Еволюція комп’ютерних мереж. Історія будь-якої галузі науки або техніки дозволяє не тільки задовольнити природну цікавість, а й глибше зрозуміти сутність основних досягнень у цій галузі

Історія будь-якої галузі науки або техніки дозволяє не тільки задовольнити природну цікавість, а й глибше зрозуміти сутність основних досягнень у цій галузі та виявити тенденції і правильно оцінити перспективність тих або інших напрямків розвитку.

Комп’ютерні мережі (мережі передачі даних, обчислювальні мережі), є результатом еволюції двох найважливіших науково-технічних галузей сучасної цивілізації - комп’ютерних і телекомунікаційних технологій (рисунок 1.1) [1, 17]. З одного боку, комп’ютерні мережі (КМ) є окремим випадок розподілених обчислювальних систем, в яких група комп’ютерів узгоджено виконує набір взаємозалежних завдань, обмінюючись даними в автоматичному режимі. З іншого боку, КМ можуть розглядатися як засіб передачі інформації на значні відстані, для чого в них застосовуються методи кодування та мультиплексування даних, що отримали розвиток у різнихтелекомунікаційних системах.

Отже:

- КМ - це група комп’ютерів, зв’язаних комунікаційною системою та оснащених відповідним програмним забезпеченням, що надає користувачам мережі доступ до ресурсів цієї групи комп’ютерів;

- КМ можуть утворювати комп’ютери різних типів - робочі станції, міні-комп’ютери, персональні комп’ютери або суперкомп’ютери;

- передачу повідомлень між будь-якою парою комп’ютерів мережі забезпечує комунікаційна система, що може містити кабелі, повторювачі, комутатори, маршрутизатори та інші пристрої;

- КМ дозволяє користувачу працювати зі своїм комп’ютером, як з автономним, і додає до цього можливість доступу до інформаційних і апаратних ресурсів інших комп’ютерів мережі.

Ідея комп’ютера була запропонована англійським математиком Чарльзом Бебіджом (Charles Babig) у середині дев’ятнадцятого століття. Однак його механічна „аналітична машина” по-справжньому так і не запрацювала. Справжнє народження цифрових обчислювальних машин відбулося у середині 40-х років минулого століття, коли були створені перші лампові ЕОМ. Для цього періоду характерно таке:

- комп’ютер був скоріше предметом дослідження, а не інструментом для розв’язання практичних задач;

- одна й таж група людей брала участь і в проектуванні, і в експлуатації, і у програмуванні ЕОМ;

- програмування здійснювалося винятково машинною мовою;

- не було ніякого системного програмного забезпечення, крім бібліотек математичних і службових підпрограм;

- операційні системи (ОС) 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:

- виросла швидкодія процесорів, збільшились обсяги оперативної та зовнішньої пам’яті;

- комп’ютери стали надійнішими;

- з’явились перші алгоритмічні мови, і до бібліотек математичних і службових підпрограм додався новий тип системного програмного забезпечення - транслятори;

- були розроблені перші системні керуючі програми­монітори, які автоматизували всю послідовність дій оператора по організації обчислювального процесу.

Програмні монітори були прообразом сучасних операційних систем, вони стали першими системними програмами, призначеними не для обробки даних, а для керування обчислювальним процесом.

У ході реалізації моніторів був розроблена формалізована мовакерування завданнями, за допомогою якої програміст повідомляв системі та оператору, які дії й у якій послідовності він хотів би виконати на ЕОМ. Типовий набір директив зазвичай містив ознаку початку окремої роботи, виклик транслятора, виклик завантажувача, а також ознаки початку й кінця вихідних даних.

Оператор складав пакет завдань, які потім без його участі послідовно запускалися на виконання монітором. Крім того, монітор був здатний самостійно обробляти найпоширеніші аварійні ситуації, що виникали при роботі програм користувачів (наприклад, відсутність вихідних даних, переповнення регістрів, ділення на нуль, звернення до неіснуючої області пам’яті тощо)

Наступний важливий період розвитку ОС відноситься до 1965-1975 років. Тоді в технічній базі ЕОМ відбувся перехід від окремих напівпровідникових елементів (транзисторів) до інтегральних мікросхем, що відкрило шлях до появи наступного покоління комп’ютерів.

У цей період були реалізовані практично всі основні механізми, властиві сучасним ОС: мультипрограмування,мультипроцессування, підтримка багатотермінального багатокристувацького режиму, віртуальна пам’ять, файлові системи, розмежування доступу та мережева робота. В ці роки починає інтенсивно розвиватися системне програмування.

В умовах значного збільшення обчислювальних потужностей комп’ютерів, пов’язаних з обробкою та зберіганням даних, виконання тільки однієї програми в кожний момент часу виявилося вкрай неефективним. Почалися розробки в області мультипрограмування.

Мультипрограмування - це спосіб організації обчислювального процесу, при якому в пам’яті комп’ютера перебуває одночасно кілька програм, що поперемінно виконуються на одному процесорі. Мультипрограмування було реалізовано у двох варіантах:

- пакетна обробка;

- розподіл часу.

Системи пакетної обробки призначалися для розв’язання задач обчислювального характеру, які не потребують швидкого одержання результатів. Головною метою й критерієм ефективності систем пакетної обробки є максимальна пропускна здатність, тобто розв’язання максимального числа задач в одиницю часу.

Для досягнення цієї мети в системах пакетної обробки використається така схема функціонування (рис. 1.2) [1]: на початку роботи формується пакет завдань. Кожне завдання містить вимоги до системних ресурсів. З цього пакета завдань формується мультипрограмний набір (певна кількість одночасно виконуваних завдань). Для одночасного виконання вибираються завдання з різними вимогами до ресурсів, так, щоб забезпечити збалансоване завантаження усіх пристроїв ЕОМ. Наприклад, в мультипрограмному наборі бажана присутність і обчислювальних завдань, і завдань з інтенсивним введенням-виведенням. Вибір нового завдання з пакета завдань залежить від ситуації, що складається в системі, тобто вибирається „вигідне” завдання. Отже, в обчислювальних системах, що працюють під керуванням пакетних ОС, неможливо гарантувати виконання того або іншого завдання протягом певного періоду часу.

В системах пакетної обробки перемикання процесора з одного завдання на інше відбувається з ініціативи самого активного завдання. Наприклад, коли воно „відмовляється” від послуг процесора внаслідок необхідності виконати операцій введення-виведення. Тому існує висока ймовірність того, що одне завдання може надовго зайняти процесор, і виконання інтерактивних завдань стане неможливим. Взаємодія користувача з ЕОМ, на якій встановлена система пакетної обробки, зводиться до того, що користувач приносить завдання, віддає його оператору. А потім - наприкінці дня, після виконання усього пакета завдань одержує результат. Очевидно, що такий порядок підвищує ефективність функціонування апаратури, але знижує ефективність роботи користувача.

В системах розподілу часу користувачам (або користувачу) надається можливість інтерактивної роботи відразу з кількома додатками. Для цього кожний додаток повинний регулярно взаємодіяти з користувачем. Але в пакетних системах можливості діалогу користувача з додатком обмежені. Дана проблема вирішується за рахунок того, що ОС примусово періодично припиняє додатки, не чекаючи, коли вони самі звільнять процесор. Усім додаткам поперемінно виділяється квант процесорного часу. Отже, користувачі, що запустили програми на виконання, одержують можливість підтримувати з ними діалог.

Системи розподілу часу призначені для виправлення основного недоліку систем пакетної обробки - ізоляції користувача-програміста від процесу виконання завдань. Кожному користувачу в цьому випадку надається термінал, з якого він може вести діалог зі своєю програмою. Оскільки кожному завданню виділяється тільки квант процесорного часу, жодне завдання не займає процесор надовго, і час відповіді виявляється прийнятним. Якщо квант невеликий - то в усіх користувачів, що одночасно працюють на одній машині, складається враження, що кожний з них використовує машину одноосібно.

Цілком зрозуміло, що системи розподілу часу мають меншу пропускну здатність, ніж системи пакетної обробки, оскільки на виконання приймається кожне запущене користувачем завдання, а не те, яке „вигідне” системі. Крім того, продуктивність системи знижується внаслідок додаткових витрат обчислювальної потужності на більш часте переключення процесора з одного завдання на інше. Критерієм ефективності систем розподілу часу є не максимальна пропускна здатність, а зручність і ефективність роботи користувача. Разом з тим, мультипрограмне виконання інтерактивних додатків підвищує й пропускну спроможність комп’ютера (нехай і не в такому ступені, як пакетні системи). Апаратура завантажується краще, оскільки поки один додаток чекає повідомлення користувача, інші додатки можуть оброблятися процесором.

Термінали, вийшовши за межі обчислювального центра, розташувались по всьому підприємству.Багатотермінальний режим використовувався не тільки в системах розподілу часу, а й у системах пакетної обробки. При цьому не тільки оператор, а й усі користувачі одержували можливість формувати свої завдання й керувати їх виконанням зі свого термінала. Такі ОС одержали назву систем віддаленого введення завдань.

Термінальні комплекси могли розташовуватися на великій відстані від процесорних стойок, з’єднуючись з ними за допомогою різних глобальних зв’язків - модемних з’єднань телефонних мереж або виділених каналів. Для підтримки віддаленої роботи терміналів в ОС з’явились спеціальні програмні модулі, що реалізують різні протоколи зв’язку. Такі обчислювальні системи з віддаленимитерміналами, зберігаючи централізований характер обробки даних, у деякій степені були прообразом сучасних комп’ютерних мереж (рис. 1.3), а відповідне системне програмне забезпечення - прообразом мережевих ОС.

Багатотермінальні централізовані системи вже мали всі зовнішні ознаки локальних комп’ютерних мереж (ЛКМ), однак ще зберігали сутність централізованої обробки даних автономно працюючого комп’ютера.

Дійсно, рядовий користувач роботу за терміналом мейнфрейму сприймав приблизно так, як зараз сприймає роботу за підключеним до мережі персональним комп’ютером (ПК). Користувач міг одержати доступ до загальних файлів і периферійних пристроїв, при цьому в нього створювалася повна ілюзія одноособового володіння комп’ютером, тому що він міг запустити потрібну програму в будь-який момент і майже відразу одержати результат.

Дійсно, рядовий користувач роботу за терміналом мейнфрейму сприймав приблизно так, як зараз сприймає роботу за підключеним до мережі персональним комп’ютером (ПК). Користувач міг одержати доступ до загальних файлів і периферійних пристроїв, при цьому в нього

створювалася повна ілюзія одноособового володіння комп’ютером, тому що він міг запустити потрібну програму в будь-який момент і майже відразу одержати результат.

Хоча теоретичні роботи зі створення концепцій мережевої взаємодії велися майже з моменту появи ЕОМ, значні практичні результати по об’єднанню комп’ютерів у мережі були отримані лише наприкінці 60-х, коли за допомогою глобальних зв’язків і техніки комутації пакетів вдалося реалізувати взаємодію машин класумейнфреймів і суперкомп’ютерів (рис. 1.4). Ці дорогі комп’ютери зберігали унікальні дані й програми, обмін якими дозволив підвищити ефективність їхнього використання.

Ще до реалізації зв’язків „комп’ютер-комп’ютер”, було вирішено більш просте завдання -організація зв’язку „віддалений термінал-комп’ютер”. Термінали, що розташовані від комп’ютера на відстані багатьох сотень - тисяч кілометрів, з’єднувалися з комп’ютерами через телефонні мережі за допомогою модемів. Такі мережі дозволяли користувачам отримувати віддалений доступ до виділених ресурсів кількох потужних комп’ютерів класу супер-ЕОМ.

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.

В 1969 році міністерство оборони США ініціювало роботи з об’єднання в загальну мережу суперкомп’ютерівоборонних і науково-дослідних центрів. Ця мережа, що одержала назву ARPANET послужила відправною точкою для створення першої й найвідомішої нині глобальної мережі - Internet. Мережа ARPANET поєднувала комп’ютери різних типів, що працювали під керуванням різних ОС із додатковими модулями, що реалізують комунікаційні протоколи, загальні для всіх комп’ютерів мережі. Такі ОС можна вважати першими мережевими операційними системами (МОС).

МОС на відміну від багатотермінальних дозволяли не тільки розосередити користувачів, а й організувати розподілене зберігання й обробку даних між кількома комп’ютерами, зв’язаними електричними зв’язками. Будь-яка МОС, з одного боку, виконує всі функції локальної ОС, а з іншого боку, має деякі додаткові засоби, що дозволяють їй взаємодіяти по мережі з ОС інших комп’ютерів. Програмні модулі, що реалізують мережеві функції, з’являлися в ОС поступово, із розвитком мережевих технологій, апаратної бази комп’ютерів і виникнення нових завдань, що вимагають мережевої обробки.

В 1974 році компанія IBM оголосила про створення власної мережевої архітектури SNA (System NetworkArchitecture, системна мережева архітектура) для своїх мейнфреймів. У цей же час у Європі активно велись роботи зі створення й стандартизації мереж X.25.

Таким чином, хронологічно першими з’явилися глобальні мережі, тобто мережі, що поєднують територіально розосереджені комп’ютери, які можуть розташовуватись у різних містах і країнах. Саме при побудові глобальних мереж були вперше запропоновані й відпрацьовані багато основних ідей і концепцій сучасних КМ. Такі, наприклад, як багаторівнева побудова комунікаційних протоколів, технологія комутації пакетів і маршрутизація пакетів у складених мережах.

Глобальні комп’ютерні мережі (ГКМ) дуже багато чого успадкували від інших, більш старих глобальних мереж- телефонних. Головним результатом створення перших ГКМ була відмова від принципу комутації каналів, який протягом багатьох десятків років успішно використовувався у телефонних мережах.

Складений канал, виділений на весь час сеансу зв’язку, з постійною швидкістю не міг ефективно використовуватися трафіком комп’ютерних даних, що пульсує (у якого періоди інтенсивного обміну чергуються із тривалими паузами). Експерименти й математичне моделювання показали, що пульсуючий і в значній мірі не чутливий до затримок комп’ютерний трафік набагато ефективніше передається мережами, що використовують принцип комутації пакетів. Тобто, коли дані розділяються на невеликі порції, які самостійно переміщаються мережею за рахунок вбудовування адреси кінцевого вузла у заголовок пакета.

Оскільки прокладання високоякісних ліній зв’язку (ЛЗ) на великі відстані обходиться дуже дорого, у перших ГКМ часто використовувалися вже існуючі канали зв’язку, призначені зовсім для інших цілей. Наприклад, протягом багатьох років глобальні мережі будувалися на основі телефонних каналів тональної частоти, здатних у кожний момент часу вести передачу тільки однієї розмови в аналоговій формі. Оскільки швидкість передачі дискретних комп’ютерних даних по таких каналах була дуже низькою (десятки кілобит у секунду), набір надаваних послуг у глобальних мережах такого типу зазвичай обмежувався передачею файлів, переважно у фоновому режимі, і електронною поштою.

Крім низької швидкості такі канали мають ще й інший недолік - вони вносять значні викривлення у сигнали, що передаються. Тому протоколи глобальних мереж, побудованих з використанням каналів зв’язку низької якості, відрізняються складними процедурами контролю та відновлення даних. Типовим прикладом таких мереж є мережі X.25, розроблені ще на початку 70-х років, коли низькошвидкісні аналогові канали, орендовані у телефонних компаній, були переважним типом каналів, що з’єднують комп’ютери та комутатори ГКМ.

Розвиток технології ГКМ багато в чому визначався прогресом телефонних мереж. З кінця 60-х років у телефонних мережах все частіше стала застосовуватись передача голосу в цифровій формі. Це привело до появи високошвидкісних цифрових каналів, які з’єднують АТС і дозволяють одночасно передавати сотні розмов. Була розроблена спеціальна технологія плезиохронної цифрової ієрархії (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH), призначена для створення так званих первинних, або опорних, мереж. Такі мережі не надають послуг кінцевим користувачам, а є фундаментом, на якому будуються швидкісні цифрові канали „точка-точка”, які з’єднують обладнання іншої мережі, яка вже працює на кінцевого користувача.

Спочатку технологія PDH, що підтримує швидкості до 140 Мбіт/с, була внутрішньою технологією телефонних компаній. Однак згодом ці компанії стали здавати частину своїх каналів PDH в оренду підприємствам, які використали їх для створення власних телефонних і глобальних комп’ютерних мереж.

З’явившись наприкінці 80-х років, технологія синхронної цифрової ієрархії (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) розширила діапазон швидкостей цифрових каналів до 10 Гбіт/c, а технологія спектрального мультиплексуванняDWDM (Dense Wave Division Multiplexing) - до сотень Гбіт/c і навіть декількох терабіт у секунду.

Сьогодні ГКМ за розмаїтістю і якістю послуг наздогнали локальні комп’ютерні мережі (ЛКМ), які довгий час були лідером за кількістю послуг, хоча й з’явилися значно пізніше.