Лекция по "Компьютерным сетям" "Эволюция вычислительных сетей"

Эволюция вычислительных сетей: от машины Чарльза Бэбиджа до первых глобальных сетей Два корня сетей передачи данных История любой отрасли науки или техники позволяет не только удовлетворить естественное любопытство, но и глубже понять сущность основных достижений в этой отрасли, а также выявить тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития. Сети передачи данных, называемые также вычислительными или компьютерными сетями,  являются результатом эволюции двух важнейших научно­технических отраслей современной  цивилизации — компьютерных и телекоммуникационных технологий (рис.1): 1. С   одной   стороны, сети   передачи   данных представляют   собой   частный   случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. 2. С   другой   стороны, 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. Рис. 1. Эволюция компьютерных сетей на стыке вычислительной техники и телекоммуникационных технологий. Итак, Компьютерная   сеть —   это   набор   компьютеров,   связанных   коммуникационной   системой   и   которое   предоставляет снабженных   соответствующим   программным   обеспечением, пользователям сети доступ к ресурсам этого набора компьютеров; ­ ­ ­ сеть могут образовывать компьютеры разных типов — небольшие микропроцессоры, рабочие станции, мини­компьютеры, персональные компьютеры или суперкомпьютеры; передачу сообщений между любой парой компьютеров сети обеспечивает коммуникационная система,   которая   может   включать   кабели, повторители,   коммутаторы,   маршрутизаторы   и другие устройства; компьютерная   сеть позволяет   пользователю   работать   со   своим   компьютером,   как   с автономным,   и   добавляет   к   этому   возможность   доступа   к   информационным   и   аппаратным ресурсам других компьютеров сети. Появление первых вычислительных машин Идея   компьютера   была   предложена   английским   математиком   Чарльзом   Бэбиджем   (Charles Babbage) в середине девятнадцатого  века. Однако его механическая "аналитическая  машина"  по­ настоящему так и не заработала. Подлинное   рождение   цифровых   вычислительных   машин   произошло   вскоре   после   окончания второй   мировой   войны.   В   середине   40­х   были   созданы   первые ламповые   вычислительные устройства. Для этого периода характерно следующее:  компьютер представлял собой скорее предмет исследования, а не инструмент для решения каких­либо практических задач из других областей;  одна   и   та   же   группа   людей   участвовала   и   в   проектировании,   и   в   эксплуатации,   и   в программировании вычислительной машины;  программирование осуществлялось исключительно на машинном языке;  не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм;  операционные системы еще не появились, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. С   середины   50­х   годов   начался   следующий   период   в   развитии   вычислительной   техники, связанный с появлением новой технической базы — полупроводниковых элементов. В этот период:  выросло быстродействие процессоров, увеличились объемы оперативной и внешней памяти;  компьютеры стали более надежными;  появились первые алгоритмические языки, и, таким образом, к библиотекам математических и   служебных   подпрограмм   добавился   новый   тип   системного   программного   обеспечения — трансляторы;  были   разработаны   первые   системные управляющие   программы — мониторы,   которые автоматизировали   всю   последовательность   действий   оператора   по   организации   вычислительного процесса. Программные мониторы — первые операционные системы Программные мониторы явились   прообразом  современных   операционных  систем,   они   стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом. В   ходе   реализации мониторов был   разработан   формализованный язык   управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какие действия и в какой   последовательности   он   хотел   бы   выполнить   на   вычислительной   машине.   Типовой   набор директив обычно включал признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признаки начала и конца исходных данных. Оператор составлял  пакет заданий, которые в дальнейшем без его участия последовательно запускались   на   выполнение  монитором.   Кроме   того,  монитор  был   способен   самостоятельно обрабатывать   наиболее   распространенные   аварийные   ситуации,   возникающие   при   работе пользовательских   программ,   такие   как   отсутствие   исходных   данных,  переполнение  регистров, деление на ноль, обращение к несуществующей области памяти и т. д. Мультипрограммирование Следующий важный период развития операционных систем относится к 1965–1975 годам. В это время   в   технической   базе   вычислительных   машин   произошел   переход   от   отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что открыло путь к   появлению   следующего   поколения   компьютеров,   представителем   которого   является,   например, IBM/360. В этот период были реализованы практически все основные механизмы, присущие современным ОС:  мультипрограммирование,  поддержка  многотерминального многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая   работа.   В   эти   годы   начинается   расцвет  системного   программирования.   Из направления прикладной   математики,  представляющего   интерес   для   узкого   круга   специалистов, системное программирование превращается в отрасль индустрии, оказывающую непосредственное влияние на практическую деятельность миллионов людей.   мультипроцессирование, В условиях резко возросших возможностей компьютера, связанных с обработкой и хранением данных,   выполнение   только   одной   программы   в   каждый   момент   времени   оказалось   крайне неэффективным. Начались разработки в области мультипрограммирования. Мультипрограммирование — способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре. Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах:  пакетная обработка;  разделение времени. Системы   пакетной   обработки предназначались   для   решения   задач   в   основном вычислительного   характера,   не   требующих   быстрого   получения   результатов.   Главной   целью и критерием   эффективности систем   пакетной   обработки является   максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования (рис. 2): в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммный набор, то   есть множество   одновременно   выполняемых   задач.   Для   одновременного   выполнения выбираются задачи, предъявляющие к ресурсам различные требования, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех   Например, в мультипрограммном   наборе желательно   присутствие   и вычислительных   задач,   и   задач   с интенсивным вводом­выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней   ситуации,   складывающейся   в   системе,   то   есть   выбирается   "выгодное"   задание. Следовательно,   в вычислительных   системах,   работающих   под   управлением пакетных   ОС, невозможно   гарантировать   выполнение   того   или   иного   задания   в   течение   определенного   периода времени. вычислительной   машины. устройств     Рис. 2. Централизованный характер вычислений в системах пакетной обработки. В системах   пакетной   обработки переключение   процессора   с   одной   задачи   на   другую происходит по инициативе самой активной задачи, например, когда она "отказывается" от процессора существует из­за выполнить операцию   необходимости ввода­вывода.   Поэтому высокая вероятность того,   что   одна   задача   может   надолго   занять процессор,   и   выполнение интерактивных задач станет невозможным. Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что пользователь приносит задание,   отдает   его   диспетчеру­оператору,   а   в   конце   дня   после   выполнения   всего пакета заданий получает   результат.   что   такой   порядок   повышает   эффективность функционирования аппаратуры, но снижает эффективность работы пользователя.   Очевидно, В  системах разделения времени  пользователям (или одному пользователю) предоставляется возможность   интерактивной   работы   сразу   с   несколькими   приложениями.   Для   этого каждое приложение должно   регулярно   взаимодействовать   с   пользователем.   Понятно,   что в пакетных системах возможности диалога пользователя с приложением ограничены. В  системах разделения времени  эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически  приостанавливает  приложения,  не дожидаясь,  когда  они  сами  освободят процессор. Всем   приложениям   попеременно   выделяется квант   процессорного   времени,   таким   образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог. Системы   разделения   времени  призваны   исправить   основной   недостаток систем   пакетной обработки —   изоляцию   пользователя­программиста   от   процесса   выполнения   задач.   Каждому пользователю в этом случае предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой.   Так   как   в   системах   разделения   времени   каждой   задаче   выделяется   только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант небольшой, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них использует машину единолично. Ясно,   что   системы   разделения   времени   обладают   меньшей   пропускной   способностью, чем системы   пакетной   обработки,   так   как   на   выполнение   принимается   каждая   запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе. Кроме того, производительность системы снижается   из­за   дополнительного   расходования   вычислительной   мощности   на   более   частое переключение   процессора   с   задачи   на   задачу.   Это   вполне   соответствует   тому,   что критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство   и   эффективность   работы   пользователя.   Вместе   с   тем,   мультипрограммное   выполнение интерактивных приложений повышает и пропускную способность компьютера (пусть и не в такой степени,   поскольку   пока одно приложение ждет   сообщения   пользователя,   другие   приложения   могут   обрабатываться процессором.   Аппаратура   загружается   лучше,   как пакетные   системы). Многотерминальные системы — прообраз сети Терминалы,   выйдя   за   пределы   вычислительного   центра,   рассредоточились   по   всему предприятию. Многотерминальный режим использовался не только в системах разделения времени, но и в системах пакетной обработки. При этом не только оператор, но и все пользователи получали возможность формировать свои задания и управлять их выполнением со своего терминала. Такие операционные системы получили название систем удаленного ввода заданий. Терминальные комплексы могли располагаться на большом расстоянии от процессорных стоек, соединяясь с ними с помощью различных глобальных связей — модемных соединений телефонных сетей или   выделенных   каналов.   Для   поддержки   удаленной   работы   терминалов   в   операционных системах   появились   специальные   программные   модули,   реализующие   различные   (в   то   время,   как правило,   нестандартные)   протоколы   связи.   Такие вычислительные   системы с удаленными терминалами сохраняя централизованный характер обработки данных, в какой­то степени являлись прообразом современных компьютерных сетей (рис. 3), а соответствующее системное программное обеспечение — прообразом сетевых операционных систем. Рис. 3. Многотерминальная система — прообраз вычислительной сети. 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. Действительно,   рядовой пользователь работу   за   терминалом мэйнфрейма  воспринимал примерно   так   же,   как   сейчас   воспринимает   работу   за   подключенным   к   сети   персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него создавалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые далекие   от   вычислительной   техники   пользователи   даже   были   уверены,   что   все   вычисления выполняются внутри их дисплея.) Первые сети — глобальные Хотя теоретические работы по созданию концепций сетевого взаимодействия велись почти с момента   появления   вычислительных   машин,   значимые   практические   результаты   по   объединению компьютеров   в   сети   были   получены   лишь   в   конце   60­х,   когда   с   помощью глобальных   связей и техники коммутации пакетов удалось реализовать взаимодействие машин класса  мэйнфреймов  и суперкомпьютеров  (рис.4).   Эти   дорогостоящие   компьютеры   хранили   уникальные   данные   и программы, обмен которыми позволил повысить эффективность их использования. Рис. 4. Объединение удаленных супер­ЭВМ глобальными связями. Но еще до реализации связей "компьютер­компьютер", была решена более простая задача — организация связи " удаленный терминал ­компьютер". Терминалы, находящиеся от компьютера на расстоянии многих сотен, а то и тысяч километров, 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. И   только   потом   были   разработаны   средства   обмена   данными   между   компьютерами   в автоматическом режиме. На основе этого механизма в первых сетях были реализованы службы обмена файлами,   синхронизации   баз   данных,   электронной   почты   и   другие,   ставшие   теперь традиционными, сетевые службы. В   1969   году   министерство   обороны   США   инициировало   работы   по   объединению   в   Эта сеть, общую сеть суперкомпьютеров оборонных   и   научно­исследовательских   центров. получившая название ARPANET послужила отправной точкой для создания первой и самой известной ныне глобальной сети — Internet. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных ОС с дополнительными модулями, реализующими коммуникационные протоколы,   общие   для   всех   компьютеров   сети.   Такие   ОС   можно   считать   первыми сетевыми операционными системами. Сетевые   ОС в   отличие   от   многотерминальных   позволяли   не   только   рассредоточить пользователей, но и организовать распределенное хранение и обработку данных между несколькими компьютерами, связанными электрическими связями. Любая сетевая операционная система, с одной стороны, выполняет все функции локальной операционной системы, а с другой стороны, обладает некоторыми   дополнительными   средствами,   позволяющими   ей   взаимодействовать   по   сети   с операционными   системами   других   компьютеров.   Программные   модули,   реализующие   сетевые функции, появлялись в операционных системах постепенно, по мере развития сетевых технологий, аппаратной базы компьютеров и возникновения новых задач, требующих сетевой обработки. В   1974   году компания   IBM объявила   о   создании   собственной   сетевой   архитектуры   для своих мэйнфреймов,   получившей   название SNA (System Network   Architecture,   системная   сетевая архитектура).   В   это   же   время   в   Европе   активно   велись   работы   по   созданию   и   стандартизации сетей X.25. Таким   образом,   хронологически   первыми   появились глобальные   сети (Wide   Area   Networks, 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 и концепции современных вычислительных сетей,   такие,   например,   как   многоуровневое   построение коммуникационных   протоколов, технология коммутации пакетов и маршрутизация пакетов в составных сетях. Наследие телефонных сетей Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более старых и глобальных сетей — телефонных. Главным   результатом   создания   первых   глобальных компьютерных   сетей был   отказ   от принципа коммутации   каналов,   на   протяжении   многих   десятков   лет   успешно   использовавшегося в телефонных сетях. Выделяемый   на   все   время   сеанса   связи   составной   канал   с   постоянной   скоростью   не   мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком  компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Эксперименты и математическое моделирование показали,   что   пульсирующий   и   в   значительной   степени   не   чувствительный   к задержкам   компьютерный   трафик   гораздо   эффективней   передается   по   сетям,   использующим принцип коммутации   пакетов,   когда   данные   разделяются   на   небольшие   порции,   которые самостоятельно   перемещаются   по   сети   за   счет встраивания адреса   конечного   узла   в   заголовок пакета. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого,   в   первых глобальных   сетях часто   использовались   уже   существующие   каналы   связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, в течение многих лет глобальные сети строились   на   основе   телефонных   каналов   тональной   частоты,   способных   в   каждый   момент времени   вести   передачу   только   одного   разговора   в   аналоговой   форме.   Поскольку скорость передачи дискретных компьютерных данных по таким каналам была очень низкой (десятки килобит в секунду),   набор   предоставляемых   услуг   в глобальных   сетях такого   типа   обычно   ограничивался передачей файлов, преимущественно в фоновом режиме, и электронной почтой. Помимо низкой скорости такие каналы имеют и другой недостаток — они вносят значительные искажения   в   передаваемые   сигналы.   Поэтому   протоколы   глобальных   сетей,   построенных   с использованием   каналов   связи   низкого   качества,   отличаются   сложными   процедурами   контроля   и восстановления данных. Типичным примером таких сетей являются сети X.25, разработанные еще в начале 70­х, когда низкоскоростные аналоговые каналы, арендуемые у телефонных компаний, были преобладающим   типом   каналов,   соединяющих   компьютеры   и   коммутаторы   глобальной вычислительной сети. Развитие   технологии   глобальных компьютерных   сетей во   многом   определялось прогрессом телефонных сетей. С конца 60­х годов в телефонных сетях все чаще стала применяться передача голоса в цифровой форме, что привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих   АТС   и   позволяющих   одновременно   передавать   десятки   и   сотни   разговоров.   Была разработана иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH), предназначенная для создания так называемых первичных, или   опорных,   сетей.   Такие   сети  не  предоставляют  услуг   конечным   пользователям,  они   являются фундаментом,   на   котором   строятся   скоростные   цифровые   каналы   "точка­точка",   соединяющие оборудование   другой   (так   называемой   наложенной)   сети,   которая   уже   работает   на   конечного пользователя. плезиохронной технология   специальная       цифровой   Первоначально технология PDH, поддерживающая скорости до 140 Мбит/с, была внутренней технологией телефонных компаний. Однако со временем эти компании стали сдавать часть своих каналов PDH в   аренду   предприятиям,   которые   использовали   их   для   создания   собственных телефонных и глобальных компьютерных сетей. Появившаяся   в   конце   80­х   годов   технология   синхронной   цифровой   иерархии (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) расширила диапазон скоростей цифровых каналов до 10 Гбит/c, а  технология  спектрального мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division Multiplexing)  — до сотен гигабит и даже нескольких терабит в секунду. Сегодня 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. Эволюция вычислительных сетей: от первых локальных сетей до современных сетевых технологий Мини­компьютеры — предвестники локальных сетей В  начале  70­х  годов   произошло   важное  событие,  непосредственно  повлиявшее  на  эволюцию компьютерных сетей. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и богатые функциональные   возможности   привели   к   созданию мини­компьютеров,   которые   стали   реальными конкурентами мэйнфреймов. Эмпирический закон Гроша утратил свою силу, так как десяток мини­компьютеров, имея ту же стоимость,   что   и мэйнфрейм,   выполнял   некоторые   задачи   (как   правило,   хорошо распараллеливаемые) быстрее. Даже   небольшие подразделения предприятий   получили   возможность   иметь   собственные компьютеры. К середине 70­х годов стали широко использоваться мини­компьютеры PDP­11, Nova, HP. С помощью мини­компьютеров осуществлялось управление технологическим оборудованием и выполнялись   другие   задачи   уровня   отдела   предприятия.   Таким   образом,   появилась   концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по­прежнему продолжали работать автономно (рис. 5). Рис. 5. Автономное использование нескольких мини­компьютеров на одном предприятии. Архитектура мини­компьютеров была значительно упрощена по сравнению с мэйнфреймами, что   нашло   отражение   и   в   их   операционных   системах.   Многие   функции   мультипрограммных многопользовательских   ОС мэйнфреймов были  усечены,  с   учетом  ограниченности  ресурсов  мини­ компьютеров. Операционные системы мини­компьютеров часто стали делать специализированными, например, только для управления в реальном времени (ОС RT­11 для мини­компьютеров PDP­11) или только для поддержания режима разделения времени (RSX­11M для тех же компьютеров). Эти операционные   системы   не   всегда   были   многопользовательскими,   что   во   многих   случаях оправдывалось невысокой стоимостью машин. Важной вехой в истории мини­компьютеров и вообще в истории операционных систем стало создание ОС Unix. Появление стандартных технологий локальных сетей В   середине   80­х   годов   положение   дел   в   локальных   сетях   стало   меняться.   Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть — Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже — FDDI. 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. Стандартные сетевые технологии сделали задачу построения локальной сети почти тривиальной. 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,  например,  Novell NetWare.   После   этого  сеть  начинала   работать,   и   последующее  присоединение  каждого   нового компьютера   не   вызывало   никаких   проблем   —   естественно,   если   на   нем   был   установлен сетевой адаптер той же технологии. В   80­е   годы   были   приняты   основные   стандарты   на   коммуникационные   технологии   для локальных сетей: в 1980 году — Ethernet, в 1985 — Token Ring, в конце 80­х — FDDI. Это позволило обеспечить   совместимость сетевых   операционных   систем на   нижних   уровнях,   а   также стандартизировать интерфейс ОС с драйверами сетевых адаптеров. Конец 90­х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей — семейство Ethernet, в которое   вошли   классическая   технология Ethernet10   Мбит/c,   а   также Fast   Ethernet 100   Мбит/c и Gigabit   Ethernet 1000   Мбит/c.   Простые   алгоритмы   работы   предопределили   низкую стоимость оборудования Ethernet.   Широкий диапазон иерархии   скоростей   позволяет   рационально   строить локальную сеть,   применяя   ту   технологию,   которая   в   наибольшей   степени   отвечает   задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг   другу   по   принципам   работы,   что   упрощает   обслуживание   и   интеграцию   построенных   на   их основе сетей. Роль персональных компьютеров в эволюции компьютерных сетей Начало   80­х   годов   связано   с   еще   одним   знаменательным   для   истории   сетей   событием   — появлением персональных компьютеров. Эти устройства стали идеальными элементами для построения сетей: с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой — явно нуждались в объединении   вычислительной   мощности   для   решения   сложных   задач,   а   также   разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали активно использоваться 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 ролей мини­компьютеры и мэйнфреймы. С   точки   зрения   архитектуры   персональные   компьютеры   ничем   не   отличались   от мини­ компьютеров типа PDP­11,   но   их стоимость была   существенно   ниже.   Если   с   появлением мини­ компьютера возможность   иметь   собственную   вычислительную   машину   получили   отделы предприятий   или   университеты,   то   создание   персонального   компьютера   дало   такую   возможность отдельному человеку. Создание   персональных   компьютеров   послужило   мощным   катализатором   для   бурного   роста локальных сетей, поскольку появилась отличная материальная основа в виде десятков и сотен машин, принадлежащих одному предприятию и расположенных в пределах одного здания. Компьютеры   стали   использоваться   не   только   специалистами,   что   потребовало   разработки "дружественного"   программного   обеспечения,   и   предоставление   соответствующих   функций стало прямой обязанностью операционных систем. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием. Новые возможности пользователей локальных сетей Разработчики локальных сетей привнесли в организацию работы пользователей много нового. Так,   стало   намного   проще,   чем   в   глобальных   сетях,   получать доступ к   сетевым   ресурсам   —   в локальной   сети   пользователю   не   приходится   запоминать   сложные   идентификаторы   разделяемых ресурсов. Для этих целей система предоставляет список ресурсов в удобной для восприятия форме, например,   в   виде   древовидной   графической   структуры   ("дерева"   ресурсов).   Еще   один   прием, позволяющий   оптимизировать   работу   в   локальной   сети,   состоит   в   том,   что   после   соединения   с удаленным   ресурсом пользователь получает   возможность   обращаться   к   нему   с   помощью   тех   же команд, которые он применял при работе с локальными ресурсами на компьютере. Следствием (и в то же   время   движущей   силой)   такого   прогресса   стало   появление   огромного   количества непрофессиональных   пользователей,   освобожденных   от   необходимости   изучать   специальные   (и достаточно сложные) команды для сетевой работы. Может возникнуть вопрос — почему все эти преимущества пользователи получили только с появлением локальных сетей? Главным образом, это связано с использованием в локальных сетях качественных   кабельных   линий   связи,   на   которых   даже   сетевые   адаптеры   первого   поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с. При небольшой протяженности, свойственной локальным   сетям, стоимость таких   линий   связи   была   вполне   приемлемой.   Поэтому   экономное расходование пропускной способности каналов, одна из основных задач, возложенных на технологии первых глобальных сетей, никогда не выходило на первый план при разработке протоколов локальных сетей. В таких условиях основным механизмом прозрачного доступа к ресурсам локальных сетей стали   периодические   широковещательные   объявления   серверов   о   своих   ресурсах   и   услугах.   На основании таких объявлений клиентские компьютеры составляли списки имеющихся в сети ресурсов и предоставляли их пользователю. Эволюция сетевых операционных систем Однако и "дружественный" интерфейс, и сетевые функции появились у операционных систем персональных  компьютеров   не  сразу.   Первая  версия  наиболее  популярной   операционной  системы раннего   этапа   развития   персональных   компьютеров   —  MS­DOS компании   Microsoft   —   не предоставляла   таких   возможностей.   Недостающие   функции   для MS­DOS и   подобных   ей   ОС компенсировались   внешними   программами,   предоставлявшими   пользователю   удобный графический интерфейс (например, Norton Commander) или средства тонкого управления дисками (например, PC Tools). Наибольшее влияние на развитие программного обеспечения для персональных компьютеров   оказала  операционная   среда  Windows  компании   Microsoft,   представлявшая   собой надстройку над MS­DOS. Вместе   с   версией MS­DOS 3.1   в  1984   году   компания  Microsoft   выпустила   продукт Microsoft Networks, который обычно называют MS­NET. Некоторые концепции, заложенные в MS­NET, такие как введение  в структуру базовых  сетевых компонентов  — редиректора и  сетевого сервера,  успешно перешли в более поздние сетевые продукты Microsoft: LAN Manager, Windows for Workgroups, а затем и в Windows NT. Иной путь выбрали   разработчики   Novell.   Они   изначально   сделали   ставку   на   создание операционной   системы   со   встроенными   сетевыми   функциями   и   добились   на   этом   пути   больших успехов. Сетевые   операционные   системы NetWare производства   Novell   на   долгое   время   стали эталоном производительности, надежности и защищенности для локальных сетей. В 1987 г. в результате совместных усилий Microsoft и  IBM появилась первая  многозадачная операционная система для персональных компьютеров с процессором Intel 80286, в полной мере использующая возможности защищенного режима — OS/2. Сетевые   разработки   компаний   Microsoft   и IBM привели   к   появлению NetBIOS —   очень популярного транспортного протокола и одновременно интерфейса прикладного программирования для   локальных   сетей,   нашедшего   применение   практически   во   всех сетевых   операционных системахдля   персональных   компьютеров.   Этот   протокол   и   сегодня   применяется   для   создания небольших локальных сетей. Не   очень   удачная   судьба OS/2 не   позволила   системам LAN   Manager и LAN   Server захватить заметную долю рынка, но принципы работы этих сетевых систем во многом нашли отражение в более успешной   Microsoft Windows   NT,  содержащей   встроенные   сетевые   компоненты   (некоторые   из   них имеют приставку LM — от LAN Manager). На   персональные   компьютеры   устанавливались   специально   для   них   разработанные операционные системы, подобные MS­DOS, NetWare  и OS/2, а также адаптировались существующие ОС. Появление процессоров  Intel 80286  и особенно 80386 с поддержкой мультипрограммирования позволило   перенести   на   платформу   персональных   компьютеров   ОС Unix.   Наиболее   известной системой этого типа была версия Unix компании Santa Cruz Operation (SCO Unix). В 90­е годы практически все операционные системы, занимающие заметное место на рынке, стали сетевыми. Сетевые функции сегодня встраиваются в ядро ОС и являются его неотъемлемой частью. Операционные системы получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных   (Ethernet, Fast   Ethernet, Gigabit   Ethernet, Token   Ring, FDDI, ATM)   и   глобальных ( X.25, frame   relay,  ISDN,  ATM )   сетей,   а   также   средства   для   создания составных   сетей (IP, IPX, AppleTalk,   В   операционных   системах   используются   средства мультиплексирования  нескольких  стеков протоколов, что позволяет компьютерам поддерживать сетевую   работу   с   разнородными   клиентами   и   серверами.   Появились   специализированные   ОС, предназначенные   исключительно   для   выполнения   коммуникационных   задач.   Например, сетевая  NLSP ).  RIP,  OSPF, операционная система IOS компании Cisco Systems, работающая в маршрутизаторах, организует в мультипрограммном   режиме   выполнение   набора   программ,   каждая   из   которых   реализует   один из коммуникационных протоколов. Во   второй   половине   90­х   годов   все   производители   операционных   систем   резко   усилили поддержку   средств   работы   с  Internet (кроме   производителей  Unix ­систем,   в   которых эта поддержка всегда была существенной). Кроме самого стека TCP/IP в комплект поставки начали включать   утилиты,   реализующие   такие   популярные   сервисы Internet как telnet, ftp, DNS и Web. Влияние Internet проявилось и в том, что компьютер превратился из вычислительного устройства в средство коммуникаций с развитыми вычислительными возможностями. На   современном   этапе   развития   операционных   систем   на   передний   план   вышли   средства обеспечения безопасности.   Это   обусловлено   возросшей   ценностью   информации,   обрабатываемой компьютерами,   а   также   повышенным   уровнем   риска,   связанного   с   передачей   данных   по   сетям, особенно по общедоступным, таким как Internet. Многие операционные системы обладают сегодня развитыми средствами защиты информации, основанными на шифровании данных, аутентификации и авторизации.       Современным операционным системам присуща многоплатформенность, то есть способность работать на компьютерах различного типа. Многие операционные системы имеют специальные версии для обеспечивающих высокую производительность и отказоустойчивость. Исключение пока составляет ОС NetWare, все версии которой разработаны для платформы Intel, а реализация функций NetWare в виде оболочки для других ОС, например, NetWare for AIX, успеха не имела. архитектур, кластерных поддержки   В   последние   годы   получила   дальнейшее   развитие   тенденция   повышения   удобства   работы   с компьютером. Эффективность работы пользователя становится основным фактором, определяющим эффективность вычислительной   системы в   целом.   Усилия   человека   не   должны   тратиться   на настройку параметров вычислительного процесса, как это происходило в ОС предыдущих поколений. Например, в системах пакетной обработки для мэйнфреймов каждый пользователь должен был с помощью языка управления заданиями определить большое количество параметров, относящихся к организации вычислительных  процессов в компьютере. Так, для системы  OS/360  язык управления заданиями JCL предусматривал возможность определения пользователем более 40 параметров, среди которых   были   приоритет   задания,   требования   к   основной   памяти,   предельное  время выполнения задания, перечень используемых устройств ввода­вывода и режимы их работы. Современная операционная система берет на себя выбор параметров операционной среды, с помощью   различных  адаптивных   алгоритмов.   Например,   тайм­ауты   в  коммуникационных протоколах часто определяются в зависимости от условий работы сети. Распределение оперативной памяти   между   процессами   осуществляется   автоматически   с   помощью   механизмов   виртуальной памяти в зависимости от активности этих процессов и информации о частоте использования ими той или иной страницы. Мгновенные приоритеты процессов определяются динамически в зависимости от предыстории, включающей, например, время нахождения процесса в очереди, процент использования выделенного   кванта   времени,   интенсивность   ввода­вывода   и   т.   п.   Даже   в   процессе   установки большинство ОС предлагают режим выбора параметров по умолчанию, который гарантирует пусть не оптимальное, но всегда приемлемое качество работы систем. Постоянно   повышается   удобство   интерактивной   работы   с   компьютером   путем   включения   в операционную систему развитых графических интерфейсов, использующих наряду с графикой звук и видео. Это особенно важно для превращения компьютера в терминал новой общедоступной сети, которой постепенно становится Internet, так как для массового пользователя терминал должен быть по   простоте   использования   подобен   телефонному   аппарату.   Пользовательский  интерфейс операционной системы становится все более интеллектуальным, он направляет действия человека в типовых ситуациях и выполняет многие задачи автоматически. Уровень   удобства   в   работе   с   ресурсами,   которые   сегодня   предоставляют   пользователям, администраторам и разработчикам приложений операционные системы изолированных компьютеров, для сетевых операционных систем является только заманчивой перспективой. Пока же пользователи и   администраторы  сети   тратят  значительное  время   на  попытки  выяснить,   где  находится   тот  или иной ресурс,   а   разработчики сетевых   приложений прилагают   много   усилий   для   определения местоположения данных и программных модулей в сети. Операционные системы будущего должны обеспечить   высокий   уровень   прозрачности   сетевых   ресурсов,   взяв   на   себя   задачу организации распределенных вычислений, превратив сеть в виртуальный компьютер. Именно такой смысл вкладывают в лаконичный лозунг "Сеть — это компьютер" специалисты компании Sun, но, чтобы   претворить   лозунг   в   жизнь,   разработчикам   операционных   систем   предстоит   пройти   еще долгий путь. Хронологическая последовательность важнейших событий в истории развития компьютерных сетей Первые ламповые компьютеры Первые компьютеры на полупроводниковых схемах (транзисторах) Начало 40­х Середина 50­х Первые компьютеры на интегральных схемах. Первые мультипрограммные ОС Середина 60­х Первые глобальные связи компьютеров Начало передач по телефонным сетям голоса в цифровой форме Появление больших интегральных схем. Первые мини­компьютеры Первые нестандартные локальные сети Создание сетевой архитектуры IBM SNA Создание технологии Х.25 Появление персональных компьютеров Конец 60­х Конец 60­х Начало 70­х Начало 70­х 1974 1974 Начало 80­х Создание Internet в современном виде. Установка на всех узлах стека TCP/IP Начало 80­х Появление стандартных технологий локальных сетей Начало коммерческого использования Internet Изобретение Web Ethernet  – 1980 Token Ring  – 1985 FDDI  – 1985 Конец 80­х 1991 Конвергенция   телекоммуникационных   сетей —   объединение   нескольких,   бывших   ранее раздельными, услуг в рамках одной услуги. Для   профессионального   языка связистов можно   предложить   такую   трактовку   термина   — возникновение   сходства   в   структуре   сетей   связи,   в   используемых   ими   аппаратно­программных средствах, также в совокупности услуг, предоставляемых абонентам. Конвергентным   телекоммуникационным   оборудованием при   этом   может   считаться оборудование способное подменить несколько ролей. В определенном смысле можно считать, что узкоспециализированное   оборудование   обладает   низкой   конвергентностью,   а   стандартное оборудование ­ высокой.