Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.1] ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 281

Глава 4. Компьютерные сети

Как отмечалось во введении, переживаемая нами информационная

революция происходит не только из-за быстрого развития компьюте-

ров, но и во многом благодаря их плодотворному сотрудничеству со

средствами электросвязи. На эту тему еще в начале 1970-х годов очень

образно высказался профессор Роберт Фэно (Fano, Robert Mano;

р. 1917), работавший вместе с Фернандо Корбато и MIT над проектом

Multics и увековечивший свое имя в названии кода Шеннона-Фэно:

«Брак между вычислительной машиной и средствами связи со-

стоялся. Свадьба сыграна, медовый месяц позади, и супруги начи-

нают все больше и больше ощущать, как они стали зависеть друг

от друга».

В наступившем XXI веке эти взаимозависимость и взаимодопол-

няемость стали проявляться еще больше. Современный компьютер

трудно себе представить существующим вне компьютерной сети, а со-

временные системы связи буквально напичканы разнообразными ком-

пьютерами – от микропроцессоров до супер-ЭВМ.

Для того чтобы понять принципы построения и направления эволю-

ции современных компьютерных сетей, необходимо знать, хотя бы

вкратце, историю электросвязи и основные понятия ее теории. Однако

молодые люди, освоившие работу на компьютере и даже знающие его

внутреннее устройство, на эти вопросы обычно внимание не обращают.

В данной главе мы постараемся заполнить этот пробел.

§ 4.1. История развития электросвязи

История электросвязи не менее замечательна, чем история компью-

теров. Зародившись в первой половине XIX века, электросвязь развива-

лась исключительно бурными темпами. Если построить график, пока-

зывающий, как росла скорость передачи данных по каналам связи за

282 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

прошедшие полтора столетия, то легко уловить закономерность, анало-

гичную закону Мура: каждые пять лет происходит ее удвоение.

Первым устройством электрической связи был телеграф, попытки

создать который начались через треть века после того, как в 1800 году

итальянский ученый Алессандро Вольта (Volta, Alessandro; 1745–1827)

изобрел химический источник тока – прообраз современных батареек.

В отечественной литературе изобретателем телеграфа

принято считать петербургского дипломата и инженера

Павла Львовича Шиллинга (1786–1837), продемон-

стрировавшего в октябре 1832 года первый сеанс

электрической связи по проводам на расстоянии

около 100 метров. Конструкция аппарата не обес-

печивала запись сообщения и для практического

применения была неудобной, однако усовершенст-

вовать ее барон Шиллинг не успел.

Англичане считают основоположником теле-

графии знаменитого физика, члена Королевского

общества Чарльза Уитстона (Wheatstone, Charles;

1802–1875), известного каждому школьнику по

изобретенному им «мосту Уитстона». Телеграф

1800

1900 20001850 1950

Телевидение

Радио

Телеграф

Телефон

ВОЛС

Скорость передачи

данных, бит/с

П.Л. Шиллинг

(1786–1837)

Телеграф

§ 4.1] ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 283

Уитстона, похожий на аппарат Шиллинга, был запатентован в 1837 го-

ду и одно время применялся на британ-

ских железных дорогах.

Были и другие конструкции теле-

графных аппаратов, но широкого рас-

пространения они не получили. Первым

телеграфным аппаратом, завоевавшим

весь мир и обессмертившим имя его

создателя, был самопишущий прибор,

изобретенный в 1837 году не физиком, а

талантливым нью-йоркским художни-

ком Самюэлем Морзе (Morse, Samuel; 1791–1872). Годом позже он раз-

работал знаменитую азбуку из точек и тире, а спустя двадцать лет теле-

граф стал привычным и незаменимым средством общения в Америке и

Европе.

Воздушные и кабельные линии связи тех лет позволяли передавать

телеграфные сигналы на нескольких десятков, максимум до сотни ки-

лометров, далее сигнал сильно ослабевал и терялся в шумах. Для того

чтобы обеспечить устойчивую связь на больших дальностях, нужно

было придумать систему восстановления ослабленного сигнала. Эту

задачу удалось блестяще решить с помощью электромагнитного реле,

изобретенного, как мы уже знаем, в 1831 году американским физиком

Джозефом Генри (Henry, Joseph; 1797–1878), в честь которого названа

единица индуктивности. Слово реле (фр. relais, англ. relay) в переводе

означает «почтовая станция, место смены лошадей». В старину на таких

Аппарат Шиллинга (1832 г.)

Самюэль Морзе (1791–1872) был художником (слева – его автопортрет),

поэтому конструкция первого телеграфного аппарата напоминала

мольберт (1837 г.)

284 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

станциях путешественники заменяли уставших почтовых лошадей све-

жими и пускались в путь дальше. Аналогично работает телеграфный

ретранслятор (см. рисунок). Ослабевший от долгого путешествия по

проводами электрический ток поступает на обмотку электромагнита

чувствительного телеграфного реле. Электромагнит замыкает контакты,

и в выходную линию передается в тысячи раз более сильный ток от

свежей батареи, установленной здесь же. Таким образом, соединяя по-

следовательно несколько участков ретрансляции, удается организовать

телеграфную связь на трансконтинентальных расстояниях. Например, в

1870 году была сооружена линия индо-европейского телеграфа Лондон

– Берлин – Варшава – Одесса – Тбилиси – Тегеран – Карачи – Калькут-

та протяженностью 18

000 км, а в 1871 г. заработала линия Москва –

Владивосток (12

000 км).

Освоив сушу, телеграф дерзнул покорить Атлантический океан, од-

нако это оказалось исключительно сложным делом. Проблема была в

том, что даже в самом узком месте ширина океана превышает 3500 км

при глубине до 4500 м. Необходимо было сконструировать и построить

такой кабель, который не только бы выдержал огромное давление воды,

подводные течения и трение о прибрежные скалы, но и обеспечил ма-

лое затухание сигнала на огромном расстоянии. Многие считали эту

затею невозможной, однако упорство инженеров и предпринимателей

не знало границ. В 1858 году после многих лет подготовительных работ

и нескольких неудачных экспедиций был проложен первый трансатлан-

тический телеграфный кабель длиной 3800 км между Ирландией и ост-

ровом Ньюфаунленд, который соединился с ранее построенными ли-

ниями до Нью-Йорка и Лондона. 16 августа 1858 года по нему была

передана приветственная телеграмма английской королевы Виктории

американскому президенту Джеймсу Бьюкенену (1791–1868). Весь ци-

Передатчик Ретранслятор ПриемникРетранслятор

Принцип ретрансляции

§ 4.1] ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 285

вилизованный мир ликовал, знаменитый писатель Томас Манн назвал

это событие «звездным часом человечества», установление электриче-

ской связи между Европой и Америкой он считал поворотным момен-

том истории. Радость, однако, была недолгой: кабель работал всего две

недели и по нему успели передать только 400 телеграмм. Сигнал был

настолько слабым на фоне шумов, что для передачи нескольких слов

требовались часы. Попытка увеличить отношение сигнал/шум подняти-

ем напряжения с 600 до 1000 В привела к выгоранию изоляции и краху

всего проекта.

К счастью для потомков, неудача не сломила волю первопроходцев.

В течение восьми лет были выполнены большие теоретические иссле-

дования, которыми руководил знаменитый физик Уильям Томсон

(Thomson, William; 1824–1907), получивший за исключительные науч-

ные заслуги титул лорда Кельвина, накоплен большой опыт по про-

кладке подводных кабелей через Средиземное море. Следующий транс-

Прокладку первого телеграфного кабеля через океан

современники назвали «звездным часом человечества»

286 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

атлантический кабель, проложенный в 1866 году, оказался вполне рабо-

тоспособным, он прослужил почти 100 лет.

К концу XIX века телеграфный аппа-

рат научился печатать буквы и стал неза-

менимым средством срочной связи между

людьми по всему миру, число ежедневно

передаваемых телеграмм достигло мил-

лиона. В 1902 году был проложен первый

кабель через Тихий океан – от Канады до

Австралии, а всего к 1930 году по океа-

нам было проложено 650

000 км теле-

графных кабелей. Телеграмму можно бы-

ло отправить вокруг света, и на это ушло

бы всего 20 минут. Простые и надежные

буквопечатающие телеграфные аппараты

– телетайпы, очень похожие на электри-

ческие пишущие машинки, до сих пор

используются для документальной связи

между организациями. Более того, вплоть

до изобретения алфавитно-цифровых дисплеев телетайпы применялись

в качестве диалоговых терминальных устройств ЭВМ.

Хотя к концу XX века из-за развития телефонии и других современ-

ных систем, например электронной почты, значение телеграфной связи

для человечества несколько снизилось, сами принципы телеграфии ока-

зались очень продуктивными. В частности, принцип ретрансляции те-

леграфных сигналов позволил построить цифровые высокоскоростные

волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), но об

этом мы будем говорить позже.

Изобретатель телефона Александр

Белл (Bell, Alexander Graham; 1847–

1922) родился в Шотландии, по основной специ-

альности он был филологом. Получив приглашение

преподавать в школе для глухонемых в городе Бос-

тоне, Белл переехал в Америку и стал глубоко изу-

чать акустику и физиологию слуха. Результатом

этих исследований стал телефонный аппарат, запа-

тентованный в 1876 году.

Телетайп

Александр Белл

Телефон

§ 4.1] ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 287

Первая телефонная линия была построена в 1877 году в Бостоне,

она соединяла магазин электротоваров

Чарли Вильямса с его квартирой и имела в

длину три мили, но уже к началу XX века

общая длина телефонных линий превысила

несколько миллионов километров.

Созданная в 1881 году Беллом фирма

American Bell Telephone заложила основы

гигантской корпорации American

Telephone and Telegraph (AT&T). В науч-

ном центре AT&T, называемом Bell

Laboratories, сделаны крупнейшие откры-

тия XX века в области радиотехники, связи

и информатики: изобретены электронная

лампа, транзистор, создана ОС Unix и т.д.

В отличие от телеграфа, который изна-

чально создавался как устройство междугородной связи, телефон дол-

гое время был типично внутригородским средством общения. На меж-

дугородные просторы телефония выхо-

дила с большим трудом, этому были

объективные причины. Из-за того, что

переменный ток звуковой частоты, вы-

рабатываемый микрофоном телефонного

аппарата, очень слаб, радиус действия

первых телефонов не превышал 10 км.

После изобретения угольного микрофона

дальность телефонной связи по толстым

медным проводам, подвешенным на

столбах, достигла 500–600 км, и это был

предел. Дальнейшее увеличение дально-

сти телефонной связи без промежуточного усиления сигналов было не-

возможно, а усиливать сигнал, сохраняя его форму, неизмеримо слож-

нее, чем просто ретранслировать телеграфный сигнал посредством

электромагнитных реле. Изобретение электронных ламп в начале

XX века и развитие радиотехники сделало телефонию междугородной и

международной, однако прошло еще много лет, пока ламповые усили-

тели научились встраивать в подводные кабели так, чтобы они выдер-

живали гигантское давление океанских глубин. Только в 1956 году,

ровно через 90 лет после сооружения межконтинентального телеграфа,

Патент Белла (1876 г.)

Первый телефон Белла

288 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

был проложен первый трансатлантический телефонный кабель. С тех

пор по морям и океанам проложено множество магистральных кабелей

связи, телефония распространилась по всему миру.

Возникает закономерный вопрос: каким же образом велись теле-

фонные переговоры между Европой и Америкой до середины XX века?

Эту возможность предоставила радиосвязь.

Изобретение радио связано с именем русского инжене-

ра Александра Cтепановича Попова (1859–1905).

7 мая 1895 года он продемонстрировал на заседании Русского физико-

химического общества в Петербурге изобретенный

им прибор для приема электромагнитных волн. В

ознаменование этого события ежегодно 7 мая отме-

чается День радио.

Спустя год после опытов Попова аналогичное

устройство в Лондоне представил Гульельмо

Маркони (Marconi,

Guglielmo; 1874–1937).

В отличие от Попова,

Маркони поставил де-

ло на широкую ком-

мерческую основу, соз-

дав в 1897 году компанию по производству

радиоаппаратуры, существующую по сей

день. В 1898 году Маркони впервые пере-

дал радиосигнал через Ла-Манш, а 12 де-

кабря 1901 года – через Атлантику. С по-

мощью проволочной антенны, прикреплен-

ной к воздушному змею, запущенному на

острове Ньюфаунленд, была принята ра-

диограмма, посланная с южной оконечно-

сти Англии. Эта радиограмма состояла

всего из трех точек, что по азбуке Морзе

означало букву S. В 1909 году за достиже-

ния в области радиотехники Маркони вме-

сте с изобретателем электронно-лучевой

трубки Брауном (Braun, Karl; 1850–1918)

была присуждена Нобелевская премия по

Радиосвязь

А.С. Попов

(1859–1905)

Первый приемник –

«грозоотметчик» Попова

(1895 г.)

Гульельмо Маркони

(1874–1937)

§ 4.1] ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 289

физике. Поскольку посмертно премия не присуждается, Попова не было

среди лауреатов. Кстати, именно по этой причине никогда не получат

Нобелевскую премию изобретатели первых ЭВМ.

После создания электронных ламп радиотехника стала развиваться

быстрыми темпами. Первое практическое применение радио – беспро-

волочный телеграф (между прочим, во французском языке слово «ра-

дио» до сих пор переводится сокращением T.S.F., то есть Télégraphie

Sans Fils – «телеграфия без проводов»).

Человеческая речь впервые была передана через океан в 1915 году,

радиосигнал был отправлен из Арлингтона, штат Вирджиния, а принят

на Эйфелевой башне в Париже. В феврале 1927 года вступила в дейст-

вие первая коммерческая радиотелефонная линия Лондон – Нью-Йорк,

работающая на частоте 50 кГц (длина волны 6 км).

В течение всего XX века радиосвязь осваивала все более высокие

частоты, каждый раз сталкиваясь с проблемами распространения ра-

диоволн в новом диапазоне. Длинные и средние волны распространя-

ются вдоль поверхности Земли, они ведут себя более или менее пред-

сказуемо, однако в этих диапазонах очень тесно, с большим трудом там

могут разместиться всего несколько сот радиостанций. Коротковолно-

вый диапазон значительно вместительнее, но радиосвязь на КВ неус-

тойчива, она сильно зависит от состояния ионосферы и подвержена

сильным помехам. В диапазоне ультракоротких волн (к УКВ относятся

радиоволны короче 10 м) почти нет помех, там может разместиться

очень большое число радиостанций, зато эти волны не огибают Землю

и могут распространяться только в пределах прямой видимости. Только

развитие радиорелейных и спутниковых систем, о которых мы погово-

рим далее, смогло решить задачи дальней связи на УКВ.

В конце XX века телефония и радиосвязь, вдохновленные достиже-

ниями микроэлектроники, породили принципиально новую технологию

мобильной телефонии. Это направление развивается исключительно

бурно, в некоторых странах число сотовых телефонов уже превысило

число жителей.

Первые эксперименты по передаче изображений были

предприняты еще в начале века. В 1907 году петербургский

профессор Борис Львович Розинг (1869–1933) получил па-

тент на «способ электрической передачи изображения на расстояние»,

предложив использовать трубку Брауна в приемнике телевизионного

изображения. В 1932 году русский инженер Владимир Кузьмич

Телеви-

дение

290 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Зворыкин (1888–1982), эмигрировавший после революции в США и

обосновавшийся в компании Radio Corporation of America (RCA), про-

демонстрировал работающую систе-

му электронного телевидения. Вско-

ре компания наладила серийное про-

изводство телевизоров, однако регу-

лярные передачи телевидения в

США стали идти только с 1939 года.

Чуть раньше, в 1936 году, регулярное

телевещание началось в Германии и

Англии. Репортажи с Олимпийских

игр 1936 года в Берлине можно было

видеть в Лейпциге и Дрездене, но

количество телевизоров на всю Ев-

ропу не превышало нескольких сот,

да и стоили они очень дорого, один

телевизор равнялся по цене двум не-

большим автомобилям.

Начиная с 1960-х годов телеви-

дение стало цветным, а спутники

связи помогли справиться с фунда-

ментальной проблемой передачи телеви-

зионного сигнала на большие расстояния.

В начале XXI века жители многих горо-

дов имеют возможность принимать не-

сколько десятков телевизионных про-

грамм. Впечатляющая демонстрация воз-

можностей глобального телевидения со-

стоялась в ночь с 31 декабря 1999 года на

1 января 2000 года, когда миллиарды те-

лезрителей могли в прямом эфире наблю-

дать репортажи со всех меридианов Земли – от Нью-Йорка и Парижа до

экзотических островов в Океании.

Схема передачи телевизионного

изображения (патент Розинга

1907 г.). В передатчике применя-

ется механическая развертка

изображения с помощью зеркаль-

ных барабанов, в приемнике –

электронно-лучевая трубка

Телевизор с механической

разверткой (СССР, 1932 г.)