Компьютерные сети. 6-е изд.

1.2. Типы компьютерных сетей

Существует множество видов компьютерных сетей. В этом разделе перечислены некоторые из них. Это мобильные и широкополосные сети доступа (через них обычно осуществляется выход в интернет); сети дата-центров (они хранят ежедневно используемые нами данные и приложения); транзитные сети (соединяющие сети доступа с дата-центрами); корпоративные сети (внутренние сети университетов, компаний и других организаций).

1.2.1. Сети широкополосного доступа

В 1977 году президентом Digital Equipment Corporation (на тот момент второго по величине производителя компьютеров в мире после IBM) был Кен Олсен (Ken Olsen). Когда его спросили, почему Digital не стремится завоевать рынок персональных компьютеров, он сказал: «Не вижу никакой причины, зачем кому-то держать компьютер дома». Однако история доказала обратное, и Digital канула в Лету. Изначально люди покупали компьютеры для работы с документами и игр. Сегодня же основная причина покупки домашнего компьютера — доступ в интернет. Кроме того, многие бытовые электроприборы (например, ТВ-тюнеры, игровые консоли, телевизоры и даже дверные замки) содержат встроенные компьютеры с возможностью доступа к компьютерным сетям, в первую очередь беспроводным. Кроме того, домашние сети широко используются для развлечений, включая прослушивание музыки, просмотр фото и видео, а также создание контента.

Доступ в интернет предоставляет домашним пользователям возможность подключения (connectivity) к удаленным компьютерам. Как и в случае с компаниями, домашние пользователи могут просматривать информацию, общаться с другими людьми, а также покупать товары и услуги. Главное преимущество состоит в возможности подключения этих устройств к другим компьютерам, находящимся за пределами дома. Боб Меткалф (Bob Metcalfe), создатель Ethernet, выдвинул гипотезу, что полезность сети пропорциональна квадрату числа ее пользователей, поскольку оно приближенно равно числу возможных соединений (Гилдер; Gilder, 1993). Эта гипотеза известна под названием «Закон Меткалфа». Она объясняет, как колоссальная популярность интернета связана с его размером.

Сегодня число широкополосных сетей доступа быстро растет. Во многих уголках мира домашний широкополосной доступ предоставляется с помощью медных проводов (например, линий телефонной связи), коаксиальных кабелей (в качестве примера можно привести кабельное ТВ/интернет) или оптоволоконной связи. Скорость широкополосного доступа в интернет также продолжает расти. Многие провайдеры в развитых странах обеспечивают для домашних пользователей скорость 1 Гбит/с. В некоторых регионах, особенно в развивающихся странах, основной вид доступа в интернет — через мобильные сети.

1.2.2. Мобильные и беспроводные сети

Мобильные компьютеры, такие как ноутбуки, планшеты и смартфоны, — один из наиболее активно развивающихся сегментов компьютерной индустрии. С точки зрения продаж они уже давно обогнали традиционные ПК. Почему они так востребованы? Люди часто используют мобильные устройства вне дома: для чтения и отправки электронной почты, твитов, просмотра фильмов, скачивания музыки, игр, доступа к картам или просто для веб-серфинга. Пользователи хотят иметь возможность делать все то же самое, что и дома или в офисе, причем везде — на суше, на море и в воздухе.

Почти для всех этих действий необходимо подключение к интернету. А поскольку проводное соединение в автомобилях, на кораблях и самолетах невозможно, растет интерес к беспроводным сетям. Примером таких сетей являются всем известные сотовые сети. Они предоставляются телефонными операторами и обеспечивают мобильную связь. Беспроводные хот-споты (hotspots) на основе стандарта 802.11 — еще одна разновидность беспроводной сети для мобильных компьютеров и переносных устройств (телефонов и планшетов). Они растут как грибы всюду, куда только ходят люди. В результате возникает «лоскутное одеяло» покрытия в кафе, отелях, аэропортах, школах, поездах и самолетах. При наличии мобильного устройства и беспроводного модема можно просто подключиться к интернету через беспроводную точку доступа, так же как через обычную проводную сеть.

Беспроводные сети необходимы водителям грузовиков, такси, автомобилей служб доставки, а также специалистам по ремонту — для связи с диспетчерской. Например, очень часто таксистами работают независимые предприниматели, а не служащие таксопарка. Обычно такси оборудовано специальным дисплеем для водителя. При поступлении заказа диспетчер указывает место, откуда надо забрать пассажира, и пункт назначения. Эта информация отображается на дисплеях водителей со звуковым сигналом. Заказ получает таксист, первым нажавший кнопку на дисплее. Взлет популярности мобильных и беспроводных сетей привел также к революции в самих наземных перевозках. Экономика совместного потребления позволяет водителям использовать свои собственные телефоны в качестве диспетчерского устройства, например, в случае таких агрегаторов такси, как Uber и Lyft.

Беспроводные сети играют также важную роль для военных. Если нужно в короткие сроки начать военные действия в любой точке земного шара, лучше не полагаться на локальную сетевую инфраструктуру, а развернуть свою собственную.

Хотя беспроводные и мобильные сети часто взаимосвязаны, это не одно и то же, как демонстрирует илл. 1.5. На нем показаны различия между стационарными беспроводными (fixed wireless) и мобильными беспроводными (mobile wireless) сетями. Даже ноутбуки зачастую подключаются к сети по проводам. Например, путешественник может получить доступ в интернет, подключив ноутбук к сетевой розетке в номере отеля. Конечно, вследствие повсеместного распространения беспроводных сетей подобная ситуация — редкость, хотя проводные сети обеспечивают большее быстродействие.

Беспроводная

Мобильная

Типичные приложения

Нет

Нет

Стационарные компьютеры в офисах

Нет

Да

Ноутбук в номере отеля

Да

Нет

Сети в зданиях, где не проложены сетевые провода

Да

Да

Складской учет с использованием карманного компьютера

Илл. 1.5. Варианты сочетания беспроводных сетей и мобильных вычислений

В свою очередь, некоторые беспроводные компьютеры не являются мобильными. Иногда в доме, в офисе или отеле может не быть соответствующего кабеля. Поэтому удобнее подключать стационарные компьютеры или проигрыватели мультимедиа по беспроводной связи, а не прокладывать провода. Для настройки беспроводной сети обычно достаточно купить маленькую коробочку с электроникой, распаковать ее и подключить. Это намного дешевле, чем нанимать рабочих для монтажа кабель-каналов и прокладки кабеля в здании.

Наконец, существуют по-настоящему мобильные беспроводные сетевые приложения. Например, когда кладовщик ходит по складу с карманным компьютером, фиксируя остатки товаров, он использует такое приложение. Во многих загруженных аэропортах клерки, занимающиеся возвратом арендованных машин, работают на парковке с беспроводными мобильными компьютерами. Они сканируют штрихкоды или RFID-метки возвращаемых автомобилей, а их мобильное устройство (со встроенным принтером) запрашивает данные из главного компьютера, получает информацию об аренде и печатает счет прямо на месте.

Ключевой стимул для развития приложений мобильной беспроводной связи — мобильные телефоны. Развитие таких приложений ускоряется вследствие слияния телефонных и интернет-технологий. Смартфоны, такие как iPhone компании Apple или Galaxy от Samsung, сочетают элементы мобильных телефонов и мобильных компьютеров. Эти телефоны тоже могут подключаться к беспроводным точкам доступа и автоматически переключаться между сетями, выбирая оптимальный для пользователя вариант. Ранее чрезвычайно популярным был обмен текстовыми сообщениями (text messaging, texting) через сотовые сети. За пределами США эта технология называется SMS (Short Message Service — сервис коротких сообщений). Пользователи мобильных телефонов могут набирать короткие сообщения и отправлять их по сотовой сети другому мобильному абоненту. Обмен текстовыми сообщениями — исключительно выгодная вещь для мобильного оператора. Передача сообщения обходится компании в ничтожную долю цента, а пользователи платят за этот сервис намного больше. Некоторое время SMS приносили бешеные прибыли операторам мобильной связи. Теперь же существует множество альтернатив, использующих либо сотовую сеть, либо Wi-Fi, включая WhatsApp, Signal и Facebook Messenger.

Использовать сотовые сети и точки доступа Wi-Fi для подключения к удаленным компьютерам может и другая бытовая электроника. Планшеты и устройства для чтения электронных книг могут скачать при подключении к интернету купленную книгу, последний выпуск журнала или свежую газету. А цифровые фоторамки могут выводить на экран новое изображение в нужный момент.

Мобильные телефоны обычно «знают», где находятся. GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) может напрямую определить местоположение устройства. Кроме того, телефон может определить свое местоположение путем триангуляции по точкам доступа Wi-Fi с известными координатами. Работа некоторых приложений основана на этой информации. В первую очередь это мобильные карты, ведь ваш телефон или автомобиль с GPS, вероятно, лучше вас знает, где вы находитесь. Сюда входят также приложения для поиска ближайшего книжного магазина или китайского ресторана либо местный прогноз погоды. Регистрируют местоположение и другие сервисы, например, для снабжения фотографий и видео метками, соответствующими месту съемки. Проставление подобных меток называется геотегированием (geo-tagging).

Мобильные телефоны все чаще используются в мобильной коммерции (m-commerce) (Сенн; Senn, 2000). Отправка SMS используется для авторизации платежей в торговых автоматах, оплаты билетов в кинотеатры и других мелких покупок (вместо наличных денег и платежных карт). Позже сумма покупки снимается со счета мобильного телефона. При наличии технологии NFC (Near Field Communication — беспроводная связь малого радиуса действия) мобильный телефон может играть роль бесконтактной (RFID) платежной карты. В этом случае платеж происходит путем взаимодействия со считывающим устройством. Движущими силами этого явления выступают производители мобильных устройств и провайдеры, которые отчаянно стремятся откусить кусок пирога электронной коммерции. С точки зрения магазина такая схема позволяет сэкономить большую часть банковской комиссии, которая обычно составляет несколько процентов. Конечно, у этого плана есть и недостатки. Покупатели могут воспользоваться RFID или сканером штрихкода на своих мобильных устройствах и получить подробную информацию о ценах на интересующий их товар в соседних магазинах.

Мобильная коммерция особенно привлекательна тем, что пользователи смартфонов привыкли за все платить. Это отличает их от интернет-пользователей, которые считают, что все должно быть бесплатно. Если бы какой-то веб-сайт начал взимать плату с пользователей за возможность платить кредитной картой, они подняли бы страшный шум. При этом если мобильный оператор предоставит возможность оплатить товары в магазине, просто помахав перед кассой телефоном, а затем спишет за это удобство небольшую комиссию, то, вероятно, пользователи воспримут это как должное. Время покажет.

В будущем области применения мобильных и беспроводных компьютеров по мере уменьшения их размеров будут быстро расширяться, вероятно, совершенно неожиданным образом. Давайте рассмотрим некоторые из потенциальных вариантов. Сенсорные сети (sensor networks) состоят из узлов, собирающих и передающих информацию о состоянии окружающего мира. Эти узлы могут встраиваться в машины или телефоны, а могут представлять собой отдельные маленькие устройства. Например, автомобиль может собирать данные о своем местоположении, скорости, вибрации и КПД топлива из бортовой системы диагностики и загружать их в базу данных (Халл и др.; Hull et al., 2006). С помощью этой информации водитель сможет засечь ямы на дорогах, объехать пробки или выяснить, что он тратит слишком много бензина по сравнению с другими водителями на одном участке дороги.

Сенсорные сети производят настоящую революцию в науке, поскольку предоставляют массу данных о ранее не наблюдавшихся видах поведения. Один из примеров — отслеживание миграции отдельных зебр путем прикрепления к каждой из них маленького датчика (Цзюань и др.; Juang et al., 2002). Исследователи сумели уместить беспроводный компьютер в один-единственный кубический миллиметр (Варнеке и др.; Warneke et al., 2001). Благодаря таким крошечным компьютерам можно отслеживать перемещения даже маленьких птиц, грызунов и насекомых.

Беспроводные парковочные автоматы могут принимать платежи с помощью кредитных или дебетовых карт, с мгновенной верификацией по беспроводной линии связи. Они также сообщают, если место занято. Благодаря этому водители могут скачать актуальную карту парковок и с легкостью найти свободное место. Разумеется, когда оплаченное время заканчивается, автомат может проверить (с помощью датчика отраженного сигнала), на месте ли машина, и известить об этом охранника. По некоторым оценкам, только муниципальные власти США собирают подобным образом дополнительные $10 млрд штрафов (Харте и др.; Harte et al., 2000).

1.2.3. Сети доставки контента

В настоящее время многие интернет-сервисы подключены к «облаку», то есть сетям дата-центров (data-center networks). Современные дата-центры состоят из сотен тысяч или даже миллионов серверов, находящихся в одном месте. Серверные стойки располагаются тесными рядами в помещениях, которые могут быть более километра в длину. Сети дата-центров обслуживают стремительно растущие потребности облачных вычислений (cloud computing). Они проектируются в расчете на перемещение больших объемов данных между серверами дата-центра, а также между самим дата-центром и остальным интернетом.

Большинство используемых вами приложений и сервисов, начиная от посещаемых веб-сайтов и до облачных программ редактирования заметок, хранят данные в сетях дата-центров. Подобные сети сталкиваются с проблемой масштабирования, в плане как пропускной способности сети, так и использования электроэнергии. Одна из основных проблем, связанных с пропускной способностью сети, — так называемая пропускная способность сегмента сети, то есть скорость передачи данных между двумя серверами сети. В основе архитектуры ранних сетей дата-центров лежала простая топология типа «дерево» с тремя слоями коммутаторов: доступ, агрегирование и ядро. Эта простая архитектура плохо масштабировалась и была подвержена сбоям.

Многие популярные интернет-сервисы доставляют контент пользователям по всему миру. Для этого используются сети доставки контента (CDN, Content Delivery Network). CDN представляет собой большой набор серверов, географически расположенных таким образом, что контент размещается как можно ближе к запрашивающему его пользователю. У крупных поставщиков контента, таких как Google, Facebook и Netflix, есть свои собственные CDN. Некоторые CDN, например Akamai и Cloudflare, предоставляют услуги хостинга более мелким сервисам, у которых нет своих собственных CDN.

Необходимый пользователям контент (от статических файлов до потокового видео) реплицируется по множеству различных мест в одной CDN. Когда пользователь запрашивает некий контент, CDN выбирает, какая реплика выдаст данные этому пользователю. Этот процесс должен учитывать расстояние до клиента от каждой из реплик, загруженность серверов CDN, а также интенсивность трафика и перегруженность самой сети.

1.2.4. Транзитные сети

Данные в интернете проходят через множество независимых сетей. Вряд ли контент посещаемых вами веб-сайтов содержится в сети, которую обслуживает ваш домашний провайдер. Обычно он располагается в сетях дата-центров, а пользователи могут обращаться к нему из сети доступа. При этом контент должен пройти через интернет от дата-центра до сети доступа, а затем до устройства пользователя.

Если поставщик контента и интернет-провайдер (ISP, Internet Service Provider) не связаны напрямую, трафик между ними зачастую передается через транзитную сеть (transit network). Транзитные сети обычно взимают плату за сквозную передачу трафика как с ISP, так и с поставщика контента. Если содержащая контент сеть и сеть доступа обмениваются друг с другом достаточным количеством трафика, возможно, для них имеет смысл установить прямое взаимоподключение. Подобное прямое соединение характерно для серьезных ISP и крупных поставщиков контента, таких как Google и Netflix. Для этого ISP и поставщик контента должны создать и поддерживать сетевую инфраструктуру для прямого взаимного соединения, зачастую в нескольких географических точках.

Транзитные сети традиционно называют опорными, или магистральными, сетями (backbone networks), поскольку их задача заключается в перемещении трафика между двумя конечными точками. Много лет тому назад транзитные сети приносили огромный доход, поскольку все остальные сети нуждались в них (и платили им) для соединения с остальным интернетом.

В последнее десятилетие, впрочем, возникли две иные тенденции. Первая из них порождена изобилием сервисов и крупных сетей доставки содержимого, размещающих данные в облаке. Эта тенденция состоит в консолидации контента у нескольких крупных поставщиков. Вторая тенденция заключается в расширении зон обслуживания отдельных сетей доступа ISP. Ранее многие ISP были небольшими, региональными, однако сегодня многие из них охватывают целые страны (или даже несколько стран). Это расширяет как географию их возможного соединения с другими сетями, так и их абонентскую базу. А по мере того как размеры (и переговорные возможности) сетей доступа и сетей поставщиков контента растут, более крупные сети все меньше полагаются на транзитные сети при доставке трафика. Зачастую они предпочитают соединяться напрямую, оставляя транзитные сети в качестве резервного варианта.

1.2.5. Корпоративные сети

В большинстве организаций (компаний, университетов и т.д.) много компьютеров. Они могут понадобиться любому сотруднику для выполнения различных задач — от проектирования продукта до формирования платежной ведомости. Обычно эти компьютеры подключаются к общей сети, что позволяет сотрудникам совместно использовать данные, информацию и вычислительные ресурсы.

Совместное использование ресурсов (resource sharing) делает программы, оборудование и прежде всего данные доступными другим пользователям сети, независимо от того, где эти ресурсы и пользователи находятся физически. Самый простой пример — совместное использование принтера работниками офиса. Личный принтер многим сотрудникам ни к чему, а высокопроизводительный сетевой принтер намного экономичнее, быстрее и проще в обслуживании, чем большой парк отдельных принтеров.

Совместное использование информации, вероятно, играет даже более важную роль, чем совместное использование материальных ресурсов (таких, как принтеры и системы резервного копирования). Большинство компаний предоставляет сотрудникам онлайн-доступ к данным о клиентах и товарах, складской информации, финансовым и налоговым отчетам и многому другому. Банк не смог бы проработать и пяти минут, если бы все его компьютеры внезапно отказали. Современная фабрика, с управляемым компьютером конвейером, не продержалась бы и пяти секунд. Даже маленькому турагентству или юридической фирме из трех человек чрезвычайно необходимы компьютерные сети для быстрого доступа к нужной информации и документам.

В случае мелких компаний компьютеры могут располагаться в одном офисе отдельного здания. Что касается крупных корпораций, их компьютеры и сотрудники могут быть разбросаны по десяткам офисов и фабрик в нескольких странах. Тем не менее сотруднику отдела сбыта в Нью-Йорке может потребоваться доступ к базе данных склада товаров в Сингапуре. Для соединения географически удаленных сетей в одну логическую сеть применяются виртуальные частные сети (VPN, Virtual Private Networks). Пользователь, даже если он оказался за 15 000 км от нужных ему данных, должен иметь возможность обращаться к ним так, как будто он находится в том же офисе. Эту цель можно кратко сформулировать как попытку освободиться от «тирании географии».

Информационную систему компании можно представить как одну или несколько баз, содержащих все данные компании, и определенное количество сотрудников с удаленным доступом к этим базам. При такой модели данные хранятся на мощных компьютерах, называемых серверами (servers). Чаще всего они размещаются в централизованной серверной комнате и обслуживаются системным администратором. Компьютеры сотрудников, с помощью которых они получают доступ к удаленным данным (например, для работы с электронными таблицами), — более простые, размещаются на их рабочих столах и называются клиентами, или рабочими станциями (clients). Иногда мы будем называть клиентом человека, который использует рабочую станцию, но из контекста обычно понятно, что имеется в виду — компьютер или его пользователь. Рабочие станции и серверы объединяются сетью, как показано на илл. 1.1. Обратите внимание, что сеть на этом рисунке показана в виде простого овала, без каких-либо подробностей. Этот вариант мы будем использовать при обсуждении компьютерных сетей на наиболее абстрактном уровне. Когда же необходимы будут детали, мы их обозначим.

Вторая цель создания корпоративной сети связана скорее с человеческим фактором, а не с данными или даже с компьютерами. Компьютерная сеть обеспечивает прекрасную среду обмена информацией (communication medium) между сотрудниками. Практически в каждой компании, где есть хотя бы два компьютера, для повседневного обмена информацией чаще всего используется электронная почта (email). При этом сотрудники любой компании жалуются в курилке на то, сколько писем им приходится читать. Просто начальство обнаружило, что достаточно нажать одну кнопку, чтобы отправить одно и то же сообщение (нередко лишенное всякого осмысленного содержания) всем подчиненным сразу.

Компьютерные сети могут вместо телефонной компании обеспечить и телефонную связь между сотрудниками. При использовании интернета эта технология называется IP-телефонией (IP telephony) или VoIP (Voice over IP, передача голоса по IP, или по интернет-протоколу). При этом на обоих концах линии может использоваться телефон с поддержкой VoIP или компьютер сотрудника. Компании рассматривают эту технологию как замечательный способ сэкономить на счетах за телефон.

Компьютерные сети позволяют совершенствовать формы коммуникации. К аудио добавляется видео, чтобы несколько сотрудников вне офиса могли не только слышать, но и видеть друг друга во время совещания. Это отличный инструмент снижения затрат (денежных и временных) на путешествия. Благодаря демонстрации рабочего стола (desktop sharing) удаленные сотрудники могут видеть и взаимодействовать с экранами компьютеров своих коллег. Они могут читать общую информационную «доску» и писать на ней либо, например, совместно создавать отчет. При внесении одним из них правок в онлайн-документ остальные сразу же видят эти изменения, а не ждут письма в течение нескольких дней. Это ускоряет и значительно упрощает (и порой вообще делает возможным) сотрудничество разбросанных на большие расстояния групп людей. Более амбициозные формы удаленного согласования действий, такие как телемедицина, лишь начинают появляться, но потенциально могут сыграть намного более важную роль (например, удаленный мониторинг пациентов). Иногда говорят, что в гонке между обменом информацией и перевозками победит что-то одно, а второе станет безнадежно устаревшим.

Третья цель для многих компаний — электронное ведение бизнеса, прежде всего с покупателями и поставщиками. Авиалинии, книжные магазины и другие представители ритейла обнаружили, что многим покупателям очень нравится совершать покупки, не выходя из дома. Поэтому многие компании предоставляют онлайн-каталоги товаров и сервисов и принимают заказы через интернет. Производители автомобилей, самолетов, компьютеров (среди прочих) закупают комплектующие у множества поставщиков, а затем собирают части воедино. С помощью компьютерных сетей производители при необходимости размещают заказы в электронной форме. Эта снижает потребность в больших складах и повышает производительность.