Развития вычислительной техники. Электроника и наноэлектроника

1. Курс «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ»

Лекция №2
Развития вычислительной техники.
Электроника и наноэлектроника
29.09.2014
Воробьев Евгений Сергеевич

2. История развития ВТ

Сейчас развития нашего общества невозможно представить
себе без использования современной вычислительной и
компьютерной техники, высоких компьютерных технологий.
Вычислительная техника в ХХ веке сделала громадный
рывок в своем развитии от громоздких ламповых элементов,
потребляющих для своей работы гигантское количество
энергии до современных компактных ПК и NOTEBOOK.

3. Предпосылки зарождение ВТ, системы счисления

Потребность в быстром счете создала потребность и в ВТ.
Десятичный счет возник на основе 10 пальцев, что и было
основой для создания первых вычислительных устройств (абак,
счеты).
При создании электронной ВТ основной системой счисления
стала двоичная система. Это связано с аппаратной реализацией
решений, представить два уровня сигнала легче всего «0» нет «1»
есть, примем опорный сигнал в 5 в и будем считать, что все что
ниже 2 в это нуль, а выше 3 в это 1. Хотя были проекты ЭВМ на
троичной системе счисления, что увеличивало производительность
машины в 1,5 раза, но создавало сложность в распознании
сигналов.
Представления чисел в машинном виде было привязано к
размеру адресной шины – были 8-ричные числа, потом 16-ричные
числа, что расширяло возможности машины и повышало точность.

4. Этапы развития ВТ

Ручные устройства - с 50-го тысячелетия до н.э. до 20 века
Механический устройства - с середины XVII века до середины
20 века
Электромеханический устройства- с 90-х годов XIX века до
середины 20 века
Электронный устройства - с 40-х годов XX века по настоящее
время

5. Ручные счетные устройства

Ручные счетные устройства
Счеты - первый истинный предшественник счетных машин и
компьютеров. Вычисления на них проводились с помощью
перемещения счетных костей и камешков (калькулей) в
углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости.
Абак
Китайский суан-пан
Русские счеты

6. Счетное устройство Непера

В начале 17 века шотландский математик Джон Непер изобрел
математический набор, состоящий из брусков с нанесенными на
них цифрами от 0 до 9 и кратными им числами. Для умножения
какого-либо числа два бруска располагали рядом так, чтобы
цифры на торцах составляли это число. На боковых сторонах
брусков после несложных вычислений можно увидеть ответ.
Джон Непер

7. Логарифмическая линейка

Логарифмическая линейка была изобретена в 1623 году
английским математиком Э. Гантером вскоре после открытия
логарифмов.
Логарифмическая линейка - инструмент для несложных
вычислений, с помощью которого операции над числами
(умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня)
заменяются операциями над логарифмами этих чисел.
Логарифмическая линейка - простой и удобный счетный
инструмент для инженерных расчетов.

8. Механический счетные устройства

Проект одной из первых
механических суммирующих машин
был разработан немецким ученым
Вильгельмом Шиккардом.
Эта шестиразрядная машина была
построена предположительно в 1623
году. Однако это изобретение
оставалось неизвестным до
середины двадцатого столетия,
поэтому никакого влияния на
развитие вычислительной техники не
оказало.

9. Суммирующая машина Паскаля

В 1642 году Блез Паскаль сконструировал устройство,
механически выполняющее сложение чисел, в 1645 году было
налажено серийное производство этих машин. С ее помощью
можно было складывать числа, вращая колесики с делениями от 0
до 9, связанные друг с другом. Были отдельные колесики для
единиц, десятков, сотен. Машина не могла выполнять никаких
других арифметических действий, кроме сложения.
Изобретенный Паскалем принцип связанных колес стал основой
для вычислительных устройств следующих трех столетий.

10. Калькулятор Лейбница

В 1673 году Лейбниц изготовил
механический калькулятор. В машине
Лейбница использовался принцип связанных
колец суммирующей машины Паскаля, но
Лейбниц ввел в нее подвижный элемент,
позволивший ускорить повторение
операции сложения,
необходимое при перемножении чисел. Вместо
колесиков и приводов в
машине Лейбница находились цилиндры с нанесенными на них цифрами.
Каждый цилиндр имел девять рядов
выступов или зубцов.

11. Арифмометры

Арифмометр (от греч. - число) - настольная вычислительная
машина с ручным приводом для выполнения арифметических
действий сложения, вычитания, умножения и деления.
Арифмометр снабжен механизмом для установки и переноса
чисел в счетчик, счетчиком оборотов, счетчиком результата,
устройством для гашения результата, ручным или электрическим
приводом. Арифмометр эффективен при выполнении операций
умножения и деления.
В течение многих десятков лет он был самой распространенной
вычислительной машиной. С развитием вычислительной техники
арифмометры были вытеснены электронными
микрокалькуляторами.

12. Арифмометры

Первый
арифмометр
Арифмометр «Феликс»
(русская конструкция)
Арифмометр Resulta

13. Табулятор Холлерита

В 1888 году Холлерит сконструировал электромеханическую
машину, которая могла считывать и сортировать статистические
записи, закодированные на перфокартах. Эта машина, названная
табулятором, состояла из реле, счетчиков, сортировочного ящика.
В 1890 году изобретение Холлерита было впервые использовано в
11-й американской переписи
населения. Успех вычислительных
машин с перфокартами был
феноменален. То, чем за десять
лет до этого 500 сотрудников
занимались в течение семи лет,
Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных
машинах за 4 недели.

14. Разностная машина Бэббиджа

Разностная машина Бэббиджа — вычислительная машина
британского математика Чарльза Бэббиджа, предназначенная для
автоматизации вычислений путем аппроксимации функций
многочленами и вычисления конечных разностей.

15. Электромеханические устройства

Конрад Цузе – один из пионеров компьютеростроения, строивший программируемые машины
в середине 20 века. Характерной особенностью
этих машины было то, что для переключения
использовались не реле,
Частота
1 Гц
а металлические пластины.
Обработка чисел с
Вычислительн
плавающей запятой, длина
Характеристики Z1
ый блок
машинного слова — 22 бита
Средняя
скорость
вычислений
Умножение — 5 секунд
Ввод данных
Клавиатура, устройство
считывания с перфоленты
Вывод данных
Ламповая панель
(десятичное представление)
Память
64 слова по 22 бита
Вес
Около 500 кг

16.

Реализация
Реле, память —
металлические пластины
Частота
30 Гц
Обработка чисел с
Вычислитель
плавающей запятой, длина
ный блок
машинного слова — 32 бита
Средняя
11 операций умножения в
скорость
секунду
вычислений
Десятичная клавиатура,
Ввод данных устройство считывания с
перфоленты
Вывод
данных
Печатная машинка марки
"Mercedes"
Память
64 слова по 22 бита
Вес
Около 1000 кг
Модель Z4

17. Электронные вычислительные устройства

В 1943 г появилась первая электронная вычислительная машина
(ЭВМ) Mark1. За этот короткий для развития общества период
сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые
ЭВМ сегодня являются музейной редкостью.
ЭВМ у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна быстрота смены поколений - за ее
короткую историю развития уже успели смениться 4 поколения и
сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения.
Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ
к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база
(из каких в основном элементов они построены), и такие важные
характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы
управления и переработки информации.

18.

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)— первая в мире ЭВМ,
созданная в США в 1946 году.
Вес машины составлял 30 тонн, она размещалась на 170 кв. м площади.
Комплекс включал 17 468 электронных ламп, 7200 кремниевых диодов,
1500 реле, 10 000 конденсаторов, 70 000 резисторов и около 5 000 000
ручных переключателей. Оперативная память была реализована на
электронных лампах и вмещала 20 десятичных слов. Производительность
составляла 300 умножений или 5000 сложений в секунду.
Ввод/вывод данных осуществлялся через перфокарты, программирование
— путём ручной установки переключателей в нужные положения. Для того
чтобы задать новую программу, требовались недели.
Благодаря ENIAC компьютерный язык получил новый термин. Дело в том,
что лампы часто перегорали из-за жучков, которые заползали внутрь
системы, привлеченные теплом и свечением. Термин «жучки» (bugs), под
которым подразумевают ошибки в программных и аппаратных средствах
компьютеров, возник именно тогда.
ЭНИАК существовал в единственном экземпляре и никогда не был
повторен.

19. ENIAC

20. Первое поколение ЭВМ 1946 — 1953 гг.

Элементной базой машин этого поколения были электронные
лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения
сравнительно несложных научно-технических задач.
К этому поколению ЭВМ в СССР можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1,
“Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь“ (на троичной системе),
БЭСМ-2, "Раздан".
Они были значительных размеров, потребляли большую
мощность, имели невысокую надежность работы и слабое
программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3
тысяч операций в секунду, емкость
оперативной памяти—2 КВ .
Электронные
лампа

21. Первое поколение ЭВМ 1948 — 1953 гг.

МЭСМ-1
БЭСМ-2
Сетунь

22. Перфокарты

23. Второе поколение ЭВМ 1953 — 1959 гг.

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Их появление в электронных схемах
существенно увеличило емкость оперативной памяти,
надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились
размеры, масса и потребляемая мощность.
С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за
счет развития программного обеспечения. Появились
специализированные машины для решения экономических задач, для управления производственными
процессами, системами передачи информации и т.д.
Именно в этот период возникла профессия специалиста по
информатике, и многие университеты стали готовить специалистов
в этой области знаний.

24. Второе поколение ЭВМ 1953 — 1959 гг.

БЭСМ-6
Минск
Терминал
ввода-вывода
данных

25. Перфоленты

26. Третье поколение ЭВМ 1959 — 1970 гг.

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС). Машины
предназначались для широкого использования в различных областях
науки и техники (проведение расчетов, управление производством,
подвижными объектами и др.).
Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить
технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Машины третьего
поколения в сравнении с предыдущим поколением имели больший
объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась
надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса
уменьшились.

27. Третье поколение ЭВМ 1959 — 1970 гг.

Единая система ЭВМ
(ЕС ЭВМ)
IBM-360

28. ЕС ЭВМ

Процессор
Дисковод
Пульт управления
Накопители

29. Магнитная лента

30. Четвертое поколение ЭВМ 1970 — 1974 гг.

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС).
Машины предназначались для резкого повышения
производительности труда в науке, производстве, управлении,
здравоохранении, обслуживании и быту.
Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности
компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности,
что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее
стоимости.

31. Дискеты

5,25 дюймов
8 дюймов
Дискета 3,5 дюйма

32. Пятое поколение ЭВМ 1974 - …гг.

В 1974 году несколько фирм объявила о создании на основе
микропроцессора
Intel-8008
компьютера,
т.е.
устройства
выполняющего те же функции, что и большая ЭВМ.
В начале 1975 года появился первый коммерчески
распространенный
компьютер,
построенный
на
основе
микропроцессора Intel - 8080.
Альтаир 8800
Apple 1 - один из первых
персональных компьютеров
(1976)

33.

Электроника Д3-28 — настольная
вычислительная система,
занимающая промежуточное
положение между персональными
компьютерами и
программируемыми
калькуляторами.

34. Первые комплектные компьютеры

Apple 2
Apple 3

35. Портативные персональные компьютеры

Портативные персональные компьютеры (переносные
компьютеры) — компьютеры, имеющие небольшие габаритные
размеры и вес, совмещающие в себе как внутренние элементы
системного блока, так и устройства ввода-вывода.
Первым портативным
персональным компьютером
называют Osborne-1 (1981). Его
процессор ZiLOG Z80A, 64 Кбайт
оперативной памяти, клавиатура,
модем, два дисковода 5,25-дюйма
помещались в складном
чемоданчике. Все это весило свыше
10 кг.

36. IBM PC

В 1980 году руководство IBM приняло решение о создании
персонального компьютера. При его конструировании применен принцип
открытой архитектуры: составные части были универсальными, что
позволяло модернизировать компьютер по частям.
Появление IBM PC в 1981 году породило лавинообразный спрос на
персональные компьютеры, которые стали теперь орудием труда людей
самых разных профессий. Наряду с этим возник гигантский спрос на
программное обеспечение и компьютерную периферию. На этой волне
возникли сотни новых фирм, занявших свои ниши компьютерного рынка.

37. Современные носители информации

Жесткий диск
Flash-диск
CD- и DVD-диски
USB-жесткий диск

38. Перспективы развития ВТ

В настоящее время практически достигнет предел уменьшения
элементной базы ЭВМ, которая начинает быть соизмеримой с
максимальным кол-вом атомов в микроэлементах СБИС.
Размеры материнских плат становятся определяющими по
скорости обмена информацией между её компонентами.
Плотная компоновка элементов требует интенсивного
теплоотвода для их охлаждения.

39.

Эволюция размеров элементов
Уменьшение размеров элементов на кристалле
ведёт к уменьшению напряжения питания, что в
свою очередь снижает энергопотребление и
увеличению скорости работы,
а также плотности размещения
элементов на кристалле.
2011 год
22 нм
2013 год
14 нм
2018 год
• 10 нм
2009 год
45 нм
2006
год
65 нм
Норма технологического процесса производства
полупроводниковых кристаллов

40. Эффективность перехода на меньшие размеры

Спроектированный в Intel по 45-нм нормам транзистор примерно на 20%
опережает своего 65-нм собрата по скоростным характеристикам и
оказывается примерно на 30 % экономичнее с точки зрения затрат энергии
на переключение.
Согласно оценкам компании производительность 22-нм Tri-Gate
транзисторов на 37 % выше производительности планарных 32-нм структур.
При этом энергопотребление у новинок до 50 % меньше.
Рис. 4.2. Вид транзисторов под микроскопом
Картинка, иллюстрирующая идеальные внутренние структуры интегральной схемы:
четыре слоя медной металлизации, поликремний (розовый),
колодцы (серый), подложка (зелёный)

41.

Близок рубеж, за которым кремниевая технология не сможет
обеспечить прогресс в быстродействии обработки и плотности
хранения информации. Размер атома имеет порядок десятых долей
нм, а принципы работы кремниевых транзисторов рассчитаны на
структуры, как минимум, в несколько атомных слоев. Поэтому
сегодняшние проектные нормы в 10 нм близки к этому рубежу.
Среди традиционных подходов можно назвать создание
китайским ученым Вэйсяо Хуан (Weixiao Huang) первого в мире
транзистора на основе нитрида галлия GaN. По своим
характеристикам транзистор значительно превосходит
используемые сегодня кремниевые аналоги и может работать в
самых экстремальных условиях. Разработанная Хуаном технология
позволяет интегрировать на один чип несколько функций, что
невозможно осуществить, используя кремний. Поэтому переход с
кремниевых транзисторов на GaN-транзисторы мог бы значительно
упростить электронные схемы. Кроме того это позволит
существенно уменьшить энергопотребление.

42.

Интенсивный поиск «наследника кремния» ведётся среди наноструктур на основе углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки,
наноспирали, нанопровода, графеновые пленки и прочие.
Графен – это пленка углерода толщиной в один атом,
имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру.
Графен обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами, отличается
высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в
графене в 10–20 раз выше, чем в арсениде галлия, что позволяет
рассчитывать на получение приборов, работающих на частотах
вплоть до 100 ГГц и выше.

43.

Углеродная нанотрубка – цилиндрическая молекула, состоящая
из атомов углерода, имеющая форму цилиндра диаметром около 1
нм и длину от одного до сотен мкм, внешне выглядит как свернутая
в цилиндр графитовая плоскость.
Нанотрубки обладают уникальными
электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как
проводниками, так и полупроводниками.
Нанотрубки находят все большее
применение в микроэлектронике, они
используются для создания диодов и полевых транзисторов.
Другое применение нанотрубок – это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Non volatile Random
Access Memory)

44. Благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны, информация, закодированная оптическим

Оптические технологии
Благодаря тому, что в качестве носителей информации
используются фотоны, а не электроны, информация,
закодированная оптическим лучом, может передаваться с
микроскопическими затратами энергии.
Оптические технологии в вычислительной технике пока
ещё применяются в двух сферах:
– в сетевой для создания магистральных каналов
используются волоконно-оптические линии связи;
– для соединения узлах суперкомпьютеров, где
необходима сверхбыстрая передача очень больших
объёмов данных.

45. Преимущества оптической технологии:

•возможность использовать совершенно разные среды
для передачи, хранения и обработки информации;
•возможность обработки информации во время ее
передачи через оптическую систему, которая реализует
вычислительную среду;
•возможность передавать информацию, которая
закодирована оптическим лучом, практически без потерь
энергии;
•отсутствие вероятности перехвата информации (по
оптической технологии в окружающую среду ничто не
излучается).

46.

В 2003 году компания Lenslet (Израиль) создала первый в мире оптический
процессор. Процессор называется EnLight256, его производительность составляет
8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду). Высокая
производительность достигается за счёт манипуляции потоков света, а не
электронов.
Этот процессор является первым оптическим DSP (Digital Signal Processor),
который в три раза превосходит лучшие электронные DSP. Если говорить
правильнее, EnLight256 - это гибридный оптический процессор, содержащий
преобразователи. Создать полностью оптический компьютер пока слишком
дорого.
Ядро этого процессора – оптическое, а входная и выходная информация
представляется в традиционном электронном виде. Ядро состоит из 256-ти VCSELлазеров (вертикально-излучающий лазер), пространственного модулятора света,
набора линз и приемников. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix
Multiplication) и ядро процессора конвертирует электрическую информацию в
свет, затем производятся необходимые преобразования этой информации при
прохождении свет через программируемую внутреннюю оптику. Свет, который
появляется на выходе, воспринимается множеством датчиков и преобразуется
снова в электрический сигнал.

47. Квантовые вычислительные системы

Эти системы по своей вычислительной мощности в миллионы
раз превосходят современные компьютеры. Их энергозатраты на
единицу обработанной информации ожидаются мизерными.
Реально это могут быть элементы памяти, вычислительные
элементы соизмеримые с размерами молекул.
Ведутся работы по созданию квантовых компьютеров. Их
принципиальным отличием от современных компьютеров является
использование так называемых квантовых битов (кубитов) вместо
двоичной системы представления информации в виде 0 и 1.
Кубиты, в отличие от битов - единичных ячеек информации в
современных компьютерах - могут не только находиться в одно и то
же время в двух различных состояниях (0 и 1), но и испытывать
состояние так называемого квантового запутывания (суперпозиции)
– находиться одновременно в состоянии «0» и «1».

48. Технологиях, стоящих уже на пороге

Магнитооптические технологии хранения данных, которые
приведут к появлению накопителей высокой емкости, которые
будут работать на скоростях, в тысячи раз превышающих
существующие и имеющих при этом более высокую надежность и
низкую энергоемкость.
Технологии беспроводного электропитания (Wireless Resonant
Energy Link (WREL)).
Перспективным направлением развития электронных дисплеев
могут стать устройства, позволяющие при помощи лазерного луча
малой мощности проецировать изображение непосредственно на
сетчатку глаза или в пространство.
IBM представила первые в мире когнитивные вычислительные
чипы, называемые иногда «cognizers», воспроизводящие функции
нейронов и синапсов мозга человека.

49. Курс «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ»

Лекция №5
Сетевые технологии передачи данных
01.09.2014
Воробьев Евгений Сергеевич

50.

Развитие компьютерных сетей сопряжено с развитием вычислительной техники и телекоммуникаций. Компьютерные сети могут
рассматриваться как средство передачи информации на большие
расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и
мультиплексирования данных, получившие развитие в различных
телекоммуникационных системах.
Эволюция
телекоммуникаций
Эволюция
компьютерных
сетей
Эволюция
вычислительной
техники

51.

Хронология важнейших событий из истории развития
компьютерных сетей:
Этап
Первые глобальные связи компьютеров, первые
эксперименты с пакетными сетями
Начало передач по телефонным сетям голоса в цифровой
форме
Появление больших интегральных схем, первые миникомпьютеры, первые нестандартные локальные сети
Время
Конец 60-х
Конец 60-х
Начало 70-х
Создание сетевой архитектуры IBM SNA
1974
Стандартизация технологии Х.25
1974
Появление персональных компьютеров, создание Интернета Начало 80-х
в современном виде, установка на всех узлах стека TCP/IP
Появление стандартных технологий локальных сетей
Середина
(Ethernet — 1980 г., Token Ring, FDDI — 1985 г.)
80-х
Начало коммерческого использования Интернета
Конец 80-х
Изобретение Web
1991

52.

Системы пакетной обработки
Первые компьютеры 50-х годов — большие, громоздкие и дорогие
— предназначались для очень небольшого числа избранных
пользователей. Такие компьютеры применялись в режиме пакетной
обработки.
Системы пакетной обработки строились на базе мэйнфрейма —
мощного компьютера универсального назначения. Пользователи
подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды
программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы
вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты
пользователи получали обычно только на следующий день. Одна
неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку.
Для пользователей интерактивный режим работы был бы удобней.
Но интересами пользователей пренебрегали. Во главу угла
ставилась эффективность работы самого дорогого устройства
вычислительной машины — процессора.

53.

54.

Многотерминальные системы — прообраз сети
Удешевления процессоров в 60-х года позволило организовать
вычислительный процесс с учетом интересов пользователей.
Появились интерактивные многотерминальные системы. Каждый
пользователь получал собственный терминал, с помощью которого
он мог вести диалог с компьютером. Количество одновременно
работающих с компьютером пользователей определялось его
мощностью.
Терминалы постепенно рассредоточились по всему предприятию. И
хотя вычислительная мощность оставалась полностью в центре,
часть функции (ввод и вывод данных) стали распределенными.
Такие многотерминальные централизованные системы были
первыми прообразами локальные вычислительные сети.

55.

56.

Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом
воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу
за подключенным к сети персональным компьютером. Он получает
доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у
него поддерживается полная иллюзия единоличного владения
компьютером со свей его периферией.
Однако до появления локальных сетей было еще далеко, так как
многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты
распределенных систем, все еще поддерживали централизованную
обработку данных.
К тому же потребность предприятий в создании локальных сетей
еще не созрела —из-за высокой стоимости ВТ предприятия не
могли себе позволить роскошь приобретения нескольких
компьютеров. В то время производительность компьютера была
пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за
одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину,
чем две менее мощных.

57.

Первые глобальные компьютерные сети
Потребность в соединении компьютеров, находящихся на
большом расстоянии друг от друга, к этому времени уже вполне
назрела. Началось все с решения более простой задачи — доступа к
компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то
и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами
через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли
многочисленным пользователям получать удаленный доступ к
разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров.
Затем появились системы, в которых наряду с удаленными
соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и
удаленные связи типа компьютер-компьютер.
Компьютеры получили возможность обмениваться данными в
автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым
признаком любой вычислительной сети.

58.

На основе подобного механизма в первых сетях были
реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных,
электронной почты и другие ставшие теперь традиционными
сетевые службы.
Хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area
Network, WAN), то есть сети, объединяющие территориально
рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в
различных городах и странах.
Именно при построении глобальных сетей были впервые
предложены и отработаны многие основные идеи, лежащие в
основе современных вычислительных сетей, многоуровневое
построение коммуникационных протоколов, концепции
коммутации и маршрутизации пакетов.
Глобальные компьютерные сети многое унаследовали от старых
и распространенных глобальных сетей — телефонных. Главное
новшество, которое принесли с собой глобальные компьютерные
сети, состоял в отказе от принципа коммутации каналов.

59.

Обычное модемное
подключение занимало всю
линию, преобразуя цифровой
сигнал в аналоговый и
обратно. Программа TelNet
ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line —
Асимметричная цифровая
абонентская линия) входит
в число технологий
высокоскоростной передачи
данных, известных как
технологии xDSL.

60.

Выделяемый на все время сеанса связи телефонный канал,
передающий информацию с постоянной скоростью, не мог
эффективно использоваться пульсирующим трафиком
компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена
чередуются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты
и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в
значительной степени не чувствительный к задержкам
компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями,
работающими по принципу коммутации пакетов, когда данные
разделяются на небольшие порции (пакеты), которые
самостоятельно перемещаются по сети благодаря наличию адреса
конечного узла в заголовке пакета.

61.

Прокладка высококачественных линий связи обходится очень
дорого, первые сети использовали уже существующие каналы
связи. Например, глобальные сети строились на основе телефонных
каналов, способных в каждый момент времени вести передачу
только одного разговора в аналоговой форме. Скорость передачи
дискретных компьютерных данных по таким каналам была очень
низкой (десятки килобитов в секунду), поэтому набор услуг обычно
ограничивался передачей файлов (преимущественно в фоновом
режиме) и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие
каналы вносят значительные искажения в передаваемые сигналы.
Поэтому протоколы, построенных с использованием каналов связи
низкого качества, отличаются сложными процедурами контроля и
восстановления данных. Типичным примером таких сетей являются
сети Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскоростные
аналоговые каналы, арендуемые у телефонных компаний, были
преобладающим типом каналов, соединяющих компьютеры и
коммутаторы глобальной вычислительной сети.

62.

В 1969 году министерство обороны США инициировало работы
по объединению в единую сеть суперкомпьютеров оборонных и
научно-исследовательских центров. Эта сеть, получившая название
ARPANET, стала отправной точкой для создания первой и самой
известной ныне глобальной сети — Интернет.
ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие
под различными операционных систем (ОС), имели дополнительные модули, реализующие коммуникационные протоколы, общие
для всех компьютеров сети. Эти ОС можно считать первыми
сетевыми операционными системами. Они в отличие от многотерминальных позволяли не только рассредоточить пользователей, но
и организовать распределенные хранение и обработку данных
между компьютерами. Любая сетевая ОС, с одной стороны,
выполняет функции локальной ОС, а с другой стороны, обладает
некоторыми дополнительными средствами, позволяющими ей
взаимодействовать через сеть с операционными системами других
компьютеров.

63.

Программные модули, реализующие сетевые функции,
появлялись в ОС постепенно, по мере развития сетевых технологий,
аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач,
требующих сетевой обработки.
Прогресс глобальных компьютерных сетей определялся
прогрессом телефонных сетей. С конца 60-х годов в телефонных
сетях стала применяться передача голоса в цифровой форме.
Это привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов,
соединяющих автоматические телефонные станции (АТС) и
позволяющих одновременно передавать десятки и сотни
разговоров.
К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и
качеству предоставляемых услуг догнали локальные сети, которые
долгое время лидировали в этом отношении, хотя и появились на
свет значительно позже.

64.

Первые локальные компьютерные сети
В начале 70-х годов в результате технологического прорыва в
области производства компьютерных компонентов появились
большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая
стоимость и хорошие функциональные возможности привели к
созданию мини-компьютеров, которые стали реальными
конкурентами мэйнфреймов. Так как десяток мини-компьютеров,
имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм, решали некоторые задачи
(как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее.
Даже небольшие 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 одной организации
по-прежнему продолжали работать автономно:

65.

1 отдел
N отдел
Шло время, и потребности пользователей вычислительной
техники росли. Их уже не удовлетворяла изолированная работа на
собственном компьютере, им хотелось в автоматическом режиме
обмениваться компьютерными данными с пользователями других
подразделений. Ответом на эту потребность стало появление
первых локальных вычислительных сетей.

66.

Разнообразные устройства сопряжения, использующие
собственные способы представления данных на линиях связи, свои
типы кабелей и т. п., могли соединять только те конкретные модели
компьютеров, для которых были разработаны, например, миникомпьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или миникомпьютеры HP с микрокомпьютерами LSI-11. Такая ситуация
создала большой простор для творчества студентов — названия
многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов
«Устройство сопряжения…».
В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях
кардинально изменилось. Утвердились стандартные сетевые
технологии объединения компьютеров в сеть Ethernet, Arcnet, Token
Ring, Token Bus, несколько позже — FDDI.

67.

68.

Локальные сети (Local Area Network, LAN) — это объединения
компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно
в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть
могут иметь и большие размеры, например несколько десятков
километров. В общем случае локальная сеть представляет собой
коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.
На первых порах для соединения компьютеров друг с другом
использовались нестандартные сетевые технологии. Это вызывало
много проблем связанных с несовместимостью сетевого
оборудования.
Сетевая технология — это согласованный набор программных и
аппаратных средств (например, драйверов, сетевых адаптеров,
кабелей и разъемов), а также механизмов передачи данных по
линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети.

69.

Уровни сетевой модели
Сетевая модель содержит семь пронумерованных уровней,
каждый из которых выполняет свои особые функции в сети.
• Уровень 7 — уровень приложений – представляет другим
программам сетевые услуги;
• Уровень 6 — уровень представления данных – преобразует
данные в допустимые к передаче пакеты;
• Уровень 5 — сеансовый уровень – устанавливает, поддерживает
и разрывает связь между компьютерами;
• Уровень 4 — транспортный уровень – сегментирует данные для
передачи по каналу и собирает принятые данные из сегментов;
• Уровень 3 — сетевой уровень – обеспечивает выбор маршрута
для передачи данных;
• Уровень 2 — канальный уровень – обеспечивает надежную
передачу данных, проверка пакета, упорядочивание и т.п.;
• Уровень 1 — физический уровень – управляет каналом.

70.

Последовательный порт
передачи данных
РК-кабель имеет большие
скорость и расстояние
передачи данных
Стандартный сетевой
кабель

71.

Сетевые карты
Устройства, которые связывают конечного пользователя с сетью,
называются оконечными узлами или станциями (host). Примером
таких устройств является обычный персональный компьютер
или рабочая станция (мощный компьютер, требующие большой
вычислительной мощности, например, для обработки видео,
моделирование физических процессов и т.д.).
Для работы в сети каждый
хост оснащен платой сетевого
интерфейса (Network Interface
Card — NIC), также
называемой сетевым адаптером.
Как правило, такие устройства
могут функционировать и без
компьютерной сети.

72.

Повторители
Повторители (repeater) представляют собой сетевые устройства,
функционирующие на первом (физическом) уровне . Когда сигналы
покидают передающую станцию, они являются четкими и легко
распознаваемыми. Однако чем больше длина кабеля, тем более
слабым и менее различимым становится сигнал по мере движения
по сетевой передающей среде.
Целью повторителя является
регенерация и ресинхронизация
сетевых сигналов на битовом
уровне, что позволяет передавать
их по среде на большее
расстояние.

73.

Концентраторы
Концентратор — это один из видов сетевых устройств, которые
можно устанавливать на уровне доступа сети Ethernet. На
концентраторах есть несколько портов для подключения узлов к
сети. Концентраторы — это простые устройства, не оборудованные
необходимыми электронными компонентами для передачи
сообщений между узлами в сети.
Концентратор не в состоянии
определить, какому узлу
предназначено конкретное
сообщение. Он просто принимает
электронные сигналы одного
порта и воспроизводит (или
ретранслирует) то же сообщение
для всех остальных портов.

74.

Мосты
Мост (bridge) представляет собой устройство второго уровня и
создает два или более сегментов локальной сети, каждый из них
является отдельным сегментом. Целью моста является фильтрация
потоков данных в LAN-сети, чтобы локализовать внутрисегментную
передачу данных и сохранить возможность связи с другими частями
(сегментами) LAN-сети.
Мост собирает информацию на какой его стороне находится
конкретный MAC-адрес, и
принимает решение о пересылке
данных на основании списка
MAC-адресов. Мосты проводит
фильтрацию потоков данных на
основе только MAC-адресов
узлов. По этой причине они могут
пересылать данные любых
протоколов сетевого уровня.

75.

Коммутаторы
Коммутаторы выполняют те же функции, что и мосты. В самом
простом случае коммутатор можно назвать много портовым
мостом, но это упрощение не совсем правомерно.
Коммутатор Ethernet используется на уровне доступа. Как и
концентратор, коммутатор соединяет несколько узлов с сетью. В
отличие от концентратора, коммутатор в состоянии передать
сообщение конкретному узлу.
Обработка пакета в коммутаторе
осуществляется на аппаратном
уровне, это происходит значительно
быстрее, чем данная функция,
выполняемая мостом с помощью
программного обеспечения.

76.

Маршрутизаторы
Маршрутизаторы (router) представляют собой устройства для
объединения сетей, которые пересылают пакеты между сетями на
основе адресов третьего уровня. Маршрутизаторы выбирают
наилучший путь в сети для передаваемых данных. Функционируя на
третьем уровне, маршрутизатор может принимать решения на
основе сетевых адресов вместо использования индивидуальных
MAC-адресов. Маршрутизаторы способны соединять между собой
сети с различными технологиями второго уровня, такими, как
Ethernet, Token Ring и Fiber Distributed Data Interface. Вследствие
своей способности пересылать пакеты на основе информации
третьего уровня, маршрутизаторы стали основной магистралью
глобальной сети Internet и используют протокол IP.

77.

Брандмауэры
Термин брандмауэр (firewall) используется либо по отношению к
программному обеспечению, работающему на маршрутизаторе,
сервере или рабочей станции, либо к отдельному аппаратному
компоненту сети.
Брандмауэр защищает ресурсы частной сети от несанкционированного доступа пользователей из других сетей. Работая в тесной
связи с программным обеспечением маршрутизатора, брандмауэр
исследует каждый сетевой пакет,
чтобы определить, следует ли
направлять его получателю.
Использование брандмауэра
можно сравнить с работой
сотрудника, который отвечает за
то, чтобы только разрешенные
данные поступали в сеть и
выходили из нее.

78.

Мощным стимулом для появления единых сетевых устройств
послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты
стали идеальными элементами построения сетей — с одной
стороны, они были достаточно мощными, чтобы обеспечивать
работу сетевого программного обеспечения, а с другой — явно
нуждались в объединении своей вычислительной мощности для
решения сложных задач, а также разделения периферийных
устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные
компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не
только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров
хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с
этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.
Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот
же принцип коммутации, который был с успехом опробован и
доказал свои преимущества при передаче трафика данных в
глобальных компьютерных сетях, — принцип коммутации пакетов.

79.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс создания
локальной сети из решения нетривиальной технической проблемы
в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести
стандартный кабель, сетевые адаптеры соответствующего
стандарта, например Ethernet, вставить адаптеры в компьютеры,
присоединить их к кабелю стандартными разъемами и установить
на компьютеры одну из популярных сетевых операционных систем,
например Novell NetWare.
Разработчики локальных сетей привнесли много нового в
организацию работы пользователей. Так, стало намного проще и
удобнее, чем в глобальных сетях, получать доступ к общим сетевым
ресурсам. Последствием и одновременно движущей силой такого
прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных
пользователей, освобожденных от необходимости изучать
специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы.

80.

Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных
сетей — семейство Ethernet, в которое вошли классическая
технология Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с, а также Fast
Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с.
Простые алгоритмы работы предопределяют низкую стоимость
оборудования Ethernet. Широкий диапазон иерархии скоростей
позволяет рационально строить локальную сеть, выбирая ту
технологию семейства, которая в наибольшей степени отвечает
задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также,
что все технологии Ethernet очень близки друг к другу по
принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию этих
сетей.

81.

Компьютерные сети сегодня
Сегодня компьютерные сети есть практически в каждом доме и
все знакомы со словом «Интернет». Но на пути развития этой
глобальной сети производители сетевого оборудования
сталкивались с проблемой несовместимости своего оборудования с
оборудованием других компаний. Такая ситуация была очень не
выгодна для всех, и было решено создать стандарты по
производству сетевого оборудования и не только. Это и послужило
толчком к лавинному росту и развитию компьютерных сетей. На
данный момент существует множество различных стандартов для
сетевого оборудования, для кабелей, стандарты создания новых
сетей и т.д. Все это результат долгой и кропотливой работы
огромного числа людей. Без них не было бы Интернета.

82.

Беспроводные сетевые адаптеры
Каждому пользователю беспроводной сети требуется
беспроводной сетевой адаптер, называемый также адаптером
клиента. Эти адаптеры доступны в виде плат PCMCIA или карт
стандарта шины PCI и обеспечивают беспроводные соединения как
для компактных переносных компьютеров, так и для настольных
рабочих станций. Переносные или компактные компьютеры PC с
беспроводными адаптерами NIC могут свободно перемещаться в
территориальной сети,
поддерживая при этом
непрерывную связь с сетью.

83.

Точки беспроводного доступа
Точка доступа (Access Point — AP), называемая также базовой
станцией, представляет собой беспроводной приемопередатчик
локальной сети LAN, который выполняет функции концентратора,
т.е. центральной точки отдельной беспроводной сети, или функции
моста — точки соединения проводной и беспроводной сетей.
Использование нескольких точек AP позволяет обеспечить
выполнение функций роуминга (roaming), что предоставляет
пользователям беспроводного
доступа свободный доступ в
пределах некоторой области,
поддерживая при этом
непрерывную связь с сетью.

84.

Беспроводные мосты
Беспроводной мост обеспечивает высокоскоростные
беспроводные соединения большой дальности в пределах
видимости (до 30-40 км) между сетями Ethernet.
В беспроводных сетях любая точка доступа может быть
использована в качестве повторителя (точки расширения).

85.

Сеть Outernet — несколько сотен спутников
CubeSat, находящихся на низкой околоземной
орбите (193–220 километров над уровнем
моря). Каждый спутник получает данные с
наземной станции и транслирует их на
поверхность мультикастом по протоколу UDP
с помощью технологии WiFi.
Планируется, что Outernet будет транслировать международные
и локальные новости, информацию о ценах, цепочки блоков Bitcoin,
курсы английского от Британского Совета, прочую обучающую
информацию и курсы, программное обеспечение, музыку, видео,
всю Википедию и так далее.
• Январь 2016г. Завершение тестирования системы Outernet;
• Март 2016г. Запуск, настройка, ввод в эксплуатацию сети Outernet
по всему земному шару для всех пользователей.