Создание сети ARPANET

Д. Л. Медведев

В прошлых номерах нашего издания (“ЭИС”, 2006, № 3-4) мы познакомили читателей с судьбами четырёх учёных, оказавших огромное влияние на развитие сети Интернет. Высказанные ими теории послужили неким каркасом, на базе которого была построена новая крупномасштабная сеть связи, не имеющая до этого мировых аналогов. Также мы познакомили наших читателей с созданием в 1950-1960-е годы сети для Североамериканского командования по защите воздушного пространства – NORAD (North American Aerospace Defense Command), главным недостатком которой стала централизованная структура, предполагающая прохождение всего объема информации через центральный узел. В предлагаемой вашему вниманию статье мы продолжаем рассказ о создании сети с совершенно новой, распределенной архитектурой, ставшей прообразом современной “всемирной паутины”. Особое место в данном историческом очерке занимают описание трудоемких исследований, проводившихся в агентстве ARPA и приведших к построению первой в мире сети связи с пакетной коммутацией. Мы также познакомим наших читателей с непростым путем эволюции сети ARPANET, её первой публичной демонстрацией и основными проблемами, с которыми будет суждено столкнуться ее разработчикам.

Агентство ARPA

После запуска в нашей стране первого искусственного спутника Земли, помимо строительства системы оповещения NORAD, по указанию тогдашнего президента США Дуайта Эйзенхауэра, директивой министерства обороны США от 7 февраля 1958 г. № 510515 было создано Агентство передовых исследовательских проектов (Advanced Research Projects Agency, ARPA). Создание подобного агентства, представляющего собой симбиоз правительственных, военных, промышленных и научных кругов, стало воплощением идей Ванневара Буша, высказанных им еще в середине 1940-х годов.

Перед сотрудниками ARPA были поставлены сложнейшие по тем временам задачи, связанные с повышением обороноспособности страны. Принимая во внимание огромный объем научно-технических исследований, с первых же дней существования агентства государство не скупилось на щедрое субсидирование, выделяя ежегодно несколько миллиардов долларов для нормального функционирования данной организации. Финансовые ресурсы пропорционально распределялись между различными составляющими ARPA: университетами Юты, Гарварда, Иллинойса, Стэнфорда, Лос-Анжелеса (UCLA), Санта-Барбары (UCSB), Карнеги-Меллона (CMU), Массачусетским технологическим институтом (MIT) и лабораториями: Bolt Beranek and Newman (BBN), Computer Corporation of America, RAND Corporation, Systems Development Corporation и Stanford Research Institute (SRI).

Для повышения эффективности научно-исследовательской работы в основу агентства ARPA были положены следующие принципы:

• маленькие размеры самой организации и как следствие – большая гибкость при решении поставленных задач;
• автономия и независимость от бюрократического аппарата;
• основу технического штата составляли учёные и инженеры с мировым именем, набор которых происходил из промышленных и университетских лабораторий;
• замена технических специалистов каждые 3-5 лет, с целью обновления научно-идейного климата;
• при запуске любого проекта, длительность которого обычно составляет также 3-5 лет, обязательным условием ставится достижение конечной цели с практической реализацией.

Особое внимание обращает на себя необычный документ, согласно которому любое изобретение или новая технология сразу же воплощались в жизнь без получения экспертной оценки. Последняя, хотя и предотвращала некоторые ошибки, приводила, по мнению сотрудников ARPA, к резкому снижению скорости внедрения передовых решений.

И по сей день эти принципы, положенные в основу данной организации, актуальны и сохранились практически без изменения. На сегодняшний день в ARPA, годовой бюджет которой составляет 2 млрд. долл., работают 250 человек, 140 из которых – технические специалисты.

Бюро по методам обработки информации — IPTO

Особенную обеспокоенность военного командования США в 1950-е годы прошлого века вызывала существующая коммуникационная сеть страны. При создании будущей сети связи особого назначения главным критерием считалось надёжность, а также относительная живучесть во время ядерного удара при разрушении некоторых её ветвей и узлов. Кроме того, необходимо было сохранить секретность передаваемой по сети информации.

Для решения поставленных задач при агентстве ARPA в 1962 г. было создано Бюро по методам обработки информации – IPTO (Information Processing Techniques Office). На данное ведомство возлагались основные обязанности по построению надежной коммуникационной сети, способной связать главный вычислительный центр Министерства обороны США – Пентагон и главный вычислительный центр системы NORAD, расположенный в горном массиве Шайенн Маунтин. В бюро IPTO было выделено 13 исследовательских групп, занимающихся разработками основных теоретических положений для компьютерных и сетевых технологий. Объемы финансирования каждой группы, как правило, превышали обычное инвестирование для подобного рода исследований в 30, а порой даже в 40 раз.

Первая сеть связи с пакетной передачей данных

Создание агентства ARPA совпало с обострением ситуации на международной арене. С одной стороны, на Кубе были размещены советские ракеты, с другой – США начали войну с Вьетнамом. Международный котёл противостояния Востока и Запада накалился до предела. Готовясь к худшему, американское правительство поставило перед учёными из ARPA сложнейшую задачу – в кратчайшие сроки создать сеть межкомпьютерного взаимодействия, способную к нормальному функционированию в условиях ядерной войны. Огромная роль в выборе новой технологии, которая должна была составить идейную основу будущей сети, принадлежала американскому учёному Леонарду Клейнроку. В начале 1960-х он опубликовал несколько работ, посвящённых методу коммутации пакетов. Согласно его точке зрения, именно принципы пакетной коммутации должны были лечь в основу построения новых компьютерных сетей.

Лоуренс Робертс

Руководителем проекта по созданию первой местной компьютерной сети был назначен Л. Робертс. Лоуренс Робертс родился в 1937 г. в штате Коннектикут. После окончания Массачусетского технологического института, где он защитил бакалаврскую, магистерскую и докторскую диссертации, он поступил в Lincoln Laboratory, в которой начал исследования по построению компьютерных сетей. В ноябре 1964 г. Л. Роберте встретился с Джозефом Ликляйдером, идеи которого по созданию глобальной коммуникационной инфраструктуры произвели огромное впечатление на молодого учёного. В этот же период он встречается с Леонардом Клейнроком, которому удалось убедить Робертса в огромных преимуществах пакетной коммутации.

Проект по созданию первой компьютерной сети на основе метода коммутации пакетов был начат в феврале 1965 г. В июле этого же года для помощи Робертсу был приглашен молодой специалист Томас Мэрилл, также бывший большим приверженцем идей Джозефа Ликляйдера. В октябре 1965 г. совместная работа двух учёных увенчалась успехом – им удалось связать низкоскоростной коммутируемой телефонной линией на скорости 1200 бит/с два компьютера – ТХ-2 из MIT Lincoln Lab, расположенный в Массачусетсе, и AN/FSQ-32 из System Development Corporation, находившийся в Санта Монике (штат Калифорния, США). И хотя в данной сети время доставки сообщения было слишком большим, а надёжность системы оставляла желать лучшего, это был твёрдый шаг вперед на пути к новым технологиям. В ходе проведения данного эксперимента стало очевидно, что телефонная сеть с коммутацией каналов абсолютно непригодна для построения компьютерной сети. Все больше учёных и специалистов склонялись к мнению, что будущее в данном коммуникационном сегменте будет принадлежать пакетной коммутации.

В октябре 1966 г. Робертс и Мэрилл опубликовали совместную книгу “В направлении к кооперативным сетям с компьютерами, разделенными во времени”, ставшую уникальным историческим достижением двух ученых, сыгравших огромную роль при построении первой пакетной сети связи.

Предпосылки создания сети ARPANET

В конце 1966 г., новым директором бюро IPTO был назначен Роберт Тейлор. Возглавив столь ответственное ведомство, Тейлор был сильно удивлён тем фактом, что большинство его новых подопечных занимались не столько научными исследованиями, сколько удовлетворением собственных корысти и амбиций. Не уделяя должного внимания результатам своих работ, они больше заботились о предоставлении им более мощных программно-аппаратных комплексов, что даже для такого щедро финансируемого агентства, как ARPA, было весьма накладно. Кроме того, Роберт обратил внимание на большой объём исследований, дублировавших аналогичные работы, выполненные немного раньше. Это также приводило к неэффективному расходованию имеющихся средств, требуя дополнительных инвестиций.

Роберт Тейлор

Для решения подобных проблем Тейлор решил связать все компьютеры агентства ARPA между собой, образовав, таким образом, сеть с распределёнными ресурсами. По его мнению, подобное решение позволило бы не только снизить необходимость в новом оборудовании, но также сократило бы объём дублировавших друг друга исследований. Будущая сеть должна была отвечать двум основным требованиям: способностью поддерживать связь в условиях ядерной войны и обладать децентрализованным управлением гражданских и военных объектов в период военных действий.

Для управления новым проектом по построению распределенной сети Тейлор обратился к Лоуренсу Робертсу, хорошо зарекомендовавшему себя во время прошлогодних экспериментов. Возглавив новый проект, Лоуренс получал бы не только огромные возможности (приобретение бесценного опыта), но и хорошие карьерные перспективы. Тейлор рассматривал данную позицию гораздо шире, видя в Робертсе не просто одного из своих подчинённых, но возможного преемника.

Однако Робертс предпочёл спокойную работу в Lincoln Laboratory. Целый год Тейлор пытался переманить Лоуренса Робертса в свое ведомство. Отчаявшись, он обратился за помощью к тогдашнему директору агентства ARPA Чарльзу Херцфельду. Спустя годы Робертс вспоминал данную кадровую перестановку следующим образом: “Боб (Тейлор) убедил Херцфельда позвонить главе Lincoln Laboratory и сказать “У нас 51 процент ваших денег, позаботьтесь о быстром переводе вашего сотрудника к нам”. Услышав подобное заявление, директор Lincoln Laboratory вызвал меня к себе и сказал: “Мне кажется, будет лучше для всех, если ты примешь это предложение”. После подобных переговоров на высшем уровне Лоуренс Робертс уже в декабре 1966 г. был переведён в департамент IPTO на должность старшего научного сотрудника.

Эскиз сети ARPANET, сделанный Л. Робертсом в 1968 году

Придя на новое место работы, Робертс активно приступил к исполнению своих обязанностей. В скором времени будущей компьютерной сети было дано новое имя – ARPANET. На проходившей в апреле 1967 г. в местечке Энн Эрбор (штат Мичиган) научной сессии агентства ARPA, где обсуждался ряд вопросов, касающихся будущего развития ARPANET, Робертс представил подробный план своего видения архитектуры будущей сети – компьютеры ARPA соединяются друг с другом при помощи телефонных линий, при этом общие сетевые ресурсы распределяются при помощи специального оборудования между всеми участниками. Данная идея, как и любое крупное нововведение, вызвала сначала массу нареканий. Большинство сотрудников не хотели делиться своими компьютерными ресурсами, к тому же они не видели преимуществ сети с распределённой архитектурой. В конце научной сессии Робертс познакомился с Весли Кларком, предложившим в качестве интерфейса между сетью и компьютером использовать специальные миникомпьютеры, предоставляющие рабочим станциям услуги доступа в сеть и организующие связи между ними. Новое устройство было с воодушевлением встречено Ларри Робертсом, он даже дал ему имя – интерфейсный процессор сообщений – IMP (Interface Message Processor).

Естественно, основной была выбрана технология коммутации пакетов. В октябре 1967 г., Лоуренс Робертс выступил на конференции в Гатлинбурге (штат Теннеси) с подробной концепцией создания сети ARPANET, изложенной им в документе “Компьютерные сети с распределёными ресурсами” (“Resource Sharing Computer Networks”). На этой же конференции был представлен другой доклад, посвященный концепции пакетной коммутации – “Цифровые коммуникационные сети для компьютеров” (“A digital communications network for computers”). Его авторами были английские учёные из Национальной физической лаборатории – NPL (National Physical Laboratories) Дональд Дэвис и Роджер Скентльбьюри. Последний рассказал Робертсу, что параллельно и независимо от исследований Леонарда Клейнрока, аналогичные работы в области пакетной коммутации проводились как в Национальной физической лаборатории, так и в RAND Corporation Полом Бэреном. В том же 1964 г., когда была опубликована книга Клейнрока, группой сотрудников из RAND Corporation была написана статья, посвящённая созданию надёжных сетей связи в военных системах, с использованием технологии коммутации пакетов. Самое удивительное в этой истории заключалось в том, что Дэвис независимо от Бэрена установил целый ряд аналогичных параметров для пакетных сетей, например, длину пакета 1024 бит. После разговора Л. Робертса с сотрудниками NPL в обиход было введено слово “пакет”, которое впервые предложил Дональд Дэвис, кроме того, было принято решение об увеличении предполагаемой скорости передачи по каналам ARPANET с 2,4 кбит/с до 50 кбит/с.

В конце 1967 г. агентство ARPA заключило контракт со Стэнфордским исследовательским институтом – SRI (Stanford Research Institute) на разработку детальной спецификации для будущей коммуникационной сети. В начале 1968 г. результаты данной работы были опубликованы в виде отдельного отчета “Изучение основных параметров при проектировании компьютерных сетей” (“A Study of Computer Network Design Parameters”). Используя данный документ, Лоуренс Роберте совместно с Барри Уесслером составили окончательную версию спецификации на разработку IMP.

Робертc решил, что на первоначальном этапе основу будущей сети составят четыре крупных узла – UCLA, Stanford Research Institute (SRI), University of Utah и UC Santa Barbara, которые, по его мнению, образуют сердцевину сети ARPANET и станут отправной точкой для её дальнейшего роста (на рисунке четыре центра отмечены кружками). 3 июня 1968 г. подробной отчёт о построении сети ARPANET лёг на стол директора IPTO Роберта Тейлора. Последний, внимательно ознакомившись с представленным Робертсом документом, меньше чем через три недели – 21 июня утвердил новый план развития будущей сети.

Разработка интерфейсного процессора сообщений IMP

Леонард Клейнрок рядом с первой моделью процессора IMP

После того, как было проведено дополнение спецификаций по созданию сети ARPANET, в июле 1968 г. агентство ARPA выпустило запрос на расценки RFQ (Request For Quotation) по созданию базового элемента будущей сети интерфейсного процессора сообщений – IMP (Interface Message Processor). В конкурсе приняло участие свыше 140 компаний, но лишь одной из них было суждено вписать своё название в историю.

Примерно в то же время, в августе 1968 г., на столе у менеджера консультационной компании по сложным технологиям BBN (Bolt Beranek & Newman) Фрэнка Херта появился документ по созданию сети, способной соединить воедино далеко расположенные компьютеры Министерства обороны США. За соответствующими разъяснениями Харт обратился к ответственному за разработку аппаратной части технологии коммутации пакетов Северо Орнштейну. Последний, внимательно ознакомившись с данным материалом, пришёл к заключению, что BBN в состоянии создать такую сеть. Приняв участие в открытом конкурсе, организованным агентством ARPA, в декабре 1968 г. BBN выиграла тендер на разработку процессора IMP. Именно данной компании принадлежит главенствующая роль в создании первого коммутатора для пакетной сети ARPANET, ставшей прообразом сети глобальной сетевой инфраструктуры. В качестве основы при создании процессора IMP был выбран миникомпьютер Honeywell DDP 516 с 12 килобайтами памяти. С победой в открытом конкурсе компанию BBN поздравил сенатор Роберт Кеннеди. Данное поздравление выглядело немного комичным – сенатор поздравлял компанию с тем, что ей удалось выиграть тендер на разработку “interfaith message processor” (interfaith – различия между вероисповеданиями).

В команду по созданию нового устройства вошли следующие специалисты: Роберт Канн в качестве теоретика, Северо Орнштейн, ответственный за аппаратное обеспечение, ему помогал Бенджамин Беркер, а также специалисты по программированию – Вильям Кроутер, Дэвид Уельдон и Бернард Козелл. Новый научно-исследовательский коллектив возглавил Фрэнк Херт. В результате трудоёмкой работы, проделанной этими учёными, в апреле 1969 г. ими была подготовлена спецификация 1822, подробно описывающая новое устройство.

Первые узлы сети ARPANET

Интерфейсный процессор сообщений IMP

Поскольку Л. Клейнрок был общепризнанным авторитетом в области пакетной коммутации, а также одним из крупнейших специалистов в области анализа и проектирования телекоммуникационных сетей, в качестве первого узла, присоединённого к ARPANET, было решено выбрать возглавляемый им Сетевой измерительный центр (Network Measurements Center) в UCLA (Лос-Анжелес, Калифорния). В субботу 30 августа 1969 г. коммутатор IMP, рассчитанный на подключение к нему 64 компьютеров, был погружен на борт самолета и доставлен в Лос-Анжелес. На команду Клейнрока, состоящую из 40 человек, была возложена сложнейшая задача – в сжатые сроки осуществить соединение удалённого компьютера с коммутатором IMP – беспрецедентное по тем временам мероприятие. Тестирование было назначено на понедельник 1 сентября 1969 г. В указанный срок в зоне проведения эксперимента собрались все, кто смог найти хотя бы малейший повод для личного присутствия при этом историческом событии. Там был и Клейнрок с его командой, специалисты из BBN, AT&T, GTE (местная телефонная компания), ARPA, а также целая армия студентов. Несмотря на всеобщий ажиотаж, всё прошло удачно, первые биты были успешно переданы между удалённым компьютером SDS (Scientific Data Systems) Sigma 7 и IMP.

Через месяц второй узел было решено установить в Стэнфордском исследовательском институте SRI (Stanford Research Institute). В SRI проводилась программа “Наращивание человеческого интеллекта”, разработанная Дугласом Энгельбартом, являющимся также автором первой гипертекстовой системы NLS (oNLine System). Подключение второго узла также прошло успешно. 29 октября 1969 г. было решено организовать по линии связи, предоставленной компанией AT&T, передачу информации между удаленными компьютерами, находящимися в Калифорнийском университете UCLA (SDS Sigma 7), и Стэнфордским институтом SRI (SDS-940).

В интервью агентству «Рейтер» Л. Клейнрок рассказал об этом следующим образом: “Учёные должны были передать между компьютерами слово “login” (процедура идентификации пользователя при подключении к компьютеру по линии связи), причём первый слог должен был передать специалист из Калифорнийского университета, а последний – специалист из Стэнфордского института. Когда все устройства были подключены, в 22 ч 30 мин эксперимент начался. Сотрудник Калифорнийского университета передал букву “L” и спросил по телефону специалиста из Стэнфордского института, получил ли он данное послание. Ответ был положительный. Затем удачно была передана буква “О”. Во время передачи буквы “G” произошёл аварийный отказ. Во время второй попытки передача была успешно завершена”.

Стенограмма исторической передачи первого слова “login” по пакетной сети 29 октября 1969 г.

Архитектура сети ARPANET (рисунок выполнен в декабре 1969 г. )

1 ноября 1969 г. третий коммутатор IMP был установлен в Интерактивном математическом центре Куллера-Фрида при Калифорнийском университете из Санта-Барбары (UCSB). Специалистами UCSB Гленом Галлером и Бартоном Фрайдом проводились исследования методов отображения математических функций с использованием дисплеев с памятью, позволяющих справиться с проблемой перерисовки изображения по сети. Через месяц, 1 декабря, четвертый коммутатор был установлен в Университете штата Юта (UTAH), специалисты которого Роберт Тейлор и Айвен Сазерленд занимались разработкой методов рисования по сети изображений трехмерной графики. Таким образом, к концу 1969 г. сеть ARPANRET состояла из четырех узлов, соединенных между собой линией 50 кбит/с.

В одном из своих интервью Винтон Серф вспоминал: “Хотя сеть ARPANET с четырьмя узлами и была запущена всего в течение одного рабочего дня, но прежде, чем мы добились успеха, было предпринято множество неудачных попыток. Никто и не думал, что мы сможем достигнуть успеха, но мы все-таки добились своего”. К лету 1970 г. в состав сети ARPANET вошли Массачусетский технологический институт, корпорация RAND Corp. и System Development Corp., а также Гарвардский университет. Через год сеть была расширена до 15 узлов и 23 рабочих станций.

Архитектура сети ARPANET (США) по состоянию на сентябрь 1971 г.

Публичная демонстрация новой сетевой концепции

Вначале 1970-х годов успехи ARPANET воспринимались многими учёными и специалистами более чем скептически. Особенно интересна, с точки зрения сегодняшнего дня, позиция многих пользователей, совершенно не желающих подсоединять свои компьютеры к единой сети. Л. Робертс пришел к выводу, что для изменения общественного мнения по поводу сети ARPANET необходимо провести публичную демонстрацию с подробным разъяснением тех преимуществ, которые получит каждый, кто осмелится наперекор общественному мнению присоединиться к сети.

Подобная демонстрация состоялась в октябре 1972 г. на Международной конференции по компьютерным коммуникациям ICCC (International Computer Communication Conference). На мероприятие, длившееся всего два с половиной дня, съехалась вся, тогда ещё не столь многочисленная, элита сетевых технологий. В связи с тем, что основной целью данного показа было ознакомление как можно большего числа людей с новой сетевой концепцией, главный процессор был установлен в холле гостиницы “Хилтон”. Подобная общедоступность позволила каждому желающему познакомиться с новой технологией, подключиться к сети ARPANET и убедиться во всех преимуществах объединения компьютеров в единую сеть. Хотя подобный способ ознакомления публики с ARPANET у многих вызвал нарекания, в целом рекламная кампания прошла более чем успешно.

Заключение

Несмотря на огромные достижения, самим разработчикам сети рост ARPANET казался очень медленным. Роберт Тейлор писал: “Наша работа продвигалась очень медленно. К 1971 г. в состав ARPANET входило 15 узлов, и это несмотря на то, что изначально было запланировано 30. Основная причина столь медленного роста заключалась в том, что большинство компьютеров не имело единого программного обеспечения”. К этому комментарию также следует добавить, что огромным препятствием служило отсутствие единого для всех рабочих станций протокола по организации межкомпьютерного взаимодействия. О том, каким образом разработчикам сети ARPANET удалось разрешить данные трудности, превратив её из местной компьютерной сети в глобальную сетевую инфраструктуру Интернет, известную сегодня большинству жителей нашей планеты, мы постараемся познакомить читателей в следующих номерах нашего издания.

Литература

1. Markoff J. An Internet Pioneer Ponders the Next Revolution. – http://partners.ny-times.com/library/tech/99/12/biztech/articles/122099outlook-bobb.html?Partner=Snap
2. Kleinrock L. Personal History/Biography: the Birth of the Internet. – http://www.lk.cs.ucla.edu/personal_history.html
3. Haubcn R. From the ARPANET to the Internet. – http://www.columbia.edu/~rhl20/other/tcpdigest_paper.txt
4. A Brief History of the Internet. – http://www.isoc.org/internet/history/brief.shtml
5. Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий А.Л. IP-телефония. –М.; Радио и связь, 2001.
6. Гольдштейн Б., Голышко А., Шнепс-Шнеппе М., Яновский Г. Коммутационное Е1-гелие// Вестник связи. – 2001. –№ 12.
7. http://www.ibiblio.org/pioneers/roberts.html
8. http://www.livinginternet.com/i/ii_ipto.htm
9. Kleinrock L. Len Kleinrock on the Origins of the Internet: “This is login”// IEEE Internet Computing Online. – March-April 1997. –Vol. 1. –No. 2.
10. http://www.lk.cs.ucla.edu/personal_history.html
11. http://livinginternet.com/i/ii_kleinrock.htm
12. Davies D. Historical Note on the Early Development of Packet Switching. – http://www.cs.utexas.edu/users/kata/HISTORY/DAVIES/DaviesOl.pdf
13. Lawrence Roberts Manages The ARPANET Program. – http://www.livinginternet.com/i/ii_roberts.htm
14. IMP – Interface Message Processor. -http://www.livinginternet.eom/i/ii_irnp.htm
15. ARPANET – The First Internet. – http://www.livinginternet.eom/i/ii_arpanet.htm
16. DARPA/ARPA – Defense/Advanced Research Project Agency. – http://www.livinginternet.eom/i/ii_darpa.htm

Статья опубликована в журнале «Электросвязь: история и современность» № 1, 2008 г.
Перепечатывается с разрешения редакции.
Статья помещена в музей 05.07.2009