Компьютерные сети, также называемые сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации – вычислительной техники и телекоммуникационных технологий.
С одной стороны, компьютерные сети представляют собой группу компьютеров, согласованно решающих набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных.
Первые компьютеры, которые появились в 50-х годах прошлого века были громоздкими и дорогими предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Они не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а применялись в режиме пакетной обработки.
Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мейнфрейма – мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр.
По мере удешевления процессоров появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени.
В таких системах каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно работающих с компьютером пользователей определялось его мощностью: время реакции вычислительной системы должно было быть достаточно мало, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером других пользователей.
Многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали прообразом локальных вычислительных сетей. Однако до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, т.к. такие системы имели общие внешние черты с распределенными системами, но все еще поддерживали централизованную обработку данных.
В этот период стал справедливым закон Гроша, который эмпирически отражал достигнутый уровень технологии. В соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости.
А вот потребность в соединении нескольких компьютеров, которые находятся на большом расстоянии друг от друга уже назрела. Началось все с решения более простой задачи – доступа к отдельному компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие километры. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал – компьютер были реализованы и связи компьютер – компьютер.
Хронологически первыми появились глобальные сети, т.е. сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, которые находятся в разных городах. Такие сети многое унаследовали от телефонных сетей, но главное новшество, которое привнесли с собой первые глобальные компьютерные сети, состояло в отказе от принципа коммутации каналов, который на протяжении многих лет применялся в телефонных сетях.
Куда более эффективным оказался принцип коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции – пакеты, которые самостоятельно перемещаются по сети благодаря наличию адреса конечного узла в заголовке пакета.
В 1969 году министерство обороны США инициировало работы по объединению в единую сеть суперкомпьютеров оборонных и научно-исследовательских центров. Сеть получила название ARPANET, которая стала отправной точкой для создания глобальной сети мирового масштаба – Internet.
В начале 70-х годов происходит технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов – появляются большие интегральные схемы (БИС). Их невысокая стоимость и хороший функционал привели к созданию мини-компьютеров. Закон Гроша перестает действовать.
Небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры организации по-прежнему продолжали работать автономно.
Спустя время потребности пользователей вычислительной техники выросли. Им хотелось в автоматическом режиме обмениваться данными с другими подразделениями. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных вычислительных сетей.
Локальные сети – это объединения компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории (не более 2 км).
На первых порах для соединения компьютеров использовались нестандартные сетевые технологии. Сетевая технология – это согласованный набор программных и аппаратных средств, а также механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети.
Конвергенция в контексте сетей означает объединение различных типов сетей и технологий для обеспечения более эффективной и гибкой инфраструктуры. Конвергенция локальных (LAN) и глобальных (WAN) сетей направлена на создание единого сетевого окружения, которое обеспечивает совместную работу компьютеров и других устройств внутри организации, а также обмен данных между удаленными расположениями.
Преимущества конвергенции локальных и глобальных сетей включают упрощение управления сетью, уменьшение издержек на поддержание различных технологий, повышение скорости и эффективности обмена данных между отделениями или филиалами компании.
Конвергенция компьютерных и телекоммуникационных сетей объединяет функции, которые ранее выполнялись разными сетями, в единую инфраструктуру. Ранее компьютерные сети и телекоммуникационные сети были разделены, и каждая служила своим целям: компьютерные сети обеспечивали обмен данных между компьютерами, а телекоммуникационные сети обеспечивали голосовую связь и передачу данных на большие расстояния.
Конвергенция компьютерных и телекоммуникационных сетей позволяет использовать одну инфраструктуру для обработки данных и передачи голосовой связи и других коммуникационных услуг. Например, голосовой трафик может быть передан через интернет (VoIP - Voice over Internet Protocol) вместо традиционных телефонных линий.
Преимущества конвергенции компьютерных и телекоммуникационных сетей включают снижение затрат на инфраструктуру, упрощение администрирования, повышение гибкости и улучшение масштабируемости сети.
Интернет является одним из ключевых факторов развития сетевых технологий. Он представляет собой глобальную сеть, объединяющую миллиарды устройств по всему миру. Важность интернета заключается в следующих аспектах:
1. Глобальное взаимодействие: Интернет обеспечивает мгновенное и безграничное взаимодействие между пользователями, компьютерами и устройствами во всем мире. Это способствует обмену информацией, знанием и культурой, а также создает новые возможности для бизнеса, образования и развлечений.
2. Развитие технологий: Стремительное распространение интернета стимулировало инновации в сфере сетевых технологий. Он вынудил разработку более эффективных и безопасных протоколов, привел к появлению высокоскоростных сетей и смарт-устройств, а также позволил реализовать облачные вычисления и интернет вещей.
3. Экономическое развитие: Интернет стал мощным двигателем экономического развития, предоставляя новые возможности для онлайн-бизнесов, электронной коммерции и глобальных финансовых операций. Он помог расширить рынки и связать предприятия и потребителей по всему миру.
4. Обмен знанием и образование: Интернет предоставляет уникальные возможности для обучения и доступа к знаниям. Он дал возможность дистанционного образования, онлайн-курсов и доступа к библиотекам и базам данных, что существенно расширило доступ к образованию.
5. Социальное взаимодействие: Интернет сыграл огромную роль в социальной сфере, позволив людям со всего мира поддерживать связь, обмениваться опытом и создавать сообщества с общими интересами.
6. Информационный обмен и свобода слова: Интернет предоставляет платформу для свободного обмена информацией и мнений. Это стимулирует свободу слова и позволяет быстро распространять информацию о событиях и происшествиях.
Общие принципы построения сетей
Сетевые службы - это программное обеспечение, которое предоставляет определенные функции и возможности в компьютерных сетях. Например, сетевые службы могут обеспечивать аутентификацию пользователей, обмен файлами, печать на удаленных принтерах, доступ к электронной почте, предоставление веб-страниц (веб-серверы) и многие другие сервисы.
Клиенты - это устройства или программы, которые обращаются к сетевым службам, чтобы получить доступ к ресурсам или выполнять определенные операции. Например, веб-браузер - это клиент, который запрашивает веб-страницы с веб-сервера.
Серверы - это специальные устройства или программы, которые предоставляют сетевые службы клиентам. Они отвечают на запросы клиентов, предоставляют доступ к ресурсам и управляют сетевыми службами. Например, файловый сервер предоставляет общий доступ к файлам и папкам для клиентских устройств.
Сетевая операционная система (NOS) - это специальное программное обеспечение, которое устанавливается на серверы и обеспечивает управление и координацию сетевыми ресурсами и службами. NOS позволяет администраторам настраивать и контролировать сетевые ресурсы, управлять пользователями, обеспечивать безопасность и обеспечивать надежность работы сети. Примеры NOS включают Windows Server, Linux с поддержкой Samba и другие.
На рисунке ниже изображены функциональные компоненты сетевой ОС.
От того, насколько богатый набор сетевых служб и услуг предлагает операционная система конечным пользователям, приложениям и администраторам сети, зависит ее позиция в общем ряду сетевых ОС.
В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы.
Кодирование - это процесс преобразования информации в форму, пригодную для передачи по сети. Это может включать представление данных в виде аналоговых сигналов, цифровых битов или символов. Кодирование используется для перевода данных из формата, понятного для человека, в формат, понятный для компьютера и наоборот
Существуют различные способы кодирования двоичных цифр: потенциальный способ, импульсный и модуляция.
Потенциальное кодирование: представление аналоговых сигналов с использованием различных уровней напряжения или амплитуды. Например, манипуляция амплитудой используется в аналоговых телефонных сетях.
Импульсное кодирование: представление аналоговых сигналов в виде последовательности импульсов разной формы. Например, кодирование сигналов голоса для передачи в цифровых сетях.
Модуляция: процесс изменения характеристик несущего сигнала для кодирования информации, используемый, например, в беспроводных связях. Модуляция позволяет передавать информацию в виде радиоволн или других типов электромагнитных волн.
Существует большое количество характеристик, связанных с передачей трафика через физические каналы.
Физические каналы - это среды, по которым передаются сигналы в сетях. Это может быть проводная среда, такая как витая пара (Twisted Pair), коаксиальный кабель (Coaxial Cable), оптоволокно (Optical Fiber) или беспроводная среда, такая как радиоволны и инфракрасное излучение.
Топология физических связей определяет физическое расположение устройств и кабелей в сети. Она описывает, как устройства подключаются друг к другу и формируют сеть. Наиболее распространенные топологии:
Звездообразная топология: все устройства подключаются к центральному устройству, как правило, коммутатору или маршрутизатору.
Шинная топология: все устройства подключены к одной общей шине или кабелю.
Кольцевая топология: каждое устройство связано с двумя другими устройствами, образуя замкнутый кольцевой маршрут.