Самостоятельная работа по дисциплине «Компьютерные сети» для ОАТК

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Идея объединения ЭВМ в сети появилась немногим позже появле­ния самих ЭВМ. Это произошло после того, как ЭВМ показали свою эффективность в решении задач автоматизации процессов сбора, обработки и хранения различных данных. В середине 50-х гг. XX в., когда ЭВМ нашли широкое применение для решения сложных научных и конструкторских задач, главным образом в интересах военных ведомств ведущих госу­дарств, встал вопрос о быстром обмене данными, которые имелись в раз­личных исследовательских центрах. Первые успешные реализации межмашинного обмена данными относятся к началу 60-х гг. прошлого века. В то время обмен данными осуществлялся между немногими ЭВМ, поэтому здесь вряд ли было правомер­но говорить о полноценных сетях. Скорее речь могла идти именно о межмашинном обмене информацией. Трудность воссоздания начального этапа истории вычислительных сетей связана с сильной засекреченностью работ в этой области информационных технологий, поскольку ор­ганизация удаленного обмена информацией между различными группами исследователей позволяла гораздо эффективнее решать задачи, в том числе и военного характера. Не случайно появление глобальной сети Internet ассоциируется с вычислительной сетью ARPANET – Департа­мента перспективных исследований Министерства обороны США. Разработка сетевых технологий для удаленного доступа к ресурсам вычислительных машин велась не на пустом месте. Еще до реализации связей «компьютер – компьютер» была решена более простая задача – организация связи «удаленный терминал – компьютер». Терминалы, находящиеся от компьютера на расстояниях от десятка метров до сотен, а то и тысяч километров, соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным поль­зователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам несколь­ких мощных компьютеров класса супер ЭВМ. До недавнего времени во многих организациях, научно-исследова­тельских институтах и учебных заведениях (а в некоторых и до сих пор) основные вычислительные ресурсы обеспечивались именно такими вы­числительными машинами. Настоящее образование первых вычислительных сетей связано с двумя факторами:

• наличием удаленных терминалов;
• появлением первых многозадачных операционных систем.

В результате появились центры телеобработки данных. По мере роста числа ЭВМ возникла необходимость в активном обмене данными между ЭВМ и вычислительными центрами, причем желательно по принципу «каждый с каждым». Кроме того, все острее вставал вопрос использова­ния одного и того же терминала для работы с разнотипными ЭВМ. Решением проблемы и стало создание вычислительных сетей. В от­личие от более ранних систем телеобработки данных, жестко привязан­ных к конкретной аппаратуре, сетевые системы телеобработки стандар­тизировались для различных аппаратных и программных уровней, вслед­ствие чего исчезла проблема доступа с одного терминала к различным ЭВМ. В это время появилось понятие стандартного протокола передачи данных, а кроме этого, и понятие сетевого адреса, однозначно опреде­ляющего любой узел вычислительной сети. Многозадачные операционные системы в отличие от многотерми­нальных позволяли не только рассредоточить пользователей, но и орга­низовать распределенное хранение и обработку данных между несколь­кими компьютерами, связанных линиями связи. Любая современная се­тевая операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной системы, а с другой стороны, обладает некото­рыми дополнительными средствами, позволяющими ей взаимодейство­вать по сети с операционными системами других компьютеров. Про­граммные модули, реализующие сетевые функции, появлялись в опера­ционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки. Хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Networks, WAN), т. е. сети, объединяющие территориально рассредото­ченные компьютеры, находящиеся в различных городах и даже странах. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычисли­тельных сетей, такие, например, как многоуровневое построение комму­никационных протоколов, технология коммутации пакетов и маршрути­зация пакетов в составных сетях. Впервые мысль о маршрутизации пакетов цифровых данных в круп­ных компьютерных сетях была высказана американцем Леонардом Клейнроком в 1961 г., а уже через год появилось предложение о создании огромной Galactic Network – «галактической сети», в которой пользова­тель мог получить доступ к данным из любого узла. Это предложение было высказано Джоном Ликлайдером, первым руководителем отдела компьютерных исследований в Управлении перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (Defence Advanced Research Projects Agency, DARPA). И только в 1965 г. Ларри Робертс, исследова­тель из лаборатории Линкольна в Массачусетском технологическом ин­ституте, впервые организовал обмен пакетами данных между двумя ком­пьютерами. В 1969 г. Министерство обороны США инициировало работы по объединению в общую сеть суперкомпьютеров оборонных и научно-исследовательских центров. Эта сеть, получившая название ARPANET, послужила отправной точкой для создания глобальной сети – Internet, историю развития которой рассмотрим отдельно. Сеть ARPANET объе­диняла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различ­ных операционных систем с дополнительными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети. Кро­ме этого, были разработаны средства обмена данными между компьюте­рами в автоматическом режиме. На основе этого механизма в первых се­тях были реализованы службы обмена файлами, электронной почты и другие службы, ставшие традиционными сетевыми службами. В 1974 г. компания IBM объявила о создании собственной сетевой архитектуры для мейн-фреймов, получившей название SNA (System Network Architecture, системная сетевая архитектура). Для этого периода развития вычислительных сетей весьма характерно то, что большинство производителей компьютеров и техники, связанной с ними, предлагали свои сетевые архитектуры. Этим объясняется множество различных сете­вых архитектур и протоколов передачи данных. Однако это обстоятель­ство послужило причиной разработки общих стандартов, отвечающих требованиям различных аппаратных платформ, предназначенных для объединения множества ЭВМ в вычислительные сети. В 1976 г. произошло чрезвычайно важное событие: появился стан­дарт семейства протоколов Х.25, определяющий метод передачи данных в системах с коммутацией пакетов. Важность этого события обусловлена тем, что вплоть до массового распространения Internet именно сети Х.25 связывали ЭВМ в единое целое. Вместе с тем протокол Х.25 послужил основой и для широко используемого на сегодняшний день протокола Frame Relay[1]. Значительное влияние Х.25 было и при разработке техно­логии ATM[2]. Особенность протокола Х.25 заключалась в использовании сложных процедур контроля и восстановления данных. Это было обу­словлено низким качеством низкоскоростных аналоговых каналов (пре­обладающий тип каналов связи в тот период), арендуемых у телефонных компаний для объединения ЭВМ в глобальные вычислительные сети и передачи данных по ним. Именно поэтому протоколы глобальных се­тей, ориентированные на передачу данных с использованием каналов связи низкого качества, отличаются от протоколов локальных сетей, ко­торые появились несколько позже. К середине 70-х г. сформировались понятия и были реализованы сети с детерминированным и произвольным доступом. Наиболее перспективны­ми в начале 70-х г. считались сети с детерминированным доступом, на­пример разработанная IBM технология Token Ring[3]. Системы с произвольным доступом считались менее перспективны­ми, пока в мае 1973 г. Боб Меткалф, работавший тогда в исследователь­ском центре PARC компании Xerox, не предложил для совместного ис­пользования принтеров усовершенствованную технологию, получившую впоследствии название «эфирной сети» – Ethernet. Технология Ethernet была запатентована фирмой Xerox в 1976 г., а автор технологии в 1978 г. основал компанию 3Com Corporation и уже в 1982 г. выпустил первый в мире серийный Ethernet-адаптер для компьютера Apple (адаптеры для шины ISA появились на полтора года позже). Немаловажным событием в области сетевых технологий было появление первого модема для пер­сональных компьютеров (Micromodem II, скорость передачи данных 300 бод[4]), который был предложен компанией Hayes Microcomputer Products для компьютера Apple П. В середине 80-х гг. были утверждены и общепризнаны стандартные технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet[5], Token Ring, несколько позже – FDDI[6]. Все стандартные технологии локальных сетей использовали тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован при передаче данных в глобальных компьютерных сетях, – принцип коммутации паке­тов. В этот период уровень сетевых технологий был уже достаточно вы­сок, что значительно упрощало процесс создания компьютерной сети. Так, для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, на­пример Novell NetWare. После этого сеть начинала работать, и после­дующее присоединение каждого нового компьютера не вызывало ника­ких проблем – естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии. Появление стандартов коммуникационных технологий для локаль­ных сетей позволило обеспечить совместимость сетевых операционных систем на нижних уровнях, а также стандартизировать взаимодействие операционной системы с драйверами сетевых адаптеров. Рассматривая историю возникновения и развития вычислительных сетей нельзя не отметить роль персональных компьютеров в их развитии, поскольку появление персональных компьютеров послужило сильным толчком для бурного роста локальных сетей. Персональные компьютеры явились идеальными элементами для построения сетей. Во-первых, они обладали достаточной мощностью для работы сетевого программного обеспечения. Во-вторых, наличие множества персональных компьютеров объективно подталкивало разработчиков к объединению вычислитель­ных мощностей для решения сложных задач, а также разделения ресур­сов дорогих периферийных устройств (например, принтеров) и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали активно использо­ваться в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских ком­пьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, т. е. се­тевых серверов, потеснив с этих ролей мини-компьютеры и мейн-фреймы. С появлением персональных компьютеров вычислительные сети становятся по настоящему массовыми. Это обстоятельство оказало ог­ромное влияние на развитие сетевого программного обеспечения, по­скольку пользователями сетей были не только специалисты, а это потре­бовало разработки «дружественного» программного обеспечения. Первая версия наиболее популярной операционной системы раннего этапа развития персональных компьютеров MS-DOS компании Microsoft не предоставляла таких возможностей. Недостающие функции для MS-DOS и подобных ей операционных систем компенсировались внешними программами, предоставлявшими пользователю удобный графический интерфейс (например, Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (например, PC Tools). Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения для персональных компьютеров оказала операционная среда Windows компании Microsoft, представляв­шая собой надстройку над MS-DOS. Вместе с версией MS-DOS 3.1 в 1984 г. компания Microsoft выпусти­ла продукт Microsoft Networks, который обычно называют MS-NET. В отличие от Microsoft разработчики Novell изначально уделили большое внимание созданию операционной системы со встроенными се­тевыми функциями. Сетевые операционные системы NetWare производ­ства Novell на долгое время стали эталоном производительности, надеж­ности и защищенности для локальных сетей. В 1987 г. в результате совместных усилий Microsoft и IBM появилась первая многозадачная операционная система для персональных компью­теров с процессором Intel 80286, в полной мере использующая возможно­сти защищенного режима, – OS/2. Сетевые разработки компаний Microsoft и IBM привели к появлению протокола NetBIOS – очень популярного протокола прикладного уровня для локальных сетей, нашедшего применение практически во всех сетевых операционных системах семейства Windows для персональных компьютеров. В 90-е гг. практически все операционные системы, занимавшие за­метное место на рынке, стали сетевыми. Сетевые функции сегодня встраиваются в ядро операционной системы и являются его неотъемле­мой частью. Операционные системы получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных (Ethernet, Fast Ethernet[7], Gigabit Ethernet[8], Token Ring, FDDI, ATM) и глобальных (Х.25, Frame relay, ISDN[9], ATM) сетей, а также средства для создания составных сетей. В период с середины и до конца 80-х гг. значительное развитие полу­чили локальные сети, что явилось следствием массового использования персональных компьютеров и соответственно возрастающего числа поль­зователей, нуждающихся в удаленном обмене данными. Характерной чертой этого периода является тенденция к внедрению готовых к коммерческому распространению сетевых технологий. На этом фоне одна за другой появляются компании, ставшие вскоре лидерами сетевого рынка. В 1985 г. одно из подразделений PARC[10] было преобразовано в компанию SynOptics Communications для продвижения на рынок оптоволоконного варианта Ethernet. В 1986 г. появилась компа­ния Wellfleet Communications, специализирующаяся на производстве мощных отказоустойчивых сетевых устройств. Впоследствии эти компа­нии объединились, образовав Bay Networks – одну из трех крупнейших сетевых компаний эпохи расцвета локальных сетей. В эту «большую тройку», кроме Bay Networks и 3Com, входила еще и Cisco Systems[11]. В 1985 г. независимым Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE[12]) принимается окончательный стандарт Ethernet на толстом коаксиальном кабеле IEEE 802.3 (10Base-5[13]), а в 1989 г. в дополнении IEEE 802.За описывается работа по тонкому коаксиально­му кабелю (10Base-2). Параллельно с развитием стандарта Ethernet идет развитие другого стандарта – Token Ring («маркерное кольцо»), продвигаемого компанией IBM. В 1988 г. сети Token Ring позволяли передавать данные со скоро­стью от 4 до 16 Мбит/с, что, очевидно, больше, чем самый быстрый из стандартов Ethernet серии 10Base-X. К началу 90-х гг. многие специалисты считали, что мир сетей сфор­мировался, поскольку ведущие сетевые технологии, протоколы и разнообразные подходы к созданию сетей были отработаны, более того, суще­ствовавшие тогда ведущие сетевые компании приступили к завоеванию рынка, но оказалось, что все только начинается. И основной причиной последующего бурного развития вычислительных сетей, без сомнения, можно считать распространение глобальной сети Internet. В самом начале 90-х гг. стандарт IEEE 802.3J определил, как передавать пакеты Ethernet по витой паре (10Base-T). При этом появляется новое устройство – Ethernet-концентратор, что в сочетании с переходом к сетям на витой паре позволило избавиться от принципиальной неустойчивости сетей на коаксиальном кабеле, поскольку неисправность любого сетевого интерфейса (сетевая плата) или обрыв кабеля приводили в неработоспо­собное состояние всю сеть. Другим заметным событием начала 90-х гг. было принятие стандарта IEEE 802.1d, вводившего понятие Ethernet-моста[14]. Мосты использовались для обеспечения взаимодействия между различными локальными сетями. Внедрение в жизнь концентраторов и мостов происходило стремительно, настолько они оказались востре­бованными, что уже через два-три года появляются коммутаторы[15] и двухуровневые сети, где компьютеры в рамках одной рабочей группы объединяются через концентратор, а сами концентраторы через мосты подключаются к общей корпоративной магистрали. Следующий этап развития вычислительных сетей связан именно с появлением коммутаторов, объединяющих множество мостов и соот­ветственно обеспечивающих обмен данными между множеством сетей. С появлением коммутаторов разрабатывается технология «магистраль в точке», являющаяся одной из определяющих при создании современ­ных корпоративных сетей. Столь стремительное укрупнение локальных сетей и, как следствие, возрастание объемов передаваемых данных предъявляло новые требова­ния к пропускной способности каналов связи. В 1993 г. разрабатывается стандарт IEEE 802.3j, определяющий порядок передачи данных в сетях Ethernet по оптическому волокну (10Base-FL). Последующее развитие вычислительных сетей было подчинено од­ной главной цели — повышению скорости передачи данных. В 1992 г. начинающая компания Grand Junction потрясла весь мир се­тей, предложив схему, позволяющую, передавать данные в сетях Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, причем технология передачи данных была полностью совместима с предыдущими технологиями класса Ethernet. Почти 3 года понадобилось комитету 802.3 IEEE для утверждения новой спецификации 100Base-X (стандарт IEEE 802.3u, сети 100Base-TX, 100Base-T4 и 100Base-FX). Данная сетевая технология была настолько удачной и востребованной, что поставки оборудования начались до утверждения упомянутого стандарта комитетом 802.3 IEEE. Сети, реали­зующие стандарт 100Base-X, получили название Fast Ethernet. О жесткой конкуренции на рынке сетевых технологий, о которой ра­нее упоминалось, свидетельствует тот факт, что, как только разработки компании Grand Junction были стандартизированы, она тут же была «по­глощена» одним из сетевых гигантов – Cisco Systems. Весьма примечательно, что сразу после выхода стандарта Fast Ether­net компании Compaq, 3Com и Sun Microsystems заявили о принципиаль­ной возможности доведения скорости Ethernet до 1 Гбит/с и использова­ния такой технологии в качестве магистральной для сетей следующего поколения. Так и произошло; в конце 90-х[16] подкомитет IEEE 802.3 утверждает новую спецификацию 1000Base-X со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с. Сети с технологией 1000Base-X получили название Gigabit Ethernet. Таким образом, конец 90-х гг. выявил явного лидера среди техноло­гий локальных сетей – семейство сетей Ethernet, в которое вошли класси­ческая технология Ethernet 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с. Простые алгоритмы работы предопреде­лили низкую стоимость оборудования Ethernet. Широкий диапазон ие­рархии скоростей позволяет рационально строить локальную сеть, при­меняя ту технологию, которая в наибольшей степени отвечает задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все техно­логии Ethernet очень близки друг другу по принципам работы, что упро­щает обслуживание и интеграцию построенных на их основе сетей. Современный этап развития сетевых технологий во многом связан с беспроводными сетями. Нестандартные решения такого типа были оп­робованы в начале 70-х гг. Первая сеть радио-Ethernet объединила ком­пьютеры Гавайского университета на четырех островах. Несмотря на это, первый стандарт в этой области, IEEE 802.11, был принят только в 1997 г. В течение нескольких лет после принятия стан­дарта из-за высокой стоимости оборудования беспроводные сети были слишком дорогими для повсеместного использования и применялись только в тех случаях, когда других вариантов не оставалось. Но к 2000 г. ситуация резко изменилась и беспроводные сети стали развиваться все интенсивнее. Достаточно отметить, что обязательным элементом передо­вой технологии мобильных компьютеров компании Intel – Centrino явля­ется наличие сетевого адаптера стандарта IEEE 802.11. На этом изложение истории вычислительных сетей может быть за­вершено, поскольку широкомасштабное применение беспроводных вы­числительных сетей в России – это вопрос не истории, а настоящего и даже более того – будущего. Охватывая всю историю развития вычислительных сетей, можно отметить, что первоначально потребность в вычислительных сетях была обусловлена необходимостью передачи данных на большие расстояния, поэтому первыми полноценными сетями были глобальные сети. Впо­следствии, с появлением персональных компьютеров, отработанные технологии передачи данных в глобальных сетях были стремительно реализованы и улучшены в локальных сетях. В свою очередь, развитие локальных сетей дало новый толчок к развитию инфраструктуры глобальных сетей, и в первую очередь главной мировой сети – Internet. Знание истории развития вычислительных сетей позволяет глубже понять изучаемую предметную область, объясняет преимущества ис­пользуемых в настоящем решений и технологий и, самое главное, являет­ся одной из направляющих при разработке и исследовании будущих тех­нологий.   Вопросы для самопроверки

1. Какие ключевые этапы в истории сетевых технологий являются наиболее значимыми?
2. В каком году появился стандарт Х.25?
3. Что было определяющим в 90-х гг. XX в. для развития вычислительных сетей?
4. Относится ли к сетям с детерминированным доступом архитектура Token Ring?
5. В каком году был образован комитет 802 института IEEE? Каковы его функции?
6. Когда впервые были начаты эксперименты по созданию беспроводных сетей?
7. Относится ли к многозадачным операционным системам OS/2?
8. Кто и когда предложил сетевую технологию Ethernet?
9. Какая из разновидностей сетевых технологий Ethernet обеспечивает скорость передачи данных до 100 Мбит/с?
10. В каком году появилась первая многозадачная операционная система OS/2?