Компьютерные сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Хронология важнейших событий на пути появления первых сетей

1.1 Первые глобальные сети

Компьютерные сети, называемые также сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации - компьютерных и телекоммуникационных технологий.

С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно решает набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. 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.

А вот потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени уже вполне назрела. Началось все с решения более простой задачи - доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных суперкомпьютеров. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер.

Итак, хронологически первыми появились глобальные сети (Wide Area Network, WAN), то есть сети, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры, возможно находящиеся в различных городах и странах. Глобальные компьютерные сети очень многое унаследовали от других, гораздо более старых и распространенных глобальных сетей - телефонных. Главное технологическое новшество, которое привнесли с собой первые глобальные компьютерные сети, состояло в отказе от принципа коммутации каналов, на протяжении многих десятков лет успешно использовавшегося в телефонных сетях. Выделяемый на все время сеанса связи составной телефонный канал, передающий информацию с постоянной скоростью, не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективней передается сетями, работающими по принципу коммутации пакетов, когда данные разделяются на небольшие порции - пакеты, - которые самостоятельно перемещаются по сети благодаря наличию адреса конечного узла в заголовке пакета. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, то 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 килобитов 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 Х.25, разработанные еще в начале 70-х, когда низкоскоростные аналоговые каналы, арендуемые у телефонных компаний, были преобладающим типом каналов, соединяющих компьютеры и коммутаторы глобальной вычислительной сети. В 1969 году министерство обороны США инициировало работы по объединению в единую сеть суперкомпьютеров оборонных и научно-исследовательских центров. Эта сеть, получившая название ARPANET, стала отправной точкой для создания первой и самой известной ныне глобальной сети - Интернет. Сеть ARPANET объединяла компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных операционных систем (ОС) с дополнительными модулями, реализующими коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети. ОС этих компьютеров можно считать первыми сетевыми операционными системами.

Истинно сетевые ОС в отличие от многотерминальных ОС позволяли не только рассредоточить пользователей, но и организовать распределенные 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 через сеть 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.

Прогресс глобальных компьютерных сетей во многом определялся прогрессом телефонных сетей. С конца 60-х годов в телефонных сетях все чаще стала применяться передача голоса в цифровой форме.

Это привело к появлению высокоскоростных цифровых каналов, соединяющих автоматические телефонные станции (АТС) и позволяющих одновременно передавать десятки и сотни разговоров. К настоящему времени глобальные сети по разнообразию и качеству предоставляемых услуг догнали локальные сети, которые долгое время лидировали в этом отношении, хотя и появились на свет значительно позже.

Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей, произошло в начале 70-х годов. В результате технологического прорыва в области производства компьютерных компонентов появились большие интегральные схемы (БИС). Их сравнительно невысокая стоимость и хорошие функциональные возможности привели к созданию миникомпьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Эмпирический закон Гроша перестал соответствовать действительности, так как десяток мини-компьютеров, имея ту же стоимость, что и мэйнфрейм, решали некоторые задачи (как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь собственные компьютеры. Мини-компьютеры решали задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно.

1.2 Первые локальные сети

Шло время, и потребности пользователей вычислительной техники росли. Их уже не удовлетворяла изолированная работа на собственном компьютере, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться компьютерными данными с пользователями других подразделений. Ответом на эту потребность стало появление первых локальных вычислительных сетей. Локальные сети (Local Area Network, LAN) - это объединения компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории, обычно в радиусе не более 1-2 км, хотя в отдельных случаях локальная сеть может иметь и большие размеры, например несколько десятков километров. В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.

На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались нестандартные сетевые технологии.

Сетевая технология - это согласованный набор программных и аппаратных средств (например, драйверов, сетевых адаптеров, кабелей и разъемов), а также механизмов передачи Данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети. Разнообразные устройства сопряжения, использующие собственные способы представления данных на линиях связи, свои типы кабелей и т.п., могли соединять только те конкретные модели компьютеров, для которых были разработаны, например, мини - компьютеры PDP-11 с мэйнфреймом IBM 360 или мини-компьютеры HP с микрокомпьютерами LSI-11. Такая ситуация создала большой простор для творчества студентов - названия многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов «Устройство сопряжения…».

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях кардинально изменилось. Утвердились стандартные сетевые технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже - FDDI.

Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты стали идеальными элементами построения сетей - с одной стороны, они были достаточно мощными, чтобы обеспечивать работу сетевого программного обеспечения, а с другой - явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения 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 мини - компьютеры и мэйнфреймы.

Все стандартные технологии локальных сетей опирались на тот же принцип коммутации, который был с успехом опробован и доказал свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных сетях, - принцип коммутации пакетов.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из решения нетривиальной технической проблемы в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобрести стандартный кабель, сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, вставить адаптеры в компьютеры, присоединить их к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютеры одну из популярных сетевых операционных систем, например Novell NetWare.

Разработчики локальных сетей привнесли много нового в организацию работы пользователей. Так, стало намного проще и удобнее, чем в глобальных сетях, получать доступ к общим сетевым ресурсам. Последствием и одновременно движущей силой такого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользователей, освобожденных от необходимости изучать специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы.

Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей - семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с.

Простые алгоритмы работы предопределяют низкую стоимость оборудования Ethernet. Широкий диапазон иерархии скоростей позволяет рационально строить локальную сеть, выбирая ту технологию семейства, которая в наибольшей степени отвечает задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к другу по принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию этих сетей.

Хронология важнейших событий на пути появления первых компьютерных сетей

В конце 80-х годов отличия между локальными и глобальными сетями проявлялись весьма отчетливо.

Протяженность и качество линий связи. Локальные компьютерные сети по определению отличаются от глобальных сетей небольшими расстояниями между узлами сети. Это в принципе делает возможным использование в локальных сетях более качественных линий связи.

· Сложность методов передачи данных. В условиях низкой надежности физических каналов в глобальных сетях требуются более сложные, чем в локальных сетях, методы передачи данных и соответствующее оборудование.

Скорость обмена данными в локальных сетях (10, 16 и 100 Мбит/с) в то время была существенно выше, чем в глобальных (от 2,4 Кбит/с до 2 Мбит/с).

2. Беспроводные технологии организации распределенных сетей (HSPA+, wiMax, LTE). Спецификации и основные характеристики

2.1 Классификация беспроводных сетей передачи данных

компьютерный беспроводной сеть

Беспроводные сети передачи данных становятся одним из важнейших направлений развития телекоммуникаций. Их отличают гибкость архитектуры, возможность динамического изменения топологии, высокая скорость передачи данных, быстрота проектирования и развертывания, отсутствие необходимости дорогостоящей прокладки медного или волоконно-оптического кабеля. Бурное развитие разнообразных мобильных телекоммуникаций, особенно сотовых систем связи, продиктовало разработку стандартов, решающих проблемы совместимости оборудования беспроводной передачи данных различных изготовителей.

Цель данного реферата состоит в том, чтобы дать общее представление о технологиях построения беспроводных сетей передачи данных, привести сравнительные характеристики систем LTE, WiMax и HSPA+, как одних из наиболее перспективных и быстро развивающихся технологий.

Под беспроводными сетями передачи данных (БСПД) понимают подкласс сетей передачи информации, предназначенных для передачи информации на расстояние между двумя или более точками, средой передачи данных которых являются не электрические (оптические) кабели. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение. БСПД можно классифицировать по дальности действия (рис. 2) на сети: ? Беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks) (пример технологий - Bluetooth); ? Беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks) (пример технологий - Wi-Fi); ? Беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks) (пример технологий - WiMAX). БСПД можно классифицировать по топологии на системы: ? «точка-точка»; ? «точка-многоточка». По области применения можно выделить: ? корпоративные (ведомственные) БСПД, создаваемые компаниями для собственных производственных нужд; ? операторские БСПД, создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг. Также БСПД можно классифицировать по максимальной скорости и максимальному расстоянию передачи информации.

2.2 Сравнение технологий БСПД WiMax и LTE TD/FDD

Обе технологии WiMax и LTE базируются на одном и том же радиоинтерфейсе MIMO-OFDM. Для сетей с временным дуплексом TD-LTE стандартизованы 8 диапазонов частот, из них 2 диапазона (2,3 и 2,6 ГГц) совпадают с полосами WiMax. Планируется, что в релизе 10 спецификаций 3GPP будет стандартизован диапазон 3,5 ГГц, также совпадающий с WiMax. Учитывая, что в мире выданы сотни лицензий на предоставление услуг беспроводного доступа в указанных трех диапазонах частот, у технологии TD-LTE очень хорошие шансы на глобальное внедрение.

На линии вниз LTE и линиях вверх и вниз WiMax используется OFDMA - многостанционый доступ на базе ортгонального частотного мультиплексирования (OFDM). В LTE на линии вверх отказались от OFDM, поскольку при сложении множества ортогональных поднесущих формируется сигнал с большим пик - фатором. Для передачи такого сигнала без искажений требуется высоко - линейный, а, значит, дорогостоящий усилитель. Для упрощения терминалов было решено использовать технологию SC-FDMA - мултиплексирование на одной несущей. Сигнал SC-FDMA обладает меньшим пик-фактором, усилитель в этом случае может работать в более эффективном режиме, с более высоким КПД.

В WiMax диспетчеризация ресурсов в частотной области осуществляется по принципу «frequency diversity scheduling», поднесущие, выделяемые пользователю, распределены по всему спектру канала. Делается это для рандомизации и усреднения влияния частотно-селективных замираний на широкополосный канал. В LTE реализована другая техника борьбы с частотно-селективными замираниями: частотно-селективная диспетчеризация ресурсов «frequency selective scheduling». Для каждой абонентской станции UE (User Equipment) и каждого ресурсного блока формируются индикаторы качества канала CQI (Channel Quality Indicator). Пользователям выделяются только те ресурсы, которые обладают наивысшим CQI, а, значит, наилучшим отношением сигнал/шум. Такой способ распределения ресурсов между пользователями дает заметный энергетический выигрыш по сравнению с рандомизированной раздачей частотных ресурсов.

2.3 Сравнение технологий LTE и HSPA+

Основное различие между системами HSPA+ и LTE - методы радиодоступа. В HSPA,+ как и в UMTS/HSPA, применяется множественный доступ с кодовым разделением (CDMA), а в LTE - множественный доступ на базе ортогонального частотного мультиплексирования (OFDMA). Однако в обеих системах применяется множество одних и тех же передовых радиотехнологий: адаптация системы к радиоканалу, многоантенные системы (MIMO) и т.д., что и позволяет им конкурировать друг с другом.

На линии вниз радиоинтерфейса LTE используется метод множественного доступа с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Использование множества узкополосных поднесущих, ортогональных между собой, позволяет совместить достоинства узкополосного и широкополосного методов передачи сигналов, и в то же время избежать недостатков этих методов: OFDM эффективно справляется с межсимвольной интерференцией и с частотно-селективными замираниями.

При этом очень эффективно используются частотные ресурсы, несмотря на то, что спектры поднесущих OFDM перекрываются, сигналы, передаваемые на разных поднесущих, остаются ортогональными. При использовании OFDM можно без труда адаптировать систему к доступной оператору системной полосе: 1,4 МГц, 3 МГц, 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц, 20 МГц - при фиксированном разносе между поднесущими 15 кГц. Множественный доступ OFDMA предусматривает гибкое выделение абонентам частотно-временных ресурсных блоков. Абонентский терминал оценивает характеристики принимаемого сигнала и возвращает на базовую станцию отчет, включающий среди прочего индикатор качества канала (CQI - Channel Quality Indicator). Базовая станция анализирует принятые от терминалов индикаторы CQI, учитывает обеспечиваемую ими пропускную способность и принимает решение о количестве выделяемых каждому из них ресурсных блоков, обеспечивая некоторый компромисс между очередностью обслуживания абонентов и агрегатной пропускной способностью сектора. Повышение спектральной и / или энергетической эффективности также гарантируется использованием многоантенных систем, в LTE на линии вниз могут использоваться схемы MIMO размерности до 4х4: пространственное мультиплексирование с обратной связью и рангом передачи 2, многопользовательское MIMO, пространственно-частотная разнесенная передача, адаптивное формирование луча диаграммы направленности многоэлементной антенны. Кроме того, в LTE можно максимально учесть условия распространения радиоволн в канале связи и адаптировать к ним систему путем выбора наиболее подходящей схемы модуляции и кодирования (MCS - Modulation and Coding Scheme). Квадратурная амплитудная модуляция QPSK/16QAM/64QAM может комбинироваться с помехоустойчивым кодированием с различными скоростями. Среди доступных 29 схем MCS выбирается та, которая в данных условиях распространения радиоволн обеспечивает максимальную пропускную способность. При высоком отношении сигнал-шум может использоваться скорость кодирования, близкая к 1. Часть из перечисленных выше средств повышения эффективности радиоинтерфейса доступна также и на линии вниз HSPA+, но с некоторыми отличиями. Спецификации Release 7 добавили к функциям HSDPA возможность поддержки 64QAM и MIMO 2х2, но со следующими ограничениями: в режиме MIMO максимальный порядок модуляции - 16QAM, модуляция 64QAM может использоваться базовыми станциями в традиционном режиме SISO (Single-Input-Single-Output). Сочетание 64QAM и MIMO 2х2 стало возможным в следующей версии HSPA+, Release 8. Следует отметить, что даже при неизменном методе радиодоступа - CDMA, в системах HSPA+ не будет обеспечиваться полная совместимость с существующим абонентским оборудованием - терминалы HSDPA не поддерживают 64QAM и MIMO. Для реализации этой функциональности требуются новые терминалы. В настоящее время существует множество технологий БСПД, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как LTE, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения. Применительно к беспроводным сетям масштаба города WMAN технология LTE имеет следующие ключевые преимущества по сравнению с другими системами: - Производительность. Характеристики радиопокрытия, спектральной эффективности и емкости сети LTE значительно выше характеристик WiMax, HSPA+. - Масштабы рынка. Значительное превосходство технологии радиодоступа стандарта LTE над технологиями 3GPP предыдущих поколений безусловно является существенным аргументом в пользу революционного сценария развития беспроводных сетей передачи данных в будущем.

Список используемой литературы

1. А.В. Кузин Компьютерные сети: Учебное пособие-3-е изд.; перераб и доп. - М.: Форум: ИНФРА-М, 2011.

2. В.Ф. Шаньгин Информационная безопасность компьютерных систем и сетей: Учебное пособие - М.: ИД ФОРУМ: ИНФРА-М, 2012.

3. А.Н Чекмарев Windows 7в домашней сети. - Спб.: Питер, 2011.

4. Варукина Л. Производительность сети TD-LTE в сравнении с WiMax // Мобильный Форум. Июль 2010. Адрес в Интернете http://www.mforum.ru/news/article/093817.htm

5. Варукина Л. Координация помех в сетях LTE // Радиочастотный спектр. - 2010.

Размещено на Allbest.ru