Часть 2. Как устроен и как работает интернет
К чему должен быть готов читатель
Читатель должен быть готов к тому, что эта часть ни в коей мере не претендует на роль учебника. Учебники гораздо серьезнее и гораздо толще. Не скажу, что интересней.
Здесь же, по возможности коротко и без излишней серьезности, будет рассказано о некоторых ключевых понятиях, на которых основана вся Интернет-индустрия, и о некоторых технических устройствах, без которых современный Интернет никак обойтись не может.
Что потребуется от читателя, чтобы не без пользы «доплыть» до конца этой части?
Во-первых, некоторая смелость. Интернет часто считают штукой ужасно сложной, совсем не для простых людей. Так вот, смелость нужна для того, чтобы сказать себе: я смогу это понять! И ведь действительно сможете.
Однако некоторая способность к усвоению технических знаний и элементарная логика от читателя потребуются. Это во-вторых. Если читатель в детстве любил всякие головоломки и пазлы, надеюсь, он получит от предстоящего чтения свою толику удовольствия. Знание математики понадобится на уровне начальных классов средней школы. Вообще для сетевика главное – логика, а не утомительные расчеты. «Пусть компьютеры считают, они железные».
В-третьих, потребуется умение читать английские слова, написанные английскими буковками. Читать, понимать и запоминать. Ничего не поделаешь, большая часть терминологии взята из английского языка. Почему это так, человеку, прочитавшему первую часть, объяснять уже не нужно. Интернет созидали в основном люди англоговорящие, американцы и англичане.
Вообще, если мои читатели захотят связать свою жизнь со сферой высоких технологий, им придется выучить английский язык на хорошем уровне. Не упоминая о прочих преимуществах такого знания, скажем только, что все мало-мальски важное в области компьютерных технологий и Интернета публикуется по-английски. Ожидать, пока кто-нибудь переведет это на родной язык, – неоправданная трата времени. Тем более что компьютерные технологии и Интернет изменяются чрезвычайно быстро.
Быстрые изменения в той сфере, о которой я хочу рассказать, позволяют усомниться: не устареет ли эта книжка, пока выйдет в свет? Такое сплошь да рядом случается с «бумажной» литературой. Электронные публикации гораздо более оперативны, чем передача знаний с помощью традиционных способов. С другой стороны, в области Интернет-технологий имеются некоторые важные понятия, которые не устареют, пока существует сама мировая Сеть. Именно о таких основах Интернета и будет рассказано в этой части.
Анатомия компьютера
Знаменитый английский математик и логик Алан Тьюринг, с работами которого мы уже познакомились в Части 1, в 1950 году опубликовал статью «Может ли машина мыслить?». Тьюринг не рассматривал вопрос о том, что такое мышление, тем более не обсуждал, насколько оно присуще вычислительным машинам. Однако он доказал, что машина всегда может умело «притвориться» человеком. То есть, иными словами, решить любую задачу, которую может решить человек.
Не только работа вычислительной машины имитирует поведение человека, но и ее «анатомия» немного похожа на «устройство» человека. У компьютера имеется «мозг», который называется центральным процессором. Центральный процессор выполняет все вычисления по программе, которая хранится в памяти компьютера (в оперативном запоминающем устройстве, ОЗУ).
В современном компьютере центральный процессор – небольшая, но очень важная микросхема, размещенная вместе с другими микросхемами на главной, «материнской» плате компьютера. На материнской плате современного компьютера местоположение микропроцессора указывают закрепленные на нем радиатор охлаждения и вентилятор. Без интенсивного охлаждения мощные компьютерные «мозги» будут перегреваться во время работы.
Есть у компьютера и аналог нервной системы. Он называется управляющей шиной. Подобно тому как нервы соединяют мозг, органы чувств и мышцы человеческого тела, управляющая шина связывает микропроцессор и все другие устройства компьютера.
Собственно говоря, в компьютере целых две шины, различающиеся скоростью передачи по ним данных. Быстрая системная шина соединяет процессор с оперативной памятью компьютера. Она обычно проложена прямо на материнской плате компьютера и «выходов наружу» не имеет. Управляющая шина не такая быстрая. Зато она имеет стандартные разъемы, в которые без труда вставляются специально сконструированные платы-адаптеры, с помощью которых устанавливается связь управляющей шины (а значит, и центрального процессора) с периферийными устройствами.
Так выглядит материнская плата компьютера
Периферийные устройства – это и «органы чувств» компьютера, и его исполнительные органы. Так сказать, глаза и руки. В разъемы управляющей шины можно, например, вставить звуковую карту, к которой подключаются громкоговорители, и веселенькая музычка будет радовать нас во время скучной работы.
Длительное время доступ персонального компьютера к Интернету осуществлялся при помощи телефонной линии. Для этого в один из разъемов управляющей шины вставляли карту модема. Модем (напомним: «модулятор – демодулятор») преобразовывал цифровые сигналы компьютера в звуковые, которые можно было передавать по обычной телефонной линии, а на другом конце этой линии такой же модем производил обратное преобразование звукового сигнала в цифровой. Кроме того, модем был приспособлен для приема факсов.
В разъем управляющей шины можно вставить и специально изготовленную печатную плату, которая будет принимать сигналы от процессора и преобразовывать их в конкретные управляющие сигналы какого-нибудь внешнего устройства. Строго говоря, внешним устройством может быть все, что угодно. Например, относительно небольшой компьютер может управлять громадным прокатным станом или сложной рентгеновской установкой. А может продавать билеты в кинотеатр.
Производители чаще всего интегрируют в материнскую плату наиболее популярные на данный момент карты управления периферийными устройствами. Это ускоряет быстродействие и освобождает разъемы управляющей шины. Так, когда оказалось, что «звучащий» компьютер востребован всеми потребителями, звуковую карту сделали неотъемлемой частью материнской платы, предусмотрев на ней гнезда для ввода-вывода звуковых сигналов. Точно так же всего десять лет назад на материнской плате размещали модем и розетку для телефонного кабеля – куда же без факса и без подключения к Интернету по телефонной линии? Сейчас модемы уже вышли из моды. Поэтому в материнскую плату интегрируют сетевой адаптер, а телефонный разъем повсеместно заменил разъем для кабеля Ethernet (см. Часть 1). Он немного похож на телефонный, однако конец телефонного кабеля в него не вставишь, как ни старайся.
Вообще все разъемы, с помощью которых компьютер обменивается информацией с внешним миром, делают непохожими друг на друга по форме, а иногда специально окрашивают в разные цвета. Чтобы ни в коем случае не перепутать один с другим. В каждом доме должны быть свои ворота!
Кстати, «ворота» на латинском языке называются «porta». От этого слова происходит название места, куда заходят корабли, «порт». Портом называется и любой разъем, с помощью которого компьютер «переговаривается» с внешним миром. Все порты компьютера обычно сконцентрированы в одном месте, например, на задней его части или на боковой стенке.
Порты компьютера обычно находятся на задней его части
Некоторые из портов компьютера работают исключительно «в одну сторону». Например, порты мышки (1) и клавиатуры (2) только принимают сигналы, а порт монитора (7) работает только на передачу. Порты для ввода и вывода звукового сигнала (9) находятся рядом, и их чаще всего рассматривают как один звуковой порт. По форме они совпадают, и для отличия их окрашивают в разные цвета.
Но имеются порты, которые предназначены как для приема, так и для передачи сигналов. Это последовательный порт с девятью контактами (5), параллельные порты с 25 и 15 контактами (6, 8), порты USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) (4) и сетевой разъем Ethernet (3). Именно эти порты позволяют компьютеру обмениваться информацией с другими приборами, а главное – с другими компьютерами.
Как видим, компьютер – вовсе не «аутист», он может общаться с внешним миром самыми разнообразными способами.
А теперь разберемся в том, что значит «общаться».
Что такое коммуникация
Так же, как устройство компьютера во многом повторяет устройство нервной системы человека, процесс межкомпьютерной коммуникации копирует то, как происходит общение между людьми.
Первую математическую модель коммуникации предложили в 1949 году двое американских ученых, Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon, 1916–2001) и Уоррен Уивер (Warren Weaver, 1894–1978). Эта модель возникла в ходе исследований для одной из телефонных компаний, но результаты ее применения вышли за узкие прикладные рамки. В конечном счете, на основе модели Шеннона – Уивера была создана новая отрасль науки – теория информации, лежащая на стыке математики и техники связи.
Коммуникация в модели Шеннона – Уивера рассматривается как передача сообщения от отправителя информации к получателю через передатчик, канал связи и приемник. В передатчике сообщение кодируется, то есть принимает форму сигнала, который можно передать по каналу связи. Канал связи ведет к приемнику, где происходит декодировка сообщения. С приемника сообщение поступает адресату. Эта модель позволила ввести математическое понятие информации и определить формулы для ее расчета. Кстати, слово «бит» для минимальной единицы информации придумал именно К. Шеннон. Он образовал это слово из двух английских слов: «binary digit», то есть «двоичная цифра». Придумка оказалась не без юмора. Ведь слово «bit» по-английски означает также «кусочек».
Модель коммуникации Шеннона – Уивера
Канал связи не идеален. В процессе передачи по нему сигнал искажается шумом, или помехами. В результате переданный и полученный сигналы будут в той или иной степени отличаться друг от друга, а полученное сообщение более или менее искажено.
Теория информации К. Шеннона позволила решить основные проблемы, связанные с передачей сообщений по каналам связи. Стало возможным оценить количество информации, передаваемой по тому или иному каналу, а также степень ее избыточности. С помощью специальных приемов перекодировки избыточность можно снизить или, наоборот, повысить. И то, и другое находит применение в практике связи. Научные способы снижения избыточности информации позволяют «сжимать» без ухудшения качества изображения или звуковые сообщения, благодаря чему скорость их передачи по линиям связи возрастает. Мы легко можем обмениваться друг с другом любимыми песнями и кинофильмами. Сколько их помещается на одной маленькой «флэшке»!
С другой стороны, правильное повышение избыточности сообщений позволяет бороться с искажением их содержания в результате воздействия помех. Теория информации позволила изобрести для этого специальные виды кодирования. При этом длина сообщения несколько увеличится, а скорость передачи немного снизится. Зато при любом уровне шума всегда можно будет достичь безошибочной передачи сообщения.
А теперь попробуем применить модель Шеннона – Уивера к нескольким случаям обыденных коммуникаций. Это позволит нам по-новому увидеть некоторые особенности процесса передачи данных, которые были учтены при создании эталонной сетевой модели взаимодействия. Эта модель является сейчас общепринятой для всех, кто работает в области Интернета. Мы подробно разберем ее в следующем разделе.
Поговорим?
Наверное, не придумаешь более распространенного случая коммуникации, чем разговор двух человек. Посмотрим на эту коммуникацию через увеличительное стекло модели Шеннона – Уивера.
Отправителем информации является тот, кто говорит, а получателем – тот, кто слушает. Передатчиком в данном случае являются голосовые связки. Они осуществляют кодирование сообщения в виде модулированных звуковых волн. Приемником является барабанная перепонка. Канал связи – это воздух, передающий звуковые колебания.
В зависимости от того, где происходит разговор, канал связи может быть более или менее зашумлен. На улице уровень шума выше, чем в учебном классе, а у Рейхенбахского водопада – еще выше. Первое, что делает говорящий, если хочет, чтобы, несмотря на шум, его услышали, – повышает уровень сигнала, чтобы он стал выше уровня помех. Для этого говорящий старается говорить громче или применяет какие-нибудь технические средства, например мегафон или рупор. А во-вторых, тот, кто говорит, попытается приблизиться к слушателю. И правильно сделает. Поскольку звук, перемещаясь в воздухе, рассеивается и ослабевает пропорционально квадрату расстояния, то, сократив расстояние вдвое, можно повысить слышимость вчетверо.
Понять то, что нам говорят, даже при сильном шуме позволяет избыточность человеческого языка. Это означает, что и слова, которые мы употребляем, длиннее, чем это необходимо, и количество их тоже больше необходимого. Намного ли? Как говорят исследования, на 50, а то и на 70 процентов. Благодаря этому мы можем успешно расшифровать даже не полностью дошедшее до нас сообщение.
В разговоре мы еще более повышаем избыточность сообщения, добавляя в него так называемые «невербальные» символы: жесты, выражение лица, интонацию. Это позволяет правильно понять сообщение даже тогда, когда тому, к кому обращена речь, не все слова понятны.
Балаганов не понял, что означает «статус-кво». Но он ориентировался на интонацию, с какой эти слова были произнесены.
Гадливо улыбаясь, он принял Паниковского под мышки, вынес из машины и посадил на дорогу.
В модели Шеннона – Уивера передача информации происходит только в одном направлении, от говорящего к слушателю. На самом деле вещать только в одну сторону нельзя. Источник информации должен знать, доходят ли до адресата его слова, получая этому некоторое подтверждение. То есть в ходе реального разговора обе стороны, осуществляющие общение, постоянно меняются ролями, постоянно обмениваются информацией. Слушатель то и дело подтверждает: «Я слушаю, я понимаю». Если отправитель видит, что получатель его не понял, он может принять меры к тому, чтобы исправить это положение. Чаще всего отправитель информации увеличивает избыточность сообщения: повторяет его, изменяет формулировки, приводит примеры.
Подобный диалог по уже открытому каналу в теории и практике связи называется сессией. Сессия может прекратиться либо по инициативе сторон, либо по техническим причинам. Например, многие сайты прекращают открытую сессию, если пользователь, зашедший на сайт, в течение определенного времени не проявляет активности.
Я к Вам пишу – чего же боле?
Одним из самых древних способов передачи информации является почта. До недавнего времени она была и самым востребованным средством связи. Которое, в силу своей популярности, было многократно и подробно описано в литературе, в живописи, в театре и кино. Эпистолярный жанр процветал, умению излагать свои мысли на бумаге учили в школе. И, надо сказать, правильно делали. Лучшее время задуматься о своей жизни и своих деяниях – описывая их для другого человека. Это тебе не «лайк» поставить!
Модель Шеннона – Уивера применима и к этому способу коммуникаций.
Сам процесс написания письма – это кодирование сообщения. До эпохи всеобщей грамотности не всякий мог написать письмо. И прочесть его мог не всякий, даже если оно было написано на родном языке. А если на незнакомом языке? А если еще к тому же какими-нибудь непонятными письменами, как, например, в рассказе А. Конан-Дойла о пляшущих человечках? А если основное послание написано между строк невинного по содержанию письма невидимыми чернилами? В общем, неудивительно, что серьезная и нужная наука о шифрах и тайнописи – криптография – появилась едва ли не с момента организации регулярных почтовых сообщений в древних империях.
Но кроме собственно написания сообщения, его следовало еще подготовить к отправке по почтовым каналам – поместить в конверт и запечатать. Или хотя бы сложить специальным образом в виде треугольника, как это было с фронтовыми письмами времен Великой Отечественной войны. Конверт не только охранял тайну переписки, он ускорял сортировку и транспортировку писем.
Заметим, что при пересылке письма в конверте избыточность передаваемой информации сильно снижается. Все конверты почти неотличимы друг от друга, а до их содержания нам нет никакого дела. И пересылаются конверты как самостоятельные почтовые отправления вне зависимости от того, кто их написал. Хорошая аналогия с пакетной пересылкой информации по Интернету.
Пересылка писем по почте в стандартных конвертах позволила измерять количество информации не битами или байтами, а – как это ни покажется странным – килограммами. Ведь на самом деле почтальонов с «толстой сумкой на ремне» больше волновал вес сумки, а не количество информации, в ней содержащееся.
Приблизительный перевод байтов в килограммы несложен. Простое письмо в конверте весит около 20 граммов и может вмещать в себя 2–3 сложенных листа бумаги формата A4 (297×210 мм). На одной странице такого формата размещается около 1700 символов. Если запись ведется на обеих сторонах бумажного листа, один лист будет содержать 3400 символов, а в конверт можно упаковать 3 таких листа; итого 10 200 символов. Известно, что один символ содержит 8 бит (1 байт) информации. Значит, в одном конверте весом в 20 граммов может находиться 10 200 байт или приблизительно 10 килобайт информации. Итого, один килобайт почтовой информации весит около двух граммов. Почтовые отделения российского областного центра обрабатывают в день 500–600 килограммов писем. Легко оценить, какое количество информации передается за день по почтовому каналу – всего каких-то 2,5–3,0 мегабайт!
Важной особенностью письма является наличие двух адресов: адреса получателя и адреса отправителя. Сейчас адреса стандартизированы, а в старое время дома в городах не имели номеров. Тогда и адрес получателя, и адрес отправителя выглядели весьма затейливо. Вот, например, какие адреса встречаются в романе А. Рыбакова «Кортик»: «Его Превосходительству Петру Николаевичу Подволоцкому. Москва, Ружейный переулок, собственный дом. От В. В. Терентьева, С.-Петербург, Мойка, дом С. С. Васильевой».
Несмотря на такую, казалось бы, путаную информацию, доблестные почтари отыскивали адресата и передавали письмо ему прямо в руки. Если выражаться языком современной теории связи, канал связи, который открывало первое письмо, оставался открытым до тех пор, пока те, кто этим каналом пользовался, желали поддерживать между собой связь. То есть канал почтовой связи мог существовать много лет. А каждое письмо, посланное по этому каналу, начинало новую сессию, которая заканчивалась с получением ответного письма.
Не всякий адрес мог открыть канал почтовой связи. Простенький адрес: «На деревню дедушке Константину Макарычу» приводил к тому, что письмо возвращалось к отправителю с пометкой о том, что указанный адрес отсутствует или же что указанный адресат по данному адресу не проживает. Такое случается и при попытке открыть канал связи в Интернете, если адрес получателя по тем или иным причинам оказывается недосягаемым.
Кстати, если вы отправите письмо в Иерусалим с адресом, например, «Богу», это письмо назад не возвратится, а будет доставлено, скажем так, к порогу получателя, то есть вложено между камнями Стены плача. На израильской почте есть служба по доставке писем с подобными адресами, которых сюда приходит изрядное количество. Выражаясь языком теории связи, почтовый канал открыт, сессия тоже открыта. Отправитель ожидает ответа, но ответ, если и придет, то по другому, не почтовому, каналу. Как и было запрошено.
Бывают ли помехи в канале почтовой связи? Конечно, бывают. И в литературе довольно часто такие помехи становятся завязкой произведения. Например, с подмены гонца и письма начинаются приключения в пушкинской «Сказке о царе Салтане»:
Шлет с письмом она гонца,
Чтоб обрадовать отца.
А ткачиха с поварихой,
С сватьей бабой Бабарихой,
Извести ее хотят,
Перенять гонца велят;
Сами шлют гонца другого
Вот с чем от слова до слова:
«Родила царица в ночь
Не то сына, не то дочь;
Не мышонка, не лягушку,
А неведому зверюшку.
Роман В. Каверина «Два капитана» тоже начинается с того, что произошла помеха на канале почтовой связи. Почтальон утонул, и в руки главного героя попадают письма, не доставленные адресатам по этой причине.
Зачем в книге об Интернете уделять столько внимания такому древнему и явно сходящему со сцены средству связи, как почта? Ну, во-первых, до схода почты со сцены еще далековато. Несмотря на то, что переписка наша почти на 100 % стала электронной, посылки (например, товары, заказанные в Интернет-магазинах) нам все же доставляет почта. А во-вторых, почтовая связь – замечательная метафора, которая позволяет понять, как работает Интернет, и к ней мы обязательно вернемся уже в одном из следующих разделов.
Голубиная почта
Сейчас даже обычная почта постепенно становится редкостью, а уж голубиная почта кажется вообще чем-то из области фантастики. Между тем всего сто лет назад доставка срочных или секретных депеш с помощью почтовых голубей казалась весьма перспективным способом почтовой связи. Кстати, способом, опробованным в суровых военных условиях. Поэтому неудивительно, что, например, на здании почтамта, построенного в 1929 году в городе Харькове, на вершине центральной башни была предусмотрена голубятня для почтовых голубей и оборудованы три вольера для запуска и приема птиц.
Голубь хорошо помнит, где находится его гнездо, и, будучи перевезен в другое место, возвращается обратно со скоростью около 70 километров в час, преодолевая расстояния до 300 километров. Очень неплохие результаты, особенно если учесть, что высота полета птицы – от 100 до 300 метров, и вряд ли можно проследить за ней или преградить ей путь.
В конце XIX – начале XX века во многих европейских городах были организованы голубиные почтовые станции. На этих станциях содержались «свои» и «чужие» голуби. У «своих» было на станции гнездо, а в гнезде – подруга и птенцы. «Чужих» привозили с других станций голубиной почты. «Свои» голуби тоже то и дело уезжали в «командировку». В специальных повозках, на автомобилях или даже на мотоциклах птиц развозили по голубиным почтовым станциям, где всегда были несколько птиц, готовых вернуться к родным гнездам, неся с собой специально подготовленное письмо.
Будучи уже знакомыми с моделью Шеннона – Уивера, мы легко сможем определить этапы передачи информации по этому, несколько экстравагантному, каналу связи.
1. Кодирование информации происходило посредством переноса текста сообщения на специальные кусочки тонкой бумаги шириной около 6,5 сантиметров, а длиной приблизительно 16,5 сантиметров. В военных условиях сообщение дополнительно шифровали, чтобы в случае захвата почтового голубя сохранить содержание письма в тайне. Иногда «голубеграмму» изготавливали на фотопленке, фотографируя текст нормального размера.
2. Декодирование информации (чтение послания) происходило либо с помощью увеличительного стекла, либо с помощью проекционного аппарата.
3. Каналом связи в голубиной почте служило воздушное пространство. Почтовый голубь переносил информацию так же, как в обычном разговоре ее переносила звуковая волна, а в почтовой связи – конверт. Строго говоря, почтовый голубь и был летящим конвертом. «Голубеграмма» вкладывалась в легкую металлическую трубочку, которая прочно крепилась к лапке голубя. На русской почтовой голубиной службе депешу вкладывали в обрезок голубиного или же гусиного пера и прикрепляли его к одному или двум хвостовым перьям птицы.
Эффективна ли была голубиная почта? Во время франко-прусской войны в 1870–1871 годах, когда германские войска взяли Париж в осаду, почтовая связь со столицей не прерывалась благодаря почтовым голубям. Почта для отправки в Париж готовилась в городе Туре, находящемся по прямой в 220 километрах от Парижа. Почтовый голубь преодолевал это расстояние максимум за 4 часа. То есть с учетом кодировки и декодировки посланий письмо доставлялось адресату в течение одного дня. По тем временам прекрасный результат! За 140 дней осады 73 почтовых голубя предали 150 тысяч официальных депеш и около 1 миллиона частных. Если считать, что 1 депеша занимала 1 лист бумаги формата A4, на котором можно разместить, как мы уже оценили, 1700 байт информации, то за все время осады голубиной почтой было передано около 1955 килобайт информации или приблизительно 2 мегабайта. По нынешним временам такую информацию можно передать с помощью одного электронного письма.
У внимательных читателей уже готов вопрос. Почтовый голубь летит только в одну сторону, например, из Тура в Париж. А как же парижских голубей доставляли в Тур, чтобы связь с помощью голубиной почты не прерывалась? Ответ прост: на воздушных шарах. Из осажденного Парижа в провинцию регулярно летали воздушные шары, переправляя пассажиров, почту и почтовых голубей. За все время осады было совершено 65 полетов и переправлено 11 тонн почты. Попробуйте оценить информационный объем этой почты, переведя тонны в мегабайты или в гигабайты, как это было сделано в предыдущей главе.
Кстати, и помех на этом своеобразном канале связи было совсем немного. Практически все голуби долетали до цели. Правда, немцы, узнав о том, что между Парижем и провинцией действует голубиная почта, решили «поставить помехи», выпустив в воздух специально обученных ястребов. Но этот прием помог мало. Различить почтового голубя среди множества других птиц было невозможно даже хищнику.
Голубиная почта – это, конечно, экзотика. Однако даже такое специфическое средство коммуникации полностью описывается моделью Шеннона – Уивера, а значит, к нему могут быть применимы все выводы теории информации и теории связи, которые лежат и в основе межкомпьютерных коммуникаций.
Серьезные люди, занимающиеся разработкой протоколов Интернета, тоже любят пошутить. 1 апреля 1990 года они запустили в сообщество разработчиков новый стандарт RFC1149 на передачу сообщений с помощью почтовых голубей. Несмотря на очевидную шуточность, этот стандарт оформлен по всем правилам, и по этой причине я бы даже рекомендовал ознакомиться с ним. Конечно, полезнее было бы изучать этот документ в подлиннике, тем самым закрепляя и свое знание английского языка. Адрес текста стандарта RFC1149 на английском языке:
http://tools.ietf.org/html/rfcll49.
А поскольку мир не без добрых людей, в Сети можно также отыскать и перевод этого стандарта на русский язык. Он находится по адресу:
У меня зазвонил телефон…
То, что одному – полезная информация, другому – помехи. Когда несколько человек стоят рядом и переговариваются каждый о своем, они, естественно, начинают мешать друг другу. Общий канал связи становится неудобным, и возникает желание дать каждой паре беседующих свой, личный канал. Что и происходит в телефонной связи.
Подобная проблема взаимных коллизий возникает также в передаче информации по кабелю Ethernet, но там она решается по-другому. О том, как это делается, будет рассказано далее.
Кодирование сообщения при телефонном разговоре производит микрофон, вмонтированный в телефонную трубку. Он превращает звуковые колебания в электрический сигнал переменной частоты. На другом конце провода происходит декодирование и превращение электрического сигнала в звуковой. Каналом связи является телефонный провод, который представляет собой так называемую витую пару из двух медных проводов. По одному проводу передается сигнал, а второй провод является заземлением. Максимальная скорость передачи информации по «витой паре» – 64 кбит в секунду.
В течение всего телефонного разговора канал связи принадлежит только двум переговаривающимся. О «прослушке», которую освоили едва ли не одновременно с изобретением телефона, мы говорить не станем. И о телеконференциях, когда в переговорах участвуют несколько человек, тоже.
В принципе, каждый абонент телефонной сети может вызвать на разговор каждого. Установление соединения происходит через коммутатор, куда сходятся все телефонные линии.
В начале XX века на телефонных коммутаторах работали и обеспечивали соединение так называемые «телефонные барышни», которые фактически помнили наизусть все номера телефонов даже в таких больших городах, как Москва и Петербург. Отсюда и сакраментальная фраза из советских фильмов про революцию: «Барышня, мне Смольный». Барышня знала номер бывшего Института благородных девиц и соединяла. А поскольку в Смольном был установлен не один телефон, думается, что в ответ на запрос: «Барышня, мне Смольный, Ленина», телефонная барышня тоже производила правильное соединение.
Автоматические коммутаторы, сменившие телефонных барышень, соединяли абонентов быстро и безошибочно. Однако разговоров автоматы не понимали. Поэтому для осуществления соединения следовало знать телефонный номер вызываемого абонента. Телефонный номер был подобием почтового адреса, вот только он не содержал информации о месте нахождения вызываемого абонента.
Телефонный канал связи был сильно подвержен помехам. Даже если не говорить об электрических помехах, его было относительно легко повредить физически. Это стало особенно заметным во время Второй мировой войны, когда телефонный кабель был главным средством связи между воинскими частями и командованием. Суровая статистика военных потерь свидетельствует: связистов убивали чаще, чем обычных пехотинцев. А кроме того, к телефонному кабелю было несложно подключиться и прослушивать идущие по нему сообщения.
Поэтому инженеры-связисты, работавшие в области телефонии, стремились повысить как помехоустойчивость телефонных линий, так и зашифровать передаваемые по ним сообщения. Вспомните, над чем работала «шарашка» в романе А. И. Солженицына «В круге первом»? Над шифрованием телефонных переговоров. А исследования Клода Шеннона, приведшие к созданию теории информации, были направлены на повышение помехоустойчивости линий телефонной связи.
Как «переговариваются» факсы?
В 1980-е годы ни один уважающий себя офис уже не мог обойтись без факса, аппарата факсимильной связи, который позволял передавать графические документы по телефонной линии. Это было очень удобно, а факсы и дополнительные линии для них стоили недорого. Впрочем, довольно быстро появились факсы, которые работали и как телефонные, и как факсимильные аппараты.
Как это ни удивительно, факсимильную связь придумали раньше телефонной. Первый факс был отправлен в 1843 году по телеграфному каналу. В XX веке факсимильные аппараты разных фирм использовались для передачи географических и метеорологических карт, а также газетных полос из редакции в типографию. В конце 1970-х годов был разработан стандарт передачи информации, принятый всеми производителями факсимильных аппаратов. Благодаря этому факсы разных фирм «научились» понимать друг друга. Именно это обусловило «факс-бум», разразившийся в следующем десятилетии.
Как положено, передача сообщения по телефонной линии начинается с кодировки. Передаваемый документ сканируется, и просканированные друг за другом строчки запоминаются в памяти факса как набор символов. Каждый из этих символов соответствует белой или черной точке изображения. Полутоновые изображения факсы обычно передают не слишком качественно.
После завершения этапа кодирования открывается телефонный канал для передачи сообщения. Открытие телефонного канала инициируется, как обычно, набором номера адресата. После ответа аппарата на другом конце линии канал открывается для связи.
Информация о сканированном документе, хранимая в памяти факса-передатчика, передается по телефонной линии с помощью модулированного звукового сигнала высокой частоты. Факс-приемник демодулирует принятый звуковой сигнал и превращает его в набор символов, соответствующих белым или черным точкам изображения. Эти символы сначала запоминаются в памяти факса-приемника. После завершения передачи телефонный канал закрывается, а содержимое памяти факса выводится на печать в виде строчек белых и черных точек, составляющих изображение. Из прибора выползает лист бумаги с копией документа, переданного из места, расположенного, может быть, за тысячи километров. Не правда ли, при этом испытываешь волшебное чувство удивления могуществом человека? Правда, в эпоху электронной почты подобное чувство мы испытываем все реже и реже, а факс потихоньку выходит из употребления.
А теперь – к делу!
В этом разделе мы увидели, как происходят процессы передачи информации (иначе называемые «коммуникациями») между людьми и между различными техническими устройствами. Оказывается, любая коммуникация предполагает существование передатчика, приемника и определенной среды (канала связи), по которой информация передается. Канал связи определяет методы кодирования и декодирования информации. Для того чтобы передача информации началась, канал следует открыть для передачи, для чего должны быть произведены определенные действия. По окончании передачи канал может быть закрыт, а может остаться открытым для последующих передач. Информация может передаваться «в одну сторону», без гарантии того, что она воспринята, а может быть организован диалог приемника и передатчика, то есть сессия. В результате такого диалога передатчик получает от приемника подтверждение в том, что информация получена и приемник готов к получению следующей порции данных.
Какие выводы можно сделать из всего сказанного в этом разделе? Интернет – это средство связи и, имея свои особенности, во многом похож и на обычный разговор, и на почтовую связь, и на связь телефонную. Поэтому если что-то в технике Интернета кажется непонятным, следует поискать аналогию в других, более понятных средствах связи. Можно быть уверенным, что такая аналогия отыщется.
Если кто-то желает потренироваться в применении теории Шеннона – Уивера к экзотическим видам связи, пусть попробует проанализировать, например, «бутылочную почту», когда моряки, потерпевшие кораблекрушение, отправляли просьбу о помощи по волнам в запечатанной бутылке. Что здесь является каналом информации? Что можно назвать сессией в этих условиях? Из-за чего начались приключения в романе Ж. Верна «Дети капитана Гранта»?
Серверы и клиенты
То, что люди объединяются в команду или в бригаду, увеличивает их совместную силу, но не делает всех равными. Каждый остается самим собой, каждый занят своим делом, и – в идеальном случае – оказывается на нужном месте, принося пользу всему объединению. Свободное развитие каждого – залог свободного развития всех! Пусть расцветают сто цветов!
Такой коммунистический идеализм в жизни реализуется плохо, а вот при создании компьютерных сетей – на сто процентов. В локальных сетях и в Интернете находится работа как достаточно слабосильным (а потому дешевым) компьютерам, так и могучим неутомимым бойцам информационного фронта – суперкомпьютерам. Они выполняют различные роли, потому и называются по-разному: первые – клиентами, вторые – серверами.
Происхождение слова «клиент» – латинское. Клиентами в Древнем Риме называли свободных граждан, которые по бедности отдавались под покровительство более богатого или более могущественного римского гражданина. Покровитель при этом становился для них патроном, отцом-благодетелем.
Слово «сервер» («server») – производное от английского слова «to serve» («служить»). А если углубиться в толщу веков, то в Древнем Риме словом «servus» называли рабов, а после падения Римской империи в Европе сервами звали крепостных крестьян. Сейчас этот «рабский» корень живет в большом количестве слов: сервис, сервильность (раболепие, холопство), серводвигатель. Последний, пожалуй, самый могучий из всей «прислуги». А вот сервер – самый умный.
Сервером называется подсоединенный к сети компьютер, специально выделенный для выполнения запросов других компьютеров, которые при этом называются клиентами. Работающее на этом компьютере серверное программное обеспечение тоже иногда называют «сервером». Серверное программное обеспечение, в отличие от пользовательских операционных систем, таких, например, как Windows, работает без участия пользователя и даже различные настройки сервера осуществляются системным администратором дистанционно, со своего рабочего места.
В одной сети может быть один компьютер-сервер, выполняющий все необходимые запросы, а может быть несколько. Если серверов несколько, их размещают в специальных закрывающихся металлических шкафах.
Требования к работоспособности серверов очень высоки. Они должны работать без выключения и без сбоев в течение длительного времени, в идеале – вечно. Надежность сервера диктует повышенные требования к надежности его комплектующих. Так, в серверах используются специальные микросхемы памяти, которые выявляют и устраняют случайные сбои в оперативном запоминающем устройстве. Без этого сбои могли бы привести к аварийной остановке севера и к прекращению работы всей сети. Кроме этого, в сервере используются специальные аппаратные средства с избыточным кодированием данных. Согласно теории информации, разработанной К. Шенноном (см. выше), избыточная информация позволяет обнаруживать и исправлять некоторые ошибки, возникающие при передаче данных. Поэтому микросхемы памяти для серверов стоят гораздо дороже, чем такие же микросхемы для персональных компьютеров.
Для того чтобы сервер мог быстро обслуживать многих пользователей, одновременно обращающихся к нему с запросами, он должен иметь высокое быстродействие. Высокое быстродействие обеспечивает установка специальных накопителей на жестких дисках с высокой скоростью вращения магнитных дисков – порядка 15 тысяч оборотов в минуту – и с более интеллектуальным, чем в персональных компьютерах, интерфейсом. Кроме того, жесткие диски на серверах имеют специальную конструкцию, которая позволяет менять жесткие диски, так сказать, «на ходу», не выключая сервер. Дело в том, что выключение и последующее включение сервера – не такая быстрая процедура, как включение и выключение клиентских персоналок. Каждый такой запуск может занимать десять минут и более.
Специальная конструкция «кармана» для вставки жесткого диска обеспечивает размыкание электрических контактов и остановку вращения диска до того, как диск будет извлечен. Точно так же при установке жесткого диска в «карман» сервера сначала замыкаются контакты питания, диск «разгоняется» и только после этого происходит подключение информационных каналов.
Кроме того, на серверах всегда осуществляется резервирование дисков. Вся записываемая на какой-нибудь диск информация одновременно дублируется на один из резервных дисков. Таким образом, информация хранится на двух (а то и на трех) полностью идентичных носителях информации. Теперь даже при выходе из строя одного из накопителей информация не потеряется.
Для ускорения работы на материнской плате сервера установлены минимум два процессора с несколькими ядрами. Как известно, обычный персональный компьютер спокойно обходится одним процессором.
Несколько процессоров – больше потребление энергии. Соответственно, серверу требуется эффективная система охлаждения. На процессоры устанавливаются радиаторы с вентиляторами. Кроме того, системный блок дополнительно охлаждается мощными вентиляторами с повышенным по сравнению с клиентскими персональными компьютерами ресурсом. При этом охлаждаются не только материнские платы, но и стойки с жесткими дисками. Все вентиляторы снабжены датчиками оборотов; кроме того, внутри системного блока установлено несколько термодатчиков. Так что системный администратор со своего удаленного рабочего места может контролировать исправность и механических, и электронных компонентов системного блока.
Сервер или несколько серверов устанавливаются в металлические шкафы, которые размещаются в специальном закрытом помещении. В таком помещении предусматриваются кондиционеры, обеспечивающие подачу чистого и охлажденного воздуха.
Само помещение, в котором установлены серверы, постоянно закрыто, и доступ туда разрешен ограниченному числу лиц из обслуживающего персонала. Более того, у тех, кто обслуживает серверы, есть четко установленные для каждого участки работы и ограниченный доступ к серверам. Такая организация работы исключает возможность умышленного повреждения оборудования или хранимой информации.
Одно из необходимых условий устойчивой работы серверов – бесперебойное энергоснабжение. Поэтому крупные дата-центры подсоединяют к двум независимым источникам электроэнергии и, кроме того, в подвале у них устанавливают резервный электрический генератор, который сможет некоторое время поддерживать работу серверов, даже если отключение питания все-таки произойдет.
Серверное помещение в дата-центре Фейсбука
Все сказанное выше вовсе не значит, что сервер обязательно должен быть дорогим и «супернавороченным». Для небольшой рабочей группы сервером может стать достаточно мощный персональный компьютер, на который устанавливается серверное программное обеспечение. Этот сервер будет успешно справляться со своими функциями: хранить общие данные и распределять между сотрудниками доступ к ним. Он же сможет управлять выводом распечаток с каждого из компьютеров рабочей группы на общий принтер. Через него же все сотрудники могут быть присоединены к Интернету. Специальная комната такому серверу не понадобится. Он может стоять в той же комнате, где размещено остальное оборудование. Единственное требование – сервер следует подсоединить к источнику бесперебойного питания и, конечно, не выключать по окончании рабочего дня. Сервер должен работать круглосуточно.
Какие функции в сети выполняют серверы?
В первую очередь, они распределяют для всех пользователей такие централизованные ресурсы, как принтеры, Интернет и файлы данных. Соответственно, такие серверы называются принт-сервером, прокси-сервером и файл-сервером. Прокси-серверы обеспечивают безопасный доступ в Интернет, а при необходимости фильтруют исходящий и поступающий в сеть трафик. О прокси-серверах речь еще пойдет далее. Файловый сервер предназначается для организации хранения данных клиентов. Он обеспечивает доступ к файлам только тем, кому этот доступ разрешен, и в тех рамках, которые выделены пользователю. Например, кто-либо из пользователей может только читать данные, кто-то – их изменять и удалять, а кому-то они вообще не будут доступны. Распределение прав доступа – привилегия системного администратора. Кстати, совсем не обязательно для каждого ресурса или для каждой новой сетевой задачи заводить новый сервер. Серверная программа позволяет совмещать несколько серверных служб в одном компьютере.
Вообще говоря, все, что делается в Интернете, делается с помощью специальных серверов. Серверы – надежные «рабочие лошадки» Интернета. О том, как эти лошадки справляются со своей работой, будет рассказано позже. А уже в следующем разделе читателя ожидает встреча с одним из самых сложных вопросов в теории Интернета – с эталонной сетевой моделью взаимодействия. На основе этой модели пишутся все протоколы Интернета. Всякий, кто собирается работать в области Интернета, должен иметь представление об этой модели. И чем более четким будет это представление, тем лучше. Так что поиск правильной аналогии с другими средствами связи очень пригодится при изучении этого нелегкого вопроса.
Один и тот же компьютер может быть в разных случаях как сервером, так и клиентом. Это происходит, например, в файло-обменных сетях (об этом будет рассказано в Части 3).
Ну, а теперь, как говорил М. А. Булгаков, за мной, читатель!
Мир протоколов
Одно из основных понятий Интернета, понятие сетевого протокола, уже было определено в предыдущей части. Сетевой протокол – это система правил, однозначно описывающих обмен информацией между компьютерами по сети.
Написать один универсальный протокол для Интернета, который описывал бы все возможные межкомпьютерные взаимодействия, невозможно. На сегодняшний день сетевых протоколов существуют сотни, если не тысячи. Каждый из них описывает определенную часть межкомпьютерных взаимодействий. Пожалуй, только легендарный Джон Постел мог удержать в голове все это разнообразие, да и то в самом начале развития Интернета. Но с тех пор прошло много лет, количество протоколов возросло многократно. То и дело появляются новые протоколы. Чтобы во всем этом множестве разобраться, их следует упорядочить, классифицировать. Как это правильно сделать?
Первоначально крупные компании, такие как «Apple», «Novell», «Cisco», «IBM», «Microsoft», разрабатывали собственные протоколы для своего оборудования или для своих программ, совершенно не заботясь о совместимости с протоколами других компаний. Они не без основания надеялись, что их фирменные протоколы станут всемирными стандартами, если только удастся захватить значительную часть рынка средств межкомпьютерной связи. Однако «война стандартов» ни к чему хорошему не привела. Ни одна фирма не одержала победы, зато в области классификации стандартов воцарился полный хаос.
Тогда в дело вмешались те, кому по статусу было положено заниматься вопросами стандартизации. Уже упомянутая выше Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) в 1984 году предложила всеобъемлющий стандарт, описывающий весь процесс обмена информацией между двумя компьютерами. Его назвали эталонной сетевой моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI).
Конец ознакомительного фрагмента.