно подключение клиентов.

Обычно, POP – это узел связи или датацентр, возможно, отдельная единица коммуникационного оборудования, вынесенная ближе к месту концентрации потенциальных клиентов, например, в офисное здание. Данный термин применяется при планировании сетей передачи данныхм и расчёте их стоимости. Обычно провайдер, оказывающий услуги по подключению к сети или передаче данных, указывает стоимость своих услуг именно в точке присутствия. Для определения же полной стоимости следует учесть построение (аренду) и эксплуатацию канала связи от точки присутствия до оборудования клиента (так называемой, последней мили). Поэтому при планировании сетей территориальное расположение точек присутствия различных провайдеров имеет не меньшее значение, чем стоимость и технические характеристики их услуг.

Например, при предоставлении услуги подключения к сети Интернет последняя миля — участок от порта коммутатора провайдера на его узле связи до порта маршрутизатора клиента в его офисе. Для услуг коммутируемого (dial-up, диалапного) подключения последняя миля — это участок между модемом пользователя и модемом (модемным пулом) провайдера. В последнюю милю обычно не включается разводка проводов внутри здания. К технологиям последней мили обычно относят xDSL, Wi-Fi, WiMax. К оборудованию последней мили можно отнести xDSL-модемы, мультиплексоры доступа, оптоволоконные модемы и преобразователи, радиомультиплексоры. Есть специализированные компании и подразделения крупных компаний связи, которые занимаются исключительно построением последней мили.

В России и многих других странах именно последняя миля сдерживает расширение аудитории Интернета, внедрение новых технологий, предоставление новых телекоммуникационных услуг. Дело в том, что последняя миля, как правило, является самым «узким» участком канала от пользователя до поставщика услуг. Расширить же этот канал стоит достаточно дорого из-за рассредоточенности пользователей.

IXPnternet eXchange Point (IXP), точка обмена трафиком – инфраструктура, которая позволяет различным провайдерам обмениваться трафиком.

Создаются для беспрепятственного пропускания трафика между различными провайдерами без загрузки внешних магистральных каналов. В местах, где дальняя связь плохо развита, местные региональные операторы оплачивают трафик во много раз дороже, чем операторы в США или Европе. Поэтому они организовывают точки обмена трафиком, через которые и пропускают крайне дешёвый трафик между своими клиентами.

Коммутация каналов и коммутация пакетов

Коммутация каналов

В 60-х годах основным средством связи были телефонные линии, использующие принцип коммутации каналов. Они имели существенный недостатотк: нельзя освободить канал в период простоя. Под каждый сеанс разговора между двумя абонентами выделяется отдельный канал на всем протяжении линии. Он устанавливается в момент соединения и занят, пока есть соединение. Если нет свободных каналов, то линия становится перегруженной. Основные способы организации каналов, по которым могут разговаривать много пользователей: частотное мультиплексирование (разделение) (выделяются частотные поддиапазоны) и временное мультиплексирование (используются все частоты, но в определенное время, т.е. канал используется попеременно каждым абонентом.).

Коммутация пакетов

Сообщение разбивается на пакеты, которые могут идти независимо друг от друга (по разным маршрутам). В случае когда пакетов много, организуются очереди. Исключение: в сетях с режимом асинхронной передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) коммутация каналов сочетается с коммутацией пакетов (см. главу 5 Куроуза и Росса).

История компьютерных сетей и Интернета. История ARPAnet

1969 Рождение ARPAnet

Леонард Клейнрок — один из авторов технологии коммутации пакетов. Он открыл возможность совместного использования эфира независимыми узлами сети.

Alohanet — первая радиосеть с коммутацией пакетов.

1970-1980 Возникновение новых компьютерных сетей и Интернета

Параллельно с развитием ARPAnet появлялись другие компьютерные сети: ALOHAnet (радио сеть Гавайского университета , Telenet, Cyclades (во Франции) , SNA и др. Возникла задача о соединении сетей с различной архитектурой. Роберт Канн совместно с Уинтоном Серфом разработал новую версию протокола, которая впоследствии была названа TCP/IP (Transmission Control Protocol , Протокол управления передачей данных ; IP - Internet Protocol). Изначально это был один протокол TCP, который осуществлял маршрутизацию и надежную доставку пакетов, использовал глобальную адресацию компьютеров. Эксперименты с пакетной передачей голосовых сообщений показали, что иногда требуется, чтобы протокол допускал потерю некоторых пакетов при передаче информации. Это привело к появлению протокола IP, несущего транспортные функции и протоколов TCP и UDP (User Datagram Protocol ) для надежной и ненадежной передачи данных.

1980-1990 Распространение компьютерных сетей

Разработана система доменных имен DNS (Domain Name System), связавшая IP адреса компьютеров с их мнемоническими именами Середина 80-х. Создание NFSnet (сеть национального научного фонда США (NFS)

Интересен тот факт, что основой сети NFSNET стали пять очень мощных компьютеров, соединенных между собой сверхбыстрыми (на тот момент) линиями связи. Пользователи подключались к сети и использовали мощности этих компьютеров. NFSNЕТ унаследовала от ARPANET принципы построения, обеспечивающие высокую надежность, а также три уровня протоколов (под протоколом в данном случае понимается соглашение о способе передачи информации; понятно, что если разные части сети будут использовать разные способы передачи, то они друг друга просто не поймут) — сетевой, транспортный и протокол приложений, а также добавила к ним протокол межсетевого уровня под названием IP (интернет-протокол). Полученный комплект протоколов получил название TCP/IP — как раз на нем-то и базируется передача информации в Интернете.

Сеть NFSNET была более прогрессивной и предоставляла намного более мощные возможности по сравнению с ARPANET, поэтому ARPANET была ликвидирована в конце восьмидесятых. NFSNET заняла место прародительницы Интернета, а это потребовало ее умощнения и некоторой реорганизации, в результате чего был создан так называемый Бекбон NFSNET (от англ. backbone — хребет), который состоял уже из тринадцати компьютеров (точнее, компьютерных центров), соединенных друг с другом теми же высокоскоростными линиями связи. Центры располагались в разных городах США и, по сути, являлись одновременно центрами местных компьютерных сетей, так что NFSNET стала сетью, объединяющей другие сети.

1990 год - ликвидирована ARPAnet

90е годы. WWW

Тим Бернерс-Ли вместе со своими ассистентами создает первоначальную версию языка разметки гипертекста HTML, протокола HTTP передачи HTML-документов, web-сервера и браузера.