1. Введение

1.1          Информационные сети

Выдержка из стандарта: http://tspu.edu.ru/fmf/kafinf

Основные понятия информационных сетей; класс информационных сетей как открытые информационные системы; модели и структуры информационных сетей; информационные ресурсы сетей; теоретические основы современных информационных сетей; базовая эталонная модель Международной организации стандартов; компоненты информационных сетей; коммуникационные подсети; моноканальные подсети; циклические подсети; узловые подсети; методы маршрутизации информационных потоков; методы коммутации информации; протокольные реализации; сетевые службы; модель распределенной обработки информации; безопасность информации; базовые функциональные профили; полные функциональные профили; методы оценки эффективности информационных сетей; сетевые программные и технические средства информационных сетей.

1.2          Из истории кибернетики.

Теоретические подходы к понятию управления появились как естественное развитие системного анализа. Логически это понятно после того как сформулировано понятие системы и выбран математический аппарат для описания системы, сразу же возникает вопрос о том, как можно системой управлять. Здесь сказал свое веское слово Норберт Винер.

Норберт Винер – отец кибернетки

Родители Норберта были еврейскими иммигрантами, выходцами из небольшого городка Белосток в Польше (тогда входила в состав Российской Империи). На исходе девятнадцатого столетия они покинули всё ещё внешне спокойную и вполне благополучную Россию, и перебрались в Штаты. В 4 года Винер уже был допущен к родительской библиотеке, а в 7 лет написал свой первый научный трактат по дарвинизму. Норберт никогда по-настоящему не учился в средней школе. Зато 11 лет от роду он поступил в престижный Тафтколледж, который закончил с отличием уже через три года получив степень бакалавра искусств. В 18 лет Норберт Винер уже числился доктором наук по специальности ≪математическая логика≫ в Корнельском и Гарвардском университетах. В девятнадцатилетнем возрасте доктор Винер был приглашён на кафедру математики Массачусетского технологического института.

В 1913 году молодой Винер начинает своё путешествие по Европе, слушает лекции Рассела и Харди в Кембридже и Гильберта в Гёттингене. После начала войны он возвращается в Америку. Перед второй мировой войной Винер стал профессором Гарвардского, Корнельского, Колумбийского, Брауновского, Геттингенского университетов, получил в собственное безраздельное владение кафедру в Массачусетском институте, написал сотни статей по теории вероятностей и статистике, по рядам и интегралам Фурье, по теории потенциала и теории чисел, по обобщённому гармоническому анализу.

Практическое воплощение

Во время второй мировой войны, на которую профессор пожелал быть призванным, он работает над математическим аппаратом для систем наведения зенитного огня (детерминированные стохастические модели по организации и управлению американскими силами противовоздушной обороны). Он разработал новую действенную вероятностную модель управления силами ПВО. Основной научный труд Винера ≪Кибернетика≫ увидел свет в 1948 году. Полное название главной книги Винера выглядит следующим образом ≪Кибернетика, или управление и связь в животном и машине≫. За пару месяцев до смерти Норберт Винер был удостоен Золотой Медали Учёного, высшей награды для человека науки в Америке. Он тихо умер 18 марта 1964 года в Стокгольме. Оставил после себя книги воспоминаний ≪Записки бывшего вундеркинда≫, ≪Я математик≫

Кибернетика

Объектом кибернетики являются все управляемые системы. Системы, не поддающиеся управлению, в принципе, не являются объектами изучения кибернетики. Кибернетика вводит такие понятия, как кибернетический подход, кибернетическая система и прочие. Кибернетика является междисциплинарной наукой, призванной объединить и систематизировать знания тех областей, которые до сих пор было принято считать различными и несовместимыми. Данная цель достигается в кибернетике за счёт анализа и выявления общих принципов и подходов в процессе научного познания. Наиболее весомыми теориями, объединяемыми кибернетикой, можно назвать следующие:

• теория передачи сигналов

• теория информации

• теория систем

• теория управления

• теория автоматов

• теория принятия решений

• синергетика

Кроме средств анализа, кибернетика предлагает мощные инструменты для синтеза решений, предоставляемые аппаратами математического анализа, линейной алгебры, геометрии выпуклых множеств, теории вероятностей и математической статистики. А также более высокоприкладные области математики, такие, как математическое программирование, эконометрика, информатика и прочие.

1.3          Оценка знаний и лекций

Рекомендуемая литература:

Основы компьютерных сетей Год выпуска: 2009 Издательство: СПб.: Олифер В. Г., Олифер Н. А.

Прошло ровно 10 лет с момента первой публикации книги "Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы". За это время книга приобрела широкую популярность в России, была издана на английском, испанском, португальском и китайском языках, и с каждым новым изданием она существенно обновлялась. Не стало исключением и это, четвертое издание, в котором появилось много новых разделов, посвященных самым актуальным направлениям сетевых технологий.

Таненбаум Э. Компьютерные сети (4е издание).

Эндрю Таненбаум получил степень бакалавра естественных наук в Массачусетском технологическом институте и степень доктора в Калифорнийском университете в Беркли. В настоящее время является профессором Амстердамского университета, где возглавляет группу разработчиков компьютерных систем. Кроме того, Э. Таненбаум возглавляет факультет вычислительной техники (межвузовскую аспирантуру, занимающуюся исследованиями в области современных параллельных систем, распределенных систем и систем обработки и формирования изображений).

1.4          Основы сетевых технологий

Телекоммуникационные сети представляют собой комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между абонентами с заданными параметрами качества. Сообщение – форма представления информации, удобная для передачи на расстояние. Сообщение отображается изменением какого-либо параметра информационного сигнала (электромагнитные сигналы в сетях).

При создании сетей телекоммуникаций невозможно соединить всех абонентов между собой отдельными (выделенными) линиями связи. Это нецелесообразно экономически и невыполнимо практически. Поэтому соединение многочисленных абонентов (А), находящихся на большом расстоянии, обычно производится через транзитные (телекоммуникационные) узлы (ТУ) связи.

Рис. 1.1. Телекоммуникационная сеть

Таким образом, телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов (А) и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи. Узлы ТУ производят коммутацию поступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Например, в сети на рис. 1.1 при передаче сообщения от абонента А2 абоненту А6 транзитный узел ТУ1 производит коммутацию сообщения с входного интерфейса В на выходной С, транзитный узел ТУ3 – с входного интерфейса В на выходной Е. При этом формируется определенный маршрут, по которому передается сообщение. Процесс формирования маршрута получил название коммутация. Коммутацией также называют передачу (продвижение) сообщения с входного интерфейса на выходной.

В некоторых сетях все возможные маршруты уже созданы и необходимо только выбрать наиболее оптимальный. Процесс выбора оптимального маршрута получил название маршрутизация, а устройство, ее реализующее, – маршрутизатор. Выбор оптимального маршрута узлы производят на основе таблиц маршрутизации (или коммутации) с использованием определенного критерия – метрики.

Таким образом, различают сети с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов, и с коммутацией пакетов (сообщений), когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов. В сетях с коммутацией каналов канал создается до передачи сообщения.

Эти два вида сетей используются для передачи двух различных видов трафика. Сети с коммутацией каналов обычно передают равномерный (потоковый) трафик – например, телефонные сети. В сетях передачи данных с пульсирующим трафиком применяется коммутация пакетов (сообщений), например, в компьютерных сетях.

Различие коммутации пакетов или сообщений состоит в том, что сообщение может быть очень большим. Поэтому если в нем обнаруживается ошибка, то повторно нужно передавать все сообщения большого объема. В сетях с коммутацией пакетов большое сообщение предварительно разбивается на сравнительно небольшие пакеты (сегменты). Поэтому при потере или искажении части сообщения повторно передается только потерянный пакет (сегмент).

В настоящее время в соответствии с концепцией Единой сети электросвязи Российской Федерации создаются сети нового (следующего) поколения (Next Generation Network – NGN), в которых все виды трафика передаются по единой сети связи в цифровой форме. Подобные сети также называют мультисервисными (Internet Multi Service – IMS), в отличие от ранее существовавших моносервисных сетей.

В сетях NGN обеспечивается слияние ( конвергенция ) всех существующих сетей в единую информационную сеть для передачи мультимедийной информации. Пользователи такой сети должны иметь широкий выбор услуг с гарантированным качеством, что обеспечивается соответствующим уровнем управления, транспортным уровнем и уровнем доступа пользователей к мультисервисной сети (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Уровни мультисервисной сети NGN

Транспортный уровень сети NGN создается на базе IPсетей с распределенной коммутацией пакетов. Доступ к транспортной сети обеспечивается через соответствующие устройства и шлюзы.

Сети следующего поколения NGN обеспечивают широкий набор услуг с гибкими возможностями по их управлению. Телекоммуникационные сети нового поколения используются для передачи различных видов информации: дискретных данных, аудио и видеоинформации. Услуга передачи указанной триады (голоса, данных и видеоинформации) по единой мультисервисной сети получила название Triple Play.

На рис. 1.3 приведен пример структурной схемы сети телекоммуникаций, в которой пользователи (абоненты) через сети доступа подключаются к магистральной сети, обеспечивающей транспорт сообщений. В ряде случаев абонентам удобно объединяться в локальные сети, функционирующие в рамках ограниченного пространства (аудитория, здание, группа зданий).

Рис. 1.3. Структурная схема телекоммуникационной сети

Для создания маршрута в разветвленной сети необходимо задавать адреса источника и получателя сообщения. Различают физические и логические адреса. Логические адреса принадлежат пользователям (абонентам), а физические обычно адресуют соответствующие интерфейсы телекоммуникационных узлов и абонентских устройств.

1.5          Классификация сетей передачи данных

Методы и устройства, используемые в вычислительных (компьютерных) сетях передачи данных, широко применяются при создании сетей NGN. Поэтому в настоящем курсе лекций основное внимание уделено аппаратным и программным средствам вычислительных (компьютерных) сетей, т. е. сетей передачи данных, на базе которых и создаются современные мультисервисные сети. В сетях передачи данных (компьютерных или вычислительных) поток может быть представлен различными информационными единицами: битами, байтами, кадрами, пакетами, ячейками, образующими информационный поток. Сети передачи данных, как правило, относятся к сетям с коммутацией пакетов.

Согласно одной из классификаций сети передачи данных подразделяются на локальные и глобальные (рис. 1.4). Сеть может размещаться на ограниченном пространстве, например, в отдельном здании, в аудитории. При этом она называется локальной вычислительной сетью – ЛВС (Local Area Network – LAN ). Основными технологиями локальных вычислительных сетей, которые применяются в настоящее время, являются Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Другие технологии ЛВС (Token Ring, 100VGAnyLAN, FDDI и др.) используются редко.

Рис. 1.4. Классификация сетей передачи данных

Совокупность нескольких локальных сетей называют составной, распределенной или глобальной сетью (Internetwork, Internet). В составную сеть могут входить подсети (Subnet) различных технологий. Крупные фирмы (корпорации) создают свои собственные корпоративные сети (Intranet), которые используют технологии как глобальных, так и локальных сетей. Таким образом, объединение пользователей, расположенных на широком географическом пространстве, например в разных городах, для совместного использования информационных данных, производится с помощью глобальных вычислительных сетей – ГВС (Wide Area Network – WAN ).

Глобальные сети передачи данных часто классифицируют (рис. 1.4) на:

·         сети с коммутацией каналов;

·         сети, использующие выделенные линии;

·         сети с коммутацией пакетов.

Сети с коммутацией каналов и с использованием выделенных линий строят на основе различных сетевых технологий. При этом применяются следующие технологии и линии связи:

·         цифровые линии, которые бывают постоянные, арендуемые, а также коммутируемые. В цифровых линиях применяют технологии плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH ), синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy – SDH ), а также технологии оптических линий связи спектрального уплотнения по длине волны (Wavelength Division Multiplexing – WDM, Dense WDM – DWDM );

·         цифровые сети интегральных служб с коммутацией каналов (Integrated Services Digital Network – ISDN );

·         цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line – DSL );

·         аналоговые выделенные линии и линии с коммутацией каналов (dialup) с применением модемов, т. е. аналоговые АТС.

Технологии PDH и SDH характеризуются высокой скоростью передачи данных. Например, скорость передачи данных по сетям технологии PDH составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии SDH – от 155 Мбит/с до 2,5 Гбит/с и выше. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных достигнуто в системах со спектральным уплотнением по длине волны (технологии WDM и DWDM) на волоконнооптических кабелях. Основными аппаратными средствами высокоскоростных технологий с коммутируемыми цифровыми линиями являются мультиплексоры ( MUX ).

Широкое распространение в настоящее время получили сети с коммутацией пакетов, в которых применяются следующие сетевые технологии:

·         сети на основе технологии виртуальных каналов (X.25; сети трансляции кадров FR – Frame Relay;

·         сети ATM – Asynchronous Transfer Mode);

·         сети технологии IP, использующие дейтаграммный метод передачи сообщений.

В сетях с коммутацией пакетов могут использоваться технологии виртуальных каналов, применяемые в сетях X.25, Frame Relay, ATM, или технологии передачи дейтаграммных сообщений – сети IP в зависимости от предъявляемых требований.

Технологии виртуальных каналов предусматривают предварительное соединение конечных узлов (источника и назначения), при этом прокладывается маршрут (виртуальный канал), по которому затем передаются данные. Получение данных подтверждается приемной стороной. Технология X.25 ориентирована на ненадежные аналоговые линии связи, поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных (до 48 Кбит/с). Однако данная технология применяется до настоящего времени, например в сетях банкоматов, изза своей высокой надежности при ненадежных линиях. Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25 скорость передачи данных – до 24 Мбит/с. Но линии связи должны быть более надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи данных (155 Мбит/c, 620 Мбит/c, а также 2,4 Гбит/c) обеспечивают сети АТМ. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость.

Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения. Поэтому отдельные части большого сообщения могут передаваться по разным маршрутам, и потеря отдельной части сообщения может остаться незамеченной. Такой метод характеризуется высокой скоростью передачи, но низкой надежностью, поскольку нет подтверждения принятых данных. Высокую надежность обеспечивает протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol). Набор (стек) протоколов TCP/IP обеспечивает компромиссное решение по цене, скорости и надежности передачи данных. Поэтому на базе протоколов TCP/IP создается транспортный уровень мультисервисных сетей следующего поколения NGN с распределенной коммутацией пакетов.

Следует отметить еще одну сетевую технологию, которая стремительно развивается в последнее время, – это технология виртуальных частных сетей (Virtual Private Network – VPN ). Данная технология задействует сеть общего пользования Интернет, в которой формирует защищенные каналы связи с гарантированной полосой пропускания. Таким образом, при экономичности и доступности сети VPN обеспечивают безопасность и качество передаваемых сообщений. Используя VPN, сотрудники фирмы могут получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной (частной) сети компании через Интернет.

1.6          Простейший случай взаимодействия двух компьютеров

В самом простом случае взаимодействие компьютеров может быть реализовано с помощью тех же самых средств, которые используются для взаимодействия компьютера с периферией, например, через последовательный интерфейс RS232C. В отличие от взаимодействия компьютера с периферийным устройством, когда программа работает, как правило, только с одной стороны со стороны компьютера, в этом случае происходит взаимодействие двух программ, работающих на каждом из компьютеров.

Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера его дискам, файлам, принтеру. Она может только «попросить» об этом программу, работающую на том компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемых по каналам связи между компьютерами. Сообщения могут содержать не только команды на выполнение некоторых действий, но и собственно информационные данные (например, содержимое некоторого файла).

Рассмотрим случай, когда пользователю, работающему с текстовым редактором на персональном компьютере А, нужно прочитать часть некоторого файла, расположенного на диске персонального компьютера В (рис. 1.7). Предположим, что мы связали эти компьютеры по кабелю связи через СОМ-порты, которые, как известно, реализуют интерфейс RS232C (такое соединение часто называют нульмодемным). Пусть для определенности компьютеры работают под управлением MSDOS, хотя принципиального значения в данном случае это не имеет.

Рис. 1.7. Взаимодействие двух компьютеров

Драйвер СОМ-порта вместе с контроллером СОМ-порта работают примерно так же, как и в описанном выше случае взаимодействия ПУ с компьютером. Однако при этом роль устройства управления ПУ выполняет контроллер и драйвер СОМ-порта другого компьютера. Вместе они обеспечивают передачу по кабелю между компьютерами одного байта информации. (В «настоящих» локальных сетях подобные функции передачи данных в линию связи выполняются сетевыми адаптерами и их драйверами.)

Драйвер компьютера В периодически опрашивает признак завершения приема, устанавливаемый контроллером при правильно выполненной передаче данных, и при его появлении считывает принятый байт из буфера контроллера в оперативную память, делая его тем самым доступным для программ компьютера В. В некоторых случаях драйвер вызывается асинхронно, по прерываниям от контроллера.

Таким образом, в распоряжении программ компьютеров А и В имеется средство для передачи одного байта информации. Но рассматриваемая в нашем примере задача значительно сложнее, так как нужно передать не один байт, а определенную часть заданного файла. Все связанные с этим дополнительные проблемы должны решить программы более высокого уровня, чем драйверы СОМ-портов. Для определенности назовем такие программы компьютеров А и В приложением А и приложением В соответственно. Итак, приложение А должно сформировать сообщение-запрос для приложения В. В запросе необходимо указать имя файла, тип операции (в данном случае чтение), смещение и размер области файла, содержащей нужные данные.

Чтобы передать это сообщение компьютеру В, приложение А обращается к драйверу СОМ-порта, сообщая ему адрес в оперативной памяти, по которому драйвер находит сообщение и затем передает его байт за байтом приложению В. Приложение В, приняв запрос, выполняет его, то есть считывает требуемую область файла с диска с помощью средств локальной ОС в буферную область своей оперативной памяти, а далее с помощью драйвера СОМ-порта передает считанные данные по каналу связи в компьютер А, где они и попадают к приложению А.

Описанные функции приложения А могла бы выполнить сама программа текстового редактора, но включать эти функции в состав каждого приложения текстовых редакторов, графических редакторов, систем управления базами данных и других приложений, которым нужен доступ к файлам, не очень рационально (хотя существует большое количество программ, которые действительно самостоятельно решают все задачи по межмашинному обмену данными, например Kermit программа обмена файлами через СОМ-порты, реализованная для различных ОС, Norton Commander 3.0 с его функцией Link). Гораздо выгоднее создать специальный программный модуль, который будет выполнять функции формирования сообщений-запросов и приема результатов для всех приложений компьютера. Как уже было ранее сказано, такой служебный модуль называется клиентом. На стороне же компьютера В должен работать другой модуль сервер, постоянно ожидающий прихода запросов на удаленный доступ к файлам, расположенным на диске этого компьютера. Сервер, приняв запрос из сети, обращается к локальному файлу и выполняет с ним заданные действия, возможно, с участием локальной ОС.

Программные клиент и сервер выполняют системные функции по обслуживанию запросов приложений компьютера А на удаленный доступ к файлам компьютера В. Чтобы приложения компьютера В могли пользоваться файлами компьютера А, описанную схему нужно симметрично дополнить клиентом для компьютера В и сервером для компьютера А.

Схема взаимодействия клиента и сервера с приложениями и операционной системой приведена на рис. 1.8. Несмотря на то что мы рассмотрели очень простую схему аппаратной связи компьютеров, функции программ, обеспечивающих доступ к удаленным файлам, очень похожи на функции модулей сетевой операционной системы, работающей в сети с более сложными аппаратными связями компьютеров.

Рис. 1.8. Взаимодействие программных компонентов при связи двух компьютеров

Очень удобной и полезной функцией клиентской программы является способность отличить запрос к удаленному файлу от запроса к локальному файлу. Если клиентская программа умеет это делать, то приложения не должны заботиться о том, с каким файлом они работают (локальным или удаленным), клиентская программа сама распознает и перенаправляет (redirect) запрос к удаленной машине. Отсюда и название, часто используемое для клиентской части сетевой ОС, редиректор. Иногда функции распознавания выделяются в отдельный программный модуль, в этом случае редиректором называют не всю клиентскую часть, а только этот модуль.

1.7          Краткие итоги

· Телекоммуникационная сеть образуется совокупностью абонентов и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи.

· Различают сети: с коммутацией каналов, когда телекоммуникационные узлы выполняют функции коммутаторов, и с коммутацией пакетов (сообщений), когда телекоммуникационные узлы выполняют функции маршрутизаторов.

· Для создания маршрута в разветвленной сети необходимо задавать адреса источника и получателя сообщения. Различают физические и логические адреса.

· Сети передачи данных с коммутацией пакетов подразделяются на локальные и глобальные.

· Сети технологии IP являются дейтаграммными, когда отсутствует предварительное соединение конечных узлов и нет подтверждения приема сообщения.