Интернет с технической точки зрения

С технической точки зрения Интернет представляет собой всемирную компьютерную сеть, то есть сеть, связывающую каналами связи в единое целое миллионы вычислительных устройств.

Любое вычислительное устройство, постоянно подключенное к локальной или глобальной сети называется Хост (от англ. host – хозяин, принимающий гостей). Под термином «вычислительное устройство» следует понимать не только настольные персональные компьютеры, но и так называемые серверы, хранящие и передающие информацию, представленную в виде, например, web-страниц или сообщений электронной почты, мобильные устройства PDA (Personal Digital Assistant – персональный цифровой помощник), телевизоры, мобильные компьютеры, автомобили.

Хосты связаны друг с другом линиями связи. Для такой связи в хостах должны существовать специальные устройства, которые можно было бы подключить к каналам связи – сетевые интерфейсы. Сетевыми интерфейсами могут быть самые разнообразные устройства. Наиболее известны сетевые карты Ethernet и модемы для обычных коммутируемых телефонных линий.

Хосты далеко не всегда напрямую соединены между собой единственной физической линией связи. Напротив, типичной является ситуация, когда связь осуществляется с помощью множества последовательных линий, соединяемых специальными коммутирующими устройствами – маршрутизаторами. Если в обычном хосте устанавливается одна сетевая карта, то в маршрутизаторе – два или более сетевых интерфейса.

Программное обеспечение компьютера с несколькими сетевыми интерфейсами должно принимать решение о том, в какую кабельную систему следует направить прибывшую через тот или иной сетевой интерфейс информацию – выбрать для информации маршрут. Отсюда название для таких компьютеров – маршрутизаторы (англ. router). Маршрутизаторами могут быть обычные персональные компьютеры, но чаще это специализированные компьютеры – Unix-машины, не имеющие ни дисплея, ни клавиатуры. Основная функция маршрутизатора – быстрая маршрутизация, поэтому специализированные маршрутизаторы недешевы.

Маршрутизатор принимает порцию данных, передаваемую по одному из его входных каналов связи, а затем перенаправляет ее в один из своих выходных каналов связи. В терминологии компьютерных сетей передаваемые порции данных называют пакетами.

Последовательность каналов связи и маршрутизаторов, через которые пакет проходит в процессе передачи, называется маршрутом, или путем, пакета в сети. Путь пакета заранее не известен и определяется непосредственно в процессе передачи. В Интернете каждой паре хостов не предоставляется выделенный маршрут, а используется технология коммутации пакетов, при этом различные пары хостов могут одновременно пользоваться одним и тем же маршрутом или частью маршрута.

Интернет состоит из отдельных совокупностей линий связи и маршрутизаторов, имеющих четко определенные точки связи (интерфейсы) с другими такими совокупностями. У дорогостоящих маршрутизаторов, так же, как и у кабелей, спутниковых и других каналов связи, должен быть хозяин.

На техническом языке такая четко определенная совокупность линий систем и маршрутизаторов (не вполне строго) называется автономной системой.

Одной или несколькими автономными системами управляет одна организация, называемая провайдером услуг Интернета, или ISP (Internet Service Provider), поставщик доступа к услугам Интернета. Интернет-провайдеры подразделяются на резидентных (например, AOL или MSN), университетских (Университет Стэнфорда) и корпоративных (компания Ford Motors). Интернет-провайдер предоставляет сеть маршрутизаторов и линий связи. Как правило, Интернет-провайдеры предлагают несколько способов подключения к сети Интернет (рис.1). Кроме того, Интернет-провайдеры осуществляют прямое подключение к сети web-сайтов.

Рисунок 1 – Способы подключения к провайдеру.

Выбор способа подключения к Internet зависит не только от технических возможностей персонального компьютера, но и от технических возможностей провайдера. Здесь можно говорить о том, что речь идет не о подключении к Internet как к чему-то виртуальному, а конкретно о подключении к провайдеру, к оборудованию провайдера.

Способы подключения к оборудованию провайдера бывают проводными, и беспроводными. Подробнее будут рассмотрены ниже.

Для того чтобы обеспечить связь между удаленными пользователями, а также предоставить пользователям доступ к информации, хранящейся в Интернете, местные Интернет-провайдеры подключаются к Интернет-провайдерам национального или интернационального звена, таким как UUNet и Sprint. Последние используют высокоскоростные маршрутизаторы, соединенные оптоволоконными кабелями. Каждый из Интернет-провайдеров как нижнего, так и верхнего звеньев является административной единицей, передающей данные по интернет-протоколу (IP) и придерживающейся соглашений об именах и адресах, принятых в Интернете.

Во всем мире действует несколько тысяч Интернет-провайдеров. Таким образом, организационно Интернет – это большой кооператив, а провайдерство – коммерческая деятельность. Провайдеры, взаимодействуя между собой как коммерческие организации, заключают между собой коммерческие договоры. Предмет такого коммерческого договора – это информация, точнее, объем передаваемой информации в единицу времени (т.н. трафик).

Каждый провайдер имеет свою магистральную сеть, или бэкбоун (Backbone (англ.) – дословно – хребет). На рис. 2 мы условно изобразили магистральную сеть некоего провайдера ISP-A. Его магистральная сеть показана зеленым цветом.

Рисунок 2 – Схема подключения домашнего компьютера к сети Интернет

Обычно ISP-провайдеры – это крупные компании, которые в ряде регионов имеют так называемые точки присутствия (POP, Point of Presence), где происходит подключение локальных пользователей.

Обычно крупный провайдер имеет точки присутствия (POP) в нескольких крупных городах. В каждом городе находятся аналогичные модемные пулы, к которым подключены (на которые звонят) локальные клиенты этого ISP в данном городе. Провайдер может арендовать волоконно-оптические линии у телефонной компании для соединения всех своих точек присутствия (POP), а может протянуть свои собственные волоконно-оптические линии. Крупнейшие коммуникационные компаний имеют собственные высокопропускные каналы.

На рис. 2 показана опорная сеть двух Интернет-провайдеров. Очевидно, что все клиенты провайдера ISP-А могут взаимодействовать между собой по собственной сети, а все клиенты компании ISP-В – по своей, но при отсутствии связи между сетями ISP-A и ISP-B клиенты компании «A» и клиенты компании «В» не могут связаться друг с другом. Для реализации данной услуги компании «A» и «B» договариваются подключиться к так называемым точкам доступа (NAP – Network Access Points) в разных городах, и трафик между двумя компаниями течет по сетям через NAP. На рис. 2 показаны магистральные сети только двух ISP-провайдеров. Аналогично организуется подключение к другим магистральным сетям, в результате чего образуется объединение множества сетей высокого уровня.

Объединение и согласование сетей осуществляется через мосты и шлюзы.

Шлюз - компьютер или программа, предназначенные для перевода данных, принятых в одной сети в формат, принятый в другой сети.

Мост – если объединяют две сети, использующие одинаковые протоколы.

Межсетевой экран (Брандмауэр, Файрвол) - комплекс аппаратных и/или программных средств, осуществляющий контроль и фильтрацию проходящих через него сетевых пакетов в соответствии с заданными правилами. Основная задача - защита компьютерных сетей или отдельных узлов от несанкционированного доступа.

На сегодняшний день существует множество компаний, имеющих собственные опорные сети (бэкбоуны), которые связываются с помощью NAP с сетями других компаний по всему миру. Благодаря этому каждый, кто находится в Интернете, имеет доступ к любому его узлу, независимо от того, где он расположен территориально (рис. 3).

Рисунок 3 –Схематическое изображение сети Интернет

Поскольку невозможно схематически отразить всю совокупность сетей Интернета, ее часто изображают в виде размытого облака, выделяя в нем лишь основные элементы: маршрутизаторы, точки присутствия (POP) и места доступа (NAP).

Скорость передачи информации на различных участках Сети существенно различается. Магистральные линии, или бэкбоуны, связывают все регионы мира (рис. 4) – это высокоскоростные каналы, построенные на основе волоконно-оптических кабелей. Кабели обозначаются OC (optical carrier), например OC-3, OC-12 или OC-48. Так, линия OC-3 может передавать 155 Мбит/с, а OC-48 – 2488 Мбит/с (2,488 Гбит/с). В то же время получение информации на домашний компьютер с модемным подключением 56 K происходит со скоростью всего 56 000 бит/с.

Рисунок 4 – Магистральные линии связывают все регионы мира

Фактически всемирная Сеть является сложной паутиной меньших локальных сетей. Представьте современную дорожную суперскоростных дорог между большими городами, от которых отходят дороги поменьше, связывающие между собой маленькие города, жители которых путешествуют по узким, медленным проселкам. Этими суперскоростными дорогами для Сети является высокоскоростной Internet так называемый «хребет» – опорные сети или магистральные линии. К компьютерам «хребта» подсоединены меньшие сети, обслуживающие конкретные географические регионы – региональные сети, к которым присоединяются локальные сети или даже индивидуальные компьютеры.

Участок линии связи, соединяющий конечное (клиентское) оборудование с узлом доступа провайдера (оператора связи) в провайдинге называют последней милей. Изобилие технологий последней мили дает возможность подключения любого абонента самыми разнообразными способами – как проводными, так и беспроводными.

Проводные технологии подразделяются по типам кабелей:

- Телефонная линия. Для получения компьютером доступа к Интернету телефонная линия подсоединяется к модему (внутреннему или внешнему) – специальному устройству, которое соединяет компьютер с телефонной линией. Внутренний модем – представляет собой электронную плату, которая размещается внутри системного блока. Внутренний модем более дешевый, чем внешний, однако, уступает по скорости передачи информации и удобствам в работе. Внешний модем – это отдельное устройство, которое подключается к компьютеру. Внешний модем имеет большую стоимость, чем внутренний, более быстро передает информацию и предоставляет большие удобства. Услуга доступа в Интернет по телефонным линиями реализуется по технологиям Dial-Up или ADSL. Технология Dial-Up или модемное коммутируемое подключение к сети Интернет по аналоговой абонентской линии телефонной сети предполагает, что пользователь каждый раз для выхода в Интернет осуществляет с помощью модема дозвон по телефонной линии до модемного пула провайдера, что в свою очередь приводит к занятости телефонной линии во время нахождения в Интернете. Скорость соединения по коммутируемым линиям – до 56 Кб/сек. Технология ADSL позволяет (благодаря специальному оборудованию на ATC) из медленной аналоговой телефонной линии организовать высокоскоростной цифровой канал, по которому обеспечивается доступ в Интернет со скоростью до 7,5 Мбит/с. В отличие от обычных модемов, использующих коммутируемый доступ (дозвон до многоканального пула провайдера), АDSL-модем относится к разряду постоянно включенных. Принцип действия ADSL-модема заключается в том, что полоса пропускания телефонного провода разделяется на три независимых потока: один для телефона и два для Интернета (для входящих и исходящих данных). Именно поэтому, собственно, и можно одновременно пользоваться и телефоном и Интернетом.

- Коаксиальный кабель (сети кабельного телевидения). При данном подключении так же используют специальный кабельный модем, который посылает и принимает сигналы по сети кабельного телевидения. Компьютер, оборудованный кабельным модемом, присоединяется к сети кабельного телевидения так же как телевизор. Кабельный модем с одной стороны через сетевую карту соединяют с компьютером, а с другой - через стандартный абонентский отвод подключают к телевизионной кабельной сети. Отличие телефонных и кабельных модемов – в их мощности/пропускной способности. Так как телефонные сети предназначены для передачи только голосовых сигналов, пропускная способность частотного диапазона достаточно ограничена. Сеть кабельного телевидения предназначена для передачи полного видео-изображения и имеет большую полосу пропускания. Данное преимущество позволяет передавать больший объем информации за секунду – скорость.

- Витая пара и оптоволоконный кабель (выделенная линия). Требует организовать отдельный от телефонной линии цифровой канал связи между персональным компьютером и сетевым узлом провайдера Интернет. Провайдер проводит до компьютера абонента выделенную линию (витая пара или оптоволокно) сетевого кабеля Ethernet и выдает диапазон IP-адресов для выхода абонента в Интернет. Ethernet относится к классу широкополосных (broadband) технологий. Он обеспечивает скорость передачи данных от 10 до 100 Мбит/с. Выделенное подключение в сеть ИНТЕРНЕТ поддерживает технологию Ethernet, ADSL и SDSL.

Беспроводное подключение подразделяют по диапазонам частот (длинам) радиоволн:

- Спутниковый канал. Это способ подключения к сети Интернет при помощи технологии спутниковой связи. Существует два варианта обеспечения доступа: односторонний (асимметричный) и двухсторонний (симметричный). Односторонний (асимметричный, асинхронный) спутниковый интернет - вид доступа в интернет, при котором вся входящая информация, которая поступает на компьютер пользователя, передается через спутниковую антенну, а запросы на ее получение и остальная исходящая информация идут через другой интернет-канал (обычно для этого используется мобильный телефон, который работает по технологии GPRS). То есть спутниковая антенна для одностороннего интернета может только принимать сигнал, но излучать его не может.

Двусторонний спутниковый интернет (VSAT) характеризуется абсолютной независимостью от наземных каналов связи, поскольку прием и передача сигнала выполняется через спутник.

Для подключения «спутникового» интернета необходимо оборудование: спутниковая антенна, спутниковый модем и конвертор для преобразования сигнала. Чаще всего спутниковым Интернетом называют асинхронный (или совмещенный) способ доступа – данные к пользователю поступают через спутниковую тарелку, а запросы (трафик) от пользователя передаются любым другим соединением – GPRS или по наземным каналам (ADSL, dial-up). Главное требование к запросному каналу – надежность соединения. В большинстве случаев лучшим выбором для него является ADSL подключение с бесплатным исходящим трафиком.

- Радиоканал. Беспроводная связь, или связь по радиоканалу, осуществляется по технологии RadioEthernet и предусматривает организацию беспроводной связи на ограниченной территории с предоставлением нескольким абонентам равноправного доступа к общему радиоканалу. Свое название Radio-Ethernet получил потому, что по используемым протоколам он аналогичен обычному Ethernet-протоколу, только передача данных происходит не по кабелю, а по радиоканалам. Канал может быть ориентирован на работу в двух диапазонах — 915 МГц и 2,4 ГГц. Недостаток – зависимость качества связи от метеорологических условий, радиопомех, проблема прямой видимости базовой станции, максимальное расстояние между точками абонента и провайдера (с усилителем для антенны) – около 60 км.

- Мобильный интернет (Сотовые сети) – это подключение через мобильный телефон либо беспроводной модем, абонентов, местоположение которых меняется. Мобильная телефония, за некоторыми исключениями, осуществляется посредством сотовых сетей – системы сотовой связи, которая строится в виде совокупности ячеек или сот, покрывающих обслуживаемую территорию. В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все радиотелефонные аппараты в пределах своей ячейки. Каждая базовая станция накрывает ограниченную площадь, но в комплексе они образуют сплошное покрытие. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. В Росси используется 2 системы мобильной связи CDMA и GSM, которые работают в определенном стандарте. Стандарт сотовой связи – это система технических параметров и соглашений для обеспечения функционирования системы сотовой связи на определенной радиочастоте.

Важным фактором развития мобильной связи является совершенствование технологий на основе цифровизация сетей. Технологии сотовой связи насчитывают 4 поколения и обозначаются буквой “G” («generation» – поколение):

- 1G –аналоговый стандарт связи (диапазон частот от 453 до 468 МГц),

- 2G – цифровая сотовая связь (частоты 900 и 1800 МГц),

- 3G – широкополосная цифровая сотовая связь объединяет в себе высокоскоростной доступ в интернет и канал передачи данных для радиосвязи (частоты дециметрового диапазона около 2 ГГц).

- 4G – основан на протоколах пакетной передачи данных (по всей ширине спектра частот от 700 МГц до 2,7 ГГц).

Каждое поколение содержит около десятка технологий и стандартов связи.

Если мобильные сети первого поколения (1G – 80е гг.) позволяли передавать только голос, то второе поколение систем сотовой связи (2G – 90е гг.), основанное на стандарте GSM, предоставляли и другие «неголосовые» услуги: передача коротких текстовых сообщений – SMS и ограниченный доступ к сети Интернет. Но и первое (1G) и второе (2G) поколение сетей мобильной связи строились подобно проводным телефонным сетям на основе технологии коммутации каналов.

Доступ осуществлялся по голосовому каналу и только к адаптированным для сотовых телефонов Интернет-страницам так называемым WAP-сайтам, написанных на языке WML. При этом использовалась технология передачи данных с коммутацией каналов (CSD), которую можно сравнить с dial-up, поскольку она также занимает канал, используемый для голосового трафика и, как следствие, блокирует линию для звонка во время подключения к сети Интернет. При низкой скорости доступа оплата осуществляется посекундно по тарифу обычного телефонного разговора.

Для того, чтобы предоставить полноценный скоростной доступ к сети Интернет, не занимая при этом телефонную линию, в 1997 г. была создана технология GPRS реализующая пакетный способ передачи данных. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Принцип разделения каналов для передачи голоса и данных позволил при доступе к Интернету оплачивать не длительность соединения, а лишь объем переданных и полученных данных, т.е. трафик. Под трафиком понимается объём информации, передаваемой по сети за определенный период времени. Приоритетным трафиком в единственном канале является передача голосовых сообщений. Загруженность сети голосовым трафиком приводит к возникновению очереди на передачу пакетов, и, как следствие, снижение скорости доступа к сети Интернет. В целом на скорость доступа к Интернет в мобильных сетях второго поколения зависит от: модели телефонного аппарата, загруженности сети 2G голосовым и интерет-трафиком и помехи на пути радиосигнала (физические препятствия – например, железобетонные строения, проезжающий транспорт и т.д.). Максимальную скорость в сетях 2G можно получить только в тихую безветренную лунную ночь в поле, сидя в одиночестве под базовой станцией).

Мобильные сети третьего поколения (3G – 2001 г.) характеризуется переходом от узкополосных услуг, предлагаемых сегодня операторами сетей GSM и GPRS, к мультимедийным широкополосным (на скоростях до 2 Мбит/с) услугам, включая потоковое видео, мобильный Интернет, приложения мобильного бизнеса и т. д. Под мобильной сетью третьего поколения понимается интегрированная мобильная сеть, которая обеспечивает: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч – 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с. При глобальном спутниковом покрытии сети 3G должны обеспечивать скорость обмена не менее 64 кбит/с.. По концепции развития сетей 3G основной доход операторов сотовой связи в сетях третьего поколения будет не от предоставления услуг связи, а от использования абонентами дополнительных сервисов.

Преимущественно мобильные сети 3G представлены стандартом UMTS (универсальная система мобильной электросвязи), который был разработан для модернизации сетей GSM. В основе стандарта UMTS лежит технология CDMA множественного доступа с кодовым разделением каналов, которая дает возможность абонентам использовать всю ширину канала. Вот почему поколение 3G называют сетями с мобильным широкополосным (broadband – широкополосная передача) доступом, позволяющих одновременно и на высоких скоростях принимать («загружать») и передавать («сгружать») информацию (сигналы) различных служб, например, данные, голос и видео.

Главным отличием 3G от сетей второго поколения является переход от узкополосных услуг к мультимедийным широкополосным, индивидуализация, то есть, присвоение каждому абоненту IP-адреса, подобно Интернету и постоянное пребывание абонентов в сети. Покрытие территории сетями сотовой связи третьего поколения, уступает покрытию сетями 2G. Развертывание сетей 3G требует строительство дополнительных базовых станций, что связано со снижением радиуса их действия, по сравнению с действующими сетями GSM.

Однако основные надежды участников рынка связаны четвертым поколением мобильной связи (4G – 2008 г.), как следующим этапом развития беспроводной телекоммуникации, которая позволит достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях стационарного применения и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными с мобильными устройствами доступа. Технология 4G, в частности, позволит абонентам смотреть многоканальные телетрансляции высокой четкости и управлять домашней бытовой техникой с помощью мобильного устройства, совершать дешёвые междугородные телефонные звонки. Системы связи 4G основаны на пакетных протоколах передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv4, а также, в будущем планируется поддержка IPv6. С технической точки зрения, основное отличие сетей четвёртого поколения от третьего заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе как пакетную коммутацию, так и коммутацию каналов. В мобильной сети 4G отсутствует канал для передачи голоса – 100% их пропускной способности используется для услуг передачи данных.

Одним из стандартов сети четвертого поколения был утвержден LTE, в качестве следующего после UMTS стандарта широкополосной сети мобильной связи, который обеспечит более высокие скорости передачи данных и откроет пути для внедрения инновационных услуг, требующих широкой полосы пропускания. Операторы позиционируют LTE как дальнейшее развитие GSM с сохранением обратной совместимости. Для LTE это разумеющееся преимущество, так как заинтересованные в ней операторы располагают внушительными финансовыми возможностями и устоявшимися отношениями с пользователями.

В качестве главного стандарта 4G ряд аналитиков называет LTE, за которым следом идут технологии Wi-Fi и WiMax, подразумевающие интеграцию в единую беспроводную сеть широкого спектра устройств. Мобильный WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), стандартизированная институтом IEEE технология широкополосной беспроводной связи, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях. Технологию WiMAX можно использовать для реализации широкополосных соединений «последней мили», развертывания точек беспроводного доступа, организации высокоскоростной связи между филиалами компаний и решения других подобных задач. Если стандарт LTE служит развитием существующих сетей, то WiMAX требует строительства новой сети.

Для того, чтобы подключиться к мобильному интернету необходим модем, который обеспечивает подключение к Интернету в мобильной сети. В качестве модема может выступать:

- USB устройства

- Мобильный телефон с поддержкой GPRS и EDGE протоколов и средства связи с компьютером – USB кабель, Bluetooth, инфракрасный порт

- доступ в Интернет может осуществляться и с мобильного телефона, смартфона или планшета благодаря встроенному модему

Все модемы можно разделить на две основные категории – универсальные и операторские. Универсальные модемы не зависят от конкретных операторов, и в них можно вставить любую SIM-карту. Операторские модемы настроены на частоту работы сотового оператора и зависят от технологий поколения сотовой сети, которое поддерживает сотовый оператор. Относительно старые телефоны подключаются по медленной и дорогой технологии GPRS, а современные телефоны, работающие в стандартах сотовой связи третьего (3G) и четвертого (4G) поколения используют более скоростные: CDMA, UMTS, LTE, WiMAX, для которых, в качестве альтернативы, возможно использование USB-модема. Качество связи и скорость передачи данных в значительной мере зависят от расстояния до базовой станции сотового оператора, поддерживающей стандарты более высокого поколения и обеспечивающей зону покрытия мобильного доступа в Интернет.

- Wi-Fi – это специфический вид беспроводного подключения к «точкам доступа». Точка доступа – это беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или создания совершенно новой беспроводной сети. Беспроводная связь осуществляется посредством технологии Wi-Fi. Проводя аналогию, точку доступа можно условно сравнить с вышкой сотового оператора, с той оговоркой, что у точки доступа меньший радиус действия и связь между подключенными к ней устройствами осуществляется по технологии Wi-Fi. Радиус действия стандартной точки доступа – примерно 200-250 метров, при условии, что на этом расстоянии не будет никаких препятствий (например металлоконструкций, перекрытий из бетона и прочих сооружений плохо пропускающих радио волну). Скорость доступа к Интернету по технологии Wi-Fi распределяется в равных пропорциях между подключившимися к ней клиентами, поэтому, чем больше клиентов подключено к точке доступа – тем меньше скорость каждого из них. Чаще всего эту технологию используют как дополнительную бесплатную услугу подключения к Интернету в публичных местах: кафе и аэропортах. С появлением мобильных сетей 3-го поколения бесплатный Wi-Fi-интернет выделяют и в транспорте. Для этого в общественном транспорте устанавливается специальный 3G-роутер, которым он подключается к сети Интернет через сигнал сотовой связи и распространяет его для пассажиров через точку доступа Wi-Fi.