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

§ 4.4] ПРЕДЫСТОРИЯ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 331

Характерным для приведенной схемы является установление и под-

держание на все время сеанса связи физического канала между абонен-

тами. Поэтому она называется схемой с коммутацией каналов.

По схеме с коммутацией каналов в 70-е годы на Западе были созда-

ны многочисленные вычислительные сети, причем некоторые из них

разрослись до больших масштабов. Отметим, что это были именно вы-

числительные сети, так как основным их предназначением было ис-

пользование процессорных ресурсов коллективно используемых ЭВМ.

Этим они отличаются от компьютерных сетей 90-х годов, в которых

основным ресурсом является информация.

Классическим примером является сеть Cybernet, созданная в

1969 году фирмой Control Data Corporation – CDC. Как мы уже отмеча-

ли, эта компания, отказавшись от конкуренции с IBM на рынке мэйн-

фреймов, сконцентрировала усилия на разработке суперкомпьютеров и

предоставлении теледоступа к ним многочисленным абонентам. Вы-

числительные узлы сети были оснащены мощными компьютерами

CDC-6600, что позволило обрабатывать запросы от тысяч терминалов,

разбросанных по всему миру. По сообщениям прессы, 350 из 500 круп-

нейших компаний США в 70-е годы пользовались услугами этой сети,

Центральная ЭВМ

Публичная

(коммутируемая)

телефонная

сеть

Модем

Мульти-

плексор

Модем

Абонентский пункт

Выделенная (некоммутируемая)

телефонная линия

Удаленная

ЭВМ

Модем

Система телеобработки с коммутацией телефонных каналов

332 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

предпочитая не связываться с организацией собственной вычислитель-

ной системы.

Когда в конце 60-х – начале 70-х годов в СССР нача-

лась массовая компьютеризация на основе Единой

системы ЭВМ, о которой мы говорили во второй гла-

ве, все эксперты были единодушны в том, что будущее принадлежит

централизованной модели вычислительного процесса. Наилучшим ре-

шением проблемы скорейшей компьютеризации всей страны казалось

строительство государственной сети вычислительных центров (ГСВЦ),

соединенных между собой и с абонентами единой государственной се-

тью передачи данных (ЕГСПД).

Техническая концепция ГСВЦ была разработана под руководством

академика В.М. Глушкова. Согласно ей, сеть должна была иметь иерар-

хическую структуру. На верхнем уровне предполагалось создать не-

сколько крупнейших ВЦ, обслуживающих высшие органы государст-

венного управления – Совет министров СССР, Госплан, Минфин,

Центральное статистическое управление (ЦСУ). Их следовало размес-

тить в специально построенных гигантских зданиях с искусственным

климатом и изоляцией от всех внешних помех. На следующем уровне

иерархии должны располагаться региональные ВЦ коллективного поль-

зования (ВЦКП), охватывающие сетью терминалов территорию отдель-

ной области или края. Эти ВЦ были призваны обслуживать территори-

альные органы управления, а также взаимодействовать с вычислитель-

Вычислительная сеть Cybernet

Проект ГСВЦ

в СССР

§ 4.4] ПРЕДЫСТОРИЯ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 333

ными центрами предприятий и учреждений, тем самым создавая техни-

ческую и информационную базу нижнего уровня единой общегосудар-

ственной автоматизированной системы (ОГАС).

Учитывая гигантский масштаб задачи, было решено реализовывать

систему поэтапно, уточняя постановку задачи в ходе реализации от-

дельных проектов. В частности, для отработки идеи территориальных

центров предполагалось построить четыре экс-

периментальных ВЦКП в Минске, Таллине, Туле

и Томске. Город Томск попал в этот список не

случайно. Здесь с 1972 года объединенными уси-

лиями вузовских ученых под руководством Фе-

ликса Ивановича Перегудова (1931–1990) – ори-

гинального ученого и талантливого организато-

ра, будущего министра высшего образования –

разрабатывался проект автоматизированной сис-

темы управления (АСУ) Томской области. То-

гдашнее руководство области во главе с первым

секретарем обкома КПСС Е.К. Лигачевым (во

времена М.С. Горбачева он стал секретарем ЦК

КПСС и вторым человеком в государстве) активно поддерживало про-

ект и добилось включения Томска в престижный экспериментальный

список.

Для ВЦКП в центре города на площади Революции (ныне Ново-

Соборной) выстроили красивое девятиэтажное здание, точнее говоря, его

первую очередь, так как святая святых – кондиционированные машин-

Абоненты

ВЦ

предприятия

ВЦКП

АП АП

Региональные ВЦ

коллективного

пользования

ВЦ высшего уровня

ВЦКП

Абонентские пункты

Структура ГСВЦ

Ф.И. Перегудов

(1931–1990).

Рисунок В. Карасева

334 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

ные залы предполагалось разместить в рядом стоящей пристройке та-

ких же размеров. Подключение абонентов – обкома КПСС, облиспол-

кома, органов местного управления, ряда предприятий и организаций, в

том числе вузов – предпола-

галось провести по некомму-

тируемым телефонным кана-

лам. Для этого в центре горо-

да была проложена специаль-

ная кабельная канализация, в

нее уложены многие кило-

метры кабеля, смонтированы

кроссировочные шкафы и т.д.

На самом ВЦ установили не-

сколько ЭВМ Единой систе-

мы, а у пользователей – або-

нентские пункты, которые

представляли собой алфавит-

но-цифровые дисплеи с кла-

виатурой и модемами разме-

ром с тумбочку. Казалось,

проект ВЦКП с телеобработ-

кой благополучно воплощает-

ся в жизнь.

Однако в действительно-

сти все оказалось значительно

сложнее, чем на бумаге.

Крупномасштабные сети с коммутацией каналов, успешно работавшие

на Западе, в Советском Союзе реализовать не удалось. Помешала ис-

конно русская причина – плохие дороги. В данном случае дороги для

информации, то есть каналы связи. Качество телефонных линий в на-

шей стране традиционно было таким низким, что организовать устой-

чивую работу удаленных абонентов было невозможно даже на мини-

мальной скорости модемов 1200–2400 бит/с. Для простейших протоко-

лов передачи данных, которые можно было реализовать на примитив-

ных абонентских пунктах, не имеющих собственных процессоров, доля

ошибок была недопустимо высокой. В результате связь постоянно пре-

рывалась, программы операционной системы, отвечающие за обслужи-

вание абонентов, зависали.

ВЦКП в Томске

§ 4.4] ПРЕДЫСТОРИЯ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ 335

В конце концов от телеобработки пришлось отказаться, а коллек-

тивное использование ЭВМ свелось к тому, что пользователи из разных

организаций заказывали на ВЦКП машинное время, приходили туда со

своими носителями данных (перфокартами, магнитными лентами) и

уходили с рулонами бумажных выдач. Так продолжалось до середины

80-х годов, пока персональные компьютеры не вытеснили мейнфреймы.

Громоздкие и капризные ЕС ЭВМ были сданы в утиль, кондициониро-

ванные машинные залы уже не потребовались. Проект ВЦКП тихо

скончался, так и не успев полномасштабно воплотиться в жизнь. Одна-

ко сама идея коллективного использования вычислительных и инфор-

мационных ресурсов не умерла, к концу XX века она возродилась на

новой технической базе компьютерных сетей с коммутацией пакетов.

У систем телеобработки с коммутацией

каналов есть одно важное достоинство –

отсутствие задержек при передаче дан-

ных. Поскольку коммутационная аппа-

ратура на узлах ничего не делает с сообщениями, а только подключает

одну из выходных линий к входной, электрический сигнал пролетает

весь путь между абонентами почти со скоростью света. Однако это по-

ложительное качество достигается ценою двух принципиальных недос-

татков.

Во-первых

, необходимость поддерживать сквозной физический ка-

нал на все время сеанса неизбежно приводит к невысокой надежности

системы, когда канал образуется цепочкой из многих сотен отдельных

участков линий передачи и соединений на узлах коммутации.

Во-вторых

, занятие отдельного физического канала для организа-

ции связи между терминалом и ЭВМ не оправдано экономически, осо-

бенно при дальних междугородних соединениях, так как канал исполь-

зуется на малую долю своих возможностей. Все время, пока пользова-

тель думает перед нажатием очередной клавиши, канал простаивает.

Указанные органические недостатки принципа коммутации каналов

привели к тому, что в 80-е годы он был повсеместно вытеснен принци-

пом коммутации сообщений, о котором мы будем говорить подробно

далее. Однако существуют области применения, где коммутация кана-

лов применяется до сих пор. Вот несколько примеров.

Массовые абонентские сети. Подключение домашних компьюте-

ров к провайдерам услуг сети интернет в пределах одного населенного

Принципиальные

особенности сетей

с коммутацией каналов

336 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

пункта в подавляющем большинстве случаев

производится через телефонную сеть общего

пользования.

Другой показательный пример – создан-

ная во Франции в начале 80-х годов сеть

Minitel. Почти в каждом французском доме

рядом с телефонным аппаратом стоит не-

большой терминал в виде портативного чер-

но-белого алфавитно-цифрового дисплея с

клавиатурой. Позвонив в один из центров

сети, абонент переключает телефонную ли-

нию на терминал и, общаясь с компьютером

центра, может получить справку о номере

телефона, расписании транспорта или про-

грамме передач, заказать билет, сделать по-

купку. То, что в последнее время рекламиру-

ется как новейшее достижение интернет-коммерции, доступно францу-

зам благодаря Minitel уже более двадцати лет.

Специальные ведомственные сети. Некоторые организации, соз-

давшие в прошлом собственные сети с коммутацией каналов для техно-

логических нужд, продолжают их эксплуатировать. В таком режиме, в

частности, работают многие банки со своими клиентами и филиалами.

Любительские сети. Простота организации межкомпьютерных со-

единений через телефонную сеть общего пользования дала возмож-

ность, после того как появились персональные компьютеры, организо-

вать любительские сети. Крупнейшей из них является

сеть FidoNet, основанная в 1984 году программистом

из Лос-Анджелеса Томом Дженнингсом (Jennings,

Tom). Вместе с Джоном Мэдиллом (Madill, John) из

Балтимора они написали программу, которая могла

автоматически обмениваться электронными письмами

через всю страну по телефонной линии. Идея оказа-

лась продуктивной, их сеть начала быстро расти. В

конце 1984 года в ней было 50 узлов, в начале

1997 года – 200, в начале 1995 года – уже 37

000. Чис-

ло конечных пользователей сети не поддается учету, по грубым оцен-

кам оно превышает миллион. В самом названии сети содержится намек

Терминал Minitel

Эмблема Fido

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 337

на неофициальность проекта: слово Fido используется как кличка бес-

породной собаки, дворняжки.

§ 4.5. Сети пакетной коммутации – от ARPAnet до

интернета

Если электронные вычислительные машины – дети-

ще Второй мировой войны, то современные компь-

ютерные сети – побочный результат «холодной вой-

ны», которая началась почти сразу после победы над гитлеровской

Германией.

Бывшие союзники США и СССР, разделенные железным занавесом

идеологических противоречий, спешно наращивали военно-техничес-

кий потенциал, готовясь к неизбежной, как тогда казалось, третьей ми-

ровой войне.

Сначала в гонке вооружений лидировали США, они первыми созда-

ли ядерное оружие и развернули вокруг СССР сеть военных баз, откуда

американские бомбардировщики могли за считанные часы доставить

атомные бомбы до любого советского города. Сама же территория

США, отделенная океанами от остального мира, казалась недосягаемой

для вторжения. Поэтому, когда вечером в пятницу 4 октября 1957 года

американцы узнали о запуске первого советского спутника, они были

потрясены. Ракета, доставившая в космос мирный спутник, могла с та-

ким же успехом сбросить на Нью-Йорк или Вашингтон все испепеляю-

щую водородную бомбу. Благополучие нации в одночасье оказалось

под угрозой.

В США все пришло в движение. Понимая, что в гонке вооружений

выиграет та сторона, у которой лучше поставлены образование и наука,

правительство коренным образом перестроило свою политику в этой

области. Уже в феврале 1958 года были созданы два мощных ведомст-

ва, сыгравших ключевую роль в истории «холодной войны». Первое

занималось непосредственно космосом и называлось Национальным

управлением по аэронавтике и исследованию космического простран-

ства (National Aeronautics and Space Administration – NASA), перед вто-

рым была поставлена более общая задача обеспечить стратегическое

превосходство США в сфере высоких технологий. Оно работало при

Министерстве обороны (Department of Defence –DoD) и называлось

Управлением перспективных исследований (Advanced Research Projects

Исторические

предпосылки

338 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

Agency – ARPA). Управление подключило к военным программам

крупнейшие университеты и исследовательские центры, тратя на них

громадные деньги. Шестидесятые годы – это время, когда в США, под-

кармливаемые военным бюджетом, расцветали кибернетика, информа-

тика, прикладная математика и другие точные науки, а профессора

внушали студентам: «Ради вашего собственного благополучия, ради

благополучия нации, делайте домашние задания!..»

В самый разгар «холодной войны», в дни кубинского кризиса ок-

тября 1962 года, в ARPA была организована дирекция компьютерных

программ и ее первым руководителем был назначен Джозеф Ликлайдер

(Licklider, Joseph Carl Robnett; 1915–1990) из Мас-

сачусетсского технологического института (MIT),

незадолго до этого написавший серию заметок о

«Галактической сети», связывающей множество

компьютеров в глобальных масштабах и дающей

свободный доступ пользователям к программам и

данным (примерно то, что мы видим сегодня в ин-

тернете). Хотя его деятельность на высоком посту

была недолгой, идея Сети уже захватила умы ру-

ководства ARPA. Преемники Ликлайдера Иван

Сазерленд (Ivan Sutherland), которого считают ро-

доначальником компьютерной графика, и Боб Тей-

лор (Bob Taylor) стали прорабатывать вопросы

реализации этого фантастического проекта. Экспе-

рименты, проведенные в 1964–1966 годах по заказу

ARPA в MIT под руководством Лоуренса Робертса

(Roberts, Lawrence) продемонстрировали принци-

пиальную возможность связи нескольких ЭВМ, но

в то же время показали, что для крупномасштабной

и надежной вычислительной сети принцип комму-

тации каналов неприемлем. Нужна была принци-

пиально новая схема передачи данных, и эта схема

нашлась. Она называется коммутацией сообщений

(message switching).

Принцип коммутации сообщений был раз-

работан почти одновременно и совершен-

но независимо друг от друга в трех местах.

Основополагающие теоретические исследования в этом направлении

Джозеф Ликлайдер

(1915–1990)

Лоуренс Робертс

Принцип коммутации

сообщений и пакетов

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 339

принадлежат Леонарду Клейнроку (Kleinrock, Leonard; р. 1934), кото-

рый, будучи аспирантом MIT, предложил базовые принципы пакетной

технологии, опубликовал в 1961 году пионерскую статью, а в 1964 году

– первую монографию по коммутации пакетов. В 1963 году, получив

ученую степень, Клейнрок стал работать в Калифорнийском универси-

тете в Лос-Анджелесе (University of California Los Angeles – UCLA), где

организовал исследовательский сетевой центр.

Параллельно похожие принципы развивались в знаменитой неком-

мерческой фирме RAND Corporation (расшифровывается как Research

ANd Development – Исследования и разработки). Эта небольшая по

численности исследовательская организация, расположенная в живо-

писном местечке Санта-Моника на тихоокеанском побережье Калифор-

нии, прославилась выдающимися достижениями в области анализа

сложных систем, прикладной математики, исследования операций. В

частности, по заказу Министерства обороны там создавался проект сис-

темы связи для управления вооруженными силами и страной в случае

ядерной войны. В 1964 году под руководством Пола Бэрэна (Baran,

Paul) вышел отчет, в котором предлагалась самоорганизующаяся ком-

пьютерная сеть, сохраняющая работоспособность даже при уничтоже-

нии некоторых узлов коммутации и линий связи.

Третья группа исследователей трудилась за океаном, в Великобри-

тании, где в Национальной физической лаборатории (National Physical

Laboratory – NPL) под руководством Дональда Дэвиса (Davies, Donald)

была создана экспериментальная компьютерная сеть с коммутацией

сообщений.

Авторы метода пакетной коммутации. Слева направо:

Леонард Клейнрок (США, MIT), Пол Бэрэн (США, RAND Corp.),

Дональд Дэвис (Англия, NPL)

340 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

В системе с коммутацией сообщений узлы сети, в отличие от ком-

мутации каналов, не занимаются простым переключением линий. Каж-

дый узел представляет собой настоящий компьютер с процессором и

памятью. В первых сетях эти коммуникационные компьютеры обозна-

чались как IMP – Interface Message Processor, а позже стали называться

маршрутизаторами (router). Когда от абонента приходит сообщение,

маршрутизатор запоминает его в своей памяти, определяет, какому из

соседних узлов нужно отправить сообщение дальше, и, как только нуж-

ный канал освободится, передает его следующему маршрутизатору.

Если от соседнего узла приходит подтверждение о благополучном при-

бытии сообщения, то оно стирается из памяти, а если произошла ошиб-

ка, то передача сообщения повторяется до тех пор, пока не придет по-

ложительная квитанция. Так, передаваясь по эстафете от маршрутиза-

тора к маршрутизатору, сообщение за несколько прыжков (hops) дойдет

до адресата.

Как видим, принцип коммутации сообщений имеет следующие от-

личительные особенности:

• соединительный канал занимается конкретным сообщением

только на время передачи и сразу же освобождается. Тем самым

обеспечивается высокий коэффициент использования дефицит-

ных соединительных каналов;

• передача сообщения между соседними узлами происходит по

процедуре с переспросом. Более того, если соседний узел или

соединительный канал вообще окажутся неработоспособными,

Абонент 1

Абонент 3

Абонент 2

Абонент 4

A B

Принцик коммутации сообщений

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

Подождите немного. Документ загружается.