Тема 1.

Страницата се нуждае от преглеждане и/или допълване.

Компютърни мрежи. Апаратура и топологии.

Как започва Интернет?

Базисният универсален материал стои в основата на интернет. Няма да се занимаваме с мрежовата среда, която се създава от Microsoft, защото е много насочена към локални конфигурации.
Сиско е основен производител на мрежово оборудване за интернет. В Сиско книгите се набляга на фирмените особености, но като обхват са повече от това, което ни трябва.

Компютърните мрежи се появяват от необходимостта компютрите да си обменят данни и задачи достатъчно бързо. Още при появата на компютрите, 50те години, са създадени т.н. пешеходни мрежи (Sneakernet) – пешеходци, разнасящи магнитни ленти. Появява се въпросът за унификацията на данните, така че да могат да преминават от един компютър в друг. Тогава IBM успява да се пребори с конкуренцията, защото техните машини са по-масово разпространени. Потребителите имат нужда от пряк достъп до компютрите в онлайн режим. Така през 60те години се появяват терминалните мрежи.
tty-dumb
При тях идеята е, че към основен компютър (контролер), най-често голяма машина от ранга на мейнфрейм, се включват няколко терминала - символни устройства, които действат като вход/изход. Тъй като времето, през което компютърът чака вход/изход от потребителя, често е (било) по-малко от времето за машинна обработка, се получава така, че в епоха, когато изчислителната мощ е сравнително малка и скъпа, множество потребители могат да ползват един компютър, като си поделят времето. Първоначално терминалите са прости (dumb), а после се усложняват, като се появяват и графични такива. Линиите, които свързват компютъра с терминалите, се "удължават" - от рамките на една стая или сграда до големи разстояния.

Телефонни канали

Комуникацията за цифровите данни се различава от битовата комуникация (телефонна и телеграфна), която се осъществява(ла) чрез аналогови сигнали. А цифровите данни са числа. Съществували опити да се предават цифрови данни чрез аналогови сигнали. Развиват се комуникационните технологии на базата на модемите. Модем (Модулатор-демодулатор) – устройство, чрез което цифровите данни се превръщат в аналогов сигнал, който минава през стандартен телефонен канал. Телефонията е изобретена още края на 19ти век. Тя се базира на особеностите на звуковите вълни и на човешкото ухо, което ги долавя. Звуковите вълни са непрекъснати и представляват свивания и разпускания на въздуха. Те имат честотни характеристики – трептения в секунда. Честотата, която се долавя от човешкото ухо, е от 50 Hz до 20 000 Hz1 - това са физиологичните граници. Звуковите вълни под 20 Hz се наричат "инфразвук"2.
Оказва се, че информацията в говора се съдържа в честотната лента от 100 Hz до 4000Hz, поради което телефонният канал, за да бъде икономичен, е свит в този диапазон, даже до 3500 Hz, т.е. “режат” се честотите извън този диапазон.
cstn2.png
"Канал" се осъществява между двата крайни абоната. При набиране на номера на другия абонат се минава през редица от телефонни централи, които на етапи правят превключвания (комутации) и накрая на потребителя се осигурява собствена връзка до другия потребител - канал, който е единствен между двете устройства. Тази технология е известна като комутация на канали. Един канал се осъществява чрез поредица от комутационни полета - "областта на действие" на един комутатор , или телефонна централа, крайните потребители или други комутатори, с които той е свързан. Обикновено от всички устройства в едно поле, едновременно могат да работят само някаква част, например 10%.
В днешно време, информацията, която се предава по телефонните канали, е цифрова, и все по-широко навлиза IP телефонията - предаване на звуковия сигнал посредством компютърни мрежи.
Важно: Термините в телекомуникациите и в компютърните мрежи понякога съвпадат, тъй като едното произхожда от другото, но обикновено означават различни неща. Комутаторът при каналната комутация може да изглежда така, докато комутаторът при пакетна комутация е добре познатият switch. Не ги бъркайте!

Сигнали, Хармоничен Анализ, Амплитудна модулация

Развитието на телефонните системи се базира на един много хубав математически апарат – хармоничен анализ, преобразованията на Фурие – те показват, че могат да се натрупат най-различни периодични сигнали и да се предават като един електрически сигнал, при положение, че началните сигнали са в различен честотен диапазон. Сигналът минава по една жица ("компресирана магистрала) – например, сто канала, компресирани в един сигнал. На другия край със специална филтрация се отделя всяка честота. Разделението на линиите е през 5000 Hz една от друга - в крайна сметка се получават абсолютно същите трептения като началните. В телефонията е разработена система за мултиплициране и компресиране на отделните канали – 1 физическа жица, по която текат няколко хиляди канала - това още преди 50те години, т.е. преди появата на компютрите.3

Индивидуалната връзка от нашия телефон до АТЦ (автоматична телефонна централа, телефонен комутатор) е чифт от 2 усукани жици. Тъй като той е индивидуален, не се осъществяват компресия и филтрация. Нашият телефонен канал е с ширина 4 kHz, което означава, че по същия проводник могат, успоредно с телефонния сигнал, да преминат още сигнали в диапазон от по-големи честоти. Това се използва в DSL, един вариант на което е ADSL (Тези сигнали не навлизат в комутационното поле, а се отделят преди това). Гласът ни се преобразува в електрическо трептене, което минава през една жица, отива в градската централа и се настанява в някой свободен честотен канал, т.е. измества се примерно с 10 kHz и отива в свободен канал. Ако той отиде в междуградската магистрала, то този сигнал най-често престава да бъде електрически, ами се преобразува като част от светлинен сигнал, който се движи между градските централи. По едно такова влакно едновременно стоят десетки хиляди телефонни канали, които са изместени по особен начин от физична гледна точка, докато от логистична гледна точка каналът е същият. 18 ст. на минута БТК – USA.
Очевидно не е възможно този канал да е наистина отделен кабел, от ония, които минават под Атлантическия океан. При това честотно уплътняване – колкото по-тесен е сигналът, толкова по-евтино ще излиза. Когато каналът е широк 8 MHz, то той е много голям като честотни граници и ще се поместят по-малко канали. Пример – телевизионните канали. Там информацията се предава в честотна лента от 8 MHz. В кабелната телевизия се започва от 80 MHz и през 8 MHz се нареждат телевизионни канали до към 800 MHz. Така че, 100 канала по коаксиален кабел със съпротивление 75 $\Omega$.

В цифровата телевизия пък, чрез семплиране (отчитане на сигнала в дискретни моменти) и тежка модулация, сигналът се компресира до лента с ширина 1 Mhz. Ако пък имаме HDTV, то тази лента е широка 8 Mhz. А смяната на канала става в тюнъра, където се извършва филтрация.
Първите канали в компютърните мрежи са с големината на телефонните канали - 4 kHz – тъй като са базирани на телефонните мрежи. Това става, като се модулира синусоидна вълна с честота 18004 Hz. Промяната се основава на следното: един такъв сигнал има 3 параметъра:
sinewave.GIF

  • А – амплитуда
  • Т – период. f = 1/T – честота
  • $\phi$ – фазов ъгъл.

При модулация се променя един или няколко от тези параметри:

  • Честотна модулация – $\pm$ 1000 Hz – Когато имаме 0, честотата пада. При 1 – честотата се качва. Тъй като това е телефонен канал, то сигналът не може да излиза от 3500 Hz.
  • Амплитудна модулация - изменя се амплитудата на носещата вълна.
  • Фазова модулация – изменение на фазовия ъгъл.
  • Сложна модулации – модулират се два или повече параметъра, няма да се занимаваме с тия работи.

Теорема на Шанон – от теорията на информацията: Информационният капацитет на един честотен канал - при тежка модулация по няколко параметъра - е малко повече от 10 пъти размера (ширината) на канала. Т.е. ако каналът е 3300 Hz, то информационният капацитет е 33 000 bps (33.6 kbps модем, например). Ако модулацията ставаше само по един параметър, то можеше да очакваме скорост от 9600 bps.
Имаме канали, които са в така наречените честотни ленти – взима се цялото честотно пространство и се разделя на отделни диапазони, през които вървят отделни информационни канали. По този начин може да използваме един кабел за няколко неща. Кабеларката отделя няколко по-малки честоти за кабелен интернет. 512 kbps-връзка може да се осъществи в 50 kHz-диапазон. Така даден брой потребители получават връзка чрез няколко телевизионни канала, специално отделени за Интернет. Кабелният модем заема определена честота в кабела, която се държи монополно от потребителя (unicast), за разлика от предаваните TV-сигнали, които са достъпни за всички (broadcast). Когато в една медия (един кабел) имаме единствен канал, говорим за baseband-канал, а когато са повече - broadband (забележка: говорим за термините в комуникационните технологии; в компютърните мрежи значението се изменя донякъде).
Тази комуникационна технология е била вече развита и позволява бързо да се създадат терминалните мрежи – т.е. от разстояние да се обменят данни с един единствен компютър – това става през 60-те години. Към 65та година в САЩ има вече доста мощни компютри – един в Илиноис, друг в Калифорния. Пешеходната мрежа става крайно неприложима и започва да се мисли за нещо по-добро.

DARPA

Министерството на отбраната е създало агенция DARPADefense Advanced Research Projects Agency - която има за цел да разработва перспективни проекти за национални цели. DARPA създава ARPANET – първата в света мрежа за обмен на данни. В този проект целта е изчислителните центрове на няколко американски университета да си обменят данни и задачи – проект за мрежа от компютри. Първоначалната идея е сравнително проста: "аморфна", децентрализирана структура, в която между два компютъра има повече от един възможен път за връзка. Идеята зад такова разпределение е да няма незаменими мрежови станции - мрежата да продължи да функционира, дори когато част от нея е извън строя. Това позволява на мрежата да работи нормално въпреки множеството повреди по мрежовото оборудване. Освен това, така `и се дава шанс да устои на атака (според много хора от СССР. Но, реално, през онези години мрежите са били толкова неустойчиви, че изискването за аморфна връзка идва по-скоро от честите повреди по трасетата). Във Франция се прави такава мрежа, но тя не успява да се наложи. ARPANET просъществува десетина години, след което се разцепва на части.

Три сървъра за министерството на отбраната под синьото небе.
Седем за НАСА, в техните тъмни зали от камък.
Девет за Националната научна фондация, обречени да създадат Интернет.
И един за Тъмния Господар, на неговия тъмен трон.
В земята на Редмънт, където сенки дебнат.
Един сървър да властва над всички; Един да ги намери;
Един да ги сбере и в мрак да ги обвие.
В земята на Редмънт, където сенки дебнат.

ARPANET се доразвива от National Science Foundation, където бива преработена и прераства в Интернет. Тя първоначално служи за среда за обмен на e-mail съобщения, а впоследствие - и на файлове, като се стига дори и до опити за мрежова телефония. Проектът ARPABET е свободен изследователски проект на университетите и там се измислят първите мрежови технологии. През 90те Тим Бърнърс-Лий, работещ тогава в CERN, създава WWW-технологията и първия Web-сървър.

Въз основа на ARPANET се създават нови технологии и стандарти,които стават достъпни за бизнеса и публиката. В един момент се появяват най-различни мрежи и стандарти, които една с друга не са съвместими. За да се превъзмогне това, от DARPA се подемат нови разработки и около 1973-74та година се появяват първите спецификации на TCP. Десетилетие по-късно TCP става основен протокол за ARPANET. Така тази технология, благодарение на своята масовост, постепенно измества останалите си аналози, като и до днес остава централна за Интернет. Именно в тези разработки за пръв път се използва терминът Internet.

Интернет

С нарастването на броя на компютрите и мощността на процесорите, нараства и броят на мрежите – най-различни, но общо взето с едни и същи физически характеристики, а с различна логистика. Една възможна, относителна класификация на мрежите е по обхват - отстоянието на процесорите на двата компютъра един от друг.

PROTIP за изпита - тук нарисувай картинка, която да заема около осем страници :)

Отстояние Обхват Име
~10 cm Компютър Мултипроцесорна система
~1 m Компютърна система Мултикомпютър
~10 m Стая Wireless (всъщност не е коректно, но не разглеждаме безжични мрежи - тъй че, ще го преглътнем)
~100 m Сграда LAN (Local Area Network)
~1 km Кампус (територия на едно учреждение) CAN (Campus Area Network)
~10 km Град/Метрополис MAN (Metropolitan Area Network)
~100 km Държава WAN (Wide Area Network)
~1 000 km Държава/Континент WAN (отново - мащабът е относителен)
~10 000km Планета Internet
Повече Междупланетно пространство ICN (Interplanetary Communications Network) (разработва се)
  • 10 m – в една стая – свързани през канал (системната шина не е канал. Тя има много линии, магистрална структура, линии за данни, адреси за управление.)
  • (56 - 440) 000 000 km - МАРС - ICN (Interplanetary Communications Network)5
  • Същински MAN-ове няма в България, но може да очакваме.6

Локалните мрежи (LAN) най-често се реализират чрез Ethernet. Ethernet (IEEE 802.3) е набор от стандарти и протоколи, които осъществяват физическата част на почти всички днешни мрежи. Стандартизирането на мрежовото оборудване позволява съвместимост между отделните мрежови станции, лесно и бързо разрастване и поддръжка на мрежата.
Локалната мрежа е система, базираща се на един общ канал, в който са свързани компютри, наречени абонати на мрежата. Абонатите избират от общия поток от данни само това, което е за тях. Първата разработка на общодостъпен канал се нарича Алоха. Като топология общият канал е шина или пръстен, или хибридна технология – много шини, вързани с един или няколко пръстена Връзките между тях могат да бъдат медни проводници или оптични влакна.
LAN_topology.gif
Всички тези технологии работят на принципа на общ канал. Данните се движат между всички абонати. От гледна точка на комуникацията има значение дали потокът ще е общ, или за всеки ще има канали, свързани със специални устройства, наречени маршрутизатори(рутъри, router), които разделят потоците от данни по конкретни маршрути (мрежи) - routing (маршрутизация). Рутерът преструктурира потока данни, като "закарва" данните до конкретния получател, като така той не "слуша" общия поток. Класическото схващане е:

  • LAN мрежите са мрежи със селекция, базирани на общ поток от данни.
  • CAN са хибридни мрежи – имат и общи потоци, и маршрутизация.
  • MAN използват и маршрутизация и селекция.
  • WAN и Интернет – само маршрутизация. (point-to-point). Може би става дума за интернет достъп чрез модем. - Б. ред.

Очевидното предимство на маршрутизираните мрежи подобрява ефективността - всяко съобщение се праща само на този, за когото е предназначено, а не на всички слушащи. При няколкостотин милиона клиента и няколко милиарда съобщения във всеки един момент - това е добра идея.

Бележки:

  • Терминът канал е добил смисъла си от мрежовата комуникация от тип point-to-point - две станции общуват непосредствено една с друга. В среда с общ достъп, като например Ethernet, той е долу-горе тъждествено на мрежов сегмент, или collision domain.
  • Поради усложняването на LAN мрежите и съответната промяна на значението на термина, (явно) LAN ще се разглежда със значението на "канал", което съвпада с едно от най-ранните определения за локална мрежа - множество от крайни потребители и мрежови устройства, директно свързани чрез преносна среда (кабели), без междинни устройства (суич, рутър), аналогични на мрежов сегмент с шинна топология.
  • В сегашно време е обичайно рутърите да свързват един с друг мрежови сегменти, като пренасочват трафика за даден получател към сегмента, където той се намира.
Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 License