Історія розвитку комп’ютерних мереж.

© ТНТУ ім. І. Пулюя

Історія розвитку комп’ютерних мереж.

OSI модель

1. Багатотермінальні системи

Перші комп'ютери 50-х років (мейнфрейми) не були призначені для інтерактивної роботи користувача, а використовувались в режимі пакетної обробки. Користувачі підготовляли перфокарти, що містили дані і команди програм, і передавали їх в обчислювальний центр. Оператори вводили ці карти в комп'ютер, а роздруковані результати користувачі одержували зазвичай лише на наступний день.

Історія виникнення комп’ютерних мереж розпочалась на початку 60-х років. В міру здешевлення процесорів з'явилися нові способи організації обчислювального процесу, що дозволили врахувати інтереси користувачів. Почали розвиватися інтерактивні багатотермінальні системи поділу часу між процесами. У таких системах комп'ютер віддавався в розпорядження відразу декільком користувачам. Кожен користувач одержував власний термінал, за допомогою якого він міг вести діалог з комп'ютером.

Застосовуючи інтелектуальні термінали, користувачі могли запускати програми, здійснювати доступ до ресурсів і копіювати файли. Головний комп’ютер повинен був ідентифікувати користувачів і координувати взаємодію користувача з прикладною програмою. 

2. Глобальні мережі

Почалося усе з вирішення простої задачі — доступу до комп'ютера з терміналів, віддалених від нього на багато сотень кілометрів. Термінали з'єднувалися з комп'ютерами через телефонні мережі за допомогою модемів. Такі мережі дозволяли численним користувачам одержувати віддалений доступ до спільних ресурсів декількох потужних комп'ютерів класу суперЕОМ. Потім з'явилися системи, у яких поряд з віддаленними з'єднаннями типу термінал-комп'ютер були реалізовані і віддаленні зв'язки типу комп'ютер-комп'ютер.

Таким чином, хронологічно першими з'явилися глобальні мережі (Wide Area Networks, WAN), тобто мережі, що поєднують територіально розосереджені комп'ютери, що можливо знаходяться в різних містах і країнах.

Власниками каналів глобальних мереж є спеціалізовані організації – оператори зв’язку (провайдери), які надають телекомунікаційні послуги за платню.

Глобальні комп'ютерні мережі багато успадкували від телефонних мереж. Головним результатом створення перших глобальних комп'ютерних мереж стала відмова від принципу комутації каналів, який протягом багатьох десятків років успішно використовувався в телефонних мережах.

Так як, прокладання високоякісних ліній зв'язку на великі відстані є дуже дорогим, то в перших глобальних мережах часто використовувалися вже існуючі канали зв'язку, які були призначені зовсім для інших цілей. Оскільки швидкість передачі цифрових даних по таких каналах була дуже низькою (десятки кілобіт за секунду), набір послуг у глобальних мережах такого типу, зазвичай, обмежувався передачею файлів, (переважно у фоновому режимі) і електронною поштою. Окрім низької швидкості такі канали мали і інший недолік — вони вносили значні завади в передані сигнали. Тому протоколи глобальних мереж, що побудовані з використанням каналів зв'язку низької якості, відрізняються складними процедурами контролю і відновлення даних. Типовим прикладом таких мереж є мережі Х.25.

Прогрес глобальних комп'ютерних мереж багато в чому визначався прогресом телефонних мереж. З кінця 70-х років у телефонних мережах стала застосовуватися передача голосу в цифровій формі. Це привело до появи високошвидкісних цифрових каналів, що з'єднували АТС і дозволяли одночасно передавати десятки і сотні розмов.

Висока якість цифрових каналів змінила вимоги до протоколів глобальних комп'ютерних мереж. На перший план замість процедур забезпечення надійності вийшли процедури забезпечення гарантованої середньої швидкості доставки інформації користувачам, а також механізми пріоритетної обробки пакетів особливо чутливих до затримок. Ці зміни знайшли відображення в нових технологіях глобальних мереж, таких як Frame Relay і ATM.

Сьогодні технології глобальних мереж перебувають на революційному етапі розвитку, що пов’язаний із запровадженням повністю оптичних мереж AON (All Optical Networks).

3. Локальні мережі

Важлива подія, що вплинула на еволюцію комп'ютерних мереж, відбулося на початку 70-х років. У результаті технологічного прориву в області виробництва комп'ютерних компонентів з'явилися великі інтегральні схеми (ВІС). Їх порівняно невисока вартість і відмінні функціональні можливості привели до створення міні-комп'ютерів, що стали реальними конкурентами мейнфреймів. Міні-комп'ютери виконували задачі керування технологічним устаткуванням, складом і інші задачі рівня відділу підприємства. Таким чином, з'явилася концепція розподілу комп'ютерних ресурсів по всьому підприємству.

Локальні мережі (Local Area Networks, LAN) — це об'єднання комп'ютерів, зосереджених на невеликій території, зазвичай в радіусі не більш 1-2 км, хоча в окремих випадках локальна мережа може мати і більшу протяжність, наприклад у кілька десятків кілометрів. У загальному випадку локальна мережа являє собою комунікаційну систему, що належить одній організації.

Спочатку для з'єднання комп'ютерів один з одним використовувалися нестандартні програмно-апаратні засоби. Різноманітні пристрої сполучення, що використовують свій власний спосіб представлення даних на лініях зв'язку, свої типи кабелів і т.п., могли з'єднувати тільки ті конкретні моделі комп'ютерів, для яких вони були розроблені.

У середині 80-х років стан справ у локальних мережах кардинально змінився. Утвердилися стандартні технології об'єднання комп'ютерів у мережу: Ethernet, Arcnet, Token Ring, трохи пізніше — FDDI. Потужним стимулом для їхньої появи послужили персональні комп'ютери. Усі стандартні технології локальних мереж опиралися на принцип комутації пакетів, який був з успіхом випробуваний і довів свої переваги при передачі трафіка даних у глобальних комп'ютерних мережах.

4. Зближення локальних і глобальних мереж

Наприкінці 80-х років відмінності між локальними і глобальними мережами виявлялися дуже чітко:

· Довжина і якість ліній зв'язку. Локальні комп'ютерні мережі по визначенню відрізняються від глобальних мереж невеликими відстанями між вузлами мережі. Це в принципі робить можливим використання в локальних мережах більш якісних ліній зв'язку.

· Складність методів передачі даних. Через низьку надійність фізичних каналів загального призначення глобальні мережі вимагають більш складних, ніж у локальних мережах, методів передачі даних і відповідного устаткування.

· Швидкість обміну даними в локальних мережах (10, 16 і 100 Мбіт/с) у той час була вища, ніж у глобальних (від 2,4 Кбіт/с до 2 Мбіт/с).

· Маштабованість. Локальні мережі володіють поганою маштабованністю через жорсткість базових топологій, що визначають спосіб підключення станцій і довжину лінії. Глобальним мережам властива гарна маштабованість, тому що вони споконвічно розроблялися в розрахунку на роботу з довільними топологіями і як завгодно великою кількістю абонентів.

Поступово розходження між локальними і глобальними мережами стали згладжуватися. Великий внесок у зближення локальних і глобальних мереж внесло домінування протоколу IP. Цей протокол сьогодні використовується поверх будь-яких технологій локальних і глобальних мереж — Ethernet, Token Ring, ATM, frame relay – для створення з різних підмереж єдиної складної мережі.

Також, з'являються нові технології, що призначені для обох видів мереж. Яскравим представником нового покоління технологій є технологія ATM, що може бути основою як глобальних, так і локальних мереж, ефективно поєднуючи всі існуючі типи трафіку в одній транспортній мережі. Іншим прикладом може служити сімейство технологій Ethernet, що має явні “локальні” корені. Новий стандарт Ethernet 10G дозволяє передавати дані зі швидкістю 10 Гбіт/с і призначений для магістралей як глобальних, так і великих локальних мереж.

Одним із проявів зближення локальних і глобальних мереж є поява мереж масштабу великого міста, що займають проміжне положення між локальними і глобальними мережами. Міські мережі, чи мережі мегаполісів (Metropolitan Area Networks, MAN), призначені для обслуговування території великого міста. Ці мережі використовують цифрові лінії зв'язку, часто оптоволоконні, зі швидкостями на магістралі від 155 Мбіт/с і вище.

 

5. Основні організації, що займаються стандартизацією

комп’ютерних мереж

Найбільш відомими організаціями по стандартизації є наступні організації:

Міжнародна Організація по Стандартизації (International Organization for Standardization, ISO) забезпечує розробку і підтримку глобальних стандартів у сфері комунікацій і обміну інформацією. Цій організації належить еталонна модель OSI.

Інститут Інженерів по Електротехніці й Електроніці (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) професійна організація, що розробляє власні стандарти для мереж. Стандарти LAN, розроблені IEEE (включаючи IЕЕЕ 802.3 і IEEE 802.5), є ведучими стандартами LAN в усьому світі.

Американський Національний Інститут Стандартизації (American National Standards Institute, ANSI) координуючий орган добровільних груп по стандартизації в межах США. Найбільш відомим стандартом ANSI по комунікаціях є FDDI.

Асоціація Електронної Промисловості (Electronic Industries Association, EIA). Організація, що об'єднує виробників електронного устаткування зі штаб-квартирою у Вашингтоні. Основна задача асоціації – розробка електричних і функціональних специфікацій інтерфейсного устаткування. Найвідомішим стандартом EIA є RS-232.

Міжнародний Консультативний Комітет з Телеграфії і Телефонії (International Consultative Committee for Telegraphy and Telephony, CCITT). Міжнародна організація, що розробляє стандарти по зв'язку. Найбільш відомим стандартом CCITT є X.25.

Рада по Регуляції Роботи Internet (Internet Activities Board, IAB). Ця рада визначає основну політику в області Internet. Найвідоміші розробки –  TCP/IP і SNMP.

6. OSI модель

6.1. Функції рівнів OSI моделі

На ранніх етапах розвитку мереж розроблялись приватні вирішення для організації робіт в локальній мережі. Різні виробники були зацікавлені в розробці мережі, що максимально враховувала б їх потреби.  Цей процес був настільки стихійним, що з середини 80-х років виробники почали відчувати зростаючий тиск глобалізації мережі і усвідомили її неможливість через використання різних протоколів зв’язку.

Для вирішення проблеми сумісності мереж та для наглядності передачі даних в мережі, Міжнародна Організація по Стандартизації (ISO) в 1984 році створила багаторівневу модель OSI (Open System Interconnection).

OSI модель використовується для відображення механізму передавання даних від прикладних програм, через фізичне мережеве середовище до інших програм, що розташовані на інших комп‘ютерах. В моделі OSI є сім рівнів, кожен з яких відображає певну мережеву функцію. Поділ на сім рівнів забезпечує наступне:

·         Розбиває мережу на прості складові. Модульність.

·         Стандартизує мережеве апаратне та програмне забезпечення різних виробників і забезпечує їх сумісність між собою.

·         Зменшує час налагодження мережі, за рахунок запобігання змінам на усіх рівнях при зміні в одному з них.

·         Спрощує вивчення мережевих технологій.

1.     Фізичний рівень (physical layer). Визначає електротехнічні, механічні, процедурні і функціональні характеристики активації, підтримки і дезактивації фізичного каналу між кінцевими системами. Специфікації фізичного рівня визначають такі характеристики, як рівні напруг, швидкість передачі інформації, максимальні відстані передачі даних, фізичні з'єднувачі й інші характеристики. Цей рівень забезпечує передавання та приймання потоків бітів. Він використовує фізичні засоби типу скрученої пари дротів, коаксіального та оптоволоконного кабелів.

2.    Канальний рівень (data link layer). Призначений для передавання кадрів (frames) через одне фізичне сполучення. Заголовок кадрів містить апаратні адреси відправника та отримувача. Типовими функціями канального рівня є перевірка доступності середовища передавання, виявлення та виправлення помилок, опис топології та технології мережі. Прикладами протоколів канального рівня є Ethernet, Token Ring, FDDI. 

3.    Мережевий рівень (network layer). Мережевий рівень забезпечує вибір шляху між двома хостами, що розташовані в географічно розділених мережах. На цьому рівні реалізується маршрутизація інформації, тобто вибираються шляхи передачі блоків інформації залежно від логічної адреси призначення та інших характеристик. Протокольні одиниці даних на мережевому рівні називають пакетами (packets). Заголовок пакетів містить логічні адреси відправника та отримувача. Прикладами протоколів мережевого рівня є IP, RIP, OSPF і ін.

4.    Транспортний рівень (transport layer). Транспортний рівень сегментує дані від хоста, який їх надсилає, і конвертує у потоки даних на приймаючих хостах. Межа між сеансовим і транспортним рівнями – це межа між апаратними і програмними протоколами. Тобто 5-7-й рівні, пов’язані з прикладними програмами а 1-3-й з фізичною передачею даних. Транспортний рівень відповідає за надійне транспортування інформації між двома хостами. При налагодженні зв’язку транспортний рівень встановлює, підтримує і розриває віртуальні кола. Прикладами протоколів транспортного рівня є TCP та UDP.

5.    Сеансовий рівень (session layer). Сеансовий рівень встановлює, керує і розриває сеанси зв’язку між двома хостами. Функціями цього рівня також є синхронізація діалогу між двома рівнями відображення, керування обміном даними, створення умов для ефективної передачі даних, повідомлення про помилки 5-7 рівнів. Функції сеансового рівня об’єднуються з функціями прикладного рівня і реалізується в одному протоколі.

6.    Рівень відображення (Presentation layer). Гарантує, що інформація, яка надійшла з 7-го рівня одного комп’ютера буде коректно розпізнана сьомим рівнем іншого. При потребі рівень відображення приводить різні формати даних до одного універсального. На цьому рівні виконуються такі функції як стискання та кодування даних.

7.    Прикладний рівень (Application layer). Це найближчий до користувача рівень. Він забезпечує програми користувачів мережевими службами. Відрізняється від інших рівнів тим, що не взаємодіє з іншими рівнями, а лише з прикладними програмами, які є за межами OSI моделі.

6.2. Інкапсуляція даних

Інкапсуляція даних – це процедура формування пакету даних, при якій дані на певному рівні доповнюються заголовками, закінченнями та іншою інформацію з протоколів вищого рівня. На кожному рівні OSI моделі проводиться інкапсуляція даних наступного, більш вищого рівня, при переміщенні потоку даних вниз по OSI моделі. Передача даних в мережі відбувається від джерела до адресату. Якщо один хост хоче передати дані іншому, то вони повинні бути упаковані процесом, що називається інкапсуляція.

Кожен рівень використовує власний протокол для з’єднання з однаковим за призначенням протоколом в іншій системі. Для обміну інформацією між собою рівні використовують протокольні одиниці даних (PDU – Protocol Data Unit). Служби нижчих рівнів використовують інформацію верхніх рівнів як частину власного PDU для обміну з аналогічним рівнем іншої моделі.

Процес інкапсуляції складається з наступних етапів:

1.    Інформація користувача перетворюється в дані (data).

2.    Для надійності передачі інформації дані на транспортному рівні формуються у сегменти (segments).

3.    Сегменти на мережевому рівні перетворюються в пакети (packets), що містять заголовки з логічними (ІР) адресами відправника та отримувача. Ці адреси допомагають мережевим пристроям надсилати інформацію в потрібну мережу по вибраному шляху.

4.    З пакетів на канальному рівні формуються кадри (frames), що містять заголовки з фізичними (МАС) адресами відправника та отримувача. Ці адреси забезпечують однозначну ідентифікацію хостів в сегменті мережі.

5.    З кадрів на фізичному рівні утворюється потік бітів (bits) для передачі через фізичне середовище.

Коли потік одиниць та нулів досягне адресату, дані будуть підняті вверх по рівням OSI моделі.  При цьому, при передачі інформації на верхні рівні OSI моделі хоста отримувача з пакету даних буде відніматись інформація (заголовки) з протоколів нижніх рівнів. Такий процес називається деінкапсуляцією.