ресурсам, а также возможность покупать и продавать товары и услуги. Домашние пользователи подключаются к интернету через поставщиков телефонных или кабельных услуг (хотя для ноутбуков и телефонов все чаще применяется беспроводное подключение). Совершенствование технологий рождает новые виды мобильных приложений и сетей с помощью компьютеров, встроенных в различные бытовые приборы и другие устройства. Однако это способствует возникновению социальных проблем, например, связанных с защитой персональной информации.

Грубо говоря, сети можно разделить на LAN, MAN, WAN и интерсети. LAN обычно охватывает одно здание и работает на достаточно высокой скорости. MAN обычно охватывает целый город, например системы кабельного телевидения, широко используемые для доступа в интернет. WAN могут покрывать страну или целый континент. Для построения таких сетей используются как соединения «точка-точка» (в случае кабельных сетей), так и широковещательные технологии (в случае беспроводных сетей). Сети могут объединяться при помощи маршрутизаторов в интерсети, наиболее крупный и значимый пример — интернет. Также огромную популярность получили беспроводные сети, например LAN на основе стандарта 802.11 и мобильная телефония 4G.

В основе компьютерных сетей лежат протоколы, представляющие собой правила взаимодействия процессов. Большинство сетей поддерживает иерархии протоколов, в которых каждый уровень предоставляет службы вышележащему уровню, скрывая от него детали протоколов нижележащих уровней. В основе стека протоколов обычно лежат модели OSI или TCP/IP. В обеих моделях есть канальный, сетевой, транспортный и прикладной уровни; различаются они наличием/отсутствием остальных уровней. Главные вопросы, которые учитываются при разработке, — надежность, выделение ресурсов, способность к развитию, безопасность и пр. Значительная часть этой книги посвящена именно протоколам и их архитектуре.

Сети предоставляют своим пользователям разнообразные службы: от доставки пакетов без установления соединений по принципу «лучшее из возможного» до гарантированной доставки на основе соединений. В некоторых сетях на одном уровне предоставляются службы без соединений, а на уровне выше — ориентированные на установление соединения.

Среди наиболее известных сетей — интернет, мобильные телефонные сети и LAN на основе стандарта 802.11. Прародителем интернета стала сеть ARPANET, к которой подключалось множество сетей для формирования объединенной сети. Современный интернет фактически представляет собой набор из многих тысяч сетей, использующих стек протоколов TCP/IP. Мобильные телефонные сети предоставляют беспроводной и мобильный доступ в интернет на скорости в несколько мегабит в секунду и, разумеется, поддерживают также и голосовые звонки. Беспроводные LAN на основе стандарта IEEE 802.11 развертываются во множестве домов, отелей, аэропортов и ресторанов и могут обеспечить скорость в 1 Гбит/с и более. Различные виды беспроводных сетей постепенно сливаются. Это можно наблюдать на примере LTE-U, который позволяет протоколам сотовых сетей работать в нелицензируемом диапазоне частот вместе с 802.11.

Чтобы миллионы устройств могли взаимодействовать друг с другом, необходима серьезная стандартизация как аппаратного, так программного обеспечения. За различные стороны процесса стандартизации отвечают такие организации, как МСЭ-T, ISO, IEEE и IAB.

Вопросы и задачи

1. Вы установили канал связи между двумя средневековыми замками в виде обученного ворона, переносящего свиток из замка-отправителя в замок-получатель, находящийся за 160 км. Ворон летит со средней скоростью в 40 км/ч и переносит один свиток за раз. Каждый свиток содержит 1,8 ТБ данных. Вычислите скорость передачи данных по этому каналу при отправке (а) 1,8 ТБ данных; (б) 3,6 ТБ данных; (в) бесконечного потока данных.

2. Каждый день все больше устройств подключается к IoT-сетям. Помимо прочего, IoT упрощает наблюдение за собственностью и контроль потребления коммунальных услуг. Но любую технологию можно использовать как во благо, так и во зло. Обсудите возможные недостатки IoT.

3. Беспроводные сети уже обогнали проводные по популярности, несмотря на то что их пропускная способность обычно меньше. Приведите две причины этого явления.

4. Вместо покупки своего собственного аппаратного обеспечения небольшие компании часто размещают оборудование в дата-центрах. Обсудите достоинства и недостатки этого подхода с точки зрения как компании, так и ее пользователей.

5. Альтернативой LAN может служить большая система с разделением времени, с терминалами для всех пользователей. Приведите два преимущества клиент-серверной системы, использующей LAN.

6. На быстродействие клиент-серверной системы очень сильно влияют две основные характеристики сети: пропускная способность сети (сколько битов в секунду она может передавать) и время задержки (через сколько секунд первый бит, отправленный с клиента, попадет на сервер). Приведите пример сети с высокой пропускной способностью и большим временем задержки. А затем — пример сети с низкой пропускной способностью и низким временем задержки.

7. Одним из факторов, влияющих на задержку при коммутации пакетов с промежуточным хранением данных, является время, требуемое для сохранения и отправки пакета далее через коммутатор. Окажет ли время коммутации в 20 мкс существенное влияние на задержку при ответе клиент-серверной системы, в которой клиент находится в Нью-Йорке, а сервер — в Калифорнии? При этом скорость распространения сигнала по медному и оптическому кабелю составляет 2/3 скорости света в вакууме.

8. Сервер отправляет пакеты клиенту через спутник. Прежде чем достичь места назначения, пакеты должны пройти через один или несколько спутников. В спутниках используется коммутация пакетов с промежуточным хранением данных со временем коммутации в 100 мкс. Если полное расстояние, проходимое пакетами, равно 29 700 км, то через сколько спутников должны пройти пакеты, учитывая, что на коммутацию пакетов приходится 1 % задержки?

9. Клиент-серверная система использует спутниковую сеть, причем спутник находится на высоте 40 000 км. Чему равна минимально возможная задержка ответа на запрос?

10. Сигнал движется со скоростью, составляющей 2/3 скорости света в вакууме, и попадает в место назначения через 100 мс. Какое расстояние он прошел?

11. Сегодня, когда практически у всех есть домашние компьютеры или мобильные устройства, подключенные к сети, стали возможны мгновенные голосования по важным законопроектам. Когда-нибудь законодательные органы вообще можно будет упразднить, а люди будут выражать свою волю непосредственно. Положительные стороны прямой демократии очевидны; подумайте, какие у нее могут быть недостатки.

12. Необходимо подключить пять маршрутизаторов к двухточечной сети. Каждую пару маршрутизаторов можно соединить линией с высокой, средней, низкой скоростью или вообще не соединять. Если генерация и оценка каждой топологии занимает у компьютера 50 мс, то сколько займет оценка их всех?

13. Пусть дана группа из 2n – 1 маршрутизаторов, связанных между собой в централизованном бинарном дереве, по одному маршрутизатору в каждом узле дерева. Маршрутизатор i взаимодействует с маршрутизатором j, отправляя сообщение в корневой узел дерева. Далее корневой узел пересылает сообщение вниз, в узел j. Выведите приближенное выражение для среднего количества транзитных участков сети, проходимых сообщением, для больших значений n. Предполагается, что все пары маршрутизаторов равновероятны.

14. Недостаток широковещательной подсети — бесполезная трата ресурсов при одновременной попытке нескольких хостов получить доступ к каналу связи. В