МАИ национальный исследовательский университет Специальность Прикладная информатика по

МАИ (национальный исследовательский университет) Специальность «Прикладная информатика (по областям)» Курс лекций «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» Лекция 1 Тема занятия: Вводная Учебные вопросы: В. 1 Предмет и задачи дисциплины В. 2 Историческая справка о развитии дисциплины В. 3 Содержание и особенности изучения дисциплины 1

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет) профессор кафедры 311 к. т. н. , доцент Шевченко Валерий Павлович e-mail: vp_shev@mail. ru

В. 1 Предмет и задачи дисциплины

Состав дисциплины дисциплина объединяет три части: • вычислительные системы; • вычислительные сети ; • телекоммуникации. Несмотря на очевидную связь между собой, эти понятия самостоятельны.

Вычислительные системы Под ВСИ понимают совокупность взаимосвязанных процессоров или ЭВМ, предназначенных для хранения, обработки и распределения информации. Основное отличие ВСИ от ЭВМ – параллельная обработка информации. К ВСИ могут быть отнесены и многоядерные процессоры, получившие большое распространение в последнее время. Основные цели ВСИ: повышение производительности, надежности и достоверности обработки данных и информации.

Вычислительные системы ВСИ могут быть реализованы даже в рамках одного компьютера или нескольких рядом расположенных. С другой стороны, возможно объединение миллионов пространственно разнесенных ЭВМ на огромной территории для организации их параллельной работы в целях решения ресурсоемких задач. Примерами таких задач являются задачи создания искусственного интеллекта, прогнозирования природных катастроф, расшифровки генома человека и др. Подобные технологии получили название Grid.

Технологии Grid Компания IBM проводит проект по созданию ВСИ World Community Grid В нее планируется включить на добровольных началах до 10 млн. компьютеров по всему миру. Объединять такую глобальную ВСИ должны вычислительные сети

Вычислительные сети (ВС) – традиционное название компьютерных сетей. Это совокупность компьютеров, соединенных каналами связи (КС). В свою очередь, в состав КС входят физические среды передачи данных, например кабели, а также разнообразная аппаратура передачи данных.

Вычислительные сети Термин «вычислительные сети» несколько устарел, поскольку в настоящее время область использования ВС выходит далеко за пределы чистых вычислительных операций, для которых изначально предназначались компьютеры. Сейчас на ВС, возлагается большое число задач не связанных напрямую с вычислениями, а предназначенных для хранения и передачи информации.

Современное понимание ВС Сегодня часто употребляются термины «компьютерные сети» , «информационные сети» или даже «информационновычислительные сети» , когда хотят в названии сети перечислить основные виды задач, стоящие перед ВС.

Информация Термин информация происходит от латинского informatio, что означает разъяснение, осведомление, изложение. Информация, хотя и нематериальна, является таким же ресурсом, как любые материальные активы (полезные ископаемые, машины, оборудование, здания и сооружения) Все они характеризуются объемами, возрастом, надежностью, стоимостью и др.

Сущность ВС ВС представляют собой частный случай распределенных в пространстве систем общего назначения, к каковым относят водопроводные сети или сети энергоснабжения. Существенно ближе по своим задачам к ВС более ранние, традиционные информационные сети курьерской, почтовой и фельдъегерской служб. Они возникли в различной своей форме практически одновременно с появлением человека.

Информационные сети Позднее, в XIX веке появляются проводные сигнальные телеграфные и телефонные сети. В XX веке формируются радио- и телевизионные сети (в 1904 г итальянец Маркони устанавливает связь через Атлантический океан). Наконец, после создания компьютеров появляются ВС. Все перечисленные сети по своей сути являются информационными и отличаются между собой своими возможностями и особенностями обмена информацией между корреспондентами.

Информационные сети Из информационных сетей наибольший интерес для дисциплины представляют вычислительные (компьютерные) сети, которые, в основном, и рассматриваются в дисциплине.

Телекоммуникации Третьей составной частью дисциплины являются телекоммуникации. Это сложное слово состоит тоже из частей: теле – удаленные; коммуникации – связи. Это наука об особенностях передачи и приема информации разнесенными в пространстве корреспондентами.

Телекоммуникации Прямая передача голосовой аналоговой информации себя исчерпала уже к 70 годам прошлого века. В настоящее время телекоммуникационная область – это область цифровых технологий, внедряемых повсеместно. Это вопросы прямого и обратного преобразования исходной аналоговой непрерывной информации о звуке и изображении в цифровую дискретную информацию, вопросы сжатия и кодирования информации, ее модуляции и демодуляции, маршрутизации при передаче и многое другое.

В. 2 Историческая справка о развитии дисциплины

Исторические аспекты Свою историю дисциплина ведет с 50 -х годов прошлого века, когда появляются первые компьютеры – большие, громоздкие и дорогие. Годом рождения первого компьютера называют 1945 год, когда в Гарварде был создан Марк II – прообраз ЭВМ. Он весил 5 т и его длина составляла около 20 м. Одних проводов на его создание ушло 800 км.

Тестирование машины Марк-1 .

Исторические аспекты Первые компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователей, а использовались в режиме пакетной обработки. В этом режиме пользователи готовили перфокарты, содержащие данные и программы, и передавали их в ВЦ. Операторы ВЦ вводили данные перфокарт в компьютер круглосуточно, а пользователи получали конечные результаты как правило лишь на следующий день.

Первые компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователей, а использовались в режиме пакетной обработки. В этом режиме пользователи готовили перфокарты, содержащие данные и программы, и передавали их в ВЦ. Операторы ВЦ вводили данные перфокарт в компьютер круглосуточно, а пользователи получали конечные результаты как правило лишь на следующий день.

Первые компьютеры Таким образом, обеспечивался режим максимального использования самого дорогого устройства – процессора вычислительной машины в ущерб удобству пользователей, которые непосредственно к ЭВМ не допускались.

60 -е годы В начале 60 -х годов процессоры удешевляются и появляются новые способы организации вычислительного процесса, позволяющие обеспечить интерактивный режим общения пользователя и ЭВМ. Развиваются многотерминальные системы – прообразы сетей. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольких пользователей. Каждый из них получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с ЭВМ. За счет высокого быстродействия ЭВМ пользователи не слишком мешали другу.

Мэйнфреймы Такие системы часто называют мэйнфреймами, пример - система виртуальных машин СВМ, принятая в ЕС ЭВМ. Терминалы рассредоточивались по всему предприятию, или, как в университетах, по всему ВУЗу – на кафедры, отделы, лаборатории. В мэйнфреймах, хотя вычислительная мощность оставалась централизованной, ряд функций вычислительного процесса становился распределенным, например ввод и вывод данных.

Закон Гроша Обоснованием целесообразности многотерминальных систем в то время был т. н. закон Гроша. Согласно нему производительность ЭВМ была пропорциональна квадрату ее стоимости. Поэтому было выгоднее купить один мощный компьютер, чем несколько менее мощных. Их суммарная производительность оказывалась меньшей, чем у более дорогой ЭВМ. Таким образом, в 60 -е годы предприятиям еще не было, что объединять в сети.

60 -е, создание DARPA Однако, именно в 60 -е зарождаются первые теоретические и практические предпосылки современной теории сетей ЭВМ. Прогресс человечества и военные технологии часто идут рука об руку. Весь начальный этап развития компьютерных сетей связан с DARPA – Defence Advanced Research Projects Agency - Агентством по передовым оборонным исследованиям США. Создание этого агентства и проведение им исследований в области создания сетей ЭВМ явилось результатом успехов СССР в области ракетостроения и космонавтики.

60 -е, создание DARPA В это время становится ясной возможность сокрушительного ответного ракетно – ядерного удара по территории США со стороны СССР и возникает задача обеспечения резервированного управления страной и вооруженными силами с помощью пространственно - разнесенной системы командных пунктов. В ней выход из строя отдельного командного пункта не приводил бы к параличу системы управления. Указанные разработки DARPA практически в неизменном виде и легли в основу современного Интернета.

Теоретические предпосылки создания сетей В 1962 году выходит первая работа в этой области «Галактическая сеть» профессора Дж. Ликлайдера. В ней предсказывается создание и особенности всемирной сети ЭВМ. В 1964 году Леонард Клейнрок выпускает книгу «Информационный поток в крупных коммуникационных сетях» . В ней он обосновывает новую теорию передачи данных на основе коммутации информационных пакетов в противовес старому принципу коммутации каналов.

Коммутация каналов В традиционной телефонии один канал связи передается исключительно к услугам двух пользователей, расположенных на его концах. Остальные вынуждены ожидать освобождения канала связи. Такой принцип совершенно неприемлем для одновременной связи множества абонентов компьютерной сети.

Коммутация пакетов Новый способ пакетной коммутации предлагал разбиение передаваемых данных на фрагменты – пакеты – , к каждому из которых присоединялся заголовок (адрес). Эти пакеты практически одновременно и независимо передаются по одному каналу связи от множества пользователей. В точках приема из этих фрагментов собираются первоначальные сообщения.

Коммутация пакетов В 1965 году осуществилась первая проверка указанных теоретических разработок. Состоялось первое соединение и обмен данными двух удаленных компьютеров, расположенных один в Массачусетском технологическом институте (MIT), а другой – в тысяче километров в г. Санта. Моника, шт. Калифорния. Это соединение стало началом эры глобальных компьютерных сетей (ГЛС) или WAN (Wide Area Networks).

Первая удаленная связь компьютеров В 1965 году осуществилась первая проверка указанных теоретических разработок. Состоялось первое соединение и обмен данными двух удаленных компьютеров, расположенных один в Массачусетском технологическом институте (MIT), а другой – в тысяче километров в г. Санта. Моника, шт. Калифорния. Это соединение стало началом эры глобальных компьютерных сетей (ГЛС) или WAN (Wide Area Networks).

Первая сеть В 1969 г создается сеть ARPANET, в которую первоначально вошли четыре удаленных компьютера в городах Санта-Барбара, Лос. Анджелес, Стэнфорд, Юта. Позже она объединила все университеты США, а затем весь Североамериканский континент, часть Европы и Азии.

70 -е годы, создание БИС В начале 70 -х годов появились большие интегральные схемы (БИС). Процессоры резко дешевеют и одному предприятию оказывается возможной закупка нескольких компьютеров, устанавливаемых в различных его подразделениях. Возникает необходимость в создании локальных вычислительных сетей (ЛВС) или LAN (Local Area Networks). ЛВС это объединение компьютеров на сравнительно небольшой территории 1… 2 км, занимаемой, как правило, одной организацией.

80 -е годы В середине 80 -х вместе с появлением достаточно мощных персональных компьютеров утверждаются стандартные технологии их объединения в ЛС – Ethernet, Arcnet, Token Ring и др.

90 -е годы, появление лидирующей сетевой технологии Конец 90 -х годов выявил явного лидера среди технологий ЛС – семейство Ethernet. В него вошли кроме классической Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, также Fast Ethernet – 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet – 1000 Мбит/с. Уже в XXI веке принят новый стандарт 10 G Ethernet пропускная способность которого 10 Гбит/с.

XXI век Успехи в телекоммуникационных технологиях привели к созданию в начале XXI века городских компьютерных сетей MAN (Metropolitan Area Networks). Они занимают промежуточное положение между LAN и WAN и предназначены для обслуживания территории крупного города. Они обеспечивают соединение ЛВС города между собой, а также выход в ГЛС, посредством использования, как правило, оптоволоконных каналов связи.

XXI век В это же время выделяется как новое направление развития сетевых технологий концепция интеллектуального жилища и связанных с ним сверхмалых персональных сетей – PAN (Personal Area Networks). Все отмеченные технологии ВС сегодня бурно развиваются и трансформируются в соответствие с растущими потребностями человеческого общества.

Место ВС в развитии современных ИС

Тенденции развития сетей Основная тенденция современных информационных сетей – конвергенция (сближение) всех видов сетей между собой на основе компьютерных сетей. Наглядный пример – современные системы сотовой телефонии. Оконечной аппаратурой в них может служить не просто обычный сотовый телефон, а мини-компьютер – смартфон, предусматривающий выполнение стандартных вычислительных операций, а также выход в Интернет.

Тенденции развития сетей Другой пример конвергенции ВС и телефонных сетей – широко внедряемая в последнее время технология Vo. IP (Vo – Voice – голос, IP – интернет протокол). Внешне обычные телефонные аппараты Vo. IP телефоны по существу представляют собой мини-компьюторы, в которых голос разрезается на множество отсчетов, оцифровывается и формируется в пакеты. Далее они передаются по каналам связи Интернета подобно обычным компьютерным данным.

Тенденции развития сетей Подобные конвергированные, объединенные сети называют инфокоммуникационными (ИФК). В инфокоммуникационных сетях информационный трафик, как правило, значительно более напряжен в сравнении с традиционными ВС. Они предъявляют дополнительные высокие требования к КС особенно к отсутствию ощутимых задержек в них, что обеспечить не просто.

Интернет В настоящее время особую нишу в ИФК сетях занимает инфокоммуникационная сеть Интернет. Ее назначение – объединение всевозможных сетевых ресурсов всей планеты. Современный Интернет –постоянно совершенствуемая глобальная мультисервисная сеть. В недалеком будущем на основе Интернет планируется создание глобальной ИФК сети нового поколения NGN – Next Generation Network.

NGN Гарантированными услугами в этой сети будут так называемые Triple-Play Services (сервисы тройного обслуживания), поддерживающие разнообразный обмен тремя основными видами информации: речевой, данных и видео. Такая мультисервисная сеть в обозримом будущем будет наиболее полно удовлетворять требования пользователей до тех пор, пока не сформируется платежеспособный спрос на обмен информацией, которая воспринимается органами обоняния и осязания.

В. 3 Содержание и особенности изучения дисциплины

Содержание дисциплины Дисциплина изучается в 3 семестре и включает в свой состав материал ряда тем, касающихся особенностей построения ВС и организации телекоммуникаций. На это отводится 54 часа аудиторных занятий из которых: 42 часа лекций и 12 часов лабораторных занятий. Самостоятельная работа студента – 63 часа. Отчетность – экзамен. Дисциплина «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» является профилирующей по направлению 230700 «Прикладная информатика (по областям)» .

Рекомендуемая литература 1. Шевченко В. П. Информационные сети и 2. 3. 4. 5. телекоммуникации. Учебное пособие – М. : Изд-во МАМИ, 2007. – 287 с. Шевченко В. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник. . – М. : КНОРУС, 2012. – 288 с. Олифер В. Г. , Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебное пособие. М. : СПб. : Питер, 4 -е издание, 2010, -944 с. Таненбаум Э. Компьютерные сети. – СПб. : Питер, 2005. – 992 с. Куроуз, Дж. , Росс. К. Компьютерные сети (многоуровневая архитектура Интернета). «Питер» , 2 е издание 2004, – 731 с.

Важность дисциплины Важность изучаемых вопросов в дисциплине определяется практической значимостью предмета изучения - ВС. Современное высокорентабельное предприятие не мыслится без собственной четко отлаженной распределенной информационно-вычислительной сети. Страховая компания в условиях разрушения сети может существовать в среднем 5, 5 дней, дистрибуторская – 2, 5 дня, банк – 2 дня, предприятие же с организацией производства «just in time» (в реальном времени) не более 24 часов.

Задачами курса являются приобретение студентами фундаментальных знаний в области сетевых технологий, без которых их дальнейшая успешная профессиональная деятельность становится невозможной.