Глобальные сети

В настоящее время в мире зарегистрировано более 200 глобальных сетей. Глобальные сети (как и локальные) состоят из компьютеров, соединенных каналами связи. Глобальные вычислительные сети (ГВС) всего мира объедены между собой с помощью Internet.

Для работы в ГВС пользователю необходимо иметь соответствующее аппаратное и программное обеспечение. В простейшем случае из аппаратных средств нужно дополнительно установить модем, с помощью которого осуществляется связь по телефонной линии (например, из квартиры).

Программное обеспечение делится на два класса:

• программы-серверы, размещенные на том узле сети, который обслуживает компьютер пользователя;

• программы-клиенты, которые находятся на компьютере пользователя и пользуются услугами сервера.

Глобальные сети предоставляют пользователям разнообразные услуги: работа с распределенными базами данных, электронная почта, телеконференции, беседы в реальном масштабе времени, пересылка файлов и т.д. Каждая услуга (иногда говорят служба, сервис) работает по определенным правилам (протоколам).

Для реализации каждой сетевой услуги требуются своя программа-сервер и своя программа-клиент. Например, существуют почтовые серверы и клиенты, серверы и клиенты телеконференций (новостей).

В то же время современные программы-навигаторы (исследователи, браузеры, обозреватели) постепенно берут на себя функции отдельных служб глобальной сети и становятся «универсальными» клиентами.

Термин «сервер» имеет второе значение.

Сервером называют также и компьютер, на котором установлены программы-серверы. На одном сервере-компьютере может работать сразу несколько программ-серверов. Чаще всего мы будем понимать под термином «сервер» некий компьютер.

Глобальная сеть Internetпредставляет собой совокупность узлов (содержащих коммутационное оборудование и серверы), объединенных между собой каналами связи. Каждый узел содержит один или несколько мощных компьютеров-серверов, которые работают чаще всего под управлением операционной системы UNIX. Такой узел порой называют хостом.

Принятые обозначения

М — международный провайдер;

Н — национальный провайдер;

Р. — региональный провайдер;

ЛВС — локальная вычислительная сеть;

ПС — прокси-сервер;

Ш — шлюз;

Зер — зеркало;

Б — брандмауэр;

К - компьютер

Управляет узлом его собственник — организация, которая называется провайдером (от английского слова «provide» — обеспечивать) или поставщиком услуг Internet.

Среди наиболее известных провайдеров России: GlasNet, Relcom, Демос, Sovam Teleport, Sprint-Россия. В США крупнейшими провайдерами считаются CompuServe и America-OnLine.

Провайдеров можно разделить на международные, национальные и региональные. В России национальными провайдерами (их иногда называют первичными провайдерами) являются, например, GlasNet, Relcom, Демос. Скорость передачи информации между первичными провайдерами составляет несколько мегабит в секунду.

К первичным провайдерам подключаются региональные (вторичные) провайдеры. Скорость передачи информации между вторичными провайдерами составляет десятки-сотни килобит в секунду.

Примерная схема соединений показана на предыдущем рисунке, из которого видно, что компьютеры могут подключаться к глобальной сети, как через ЛВС, так и непосредственно подсоединяться к любому провайдеру.

Обсудим два часто используемых термина: зеркало и прокси-сервер.

Зеркало — сервер, который является копией другого популярного, но далеко расположенного сервера. Зеркало используется для снижения нагрузки в сети и повышения скорости передачи информации. Содержимое зеркала периодически обновляется.

Если, например, пользователю компьютера 22111 требуется получить информацию с сервера HI 1, то он ее получает с близко расположенного зеркала Зер.1.

Прокси-сервер — компьютер, который используется для снижения нагрузки в сети и повышения быстродействия. На прокси-сервере непродолжительное время хранится информация, к которой пользователи проявляют повышенный интерес. Если какой-либо пользователь недавно просматривал Web-страницу, которую решил посмотреть второй пользователь, то второму пользователю она будет передана с прокси-сервера. Внешне второму пользователю будет казаться, что установлена связь с первоисточником информации.

Предположим, что пользователь ЭВМ 1111 недавно получил файл с сервера Р421. Если эту же информацию пытается получить пользователь Компьютера 1112, то она поступает с близко расположенного ПС1.

Прокси-сервером может быть любая ЭВМ, на которую установлена Программа прокси-сервер. Информация на прокси-сервере стирается по мере угасания интереса к ней и заменяется новой, более актуальной.

Internet объединяет сети, работающие по разным правилам. Для согласования этих правил служат устройства — шлюзы.

Шлюз — устройство, соединяющее сети, несовместимые иным способом. Шлюз преобразует данные для обеспечения совместной работы разных сетей.

Серьезной проблемой при работе в сети является защита информации от несанкционированного доступа. По этой причине локальные сети банков и оборонных предприятий защищают от проникновения в них со сто­роны Интернет. Для этих целей используют брандмауэр.

Брандмауэр — аппаратно-программное средство (межсетевой экран), которое предотвращает несанкционированный доступ (вход) в защищаемую сеть.

Межсетевой экран выполняет свои функции, контролируя все информационные потоки между этими двумя сетями, работая как некоторая «информационная мембрана». Экран можно представлять себе как набор фильтров, анализирующих проходящую через них информацию. На основе заложенных алгоритмов брандмауэр принимает решение: пропустить ли эту информацию или отказать в ее пересылке.

Кроме того, брандмауэр фиксирует все «незаконные» попытки доступа к информации и сигнализирует о ситуациях, требующих немедленной реакции (поднимает тревогу).

Следует заметить, что Интернет подвижная, быстро изменяющаяся структура, конфигурация которой зависит от множества факторов. Поэтому нарисовать достоверную схему соединения множества узлов принципиально невозможно. Соединения могут самыми разнообразными: региональные провайдеры могут соединяться между собой, зеркала могут устанавливаться в любом месте, отдельные пользователи могут подключаться к любому провайдеру и т.д.

Бурный рост услуг, предоставляемых в Internet, приводит к перегрузке узлов и каналов связи, что снижает скорость и надежность передачи информации. При этом каналы связи развиваются крайне неравномерно и в основном там, где государство и частные фирмы считают нужным вкладывать в| это средства.

В зависимости от своих финансовых возможностей пользователь выбирает один из двух основных способов подключения к Internet:

• удаленный доступ по коммутируемой (временной) телефонной линии;

• прямой доступ по выделенному (постоянному) каналу.

Первый способ значительно дешевле, однако, менее удобен. Для работы в Internet нужно предварительно дозвониться по телефону до узла провайдера. Кроме того, при таком способе соединения будет невысокая скорость обмена информацией и низкое качество связи (частые прерывания связи, многократные запросы на повторную передачу ошибочно принятой информации). По коммутируемой линии чаще всего работают в ночное время, когда телефонные линии меньше «шумят».

Второй способ гораздо эффективнее, но и дороже, поэтому используется он, в основном, коллективными или состоятельными пользователями.

В качестве выделенных каналов могут использоваться коаксиальные и оптические кабели, радиорелейные линии, спутниковая связь.

Существуют и более сложные способы подключения к Internet, например, система DirecPC. С ее помощью информация из Internet поступает через спутник (тарелка 21 дюйм), а в обратном направлении — через модем по телефонной линии. Такой способ удобен потому, что пользователи преимущественно получают информацию из глобальной сети и значительно меньше отправляют данные в сеть. Высокоскоростной спутниковый канал (400 Кбит/с) и низкоскоростной телефонный канал удовлетворяют таким требованиям.

Другая спутниковая система — NetSat Direct в отличие от DirecPC обходится без модемного соединения. Несмотря на то, что данные передаются в обоих направлениях через спутник, из Internet к пользователю они идут намного быстрее. Скорость приема данных в системе NetSat Direct составляет 400 Кбит/с, а скорость передачи — только 19,2 Кбит/с.

В сеть Интернет входят множество компьютеров, работающих под управлением разных операционных систем, на разных аппаратных платформах. Однако при обмене информацией все ЭВМ должны пользоваться едиными соглашениями (протоколами) о способах передачи сообщений. Тогда любая ЭВМ в состоянии «понять» информацию, полученную от любой другой ЭВМ.

Протокол — это правила (соглашения, стандарт) передачи информации в сети.

Следует различать два типа протоколов Интернет:

— базовые протоколы, отвечающие за физическую пересылку электронных сообщений любого типа между компьютерами Интернет (IP и TCP), Эти протоколы настолько тесно связаны между собой, что чаще всего их обозначают единым термином «протокол TCP/IP»;

— прикладные протоколы более высокого уровня, отвечающие за функционирование специализированных служб Интернет: протокол http (передача гипертекстовых сообщений), протокол ftp (передача файлов), протокол telnet (удаленный доступ), протоколы электронной почты и т.д.

Компьютер не может работать в Интернет, если на нем не установлена поддержка базовых протоколов TCP/IP. Однако на конкретном компьютере /могут отсутствовать программы-клиенты, которые предназначены для работы с каким-то прикладным протоколом.

Например, может не работать электронная почта или новости (телеконференция).

Каждая ЭВМ, подключенная к Интернет, имеет собственный уникальный физический адрес (IP-адрес), состоящий из четырех десятичных чисел — каждое в диапазоне от 0 до 255. При работе в сети машины отыскивают друг друга именно по этим числам. Числа записываются через точку, например:

194.84.93.29 или 128.29.15.124.

Такая система адресации позволяет получить 256^{4 ~~} 4,3 миллиарда адресов.

Физическим адресом пользоваться неудобно (людям сложно запомнить длинный набор цифр), поэтому физическому адресу ставят в соответствие символический (доменный) адрес, который составлен из осмысленных буквенных обозначений.

Синтаксис записи доменного адреса таков:

протокол://имя машины, имя домена[/каталог/ подкаталог/имя файла]

Первым указывается протокол получаемых услуг, например, http. Далее записывается имя ЭВМ, например, www. Еще правее располагается имя домена, например, microsoft.com. В конце адреса иногда указываются имена каталогов на сервере и имена файлов (Web-страниц), например, /compress/cpnew.htm. Запись, заключенная в квадратные скобки, не обязательно присутствует в любом доменном адресе.

Приведем несколько примеров доменных адресов:

http://www.microsoft.com

http://www.sports.ru

ftp://ftp.mathsoft.com

http://www.translate.ru/rus/erre.asp

Имя домена может состоять из двух-четырех слов, причем старший (правый) домен указывает либо на страну, в которой находится узел, либо на тип организации (в США).

Например, uk означает Великобританию, ru (или su) — Россию, de —, Германию, ua — Украину и т.д.; com — это коммерческие компании, edu — университеты США, gov — правительственные организации и т.д.

Таким образом, доменная система имен использует принцип последовательных уточнений. Домен верхнего уровня располагается в адресе правее (например, название страны), а домен нижнего уровня — левее.

При поиске сервера по его доменному адресу компьютер пользователя обращается к серверам DNS (Domain Name System — система имен доменов), которые хранят информацию о соответствии символьных (доменных) и физических (числовых) имен. Таким образом, фактически поиск нужного сервера осуществляется с помощью физических адресов, а перевод доменных адресов в физические адреса осуществляют с помощью специальных серверов.

Определение пути, по которому будет передано сообщение, осуществляется с помощью специального устройства — маршрутизатора.

Маршрутизатор (Router) — устройство, которое работает с несколькими каналами, направляя в какой-нибудь из них очередной блок данных. Маршрутизатор выбирает канал по адресу, указанному в заголовке пришедшего сообщения (пакета). Для каждого поступающего пакета маршрутизатор принимает индивидуальное решение о пути следования пакета к сети, в которой находится машина-адресат.

Процедура выбора наилучшего пути называется маршрутизацией.

Проблема выбора осложняется тем, что географически самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту. Оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности нагрузки (трафика), которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время, как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи информации.

Между конечными компьютерами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов, но программа-клиент будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть.

Образно маршрутизатор можно сравнить с телевизионной камерой, установленной на вертолете. С помощью такой камеры хорошо видны дороги и потоки движущихся автомобилей. Такой общий вид позволяет выбрать наиболее свободный и удобный путь движения транспорта.

Таким образом, протокол IP выполняет функции маршрутизации, выбирая нужный путь для пакетов в паутине физических сетей.

По способу передачи информации вычислительные сети делятся на сети коммутации каналов, сети коммутации сообщений и сети коммутации пакетов.

При коммутации каналов образуется непосредственное (физическое) соединение двух узлов.

При коммутации сообщений информация передается порциями, которые называются сообщениями (например, телеграмма, письмо или отчет).

Очевидно, что на время передачи сообщения (а оно может быть очень большим) канал связи становится недоступным для других пользователей. Кроме того, надежность такого соединения невелика: неполадки одного из многочисленных звеньев канала нарушает связь между этой парой компьютеров.

При коммутации пакетов обмен производится короткими пакетами фиксированной структуры и длины. Пакет — это часть сообщения. Малая длина пакета предотвращает блокировку линий связи, не дает захватывать на долгое время канал связи одному пользователю. При этом каждый пользователь, подключившийся к популярному серверу, поочередно получает небольшую (1500 байт) порцию информации. Основные принципы коммутации пакетов поддерживаются протоколом TCP/IP.

Протокол TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) разбивает исходное сообщение на несколько небольших фрагментов — пакетов. Каждый пакет снабжается заголовком, который содержит служебную информацию (адреса отправителя и получателя, идентификатор сообщения, номер пакета в сообщении и т.п.).

Ответственность за доставку отдельного пакета по заданному адресу несет IP-протокол (Internet Protocol).

Рассмотрим процесс доставки электронных пакетов. Сначала пакет попадает на узел провайдера, где специальные программы, пользуясь таблицами маршрутизации, выбирают дальнейший маршрут следования. При этом разные пакеты одного и того же сообщения могут дойти до адресата по разным маршрутам (путям), через разные узлы Интернета. Поэтому судьба конкретного сообщения в известной степени не зависит от неполадок в отдельных участках сети: при необходимости пакет может быть переправлен обходным путем.

Наконец, TCP-модуль адресата собирает поступающие пакеты и, поль­зуясь служебной информацией, соединяет отдельные пакеты в целое исходное сообщение. Недостающие или искаженные фрагменты сообщения пере­сылаются повторно.

Все описанные процессы идут со скоростью, близкой к 300000 км/с, однако, время доставки сообщения оказывается относительно такой скорости большим: от нескольких секунд до нескольких часов.

Дело в том, что длина одного пакета обычно не превышает 1500 байт и одно сообщение может быть разбито на несколько сотен пакетов. Таким образом, по каналам связи одновременно следуют, чередуясь друг с другом, тысячи пакетов. При этом общее время передачи равномерно распределяется между всеми пользователями.

Процесс перемещения пакетов в сети можно образно сравнить с множеством падающих снежинок. Причем каждая снежинка заранее «знает» место своего приземления.

Чем больше пользователей одновременно работают в Интернет, тем медленнее доставляются сообщения конкретному адресату. Кроме того, случаются и «технические» задержки — перегрузка промежуточных шлюзов и серверов, неполадки в линиях связи.

Дадим краткую характеристику основным службам, которые функционируют в современной глобальной сети. Каждая служба (услуга) поддержи­вается своими правилами работы (протоколами).

FTP (File Transfer Protocol) — протокол передачи файлов. Дает возможность обмениваться двоичными и текстовыми файлами между компьютерами. Это один из самых «древних» прикладных протоколов.

Одна из первых потребностей программистов заключалась (и заключается) в обмене интересными программами. Именно этим целям служит данный протокол.

Archie (муравей) — этот протокол работает со специальными серверами, которые собирают и хранят информацию о содержимом FTP-серверов в узлах Интернет. С помощью Archie-серверов ведут поиск адресов FTP-серверов, на которых хранятся нужные файлы.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — этот протокол используется при передаче электронной почты (E-mail) между компьютерами Internet. Для передачи и приема электронных сообщений (почты) используются и другие протоколы: РОРЗ, IMAP. Последний протокол позволяет в письмах использовать гипертекстовые ссылки.

Usenet — распределенный дискуссионный клуб, телеконференции, группы новостей. В отличие от электронной почты, клиент Usenet направляет сообщение не индивидуальному адресату, а группе неизвестных ему абонен­тов телеконференции. Все участники конференции имеют равные права при обсуждении того или иного вопроса, поэтому каждый вправе свободно вы­сказываться по обсуждаемому вопросу. Каждая телеконференция посвящена какой-либо теме (науке, искусству, спорту, отдыху и т.п.). По некоторым данным ныне в Интернет насчитывается свыше 20000 телеконференций. Телеконференция — это как бы «плавающая» доска объявлений. Изменения, сделанные на одном сервере новостей передаются на все другие серверы. Чтобы обменяться новостями, серверы регулярно связываются между собой.

Если использовать метафору, то электронную почту можно сравнить со способом передачи записок между Машенькой и Дубровским. У них было известное только им двоим место нахождения дупла в дереве (адрес).

Остап Бендер, когда делал запись на вершине горы «Киса и Ося здесь были», использовал принцип телеконференций: любой мог читать и писать в:этом месте.

Telnet — протокол Internet, который позволяет пользователю одного компьютера подключиться к другому удаленному компьютеру и работать с ним как на собственном компьютере (включая операции редактирования и удаления).

Этот протокол может быть использован, например, в таком случае.

При возникновении неисправности клиент по телефону обращается к соответствующей технической службе. Специалисты по телефону обследуют неисправную ЭВМ, дистанционно устанавливают нужные драйверы, запускают на выполнение нужные программы и т.д. С помощью этого протокола бухгалтер или банкир, находясь в командировке, может записать или удалить данные на компьютере, находящемся в другом городе.

Gopher (суслик) — это протокол, который обеспечивает более развитые (по сравнению с FTP) средства поиска и извлечения информации с помощью многоуровневого меню, справочных книг, индексных ссылок и т.п. Этот протокол поддерживается современными программами-навигаторами. Протокол служит для получения текстовой информации (художественных произведений, стихов). Протокол не является прогрессивным, он постепенно будет терять свою распространенность.

Для поиска сразу на нескольких gopher-серверах создана служба VERONICA.

WAIS (Wide Area Information Servers) — распределенная информационная система, которая обслуживает поиск информации в сетевых БД и библиотеках. Этот протокол уже стал архаичным, поиск по ключевым словам в настоящее время происходит с помощью новых поисковых систем, например, Rambler, Yahoo.

IRC (Internet Relay Chat) — чрезвычайно популярная служба Internets IRC позволяет пользователям общаться друг с другом, подключившись к одному серверу IRC. Беседа ведется в реальном времени путем набора своих реплик на клавиатуре. В отличие от телеконференций здесь реакция собеседника следует мгновенно, живо. Этот вид услуг порой называют чатом или «болтушкой». Этот вид услуг пользуется большой популярностью у студентов.

ICQ (произносится Ай Си Кью) — интернет-пейджер, который в отличии от обычного пейджера, позволяет вести не односторонний, а двухсторонний обмен информацией в реальном масштабе времени. ICQ обладает удобной системой поиска партнеров для бесед (с учетом возраста, интересов, профессии, языка, страны проживания и т.д.). Программа автоматически ищет указанных людей и уведомляет о том, что они в настоящий момент времени подключены к сети.

Internet Phone (телефония) — быстро развивающийся новый вид услуг, использующий принцип голосовой связи. Речь преобразуется в цифровой файл и передается по сети в виде обычного набора электронных пакетов.

С помощью данной услуги возможна передача голоса, видеоизображения, обмен текстовыми сообщениями, совместное использование графического редактора, обмен файлами.

Естественно, что ЭВМ должна иметь звуковую карту, микрофон, акустическую систему. Для передачи изображения понадобится видеокамера.

Интернет — телефония позволяет создать голосовую почту, которая похожа на обычную электронную почту. Однако полученные сообщения можно прослушать.

Internet-радио — служба, позволяющая прослушивать сотни радиостанций, ведущих вещание в Internet. Отличительной особенностью этой услуги является возможность выбора радиостанций, вещающих на определенном языке, тематики вещания (например, новости), музыкальных стилей (джаз, рок, классика, церковная и т.д.).

Internet-телевидение — служба, позволяющая вести прием множества телевизионных каналов. Распространение этой услуги пока ограничивается малой пропускной способностью современных каналов связи.

WWW (World Wide Web — Всемирная паутина) — это гипертекстовая информационно-поисковая система в Интернет. Блоки данных WWW (страницы) размещаются на отдельных компьютерах, называемых WWW-серверами (или Web-серверами) и принадлежащих отдельным организациям или частным лицам. С помощью гипертекстовых ссылок, встроенных в документы WWW, пользователь может быстро переходить от одного документа к другому, от сайта к сайту от сервера к серверу.

Web-страницей называется наименьший документ сети, имеющий собственный доменный адрес. Длина адреса страницы больше длины адреса сайта.

Сайтом называется группа Web-страниц объединенных одной темой.

Если говорить коротко, то WWW — это распределенная по всему миру большая энциклопедия.

В основе WWW лежит протокол передачи гипертекстовых сообщений HTTP (Hypertext Transfer Protocol), а сами страницы формируются, чаще всего, с помощью специального гипертекстового языка описания документов HTML (Hypertext Markup Language).

В основе распределенной базы данных WWW лежит гипертекстовая технология.

Обычно текст представляется как длинная линейная последовательность символов, которая читается в одном направлении. Гипертекстовая технология заключается в том, что текст делится на фрагменты (блоки). Между фрагментами устанавливаются связи, которые при необходимости позволяют уточнить полученную информацию. Выбирая связи по ассоциации (по смыслу), можно читать гипертекст в порядке, наиболее удобном для пользователя.

Для работы с WWW используются специальные программы-клиенты, которые по-английски называются browsers (от глагола «browse» — «просматривать»), а по-русски — браузерами (порой броузерами), навигаторами, обозревателями, просмотрщиками. Наиболее популярны в настоящий момент времени браузеры Netscape Navigator и Microsoft Internet Explorer.