Мультипроцессорные компьютеры

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ

ГБОУ ВПО «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ»

Политехнический институт

Кафедра автоматики и компьютерных систем

Д.А. Кузин

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Учебное пособие

Сургут 2016

УДК 004.7(076.5)

ББК 32.973.202я73

К 89

Рекомендовано учебно-методическим советом

Политехнического института СурГУ

Опубликовано в авторской редакции с оригинал-макета,
подготовленного автором

Рецензент

кандидат технических наук доцент кафедры автоматики

и компьютерных систем П.В. Гришмановский

УДК 004.7(076.5)

ББК 32.973.202я73

Сетевое электронное издание

© Кузин Д.А., 2016

© ГБОУ ВПО «Сургутский государственный
университет ХМАО – Югры», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Раздел 1.  Общие принципы построения вычислительных сетей. 5

Тема 1.1 История развития вычислительной техники и эволюция компьютерных сетей 5

1.1.1 Ранние приспособления и устройства для счёта. 5

1.1.2 Первые программируемые машины.. 7

1.1.3 Электромеханические (релейные) цифровые компьютеры.. 9

1.1.4 Первые электронные компьютеры.. 11

1.1.5 Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана. 13

1.1.6 Компьютеры второго поколения на полупроводниках. 17

1.1.7 Третье поколение компьютеров на основе интегральных схем.. 18

1.1.8 Четвертое поколение компьютеров. 19

1.1.9 Эволюция вычислительных сетей. 20

Тема 1.2 Вычислительные сети как распределенные системы.. 24

1.2.1 Типы распределенных систем.. 24

1.2.2 Преимущества распределенных систем.. 25

1.2.3 Недостатки распределенных систем.. 26

Тема 1.3 Основные проблемы построения сетей и способы их решения. 26

1.3.1 Проблемы физической передачи данных по линиям связи. 26

1.3.2 Методы цифрового кодирования информации, используемые в сетях. 27

1.3.3 Проблемы объединения в сеть нескольких компьютеров. 28

Тема 1.4 Модель взаимодействия открытых систем.. 31

1.4.1 Многоуровневый подход к решению задачи сетевого взаимодействия. 31

1.4.2 Взаимодействие двух систем, понятие протокола. 32

1.4.3 Модель OSI. 35

1.4.4 Стек протоколов TCP/IP. 42

Раздел 2.  Протоколы и оборудование физического и канального уровня для локальных сетей 44

Тема 2.1 Общая характеристика протоколов локальных сетей. 44

Тема 2.2 Уровень управления логическим каналом LLC.. 46

2.2.2 Режимы работы уровня LLC.. 47

2.2.3 Структура кадров LLC.. 47

Тема 2.3 Технология Ethernet 47

2.3.1 Метод доступа CSMA/CD.. 48

2.3.2 Форматы кадров технологии Ethernet 50

Тема 2.4 Спецификации физической среды Ethernet 53

2.4.1 10Base-5. 53

2.4.2 Стандарт 10Base-2. 55

2.4.3 Стандарт 10Base-T. 57

2.4.4 Дополнительные функции концентраторов Ethernet 59

2.4.5 Стандарт 10Base-F. 61

Тема 2.5 Спецификации физической среды Fast Ethernet 63

2.5.2 Функция автопереговоров. 66

Тема 2.6 Спецификации физической среды Gigabit Ethernet 66

Тема 2.7 Технология Token Ring. 68

2.7.1 Алгоритм работы сети с маркерным доступом.. 68

2.7.2 Физическая реализация сетей Token Ring. 69

2.7.3 Сравнение Token Ring и Ethernet 70

Тема 2.8 Технология FDDI. 70

2.8.2 Физическая реализация сетей FDDI. 71

Раздел 3.  Методы коммутации для локальных сетей. 72

Тема 3.1 Необходимость структуризации локальных сетей. 72

3.1.1 Преимущества использования разделяемой среды передачи. 72

3.1.2 Ограничения сети, построенной на разделяемой среде. 73

3.1.3 Принцип и преимущества разделения сети на логические сегменты.. 74

Тема 3.2 Принципы работы мостов. 76

3.2.1 Прозрачные мосты.. 76

3.2.2 Мосты с маршрутизацией от источника. 79

3.2.3 Ограничения, накладываемые на использование прозрачных мостов в сети. 79

Тема 3.3 Коммутаторы.. 81

3.3.2 Архитектура коммутаторов. 81

3.3.3 Конструктивное исполнение коммутаторов. 84

3.3.4 Характеристики коммутаторов. 84

3.3.5 Дополнительные функции коммутаторов. 86

3.3.6 Примеры моделей коммутаторов Cisco. 87

3.3.7 Установка и настройка коммутатора Cisco серии 2900. 95

Тема 3.4 Полнодуплексные протоколы локальных сетей. 95

Раздел 4.  Сетевой уровень, как средство организации межсетевого взаимодействия 97

Тема 4.1 Принципы организации межсетевого взаимодействия. 97

4.1.1 Ограничения мостов и коммутаторов. 97

4.1.2 Структура составной сети. 97

4.1.3 Принципы маршрутизации. 98

Тема 4.2 Реализация межсетевого взаимодействия средствами стека протоколов TCP/IP 100

4.2.1 Структура стека протоколов TCP/IP. 100

4.2.2 Типы адресов в сетях TCP/IP. 103

4.2.3 IP-адресация. 104

4.2.4 Отображение IP-адресов на локальные адреса. 107

4.2.5 Автоматизация назначения IP-адресов. 109

4.2.6 Система доменных имен DNS. Разрешение доменных имен. 109

4.2.7 Протокол межсетевого взаимодействия IP. 111

4.2.8 Маршрутизация в IP-сетях. 115

4.2.9 Транспортный протокол TCP. 117

Раздел 1.Общие принципы построения вычислительных сетей

Тема 1.1История развития вычислительной техники и эволюция компьютерных сетей

1.1.1Ранние приспособления и устройства для счёта

История развития вычислительной техники насчитывает несколько веков. Автоматизировать процесс вычислений пытались многие ученые, сталкиваясь с необходимостью произвести большое количество сложных расчетов. Эту идею пытался воплотить в жизнь и Леонардо да Винчи (1452-1519). Он создал эскиз суммирующего устройства с десятизубчатыми шестернями.

Считается, что первая машина, способная автоматически выполнять четыре арифметических действия была создана в 1623 году Вильгельмом Шиккардом. Вильгельм Шиккард (1592-1635) был другом астронома Кеплера. В архиве Кеплера в 1958 году и были обнаружены письма Шиккарда, написанные в 1623-1624 годах, где он излагал принцип действия машины и сопровождал изложение рисунками.

Рис. 1.1.1 «Считающие часы» Вильгельма Шикарда

За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница. Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 г. в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и был вынужден часто выполнять долгие и утомительные расчёты.

Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа, колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию.

Тем не менее, примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг машина не принесла богатства своему создателю. Сложность и высокая стоимость машины в сочетании с небольшими вычислительными способностями служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс почти на три столетия стал основой для большинства создаваемых вычислительных устройств.

Рис. 1.1.2 Суммирующая машина Паскаля

В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.

Перфорационный принцип управления - с помощью отверстий на карточках и ленте - полностью себя оправдал и вскоре получил широкое распространение в тех машинах, где требовалось согласование сложных действий механизмов. Этот принцип получил название Жаккардов принцип.Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х.

Рис. 1.1.3 Жаккардовый ткацкий станок

1.1.2Первые программируемые машины

Определяющая особенность «универсального компьютера» — это программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохранённой последовательности инструкций.

Считается, что первым ученым, предложившим использовать принцип программного управления для автоматического выполнения арифметических вычислений, был Чарльз Бэббидж. Разочарованный большим количеством ошибок в вычислениях Королевского Астрономического Общества, Бэббидж пришел к мысли о необходимости автоматизации вычислений. Первая попытка реализации такой машины была предпринята Бэббиджем в 1822, когда он создал машину, предназначенную для решения дифференциальных уравнений, названную “разностной машиной”. Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как "метод конечных разностей". При вычислении многочленов используется только операция сложения, которая легко автоматизируется. Бэббиджем была использована десятичная система счисления, а не двоичная, как в современных компьютерах.

В течение 10 лет Бэббидж работал над большой разностной машиной. Движение механических частей машины должен был осуществлять паровой двигатель. Большая, как локомотив, машина должна была автоматически выполнять вычисления и печатать результаты. Большая разностная машина так и не была построена до конца. Однако, работая над ней в течение 10 лет, Бэббидж пришел к идее создания механической аналитической машины. Идеи Бэббиджа намного опередили свое время, аналитическая машина не могла быть создана в то время. Технические трудности, с которыми пришлось встретиться при реализации, не позволили осуществить проект. Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления первого электромотора оставалось почти полвека, а первой электронной радиолампы – почти век! Они настолько опередили свое время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

Рис. 1.1.4 Часть Разностной машины Бэббиджа, собранная после его смерти сыном из частей, найденных в лаборатории

К 1900-у году ранние механические калькуляторы, кассовые аппараты и счётные машины были перепроектированы с использованием электрических двигателей с представлением положения переменной как позиции шестерни. В Советском Союзе в то время самым известным и распространённым калькулятором был механический арифмометр «Феликс», выпускавшийся с 1929 по 1978 год на заводах в Курске (завод «Счетмаш»), Пензе и Москве. Эта счётная машина относится к рычажным арифмометрам Однера. Она позволяет работать с операндами длиной до 9 знаков и получать ответ длиной до 13 знаков (до 8 для частного).

Рис. 1.1.5 «Феликс» — самый распространённый в СССР арифмометр

1.1.3Электромеханические (релейные) цифровые компьютеры

В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей.

Следующая машина Цузе — Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.

Рис. 1.1.6 Репродукция компьютера Zuse Z1 в Музее техники, Берлин

Особенно много внимания правительства разных стран стало уделять развитию вычислительной техники перед Второй Мировой Войной, понимая, как много преимуществ получает сторона, владеющая машинными способами кодирования и декодирования информации.

Начиная с 20-х годов XX века немцами было разработано целое семейство электромеханических роторных машин Эни́гма (Enigma), используемых для шифрования и дешифрования секретных сообщений. Энигма использовалась в коммерческих целях, а также в военных и государственных службах во многих странах мира, но наибольшее распространение получила в нацистской Германии во время Второй мировой войны. Было выпущено, по приблизительным оценкам, около 100 000 экземпляров шифровальных машин Энигма.

Эта машина получила дурную славу, потому что криптоаналитики Антигитлеровской коалиции смогли расшифровать большое количество сообщений, зашифрованных с её помощью. Специально для этих целей была создана машина с кодовым названием Bombe, оказавшая значительное содействие Антигитлеровской коалиции в войне. Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом (англ. Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.

Рис. 1.1.7 Трёхроторная военная немецкая шифровальная машина Энигма

Другим важнейшим применением вычислительных машин в годы Второй Мировой Войны был расчет, так называемых «огневых таблиц» для полевой и морской артиллерий. Большую роль в этом сыграли электромеханические машины, которые создавал американский ученый Джорж Стибиц. В ноябре 1937 года Стибиц завершил в Bell Labs создание компьютера «Model K» на основе релейных переключателей. В конце 1938 года Bell Labs санкционировала исследования по новой программе, возглавляемые Стибицем. В результате этого, 8 января 1940 года был завершён Complex Number Calculator, умеющий выполнять вычисления над комплексными числами.

11 сентября 1940 года в Дортмунтском колледже (штат Нью-Гемпшир), на демонстрации в ходе конференции Американского математического общества, Стибиц отправлял компьютеру команды удалённо, по телефонной линии с телетайпом. В Нью-Йорк из Дортмунта по телеграфу было передано два комплексных числа, произведение двух чисел было получено на телетайпе в городе Дортмунте в зале заседания. Демонстрация имела большой успех. Это был первый случай, когда вычислительное устройство использовалось удалённо. Среди участников конференции и свидетелей демонстрации были Джон фон Нейман, Джон Моучли и Норберт Винер, написавший об увиденном в своих мемуарах.

Успехи в области применения электромеханических реле привели к тому, что электромеханические вычислительные машины создавались почти параллельно с электронными. Опыт их разработки использовался в дальнейшем при создании электронной вычислительной техники. Проект МАРК-1 Говарда Айкена был реализован в 1939-1944гг. В 1944 году машина МАРК-1 была передана в эксплуатацию Гарвардскому университету, где эксплуатировалась в течение 15 лет. В качестве элементной базы при создании машины использовались детали перфорационных устройств, выпускавшиеся фирмой IBM (США).

В 1947 году в лаборатории Гарвардского университета была создана вы числительная машина МАРК-II, полностью на релейных элементах (13 тысяч шестиполюсных реле), но это была уже дань прошлому, так как к этому времени уже были созданы первые электронные компьютеры, имевшие неизмеримо большие возможности совершенствования структуры и высокое быстродействие.

МАРК-II создавался по заказу Пентагона для морского испытательного полигона. Машина имела два сумматора, четыре множительных устройства и устройства для вычисления шести алгебраических функций. Для ввода команд и чисел использовалось 12 механизмов. Машина оперировала с 10- разрядными десятичными числами. Сложение выполнялось за 0,2сек., умножение за 0,7сек.

Последний крупный проект программно-управляемой релейной машины РВМ-1 был выполнен в Советском Союзе. Машина была создана по проекту Н.И.Бессонова. Проект запоздал, но был настолько удачным, что по быстродействию мог соперничать с электронными вычислительными устройствами (умножение двух чисел с плавающей точкой с 27-разрядной мантиссой и 6-разрядным порядком производилось за 50мсек. против 700мсек. у наиболее быстродействующего релейного компьютера"МАРК-II").

Дальнейшее повышение скорости вычислений могло произойти только в результате перехода на электронные схемы.

1.1.4Первые электронные компьютеры

В 1939 году Джон Винсент Атанасов (John Vincent Atanasoff) и Клиффорд Берри (Clifford E. Berry) из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан.

Рис. 1.1.8 Компьютер Атанасова—Берри

Первый универсальный электронно-цифровой компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) был создан в 1946 году. ENIAC стал первым полнофункциональным компьютером. Разрабатывали проект Джон В. Моучли и Дж. Преспер Эккерт в Баллистической исследовательской лаборатории армии США. Источником вдохновения для Мочли послужил компьютер Атанасова—Берри. Машина была десятизначной, включала 12 десятизначных сумматоров с регистрами для хранения результатов. Арифметическое устройство и оперативная память состояли из кольцевых электронных счетчиков. Каждый разряд числа отображался одним кольцом. Схемы колец вырабатывали сигнал переноса при переходе с 9 на 0 и соединялись между собой, образуя 10-ти разрядные регистры. Таким образом, машина работала в десятичной системе счисления.

Для ускорения выполнения арифметических операций у ENIAC имелись умножитель, делитель, извлекатель корня. Компьютер содержал 17468 электронных ламп, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов. Потребляемая мощность составляла 174 кВт. Занимаемое пространство составляло около 300 кв.м. Время сложения составляло 200 мкс., умножения - 2800 мкс. и деления - 24000 мкс. С появлением компьютера ENIAC скорость выполнения операций значительно возросла, но программа вводилась путем установки переключателей и коммутации разъемов. Различные блоки соединялись проводами в определенной последовательности, это и задавало последовательность вычислений. При программировании возникало много ошибок и ввод программы требовал значительных затрат времени. Консультантом проекта был известный математик Джон фон Нейман, который предложил записывать алгоритм вычислений в память вместе с данными. Принцип «хранимой программы» был использован при проектировании нового компьютера.

Рис. 1.1.9 ЭНИАК выполнял баллистические расчёты и потреблял мощность в 160 кВт

1.1.5Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана

В 1946 году Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, получивших название «принципов фон Неймана». В отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства» Дж. фон Нейман опубликовал основные принципы, которые заключались в следующем:

1. Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов - команд. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и скоростью выборки команд.

3. Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

б) числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы; в) появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.

4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения - создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

6. Необходимо использовать параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова)

Одним из первых компьютеров, построенных по архитектуре фон-Неймана стал Манчестерский Марк I (англ. Manchester Mark I). Компьютер был создан в Манчестерском университете в Великобритании и использовал запоминающие электронно-лучевые трубки (трубки Уильямса) и магнитные барабаны в качестве памяти. Был построен в апреле 1949 года, и к началу лета сотрудники университета уже использовали новый компьютер для различных вычислений.

Рис. 1.1.10 Манчестерский Марк I

Принципы фон Неймана были использован при проектировании нового компьютера, получившего название EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) в Пенсильвании. Работа шла медленно и компьютер EDVAC Пенсильванского университета, который стал наследником ENIAC, был пущен в эксплуатацию только в 1952 году. В компьютере применялась двоичная арифметика, память была создана на ультразвуковых ртутных линиях задержки, емкость памяти составляла 1024 44-х разрядных слова. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было проще и надёжнее.

Рис. 1.1.11 EDVAC, установленный в здании 328 Лаборатории баллистических исследований

Группа Морриса Уилкса Кембриджского университета Англии опередила конструкторов EDVAC Пенсильванского университета США и создала первый электронно-цифровой компьютер с сохраняемой программой EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer). В названии компьютера отражен тот факт, что в компьютере использовались ртутные линии задержки. В 1949 году на первом электронно-цифровом компьютере с сохраняемой программой EDSAC была успешно выполнена первая программа. В компьютере EDSAC для согласования работы отдельных блоков использовалась синхронизация. Компьютер состоял из примерно 3000 электронных ламп. Основная память компьютера состояла из 32-х ртутных ультразвуковых линий задержки (РУЛЗ), каждая из которых хранила 32 слова по 17 бит, включая бит знака — всего это даёт 1024 ячеек памяти. Была возможность включить дополнительные линии задержки, что позволяло работать со словами в 35 двоичных разрядов (включая бит знака). Вычисления производились в двоичной системе со скоростью от 100 до 15 000 операций в секунду. Потребляемая мощность — 12 кВт, занимаемая площадь — 20 м².

Рис. 1.1.12 EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer)

В 1950 году в Советском Союзе командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники СССР была создана первая регулярно эксплуатируемая в Европе электронная вычислительная машина МЭСМ (Малая электронная счётная машина). Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Хотя производительность машины не была высока, на ней, как на макете исследовались основные принципы построения вычислительных устройств параллельного типа, использованные при создании большой электронной счетной машины - БЭСМ. Разработка БЭСМ была завершена осенью 1952 года.

Рис. 1.1.13 МЭСМ (Малая электронная счётная машина)

Первой советской серийной ЭВМ стала Стрела, производимая с 1953 на Московском заводе счётно-аналитических машин. ЭВМ имела быстродействие 2000-3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объём оперативной памяти — 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.

В 1953 году появился первый компьютер фирмы IBM - IBM 701 - синхронный, параллельного действия, содержащий 4000 электронных ламп и 1200 германиевых диодов. Объем оперативной памяти составлял 2048 слов. Время сложения составляло 84 мкс., умножения - 204 мкс., деления - 216 мкс. В 1954 году 18 компьютеров были поставлены главному заказчику - американскому правительству, из них три были поставлены в атомные лаборатории, восемь в авиакомпании, три в большие корпорации, две в правительственные агентства и две на флот. В начале 1955 года еще одна машина была направлена в американское бюро погоды.

В 1955 году был выпущен ламповый компьютер IBM 704 с отличительными чертами компьютера второго поколения, он имел индексный регистр, аппаратные средства для выполнения операций с плавающей запятой и первый вариант операционной системы. Параллельно с развитием структуры компьютера развивается программное обеспечение в виде пакетов стандартных прикладных программ.

1.1.6Компьютеры второго поколения на полупроводниках

Второе поколение компьютеров создавалось в период с 1955 по 1964 гг. Успехи полупроводниковой технологии привели к смене элементной базы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения, используется оперативная память на феррит-диодных ячейках. Во втором поколении применение запоминающих устройств на магнитных лентах позволяло записывать на магнитной ленте несколько программ, которые автоматически выполнялись в компьютере одна за другой и в той же последовательности результаты автоматически записывались на другую ленту. Этот вид обработки получил название пакетной обработки, при которой пользователь не имел прямого доступа к компьютеру.

Переход к полупроводниковой технологии позволил значительно уменьшить габариты и потребляемую компьютером мощность. Быстродействие, надежность и скорость вычислений повысились в несколько раз, транзисторный компьютер IBM 7090 позволил решать задачи в 5 раз быстрее, чем его ламповый аналог IBM 709.

В 1967 году в России была создана самая мощная вычислительная машина семейства БЭСМ - БЭСМ6, высокопроизводительная и оригинальная по архитектуре отечественная вычислительная машина на транзисторной элементной базе. Это была вычислительная машина мирового уровня. В БЭСМ6 использовалось 60 тысяч транзисторов и 200 тысяч полупроводниковых диодов. Для обеспечения высокой надежности использовался режим работы приборов с большим запасом по мощности. БЭСМ6 имела исключительно высокое для своего времени быстродействие - 1 млн. операций в сек., обладала отличным коэффициентом отношения производительности к стоимости вычислений.

Рис. 1.1.14 Одна из последних сохранившихся БЭСМ-6. Установлена в учебном центре ВМФ в Сосновом Бору

1.1.7Третье поколение компьютеров на основе интегральных схем

Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 год новой элементной базе, осуществился переход от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным схемам. Снова уменьшились габариты потребляемая мощность компьютеров, возросла надежность. В компьютерах третьего поколения был расширен набор внешних устройств. В начале 60-х годов появились первые устройства внешней памяти магнитных дисках. Емкость магнитных дисков была на порядок больше чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее. Была введена параллельная и конвейерная обработка данных в операционном блоке. В центральный процессор вводится система прерываний. Все управление компьютером автоматизировано. Управление осуществляет комплекс программ, объединенный в операционную систему (ОС).  Пользователь общается с компьютером через ОС, которая синхронизирует работу аппаратной части, используя систему прерывания и таймер - электронные часы.

Чрезвычайно популярной стала универсальная компьютерная система IBM System/360, которая была анонсирована 7 апреля 1964 года. Это был первый ряд компьютеров, в котором проводилось чёткое различие между архитектурой и реализацией. В отличие от предыдущих серий, IBM создала линейку компьютеров, от малых к большим, от низкой к высокой производительности, все модели которой использовали один и тот же набор команд. Эта особенность позволяла заказчику использовать недорогую модель, после чего обновиться до более крупной системы, с ростом компании — без необходимости переписывать программное обеспечение. Компьютеры данной серии стали именоваться мэйнфреймами.

Сам термин «мэйнфрейм» происходит от названия типовых процессорных стоек этой системы. Мейнфреймы IBM используются в более чем 25 000 организациях по всему миру (без учёта клонов), в России их по разным оценкам от 1500 до 7000 (с учётом клонов). Около 70 % всех важных бизнес-данных обрабатываются на мэйнфреймах.

Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390 и System z. Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала де-факто промышленным стандартом вплоть до сегодняшнего дня.

Рис. 1.1.15  IBM System/360

Благодаря широкому распространению IBM/360, изобретённые для неё 8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Также IBM/360 была первой 32-разрядной компьютерной системой.

Шестнадцатеричная система счисления, широко применявшаяся в документации IBM/360, практически вытеснила ранее доминировавшую восьмеричную.

Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью (соответственно, со страничной и сегментной адресацией памяти) и первыми серийными компьютерами, поддерживающими реализацию виртуальных машин.

В 1972 году были созданы первые аналоги (клоны) компьютеров фирмы IBM, получившие название ЕС ЭВМ. Единая с американской система электронных вычислительных машин была разработана странами СЭВ (Совета экономической взаимопомощи - Болгарией, Венгрией, ГДР, Польшей, Чехословакией и СССР) и базировалась на архитектуре IBM 360/370.

1.1.8Четвертое поколение компьютеров

Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС средней интеграции и СБИС. Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт.

Появился новый класс ЭВМ - микрокомпьютеры. Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС. Развивается производство заказных БИС, выполняющих определенные функции. Используются векторно-конвейерные принципы обработки данных. Разрабатываются конвейерные устройства управления с опережающим выполнением команд. Для построения микрокомпьютера стала использоваться открытая архитектура, позволяющая наращивать вычислительную мощность компьютера простым подключением дополнительных модулей. Дополнительно вводятся микросхемы памяти в процессор и микросхемы памяти, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами (кэш первого и второго уровней). Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям.

Это привело к широкому производству персональных компьютеров. Тенденция к использованию масштабных приложений дает новую жизнь и суперкомпьютерам. Появляются суперминикомпьютеры, которые довольно скоро вытесняются в управлении производственными процессами промышленными компьютерами с легко наращиваемой структурой и функциями. В это время две тенденции- распределение вычислительных ресурсов, оснащение персональными компьютерами рабочих мест и необходимость объединения вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема - привели к сетевому буму. Для организации компьютерных сетей используется оптоволоконная связь. Разрабатываются принципы построения оптических компьютеров.

1.1.9Эволюция вычислительных сетей

Эволюция вычислительных сетей во многом определялась эволюцией компьютерных технологий. Рост производительности вычислительной техники постоянно предъявляет новые требования к вычислительным сетям. Таким образом проследить процесс появления и развития сетей можно, рассмотрев основные этапы развития компьютерных технологий. Основные этапы эволюции вычислительной техники и вычислительных сетей приведены в Таблице 1.1.

До начала 1960-х годов компьютеры (до второго поколения включительно) были очень громоздкими и дорогими, и зачастую занимали целое здание. Такие компьютеры не были пред­назначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки. 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. При таком режиме работы в вычислительных сетях не было необходимости, так как во главу угла ставилась эффективность использования самого дорогого устройства вычислительной машины - процессора – для выполнения основных вычислений, в ущерб второстепенным задачам.

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользо­вателей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделе­ния времени. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоря­жение терминал, который представлял собой устройство для ввода и отображения данных. Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью цен­трализованной, некоторые функции — такие как ввод и вывод данных — стали распределенными. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером.

Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделе­ния времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Но до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределен­ных систем, все еще сохраняли централизованный характер обработки данных. С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не созрела — в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров.

Тем не менее, потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени 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 компьютеров класса суперЭВМ. 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 механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхрони­зации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислитель­ные сети. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных се­тей. Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных прото­колов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

В начале 70-х годов произошел технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов — появились большие интегральные схемы. Их срав­нительно невысокая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления техноло­гическим оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения пред­приятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию.

Но шло время, потребности пользователей вычислительной техники росли, им стало недостаточно собственных компьютеров, им уже хотелось получить возмож­ность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами. В ответ на эту потребность предприятия и организации стали соединять свои мини-компь­ютеры вместе и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их вза­имодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети. Они еще во многом отличались от современных локальных сетей, в первую очередь — своими устройствами сопряжения. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т. п. Эти устройства могли соединять только те типы компьюте­ров, для которых были разработаны.

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально ме­няться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть — Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития послужили пер­сональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей — с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой — явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих 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 мэйнфреймы.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандарт­ный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и устано­вить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем

Локальные сети в сравнении с глобальными сетями внесли много нового в спосо­бы организации работы пользователей. Доступ к разделяемым ресурсам стал гораздо удобнее — пользователь мог просто просматривать списки имеющихся ресурсов, а не запоминать их идентификаторы или имена. После соединения с удаленным ресур­сом можно было работать с ним с помощью уже знакомых пользователю по работе с локальными ресурсами команд. Локальные сети отличались тем, что превосходили глобальные сети по скорости работы на несколько порядков. Это стало возможным благодаря использованию качественных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с. В то время как в глобальных сетях, использующих для передачи данных существующие телефонные линии связи приемлемой считалась скорость передачи 1200 бит/с.

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быст­ро. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных се­тях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей. Подобные примеры в большом количестве демонстри­рует самая популярная глобальная сеть — Internet.

Изменяются и локальные сети. Существующие технологии для локальных сетей способны передавать данные со скоростью 1000 Мбит/с. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование — коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому обору­дованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, на­считывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру. Проявилась еще одна очень важная тенденция, затрагивающая в равной степе­ни как локальные; так и глобальные сети. В них стала обрабатываться несвойствен­ная ранее вычислительным сетям информация, такая как голос и видеоизображение. Это потребовало внесения изменений в работу протоколов, сетевых операционных систем и коммуникационного оборудования, так как сложность передачи такой мульти­медийной информации по сети связана с ее чувствительностью к задержкам при передаче пакетов данных. Задержки обычно приводят к искажению такой информа­ции в конечных узлах сети. Так как традиционные службы вычислительных сетей — такие как передача файлов или электронная почта — создают малочувствительный к задержкам трафик и все элементы сетей разрабатывались в расчете на него, то появление трафика реального времени привело к большим проблемам. Так, на сегодняшний день не существует средств, которые бы могли обеспечить передачу чувствительного к задержкам трафика (например видеопотока) для любого пользователя интернет с требуемым качеством.

Можно предположить, что решение этих проблем создаст предпосылки не только для слияния локальных и глобальных сетей, но и для слияния любых информационных сетей - вычислительных, телефонных, телевизионных. Причем счи­тается, что основой для объединения послужит именно технология коммутации пакетов, применяемая сегодня в вычислительных сетях, а не технология коммутации кана­лов, используемая в телефонии.

Тема 1.2Вычислительные сети как распределенные системы

Компьютерные сети относятся к распределенным (или децентрализованным) вы­числительным системам. Поскольку основным признаком распределенной вычис­лительной системы является наличие нескольких центров обработки данных, то наряду с компьютерными сетями к распределенным системам относят также муль­типроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы.

1.2.1Типы распределенных систем

Тип распределенной системы определяется характером аппаратных связей между центрами обработки данных (процессорами), а так же характером связей между ПО под управлением которого функционируют процессоры. Различают сильные и слабые связи. Характеристики различных типов связей приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

На основе приведенных характеристик можно выделить следующие типы распределенных систем:

Мультипроцессорные компьютеры

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою програм­му. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между про­цессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется наибо­лее простым способом — через общую оперативную память. Таким образом, и аппаратные и программные связи в такой системе являются сильными.

Сам по себе процессорный блок не является законченным компьютером и по­этому не может выполнять программы без остальных блоков мультипроцессорного компьютера — памяти и периферийных устройств. Все периферийные устройства являются для всех процессоров мультипроцессорной системы общими. Территори­альную распределенность мультипроцессор не поддерживает — все его блоки рас­полагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивах, например на системной плате ПК.

Обязательным требованием для мультипроцессорного компьютера является поддержка мультипроцессорной архитектуры операционной системой. Для современных операционных систем поддержка мультипроцессорности является общепринятой.

Вычислительные сети

В вычислительных сетях программные и аппаратные связи слабыми, а автономность процессорных блоков максимальна. Основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имею­щие ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств — сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной систе­мы, а какая-либо «общая» операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети про­исходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи тогда, когда это необходимо. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к ло­кальным ресурсам другого компьютера. Такими ресурсами могут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства — принтеры, модемы, факс-аппараты и т. д. Разделение (совместное использование) локальных ресурсов каждого компьюте­ра между всеми пользователями сети — основная цель создания вычислительной сети.

Большинство современных операционных систем является сетевыми, т.е. включают в себя компоненты, обеспечивающие пользователям возможность разделения ресурсов, обмена сообщениями и т.д.