Архитектура компьютерных сетей и программного обеспечения

1. Архитектура - Основные принципы построения сложной системы: компьютера, компьютерной сети, базы данных и др. Например:  Архитектура компью

Архитектура Основные принципы построения сложной системы:
компьютера, компьютерной сети, базы данных и др.
Например: Архитектура компьютерных сетей.
Архитектура программного обеспечения.
«Знание нескольких принципов освобождает от
запоминания множества фактов».
Кравец Валерий Алексеевич

2. Содержание курса:

Общие принципы построения вычислительных сетей
Основы передачи дискретных данных
Базовые технологии локальных сетей
Построение локальных сетей на основе стандартов
физического и канального уровней
Сетевой уровень как средство построения больших
сетей
Глобальные сети

3. Используемая литература:

1. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы:
Учебник для вузов. 4-е изд./ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.:
«Питер», 2010. – 944 с.: ил.
2. Основы компьютерных сетей. Учебное пособие. 1-е изд./
В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: «Питер», 2009. – 352 с.: ил.
3. Программа сетевой академии Cisco CCNA части 1,2; 3,4.:
Пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2007. – 1168 с.; 994 с.
CCNA – Cisco Certified Network Associate.
4. Б.С. Гольдштейн, Н.А. Соколов, Г.Г. Яновский. Сети связи:
Учебник для ВУЗов. СПб.: БХВ-Петербург, 2011.- 400 с., илл.

4. Глобальная информационная инфраструктура:

Термин «Компьютерная сеть» можно рассматривать с двух точек зрения. Вопервых, как самостоятельный объект, представляющий собой комплекс
технических средств, предназначенных для обмена информацией. Во-вторых,
компьютерная
сеть
информационной
–
один
из
инфраструктуры
важнейших
(ГИИ).
компонентов
Глобальная
глобальной
информационная
инфраструктура рассматривается как совокупность сетей связи (телефонных,
компьютерных, мобильных, спутниковых и т. п.), оборудования пользователей,
информационных и людских ресурсов.

5. Эволюция компьютерных сетей

Эволюция
телекоммуникаций
Эволюция
вычислительной
техники
Эволюция
компьютерных сетей
Компьютерные сети являются логическим результатом
эволюции компьютерных и телекоммуникационных технологий

6.

• Компьютерная сеть –
совокупность компьютеров,
периферийных
устройств,
сетевых
устройств и компьютерных программ,
связанных между собой кабелями или
радиоволнами

7.

Заблуждения в вопросах развития
информационных технологий
Такое устройство, как телефон имеет слишком много недостатков, чтобы
рассматривать его, как средство связи. Поэтому считаю, что данное
изобретение не имеет никакой ценности.
(1876 г., из обсуждений в
компании Western Union)
Эта музыкальная коробка без проводов не может иметь никакой
коммерческой
ценности.
Кто
будет
оплачивать
послания,
не
предназначенные для какой то частной персоны?
( 1920 г., партнеры
ассоциации David Sarnoff в ответ на его предложение инвестировать проект
создания радио).
Думаю, что на мировом рынке мы найдем спрос для пяти компьютеров.
(1943 г., Томас Ватсон – директор компании IBM)
В будущем компьютеры будут весить не более чем 1,5 тонн. (1949 г.,
Popular Mechanics)
Я изъездил всю эту страну, общался с умнейшими людьми и я могу вам
ручаться в том, что обработка данных является лишь причудой, мода на
которую продержится не более года. (1957 г., редактор издательства Prentice
Hall)
Но, что может быть полезного в этой штуке? (1968 г., вопрос на обсуждении
создания микрочипа в Advanced Computing System Division of IBM)
Ни у кого не может возникнуть необходимость иметь компьютер в своем
доме. (1977 г., Ken Olson - основатель и президент корпорации Digital
Equipment Corp.)
640 КБ должно быть достаточно для каждого. (1981г., Bill Gates)

8.

Первые ламповые компьютеры
Начало 40-х
Первые компьютеры на полупроводниковых схемах
(транзисторах).
Середина 50-х
Первые компьютеры на интегральных схемах.
Первые мультипрограммные ОС.
Середина 60-х
Первые глобальные связи компьютеров (передача дискретных
данных между компьютерами).
Конец 60-х
Начало передач по телефонным сетям голоса в цифровой
форме.
Конец 60-х
Появление больших интегральных схем. Первые миникомпьютеры.
Получено сверчхистое стекло. Создание оптического кабеля
Начало 70-х
Первые нестандартные локальные сети.
Начало 70-х
Появление персональных компьютеров. (Apple – 1977г; IBM –
1981 г.)
Создание Internet в современном виде. Установка на всех узлах
стека TCP/IP.
Появление стандартных технологий локальных сетей.
Начало коммерческого использования Internet.
Конец 70-х
Начало 80-х
Ethernet – 1980 г.;
FDDI -1985 г.
Конец 80-х

9.

Изобретение Web.
Украина получила домен .ua. Начало эпохи
украинского Интернета
1991
1 декабря 1992 г.
В НТУ «ХПИ» установлена первая локальная сеть с
выходом в Интернет
1993 г.
НТУ «ХПИ» определен региональным центром научнообразовтнельной компьютерной сети Украины (URAN)
1997 г.

10.

Поколен
ие
1-е
(19461959)
Элементн
ая база
Электрон
ные
лампы
Быстрод
ействие
10-20
тыс.
операций
/сек
Программное
обеспечение
Машинные
языки
Применение
Примеры
Расчетные
задачи
ЭНИАК (США),
МЭСМ, УРАЛ),
Минск 1 (СССР
2-е
(19601969)
Полупров 100-500
одники
тыс.
операций
/сек
Алгоритмичес
кие
языки,
диспетчерские
системы,
пакетный режим
Инженерные, IВМ 701 (США),
научные,
БЭСМ-6, М-220,
экономическ Минск-22 (СССР)
ие задачи
3-е
(19701979)
Интеграль
ные
микросхе
мы
Операционные
системы, режим
разделения
времени
АСУ, САПР, IBM 360 (США),
научноЕС 1030,
технические 1060 (СССР)
задачи
4-е
СБИС,
(1980 - микропро
наст. цессоры
время)
Порядка
1
млн
операций
/сек
Десятки Базы и
и сотни данных,
млн.
знаний
операций
/сек
банки Управление, ПЭВМ
базы коммуникаци
и,
АРМ,
обработка
текстов,
графика, ЭС

11.

Эволюция сетей передачи данных (сетей
документальной электросвязи; компьютерных сетей)
Прогресс ВТ породил новый вид электросвязи - передачу данных. Подход к
построению сети базируется на принципе коммутации пакетов. Техника
коммутации пакетов, развитая в 70-х годах ХХ века, основана на разделении
сообщений, подлежащих передаче, на множество пакетов или ячеек. Перед
передачей к пункту назначения каждый пакет дополняется заголовком. В
заголовке пакета указывается его порядковый номер и адрес пункта назначения,
а также другая сигнальная информация. Последовательность пакетов,
принадлежащих одному сообщению, определяется как логический канал.
Коммутация пакетов делает возможной организацию определенного количества
логических каналов в одной линии передачи. При достижении очередного узла
сети пакеты вначале накапливаются, а затем поступают в коммутатор пакетов.
Коммутатор считывает адрес пункта назначения из заголовка пакета и напрвляет
пакет к следующему узлу в соответствии с выбранным маршрутом и правилами
приоритетного обслуживания.

12.

Эволюция сетей передачи данных
А
Рис. Принцип коммутации пакетов
Сеть, в которой пакеты одного логического канала на пути к пункту назначения
проходят разными путями, называются сетью не ориентированной на
соединение, а режим транспортировки пакетов получил название датаграммного
режима. Альтернативный подход к построению сетей с коммутацией пакетов в
выделении одного и того же пути для последовательности пакетов связанной с
одним и тем же логическим каналом. Тогда пакеты достигают пункта назначения в
правильном порядке, в соответствии с их номерами. Такие сети называются
сетями, ориентированными на соединение, а путь передачи пакетов одного
сообщения называется виртуальным каналом.

13.

Эволюция сетей передачи данных
Сети с коммутацией пакетов используются для передачи данных и речи в сетях
всех видов – локальных сетях (Local Area Network, LAN),
городских сетях
(Metropolitan Area Network, MAN) и территориально распределенных сетях (Wide
Area Network, WAN).
Для реализации процессов транспортировки в таких сетях должны быть
определены
специальные
инициирования
вызовов,
протоколы,
установления
в
которых
логических
описываются
соединений
правила
и
обмена
данными между элементами сетей.
Известны четыре наиболее широко используемых протокола для передачи
информации в сетях с коммутацией пакетов – протокол Х.25, протокол Frame
Relay, протокол АТМ и протокол IP.

14.

История создания компьютерных сетей
История компьютерных сетей начиналась в Агенстве перспективных
исследовательских проектов (ARPA), созданном в 1958 году под эгидой
Министерства обороны США. В середине 60-х годов проблемами связи между
компьютерами занимались и специалисты Национальной физической
лаборатории (NPL ) в Англии. Работы лаборатории ARPA и NPL привели к
развитию двух методов коммутации пакетов – метод датаграмм (П. Бэрен (ARPA))
и метода виртуальных соединений (Д. Дэвис (NPL)). Метод коммутации пакетов
предложенный Дэвисом, был стандартизован Международным институтом
электросвязи (ITU) в 1976 году в виде Рекомендации Х.25 и рекомендован ITU
для сетей передачи данных общего пользования.
Метод передачи датаграмм был положен в основу протокола IP и успешно
использован при построении сети ARPANET. Днем рождения компьютерных
сетей можно считать 2 сентября 1969 года – был осуществлен обмен между
двумя компьютерами ARPA, установленными в Калифорнийском университете и
Стенфордском исследовательском центре.
В1974 году в статье В. Серфа и Р. Кана, посвященному протоколу транспортного
уровня (ТСР), впервые был использован термин «Internet». В 1975 году
разработана спецификация стека протокола TCP/IP. Впоследствии термин
«Интернет» использовался для определения сетей, базировавшихся на стеке
протоколов TCP/IP.

15.

История создания компьютерных сетей
До середины 90-х годов технология Интернет, не будучи востребованной в среде
Операторов общего пользования, уступала по масштабам сетям Х.25.
Ситуация изменилась, когда появились первые удобные пользователю
приложения в среде Интернет – системы поиска информации Mosaik, Word Wide
Web (WWW), гипертекстовый язык HTML. Были разработаны недорогие модемы
для подключения
абонентов квартирного сектора к компьютерным сетям и
созданы высокоскоростные магистрали способные пропускать трафик со
скоростью нескольких сот Мбит/с.
В середине 1995 года на рынке появилась операционная система Windows 95 c
интегрированным стеком TCP/IP и услуги Интернет стали доступны миллионам.
К середине 2016 года число пользователей Интернет в мире достигло 3,5
миллиарда. В период с 2000 по 2015 год удельный вес пользователей интернета
увеличился почти в семь раз − с 6,5 до 43 процентов мирового населения. В 2015
году количество интернет-пользователей в Украине составила более 58%
населения страны Сегодня через сеть Интернет доставляются не только данные,
ради передачи которых и были построены первые компьютерные сети, но также
речевая информация и видео.

16.

Устройство
ввода
Устройство
вывода
Центральный
процессор
Долговременное
ЗУ
Терминал
Сеть с одним ЦП и отдельной линией связи к каждому устройству

17.

периферийное
устройство
Центральный
процессор
Мультиплексор
передачи данных
Терминал
Сеть с использованием мультиплексора передачи данных

18.

Вычислительный центр на базе мэйнфрейма
Пакет заданий
Устройство
ввода
Mainframe
Disk array
Пользователи с заданиями на выполнение
вычислительной работы (пакетная обработка)

19.

Предприятие
ВЦ на базе
мейнфрейма
Mainframe
Удалённое
подразделение
Многотерминальная система с разделением времени
– прообраз вычислительной сети

20.

Вычислительный центр на базе мэйнфрейма
4 этаж -
Офисы 3 этажа
Mainframe
Офисы 2 этажа
Офисы 1 этажа
Терминал
пользователя

21.

Многотерминальные централизованные системы уже
имели все внешние признаки локальных вычислительных
сетей, однако по существу ими не являлись, так как
сохраняли сущность централизованной обработки
данных автономно работающего компьютера.

22.

Мультипроцессорные системы
Распределенная обработка в пределах компьютера
Несколько процессорных узлов, взаимодействующих
через общую ОП
• Истинный параллелизм вычислений – повышение
производительности и надежности

23.

ОП
П1
П2
П3
П4
К3
К1
К2
Д
Д
ОП – оперативная память, Пi – процессоры
Ki - контроллеры периферийных устройств, Д - диски
Рис. Мультипроцессор. Структура мультипроцессорного компьютера.

24.

Многомашинные системы –
• несколько компьютеров, работающих под управлением
собственной ОС,
• связанных в единое целое специальными программными
и аппаратными средствами
• взаимодействуют через внешнюю память
• истинный параллелизм - распределение
вычислительной нагрузки на уровне задач
• территориально тесно связанные

25.

ЛД
ЛД
РД
ЛД – локальный диск
РД – разделяемый диск
Рис. Кластер. Структура кластера
РД

26. Объединение удаленных супер-ЭВМ глобальными связями

Mainframe
Сотни или тысячи километров
Mainframe
1969 – начало работ по созданию сетей с коммутацией
пакетов, 1974 – архитектура SNA (IBM), сети Х.25

27.

Хронологически первыми появились глобальные
сети, объединившие территориально
рассредоточенные компьютеры
Главным технологическим новшеством
предложенном при создания первых
глобальных компьютерных сетей был отказ от
принципа коммутации каналов, на протяжении
многих десятков лет успешно
использовавшегося в телефонных сетях.

28. Появление миникомпьютеров

В результате технологического прорыва в области производства
компьютерных компонентов (начало 70-х годов) появились
большие
интегральные
схемы
(БИС).
Их
сравнительно
невысокая стоимость и богатые функциональные возможности
привели
к
созданию
мини-компьютеров,
которые
стали
реальными конкурентами мэйнфреймов.
Однако все компьютеры предприятия продолжали работать
автономно.

29.

Предприятие
мини-ЭВМ
мини-ЭВМ
мини-ЭВМ
Автономное использование нескольких
миникомпьютеров на одном предприятии

30.

Устройство
сопряжния
мини-ЭВМ
мини-ЭВМ
терминалы
мини-ЭВМ
ПК
ПК
Различные типы связей в первых локальных сетях
начала 70-х годов, послужило появлению локальных сетей

31. Создание персональных компьютеров

Создание персональных компьютеров
(начало 80-х) послужило мощным катализатором для
бурного роста локальных сетей,
появилась отличная материальная основа в виде
десятков и сотен машин, принадлежащих одному
предприятию и расположенных в пределах одного
здания.

32.

Вычислительные сети – частный случай
распределенных систем
Распределенные функции:
• обработка данных
• хранение данных
• ввод-вывод данных
• доступ пользователей к компьютеру
Степень взаимосвязности элементов системы:
мультипроцессорные системы
многомашинные системы
вычислительные сети
распределенные вычислительные среды

33.

Преимущества
распределенных систем:
Возможность превышения максимальной производительности
одного процессора
Лучшее соотношение производительность/стоимость
Соответствие распределенному характеру обработки данных
(банки, учреждения, производство)
Повышенная надежность (живучесть)
Простота наращивания и расширения
Балансирование нагрузки, разделение ресурсов

34.

Проблемы:
Сложность организации совместной работы
отдельных элементов распределенной системы
(сложность ОС, приложений, коммуникационного
оборудования)
Проблема безопасности данных
Проблема надежного обмена данными

35.

Истинно распределенные
вычислительные среды
Сеть выступает как единый компьютер
Сеть прозрачна для пользователя
Параллелизм на уровне задачи
Мощное развитие распределенных вычислительных
сред началось с момента появления персональных
компьютеров, локальных и глобальных сетей.

36.

Разделение локальных ресурсов каждого компьютера
между всеми пользователями сети достигается с
помощью :
клиентов (client), которые формируют запросы
на доступ к удаленным компьютерам,
серверов (server), принимающих эти запросы из
сети и предоставляющих запрашиваемые ресурсы.
Набор модулей «клиент – сервер» представляет
собой распределенную программу,
реализующую
сетевую службу (service).

37.

Типовые технологии распределенных сетей включают в
себя:
соединения через модемы;
цифровую сеть с комплексным обслуживанием (ISDN - Іntegrated
Servіces Dіgіtal Network). Основне призначення ISDN — передача
потока 64 Кбит/с абонентской телефонной проводной линией и
обеспечение интеграцию телекоммуникационных услуг (телефон, факс,
данные).
цифровые абонентские каналы (DSL -Digital Subscriber Line);
технологии на основе протокола Frame Relay;
линии носителей Т-типа (США) и Е-типа (Европа) Т1/Е1, Т3/Е3 и т.п.;
синхронную оптическую сеть (SONET – Synchronous Optical Network)
– синхронный транспортный оптический канал 1-го уровня STS-1/ОС-1,
3-го уровня - STS-3/ОС-3 и т.д.

38.

Конвергенция компьютерных и
телекоммуникационных сетей
Создаются мультисервисные сети, предоставляющие услуги как
телекоммуникационных (передача голоса и изображения) так и
компьютерных сетей (передача алфавитно-цифровой информации).
На роль глобальной мультисервисной сети нового поколения, которая в
англоязычной литературе называется Next Generation Network (NGN) претендует Интернет. Интернет оказывает все виды телекоммуникационных
услуг, в том числе комбинированные услуги, например услуга объединяющая
электронную почту, телефонию, факсимильную службу и мультимедиа.
Технологическое сближение сетей происходит на основе цифровой
передачи информации различного типа, метода коммутации пакетов и
программирования услуг.
Очевидно, что мультисервисную сеть нового поколения порождает
процесс конвергенции, когда от каждой технологии берется самое лучшее и
соединяется в новый сплав.

39.

Известно всем – незаменимых нет,
Но ведь на свете нет и совпаденья. Л. Васильева
№ 1 END
Спасибо за
внимание.