Еволюція обчислювальних мереж
План
Два кореня мереж передачі даних
Поява перших обчислювальних машин
Програмні монітори - перший операційні системи
Мультипрограмування
Багатотермінальні системи - прообраз мережі
Перші мережі - глобальні
Два кореня мереж передачі даних
Історія будь-якої галузі науки чи техніки дозволяє не тільки задовольнити природну цікавість, а й глибше зрозуміти сутність основних досягнень у цій галузі, а також виявити тенденції і правильно оцінити перспективність тих чи інших напрямків розвитку.
Мережі передачі даних, звані також обчислювальними або комп'ютерними мережами, є результатом еволюції двох найважливіших науково-технічних галузей сучасної цивілізації - комп'ютерних і телекомунікаційних технологій (рис.1.1):
З одного боку, мережі передачі даних являють собою окремий випадок розподілених обчислювальних систем, в яких група комп'ютерів узгоджено виконує набір взаємопов'язаних завдань, обмінюючись даними в автоматичному режимі.
З іншого боку, комп'ютерні мережі можуть розглядатися як засіб передачі інформації на великі відстані, для чого в них застосовуються методи кодування і мультиплексування даних, що розвитку в різних телекомунікаційних системах.
Рис. 1.1 Еволюція комп'ютерних мереж на стику обчислювальної техніки та телекомунікаційних технологій
Отже, комп'ютерна мережа - це набір комп'ютерів, пов'язаних комунікаційною системою і забезпечених відповідним програмним забезпеченням, яке надає користувачам мережі доступ до ресурсів цього набору комп'ютерів.
Мережа можуть утворювати комп'ютери різних типів - невеликі мікропроцесори, робочі станції, міні-комп'ютери, персональні комп'ютери чи суперкомп'ютери.
Передачу повідомлень між будь-якою парою комп'ютерів мережі забезпечує комунікаційна система, яка може включати кабелі, повторювачі, комутатори, маршрутизатори і інші пристрої.
Комп'ютерна мережа дозволяє користувачеві працювати зі своїм комп'ютером, як з автономним, і додає до цього можливість доступу до інформаційних і апаратних ресурсів інших комп'ютерів мережі.
Поява перших обчислювальних машин
Ідея комп'ютера була запропонована англійським математиком Чарльзом Бебіджем (Charles Babbage) в середині дев'ятнадцятого століття. Однак його механічна "аналітична машина" по-справжньому так і не запрацювала.
Справжнє народження цифрових обчислювальних машин відбулося незабаром після закінчення другої світової війни. У середині 40-х були створені перші лампові обчислювальні пристрої. Для цього періоду характерно наступне:
комп'ютер являв собою скоріше предмет дослідження, а не інструмент для вирішення будь-яких практичних завдань з інших областей;
одна й та сама група людей брала участь і в проектуванні, і в експлуатації, і в програмуванні обчислювальної машини;
програмування здійснювалося виключно на машинній мові;
не було жодного системного програмного забезпечення, крім бібліотек математичних і службових підпрограм;
операційні системи ще не з'явилися, всі завдання організації обчислювального процесу вирішувалися вручну кожним програмістом з пульта керування.
З середини 50-х років почався наступний період у розвитку обчислювальної техніки, пов'язаний з появою нової технічної бази - напівпровідникових елементів. У цей період:
зросла швидкодія процесорів, збільшилися обсяги оперативної та зовнішньої пам'яті;
комп'ютери стали більш надійними;
з'явилися перші алгоритмічні мови, і, таким чином, до бібліотек математичних і службових підпрограм додався новий тип системного програмного забезпечення - транслятори;
були розроблені перші системні керуючі програми - монітори, які автоматизували всю послідовність дій оператора з організації обчислювального процесу.
Програмні монітори - перший операційні системи
Програмні монітори з'явилися прообразом сучасних операційних систем, вони стали першими системними програмами, призначеними не для обробки даних, а для керування обчислювальним процесом.
У ході реалізації моніторів був розроблений формалізований мова управління завданнями, за допомогою якого програміст повідомляв системі й операторові, які дії і в якій послідовності він хотів би виконати на обчислювальній машині. Типовий набір директив зазвичай включав ознака початку окремої роботи, виклик транслятора, виклик завантажувача, ознаки початку та кінця вихідних даних.
Оператор становив пакет завдань, які в подальшому без його участі послідовно запускалися на виконання монітором. Крім того, монітор був здатний самостійно обробляти найбільш поширені аварійні ситуації, що виникають при роботі користувача програм, такі як відсутність вихідних даних, переповнення регістрів, розподіл на нуль, звернення до неіснуючої області пам'яті і т. д.
Мультипрограмування
Наступний важливий період розвитку операційних систем належить до 1965-1975 років. У цей час у технічній базі обчислювальних машин відбувся перехід від окремих напівпровідникових елементів типу транзисторів до інтегральних мікросхем, що відкрило шлях до появи наступного покоління комп'ютерів, представником якого є, наприклад, IBM/360.
У цей період були реалізовані практично всі основні механізми, властиві сучасним ОС: мультипрограмування, мультипроцессирования, підтримка багатотермінальних багато режиму, віртуальна пам'ять, файлові системи, розмежування доступу і мережева робота. У ці роки починається розквіт системного програмування. З напряму прикладної математики, що представляє інтерес для вузького кола фахівців, системне програмування перетворюється на галузь індустрії, яка надає безпосередній вплив на практичну діяльність мільйонів людей.
В умовах різко зрослих можливостей комп'ютера, пов'язаних з обробкою і зберіганням даних, виконання тільки однієї програми в кожний момент часу виявилося вкрай неефективним.
Почалися розробки в області мультипрограмування.
Мультипрограмування - спосіб організації обчислювального процесу, при якому в пам'яті комп'ютера знаходиться одночасно кілька програм, поперемінно виконуються на одному процесорі.
Мультипрограмування було реалізовано в двох варіантах:
пакетна обробка;
поділ часу.
Системи пакетної обробки призначалися для вирішення завдань в основному обчислювального характеру, які не потребують швидкого отримання результатів. Головною метою і критерієм ефективності систем пакетної обробки є максимальна пропускна здатність, тобто рішення максимального числа задач в одиницю часу.
Для досягнення цієї мети в системах пакетної обробки використовується наступна схема функціонування: на початку роботи формується пакет завдань, кожне завдання містить вимогу до системних ресурсів; з цього пакета завдань формується мультипрограмний набір, тобто безліч одночасно виконуваних завдань. Для одночасного виконання вибираються завдання, що пред'являють до ресурсів різні вимоги, так, щоб забезпечувалася збалансована завантаження всіх пристроїв обчислювальної машини. Наприклад, в мультипрограмному наборі бажано присутність і обчислювальних завдань, і завдань з інтенсивним введенням-виводом. Таким чином, вибір нового завдання з пакета завдань залежить від внутрішньої ситуації, що складається в системі, тобто вибирається "вигідне" завдання. Отже, в обчислювальних системах, що працюють під управлінням пакетних ОС, неможливо гарантувати виконання того чи іншого завдання протягом певного періоду часу.
У системах пакетної обробки переключення процесора з одного завдання на іншу відбувається за ініціативою самої активної задачі, наприклад, коли вона "відмовляється" від процесора через необхідність виконати операцію вводу-виводу. Тому існує висока ймовірність того, що одне завдання може надовго зайняти процесор, і виконання інтерактивних завдань стане неможливим. Взаємодія користувача з обчислювальною машиною, на якій установлена система пакетної обробки, зводиться до того, що користувач приносить завдання, віддає його диспетчеру-оператору, а наприкінці дня після виконання всього пакета завдань отримує результат. Очевидно, що такий порядок підвищує ефективність функціонування апаратури, але знижує ефективність роботи користувача.
У системах поділу часу користувачам (або одному користувачеві) надається можливість інтерактивної роботи відразу з декількома додатками. Для цього кожен додаток повинно регулярно взаємодіяти з користувачем. Зрозуміло, що в пакетних системах можливості діалогу користувача з додатком обмежені.
У системах поділу часу ця проблема вирішується за рахунок того, що ОС примусово періодично припиняє програми, не чекаючи, коли вони самі звільнять процесор. Всіх програм поперемінно виділяється квант процесорного часу, таким чином, користувачі, що запустили програми на виконання, отримують можливість підтримувати з ними діалог.
Системи розділення часу покликані виправити основний недолік систем пакетної обробки - ізоляцію користувача-програміста від процесу виконання завдань. Кожному користувачеві в цьому випадку надається термінал, з якого він може вести діалог зі своєю програмою. Так як в системах поділу часу кожній задачі виділяється тільки квант процесорного часу, жодна задача не займає процесор надовго, і час відповіді виявляється прийнятним. Якщо квант невеликий, то у всіх користувачів, що одночасно працюють на одній і тій же машині, складається враження, що кожен з них використовує машину одноосібно.
Ясно, що системи поділу часу володіють меншою пропускною здатністю, ніж системи пакетної обробки, тому що на виконання приймається кожна запущена користувачем задача, а не та, яка "вигідна" системі. Крім того, продуктивність системи знижується через додаткового витрачання обчислювальної потужності на більш часте переключення процесора з задачі на задачу. Це цілком відповідає тому, що критерієм ефективності систем поділу часу є не максимальна пропускна здатність, а зручність і ефективність роботи користувача. Разом з тим, мультипрограмному виконання інтерактивних програм підвищує і пропускну здатність комп'ютера (нехай і не в такій мірі, як пакетні системи). Апаратура завантажується краще, оскільки поки один додаток чекає повідомлення користувача, інші додатки можуть оброблятися процесором.
Багатотермінальні системи - прообраз мережі
Термінали, вийшовши за межі обчислювального центру, розосередилися по всьому підприємству. Багатотермінальних режим використовувався не тільки в системах поділу часу, а й у системах пакетної обробки. При цьому не тільки оператор, але і всі користувачі отримували можливість формувати свої завдання і управляти їх виконанням з свого термінала. Такі операційні системи одержали назву систем віддаленого вводу завдань.
Термінальні комплекси могли розташовуватися на великій відстані від процесорних стійок, з'єднуючись з ними за допомогою різних глобальних зв'язків - модемних з'єднань телефонних мереж або виділених каналів. Для підтримки віддаленої роботи терміналів в операційних системах з'явилися спеціальні програмні модулі, що реалізують різні (у той час, як правило, нестандартні) протоколи зв'язку. Такі обчислювальні системи з віддаленими терміналами зберігаючи централізований характер обробки даних, в якійсь мірі були прообразом сучасних комп'ютерних мереж (рис.1.2), а відповідне системне програмне забезпечення - прообразом мережевих операційних систем.
Рис. 1.2 багатотермінальних система - прообраз обчислювальної мережі
Багатотермінальні централізовані системи вже мали всі зовнішні ознаки локальних обчислювальних мереж, однак по суті ними не були, тому що зберігали сутність централізованої обробки даних автономно працюючого комп'ютера.
Дійсно, пересічний користувач роботу за терміналом мейнфрейма сприймав приблизно так само, як зараз сприймає роботу за підключеним до мережі персональним комп'ютером. Користувач міг отримати доступ до загальних файлів і периферійних пристроїв, при цьому у нього створювалася повна ілюзія одноосібного володіння комп'ютером, оскільки він міг запустити потрібну йому програму в будь-який момент і майже відразу ж отримати результат. (Деякі далекі від обчислювальної техніки користувачі навіть були упевнені, що всі обчислення виконуються всередині їх дисплея.)
Перші мережі - глобальні
Хоча теоретичні роботи по створенню концепцій мережної взаємодії велися майже з моменту появи обчислювальних машин, значущі практичні результати щодо об'єднання комп'ютерів у мережі були отримані лише в кінці 60-х, коли за допомогою глобальних зв'язків і техніки комутації пакетів вдалося реалізувати взаємодію машин класу мейнфреймів і суперкомп'ютерів . Ці дорогі комп'ютери зберігали унікальні дані і програми, обмін якими дозволив підвищити ефективність їх використання.
Але ще до реалізації зв'язків "комп'ютер-комп'ютер", була вирішена більш просте завдання - організація зв'язку "віддалений термінал-комп'ютер". Термінали, що знаходяться від комп'ютера на відстані багатьох сотень, а то і тисяч кілометрів, з'єднувалися з комп'ютерами через телефонні мережі за допомогою модемів. Такі мережі дозволяли численним користувачам отримувати віддалений доступ до ресурсів, що кількох потужних комп'ютерів класу супер-ЕОМ.
І тільки потім були розроблені засоби обміну даними між комп'ютерами в автоматичному режимі. На основі цього механізму в перших мережах були реалізовані служби обміну файлами, синхронізації баз даних, електронної пошти та інші, що стали тепер традиційними, мережеві служби.
У 1969 році міністерство оборони США ініціювало роботи з об'єднання в загальну мережу суперкомп'ютерів оборонних і науково-дослідних центрів. Ця мережа, названа ARPANET послужила відправною точкою для створення першої і самої відомої нині глобальної мережі - Internet. Мережа ARPANET об'єднувала комп'ютери різних типів, що працювали під управлінням різних ОС з додатковими модулями, які надають комунікаційні протоколи, загальні для всіх комп'ютерів мережі. Такі ОС можна вважати першими мережевими операційними системами.
Мережеві ОС на відміну від багатотермінальних дозволяли не тільки розосередити користувачів, але й організувати розподілене зберігання і обробку даних між декількома комп'ютерами, пов'язаними електричними зв'язками. Будь-яка мережева операційна система, з одного боку, виконує всі функції локальної операційної системи, а з іншого боку, має деякими додатковими засобами, що дозволяють їй взаємодіяти по мережі з операційними системами інших комп'ютерів. Програмні модулі, що реалізують мережеві функції, з'являлися в операційних системах поступово, у міру розвитку мережевих технологій, апаратної бази комп'ютерів і виникнення нових завдань, що вимагають мережної обробки.
У 1974 році компанія IBM оголосила про створення власної мережної архітектури для своїх мейнфреймів, що отримала назву SNA (System Network Architecture, системна мережева архітектура). У цей же час в Європі активно велися роботи по створенню та стандартизації мереж X.25.
Таким чином, хронологічно першими з'явилися глобальні мережі (Wide Area Networks, WAN), тобто мережі, що об'єднують територіально розосереджені комп'ютери, можливо, знаходяться в різних містах і країнах. Саме при побудові глобальних мереж були вперше запропоновані і відпрацьовані багато основні ідеї і концепції сучасних обчислювальних мереж, такі, наприклад, як багаторівнева побудова комунікаційних протоколів, технологія комутації пакетів і маршрутизація пакетів у складених мережах.
Глобальні комп'ютерні мережі дуже багато успадкували від інших, набагато більш старих і глобальних мереж - телефонних.
Головним результатом створення перших глобальних комп'ютерних мереж була відмова від принципу комутації каналів, на протязі багатьох десятків років успішно використовувався в телефонних мережах.
Виділяється на весь час сеансу зв'язку складовою канал з постійною швидкістю не міг ефективно використовуватися пульсуючим трафіком комп'ютерних даних, у якого періоди інтенсивного обміну чергуються з тривалими паузами. Експерименти і математичне моделювання показали, що пульсуючий і значною мірою не чутливий до затримок комп'ютерний трафік набагато ефективніше передається по мережах, що використовують принцип комутації пакетів, коли дані розділяються на невеликі порції, які самостійно переміщаються по мережі за рахунок вбудовування адреси кінцевого вузла в заголовок пакета .
Оскільки прокладка високоякісних ліній зв'язку на великі відстані обходиться дуже дорого, в перших глобальних мережах часто використовувалися вже існуючі канали зв'язку, спочатку призначені зовсім для інших цілей. Наприклад, протягом багатьох років глобальні мережі будувалися на основі телефонних каналів тональної частоти, здатних у кожен момент часу вести передачу лише однієї розмови на аналоговій формі. Оскільки швидкість передачі дискретних комп'ютерних даних по таким каналам була дуже низькою (десятки кілобіт в секунду), набір послуг, що надаються в глобальних мережах такого типу зазвичай обмежувався передачею файлів, переважно у фоновому режимі, і електронною поштою.
Окрім низької швидкості такі канали мають і інший недолік - вони вносять значні спотворення в передані сигнали. Тому протоколи глобальних мереж, побудованих з використанням каналів зв'язку низької якості, відрізняються складними процедурами контролю і відновлення даних. Типовим прикладом таких мереж є мережі X.25, розроблені ще на початку 70-х, коли низькошвидкісні аналогові канали, орендовані у телефонних компаній, були переважаючим типом каналів, що з'єднують комп'ютери і комутатори глобальної обчислювальної мережі.
Розвиток технології глобальних комп'ютерних мереж багато в чому визначалося прогресом телефонних мереж. З кінця 60-х років в телефонних мережах все частіше стала застосовуватися передача голосу в цифровій формі, що призвело до появи високошвидкісних цифрових каналів, що з'єднують АТС та дозволяють одночасно передавати десятки і сотні розмов. Була розроблена спеціальна технологія плезіохронної цифрової ієрархії (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH), призначена для створення так званих первинних, або опорних, мереж. Такі мережі не надають послуг кінцевим користувачам, вони є фундаментом, на якому будуються швидкісні цифрові канали "точка-точка", що з'єднують обладнання інший (так званої накладеної) мережі, яка вже працює на кінцевого користувача.
Спочатку технологія PDH, підтримуюча швидкості до 140 Мбіт / с, була внутрішньою технологією телефонних компаній. Однак з часом ці компанії почали здавати частину своїх каналів PDH в оренду підприємствам, які використовували їх для створення власних телефонних і глобальних комп'ютерних мереж.
Що з'явилася в кінці 80-х років технологія синхронної цифрової ієрархії (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) розширила діапазон швидкостей цифрових каналів до 10 Гбіт / c, а технологія спектрального мультиплексування DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) - до сотень гігабіт і навіть декількох терабіт в секунду .
Сьогодні глобальні мережі за різноманітністю і якістю послуг, що надаються наздогнали локальні мережі, які довгий час лідирували в цьому відношенні, хоча і з'явилися на світ значно пізніше.