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

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 341

маршрутизатор отправит сообщение по обходному пути. Тем

самым, даже при ненадежных каналах связи и разрушении от-

дельных узлов, обеспечивается высокий уровень надежности

всей сети.

Таим образом, схема коммутации сообщений оказывается избав-

ленной от главных пороков схемы с коммутацией каналов, однако это

достигается не даром, а ценой других проблем.

Во-первых, маршрутизаторы – это не простые соединители, подоб-

ные телефонным р

еле на АТС, а полнофункциональные компьютеры.

Поэтому на практике коммутация сообщений не могла реализоваться

раньше, чем появились относительно дешевые мини-ЭВМ, то есть в

середине 60-х годов (как мы знаем, первая массовая мини-машина

PDP-8 была выпущена в 1965 году).

Во-вторых, повторные прием и передача приводят к задержкам, ко-

торые могут достигать значительных величин, если путь сообщения

проходит через длинную цепочку узлов. Этот недостаток является

принципиальным, от него невозможно избавиться совсем, можно толь-

ко постараться уменьшить задержку, повышая быстродействие каналов

связи и самих маршрутизаторов.

В чистом виде коммутация сообщений затруднительна еще по од-

ной причине. Если необходимо передавать длинные сообщения, поряд-

ка нескольких мегабайт, то на каждом узле приходится хранить и по-

вторно передавать такие массивы данных. Это долго и дорого, работа

сети блокируется длинными сообщениями. Для борьбы с этой пробле-

мой была предложена идея пакетной коммутации. Пакет (packet) – это

сообщение ограниченной длины, обычно до 1500 байт. Длинные сооб-

щения у источника разбиваются на пакеты, которые независимо друг от

друга проходят через сеть, и у получателя опять собираются в целост-

ные сообщения. Сети, организованные по такому принципу, называют-

ся сетями пакетной коммутации (packet switching).

Между прочим, разбиение сообщения на пакеты позволяет умень-

шить время задержки за счет

так называемого водопроводного эффекта.

На рисунке схематически изображена передача сообщений от абонента А

до абонента D через цепочку узлов B и C. Если сообщение передается

целиком (левая диаграмма), то трансляция его на следующем узле может

начаться только после окончания приема последнего байта (ведь нужно

проверить корректность приема и послать квитанцию отправителю). В

результате первый символ сообщения достигнет получателя в момент

времени t

. Если же сообщение передается отдельными пакетами (в на-

342 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

шем примере их четыре), то первый пакет при тех же скоростях передачи

и обработки данных дойдет до конечного пункта через время t

Таким образом, теоретически метод пакетной коммутации сулил

большие преимущества по сравнению с коммутацией каналов. Остава-

лось проверить его на практике, однако для этого были нужны значи-

тельные капиталовложения в каналы связи и маршрутизаторы.

Всю вторую половину 60-х годов концепция пакет-

ной коммутации обсуждалась в ARPA, наконец бы-

ло принято решение о практической реализации

сети. Руководителем проекта был назначен перешедший из MIT Ло-

уренс Робертс, который в октябре 1967 года организовал историческую

встречу всех трех школ пакетной коммутации (MIT, RAND, NPL) и

подготовил конкретные предложения. В августе 1968 года был объяв-

лен конкурс на создание сети из четырех коммуникационных компью-

теров с возможностью расширения до девятнадцати. Передача данных

между узлами предполагалась на скорости 50 кбит/с по некоммутируе-

мым широкополосным аналоговым каналам.

Ведущие фирмы, такие, как AT&T или IBM, не проявили интереса к

проекту, считая его реализацию невозможной. Конкурс

выиграла ма-

ленькая фирма Bolt Beranek and Newman (BBN), из Кембриджа, штат

ABCD

Время

ABCD

Время

Водопроводный эффект в сети пакетной коммутации

Сеть ARPAnet

(70-е годы)

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 343

Массачусетс, основанная специалистами Массачусетсского технологи-

ческого института. Группа разработчиков под руководством Фрэнка

Харта (Heart, Frank) за миллион долларов взялась в течение года пре-

творить теорию в жизнь.

Коммуникационные процессоры были заказаны у фирмы Honeywell,

уже в марте 1969 года она поставила прототип маршрутизатора на базе

мини-ЭВМ Honeywel-516 с оперативной памятью 12 Кбайт. В апреле

было

разработано программное обеспечение маршрутизатора и описан

стандарт на интерфейс между абонентскими ЭВМ, называемыми хос-

тами (host – хозяин) и маршрутизаторами. Автор этого стандарта Стив

Крокер (Crocker, Steve), чтобы избежать обвинений в самодовольстве,

назвал его скромно Request for Comment (RFC 1) – запрос для коммен-

тариев и предложений. Так родилась будущая система стандартов ин-

тернета, насчитывающая сейчас более тысячи документов.

Первый узел сети был установлен в сентябре в Калифорнийском

университете в Лос-Анджелесе, где он был подключен к большой ЭВМ

SDS Sigma-7. Эта честь была предоставлена университету потому, что в

UCLA работал коллектив Клейнрока, взявший на себя функции сетевых

измерений.

Второй узел был смонтирован в октябре, он располагался в

Стенфордском исследовательском институте (SRI) с его ЭВМ SDS-940,

там в это время над проблемами человеко-машинного общения работал

знаменитый Дуглас Энгельбарт. На базе института был создан Сетевой

Компания BBN

344 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

информационный центр (Network Information Center – NIC), обязанный

собирать, хранить и распространять всю документацию, связанную с

сетью, прежде всего сетевые стандарты RFC.

Когда 29 октября второй узел включили, специалисты UCLA сдела-

ли попытку подключиться к компьютеру в Стенфорде. Вот как

Клейнрок впоследствии вспоминал это событие в интервью агентству

«Рейтер»:

«Наш парень сидел за консолью компьютера с телефонной

трубкой, разговаривая с ребятами из SRI. Когда все было установ-

лено, он собрался напечатать слово «LOG», с тем, чтобы компь-

ютер в Стенфорде автоматически добавил «IN», получая

«LOGIN». Наш парень набрал букву «L» и спросил по телефону сво-

его коллегу в Стенфорде:

– Вы видите L?

– Да, мы видим L.

Он набрал «O» и снова спросил:

– Вы видите O?

– Да, мы видим O.

Тогда он набрал «G», и тут вся система рухнула».

Леонард Клейнрок у первого коммуникационного

процессора (IMP) фирмы Honeywell (1969 г.)

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 345

Так началась сетевая революция. Через 30 лет день рождения пер-

вой компьютерной сети – 29 октября – отмечался как профессиональ-

ный праздник – International Internet Day.

Третий и четвертый узлы были организованы в Калифорнийском

университете в Санта-Барбаре

(University of California Santa Barbara –

UCSB) и Университете штата Юта в Солт-Лейк-Сити, где Иван

Сазерленд развивал идеи машинной графики. В декабре 1969 года пер-

вая очередь сети, названной ARPAnet, была запущена в эксплуатацию.

Сеть ARPAnet была не только экспериментальным полигоном для

отработки технологии пакетной коммутации, но имела и практическую

цель – объединить мощные компьютерные ресурсы университетов, ра-

ботающих на контракты Министерства обороны США. Для этого раз-

рабатывались специальные программы, в частности Telnet, позволяю-

щая работать в режиме удаленного терминала с компьютером, находя-

щимися на расстоянии тысяч километров.

Принципы, положенные в основу ARPAnet, оказались исключи-

тельно удачными, сеть начала быстро развиваться. В 1971 году она на-

считывала уже 15 узлов, в 1972 году – 37. В октябре 1972 года Роберт

Кан (Kahn, Robert; р. 1938), профессор математики из MIT, перешедший

на работу в BBN, устроил успешную публичную демонстрацию сети на

Первой международной конференции по телекоммуникациям в Ва-

шингтоне, вызвавшую огромный резонанс научной общественности. К

концу 70-х годов ARPAnet охватывала всю территорию США, включая

Гавайские острова, были установлены первые межконтинентальные

соединения с Великобританией и Норвегией. Каждый день по сети цир-

Первая очередь ARPAnet (1969 г.)

346 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

кулировали миллионы пакетов, пролетая Америку от океана до океана

за 0,25 с.

К середине 1970-х годов компьютерные

сети пакетной коммутации начали расти

как грибы после дождя. Во-первых, про-

явили инициативу правительственные и

академические круги. Успех Министерства обороны в построении сети

ARPAnet подвигнул Министерство энергетики США на создание сети

MFENet в интересах исследователей термоядерного синтеза, затем спе-

циалисты в области физики высоких энергий получили сеть HEPNet.

Для астрофизиков из NASA построили сеть SPAN, а для специалистов

по информатике из академических и промышленных кругов – CSnet.

Бесплатное распространение компанией AT&T операционной системы

UNIX, в которую был изначально встроен коммуникационный прото-

кол UUCP (Unix-Unix CoPy), породило множество некоммерческих

академических и любительских сетей, некоторые из которых развились

до национальных и международных масштабов, например сеть обмена

новостями Usenet, о которой мы еще будем говорить.

Во-вторых, начали создаваться частные коммерческие сети. Пред-

приниматели почувствовали, что метод пакетной коммутации

позволя-

ет создавать сети передачи данных, такие же открытые для всех же-

лающих, как телефонная сеть общего пользования. Конечно, рассчиты-

вать на то, что рядовой пользователь будет подключаться к удаленным

Сеть ARPAnet в 1971 г.

Развитие сетей

пакетной коммутации.

Рекомендация X.25

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 347

компьютерам с целью проведения научных вычислений, было нереаль-

но, коммерческий успех публичных сетей виделся в предоставлении

других массовых услуг, прежде всего в передаче

сообщений электрон-

ной почты. Родившаяся в недрах ARPAnet электронная почта, о кото-

рой мы будем говорить далее, открыла новый и очень перспективный

рынок, оправдывающий капиталовложения в крупномасштабные пуб-

личные сети пакетной коммутации. Компания BBN, построившая не-

коммерческую ARPAnet, образовала крупную коммерческую сеть

Telenet, конкуренты создали отличающиеся по технологии сети Tymnet,

Compuserv, Datapac, Transpac, и др. За пределами США также строятся

сети передачи данных. Во Франции в 1972 году началась разработка

сети с коммутацией пакетов Cyclades, в Великобритании создана сеть

BTnet и т.д.

К сожалению все эти сети были несовместимы друг с другом, по-

скольку основывались на несовместимых технологических решениях и

протоколах. Протокол (protocol) – это соглашение (стандарт),

опреде-

ляющее форматы данных и процедуры взаимодействия между объекта-

ми в сети. Данный термин специалисты заимствовали из дипломатиче-

ской практики, где правила поведения участников встреч и переговоров

жестко регламентированы, иначе могут возникнуть недоразумения.

Различие протоколов приводило к тому, что компьютеры, подключен-

ные к различным сетям, физически соединенными друг с другом, не

могли обмениваться сообщениями. Это обстоятельство объективно

тормозило широкое распространение сетей и мешало развитию сетево-

го бизнеса.

Выход из создавшегося положения возможен двумя способами:

ли-

бо унифицировать внутреннюю технологию построения сетей, с тем

чтобы они были изначально совместимыми, либо искать пути объеди-

нения различных сетей на внешнем уровне.

В 1976 году группа ведущих производителей сетевого оборудова-

ния и телефонных компаний, заинтересованных в унификации сетей

пакетной коммутации, объединившись под эгидой МККТТ, разработала

систему протоколов передачи данных под названием Рекомендация

X.25, в основу которой была положена технология DECnet. Многие

фирмы стали производить оборудование, осуществляющее коммутацию

пакетов по этому протоколу, в результате в 80-е годы сети X.25 полу-

чили очень широкое распространение во всех странах, так как они

обеспечивали гарантированную и защищенную передачу пакетов на

ненадежных и медленных каналах связи того времени. Протоколы X.25

348 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

стали общепринятым стандартом для частных и коммерческих сетей, на

них до сих пор работают многочисленные международные банковские

системы, системы резервирования билетов на авиалиниях и т.д.

По другому пути пошли создатели некоммерче-

ских сетей. С целью создания возможностей для

объединения разнородных сетей Роберт Кан, пе-

решедший в 1972 году на службу в ARPA, пред-

ложил концепцию открытой сетевой архитектуры,

основанную на универсальных протоколах переда-

чи данных. Для реализации проекта, названного

«Internating», Кан пригласил Винтона Серфа (Cerf,

Vinton; р. 1943) – аспиранта

Стенфордского университета,

изучавшего, как сеть реагирует

на различные стрессовые си-

туации.

Сотрудничество двух спе-

циалистов дало прекрасные ре-

зультаты. В 1974 году была

опубликована первая версия семейства (стека) про-

токолов TCP/IP (Tranfer Control Protocol / Internet

Protocol – Про

токол управления передачей/Меж-

сетевой протокол), а затем начался долгий процесс его реализации, до-

работки и отладки, который продолжался до начала 80-х годов. В

1980 году TCP/IP был принят в качестве военного стандарта, а 1 января

1983 года на него перешла вся сеть ARPAnet. Вскоре к ней подключи-

лись CSnet, Usenet, далее процесс распространения TCP/IP принял ла-

винообразный характер. На базе ARPAnet стала развиваться «сеть се-

тей» – Internet.

Что же такое Internet? Точное определение этого термина было

дано

только в 1995 году, когда Федеральный сетевой совет единодушно

одобрил соответствующую резолюцию. Мы детально рассмотрим эту

резолюцию далее, в § 4.7, здесь же просто заметим, что Internet – это не

конкретная вычислительная сеть, а сообщество сетей самой различной

физической природы, принадлежащих самым различным собственни-

кам, добровольно объединившихся на базе логических стандартов пе-

редачи данных. Определяющим условием вхождения некоторой сети в

Internet является принятие на внешнем уровне адресов, форматов и

Возникновение

Internet

(80-е годы)

Роберт Кан

(р. 1938)

Винтон Серф

(р. 1943)

§ 4.5] СЕТИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ – ОТ ARPANET ДО ИНТЕРНЕТА 349

процедур, регламентированных базовыми протоколами TCP/IP, при

этом внутренняя структура сети может быть какой угодно, в нее никто

не вмешивается. Межсетевой обмен совершается через пограничные

шлюзы-маршрутизаторы (gateways).

Хотя Internet никем оперативно не управляется, порядок в ней, учи-

тывая число и разнообразие участников, должен быть очень строгий.

Уже в 1979 году были созданы первые координирующие органы – Ис-

следовательская группа (Internet Research Group) и Совет по конфигу-

рационному управлению интернетом (Internet Configuration Contro

Board, I

CCB). В дальнейшем они многократно реструктурировались и

меняли названия, при этом их роль и авторитет в сообществе Internet

постоянно усиливались.

80-е годы – время бурного роста Internet. Если к началу этого деся-

тилетия количество подключенных пользовательских компьютеров

(хостов) было около 200, то в конце оно составляло более 100 000. Чис-

ло компьютеров росло экспоненциально, удваиваясь каждый год (см.

график). Вначале основу инфраструктуры Сети (вот так, с заглавной

буквы, часто называют «сеть сетей») составляла ARPAnet, так как под-

ключаться к ней никто не запрещал, а программное обеспечение прото-

колов распространялось бесплатно. Однако когда чис

ло участников

увеличилось до сотен, забеспокоилось Министерство обороны США.

Для того чтобы отгородиться от чужих пользователей, оно в 1983 году

100

1 000

10 0 00

100 000

1 000 000

10 0 00 00 0

100 000 000

1 000 000 000

19 70 19 75 19 80 19 85 19 90 19 95 2000

12/69 4

12/70 13

12/79 188

10/84 1024

12/87 28174

01/91 376000

0 1/ 95 48520 00

01/00 72398092

0 1/ 01 1095744 29

Экспоненциальный рост числа хостов

350 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

образовало самостоятельную военную сеть MilNet. Демократичная

ARPAnet оказалась беспризорной, а будущее Internet – под угрозой.

Спас сеть Internet и вдохнул в нее новую жизнь национальный на-

учный фонд США (National Science Foundation – NSF). Он взял под опе-

ку

ARPAnet, а в 1986 году приступил к созданию сети NSFnet, основу

которой составляла высокоскоростная магистраль передачи данных

NSFnet Backbone. За последующие восемь лет фонд вложил в инфра-

структуру NSFnet 200 млн долларов, магистраль выросла с шести узлов,

соединенных каналами на 56 кбит/с, до 21 узла с множественными свя-

зями на 45 Мбит/с. Число сетей в интернете в 1995 году превысило

50 тысяч, из которых примерно 29 тысяч располагалось на территории

Соединенных Штатов, а остальные – во всех частях света и даже в кос-

мическом пространстве.

В 1990 году сеть ARPAnet, прожив двадцать лет, официально пре-

кратила существование, став счастливой жертвой собственной попу-

лярности. Рожденная ею глобальная суперсеть Internet начала победное

шествие по планете.

Подлинного расцвета компьютерные сети

достигли в 90-е годы. Этому способствовало

несколько факторов.

Во-первых, достижения в технологии локальных вычислительных

сетей, о которых мы будем говорить в следующем параграфе, позволи-

ли создавать исключительно дешевые и надежные вычислительные се-

ти для предприятий любого масштаба. Практически каждый офисный

компьютер теперь работает в локальной сети.

Во-вторых, развитие магистральных (оптоволоконных и спутнико-

вых) высокоскоростных каналов передачи данных резко удешевило

междугородные и международные соединения и сделало их доступны-

ми рядовому пользователю.

В-третьих, и это самое главное, принципиально изменилось отно-

шение к компьютеру в массовом сознании. Если раньше он использо-

вался прежде всего для выполнения вычислений (и назывался в лите-

ратуре чаще всего электронной вычислительной машиной – ЭВМ), то

теперь компьютер в основном является информационным устройст-

вом, с помощью которого человек обменивается почтой, узнает ново-

сти, читает книги, слушает музыку и даже смотрит кинофильмы.

Именно информационная потребность общества явилась тем ката-

лизатором, который привел к взрывному развитию Internet в последнее

Коммерциализация

Internet (90-е годы)