Поколения ЭВМ

Лекция №1. Содержание, цели и задачи дисциплины «Компьютерные сети и системы IP-телефонии». Основные моменты в IP-телефонии. Вычислительная техника и компьютер. Архитектура вычислительной системы. Развитие вычислительных машин.

Содержание дисциплины. Основные разделы.

Эволюция компьютерных сетей. Два корня компьютерных сетей. Первые компьютерные сети. Конвергенция сетей. Общие принципы построения сетей. Простейшая сеть из двух компьютеров. Сетевое программное обеспечение. Физическая передача данных по линиям связи. Проблемы связи нескольких компьютеров. Обобщенная задача коммутации. Коммутация каналов и пакетов. Сравнение сетей с коммутацией пакетов и каналов. Ethernet — пример стандартной технологии с коммутацией пакетов. Архитектура и стандартизация сетей. Декомпозиция задачи сетевого взаимодействия. Модель OSI. Стандартизация сетей. Информационные и транспортные услуги. Примеры сетей. Классификация компьютерных сетей. Обобщенная структура телекоммуникационной сети. Сети операторов связи. Корпоративные сети. Интернет. Сетевые характеристики. Типы характеристик. Производительность. Надежность. Характеристики сети поставщика услуг. Методы обеспечения качества обслуживания. Анализ очередей. Техника управления очередями. Механизмы кондиционирования трафика. Обратная связь. Резервирование ресурсов. Инжиниринг трафика. Работа в недогруженном режиме. Линии связи. Классификация линий связи. Характеристики линий связи. Типы кабелей. Кодирование и мультиплексирование данных. Модуляция. Дискретизация аналоговых сигналов. Методы кодирования. Обнаружение и коррекция ошибок. Мультиплексирование и коммутация. Беспроводная передача данных. Беспроводная среда передачи. Беспроводные системы. Технология широкополосного сигнала. Первичные сети. Сети PDH. Сети SONET/SDH. Сети DWDM. Сети OTN. Технологии локальных сетей на разделяемой среде. Общая характеристика протоколов локальных сетей на разделяемой среде. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде. Технологии Token Ring и FDDI. Беспроводные локальные сети IEEE 802.11. Персональные сети и технология Bluetooth. Коммутируемые сети Ethernet. Мост как предшественник и функциональный аналог коммутатора. Коммутаторы. Скоростные версии Ethernet. Архитектура коммутаторов. Конструктивное исполнение коммутаторов. Интеллектуальные функции коммутаторов. Алгоритм покрывающего дерева. Агрегирование линий связи в локальных сетях. Фильтрация трафика. Виртуальные локальные сети. Ограничения коммутаторов. Адресация в стеке протоколов TCP/IP. Типы адресов стека TCP/IP. Формат IP-адреса. Порядок назначения IP-адресов. Отображение IP-адресов на локальные адреса. Система DNS. Протокол DHCP. Протокол межсетевого взаимодействия. Формат IP-пакета. Схема IP-маршрутизации. Маршрутизация с использованием масок. Фрагментация IP-пакетов. Базовые протоколы TCP/IP. Протоколы транспортного уровня TCP и UDP. Общие свойства и классификация протоколов маршрутизации. Протокол RIP. Протокол OSPF. Маршрутизация в неоднородных сетях. Протокол BGP. Протокол ICMP. Дополнительные функции маршрутизаторов IP-сетей. Фильтрация. Стандарты QoS в IP-сетях. Трансляция сетевых адресов. Групповое вещание. IPv6 как развитие стека TCP/IP. Маршрутизаторы. Транспортные услуги и технологии глобальных сетей. Технология Frame Relay. Технология ATM. Виртуальные частные сети. IP в глобальных сетях. Технология MPLS. Протокол LDP. Мониторинг состояния путей LSP. Инжиниринг трафика в MPLS. Отказоустойчивость путей MPLS. Ethernet операторского класса. Технология EoMPLS. Ethernet поверх Ethernet. Удаленный доступ. Схемы удаленного доступа. Коммутируемый аналоговый доступ. Коммутируемый доступ через сеть ISDN. Технология ADSL. Доступ через сети CATV. Беспроводной доступ. Сетевые службы. Электронная почта. Веб-служба. IP-телефония. Протокол передачи файлов. Сетевое управление в IP-сетях. Сетевая безопасность. Основные понятия информационной безопасности. Типы и примеры атак. Методы обеспечения информационной безопасности. Шифрование. Аутентификация, авторизации, аудит. Антивирусная защита. Сетевые экраны. Прокси-серверы. Протоколы защищенного канала. IPsec. Сети VPN на основе шифрования.

Целями освоения дисциплины являются: обучение студентов принципам организации, построения современных локальных и глобальных компьютерных сетей, методологии передачи данных, построению различных структур обмена данными между ЭВМ, методике выбора оборудования и расчета основных параметров систем и устройств сетевой обработки данных, разработке алгоритмов обмена данными в сетях; изучение принципов организации и работы в сети Internet, основных ресурсов Internet, ознакомление со средствами навигации и поисковыми системами.

Если электронно-вычислительную машину представить как музыкальный инструмент, то ее программное обеспечение – это нотная запись. Термин «программное обеспечение» (software) вошел в обиход с начала 60-х годов. Это было связано с необходимостью провести, грань между командами, управляющими компьютером, и его физическими компонентами.

Потребность в автоматизации вычислений привела к созданию вначале простейших механических устройств, выполняющих арифметические действия, которые с развитием техники и появлением новых знаний совершенствовались и усложнялись.

Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство абак.

Абак- наиболее раннее счетное устройство, представляющее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н.э. Местом появления считается Азия.

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия).

В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором.

В XVII веке был изобретен арифмометр, выполняющий 4 арифметических действия; в XIX веке была изобретена (но не доведена до конца из-за несовершенства технологии) Аналитическая Машина, которая могла выполнять последовательность команд без участия человека. Программы вводились на перфокартах.

Перфокарточный метод управления механизмом связан с именем французского изобретателя (1804гг) Жозефа Мари Жаккара. Примерно 30 лет спустя английский математик Чарлз Бэббидж использовал идею Жаккара при разработке Аналитической машины. Он спроектировал универсальный программируемый компьютер, воплотив в нем многие черты, свойственные современным машинам.

В дальнейшем на протяжении почти столетия ничего похожего на Аналитическую машину не появлялось, однако идея использования перфокарт для обработки данных была апробирована довольно скоро. Спустя 20 лет после смерти Бэббиджа американский изобретатель Герман Холлерит создал электромеханическую счетную машину – табулятор, в которой перфокарты использовались для обработки результатов переписи населения, проводившейся в США в 1890 г. Для удовлетворения заказов на это изобретение Холлериту пришлось основать собственную фирму. В конце концов, эта фирма превратилась в знаменитую корпорацию ИБМ (IBM, International Business Machines), которая сделала перфокарты стандартным средством программирования компьютеров.

Математические первоисточники. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и, главное, различимых между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шестерни. В электрических и электронных устройствах таких устойчивых и различимых состояний всего два: включен - выключен; открыт – закрыт; заряжен – разряжен и т. п. Поэтому традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных устройствах.

Возможность представления любых чисел двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году.

Английский ученый первой половины ХIX века Джордж Буль был самоучкой. Возможно, благодаря отсутствию «классического» образования, Джордж Буль внес в логику, как науку, революционные изменения. Занимаясь исследованием законов мышления, он применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему называли логической алгеброй или булевой алгеброй. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух значений: истина или ложь.

Поколения ЭВМ

Создано четыре поколения электронно-вычислительных машин:

1. 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах. Запоминающие устройства (ЗУ) были построены на электронных лампах, электронно - лучевых трубках (ЭЛТ) и линиях задержки.

2. 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах, ЗУ на транзисторах, линиях задержки и ферритовых сердечниках.

3. 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИМС). ЗУ на ИМС.

4. Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом, используется новая технология на основе арсенида галлия.

Структурная схема ЭВМ. ЭВМ предназначены для обработки информации и отображения результатов обработки. Для решения задачи должна быть написана программа.

Во время решения задачи программа и операнды (числа, над которыми производится операции) находятся в оперативной памяти (ОЗУ). Быстродействие ОЗУ соизмеримо с быстродействием АЛУ. В процессе решения задачи АЛУ постоянно взаимодействует с ОЗУ, передавая в ОЗУ промежуточные и конечные результаты и получая из ОЗУ операнды действия всех частей ЭВМ при решении задачи осуществляется под воздействием управляющих сигналов, вырабатываемых устройством управления в соответствии с программой, записанной в ОЗУ.

ПЗУ предназначено для хранения стандартных программ, таких как sin и cos, констант p, е.

Существует еще сверх ОЗУ (СОЗУ), которое обладает малым объемом и высоким быстродействием. СОЗУ применяется для кратковременного хранения операндов и промежуточных результатов.

Качество ЭВМ определяется: объемом ОЗУ (т.е. количеством одновременно хранимых в ОЗУ двоичных слов); быстродействием, определяемым количеством операций в сек. После выполнения задачи, программа и результаты через устройство вывода записываются во внешнее ЗУ. В качестве внешних ЗУ используются магнитная лента, гибкий магнитный диск, магнитный барабан, перфолента, перфокарты. Программа вводится в ОЗУ с внешних ЗУ или с клавиатуры через устройство ввода