Локальные вычислительные сети: создание и развитие

Виктор Дорохин

До первой ЛВС

Трудно в настоящее время не признать, что основной движущей силой развития ЛВС в мире является международный Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). История его начинается в девятнадцатом столетии, в 1884 г., когда был основан Американский институт инженеров по электротехнике (AIEE). Следующий шаг был сделан в 1912-м, и снова в США: Институт радиоинженеров (The Institute of Radio Engineers) создал свой комитет стандартов. В 1958 г. сначала объединились комитеты стандартов Американского института инженеров по электротехнике и Института радиоинженеров, а затем в 1963 г. и сами эти институты, породив IEEE.

Когда 4 октября 1956 г. в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, президент США Эйзенхауэр созвал американских ученых, чтобы они объяснили Белому дому, как обеспечить превосходство США в науке и техническом развитии. Ученые предложили создать новую структуру внутри Министерства обороны, которая стала бы финансировать перспективные научные проекты. Понимая, что необходимо решить проблему сотрудничества ученых и Министерства обороны США, министр Нейл Мак-Элрой организовал новое агентство - Advanced Research Projects Agency (ARPA). Перед ним была поставлена задача заниматься космической проблематикой. Это агентство и стало генератором идей, приведших через десятилетие с лишним к созданию сети ARPANET, а затем ко всему последующему сетевому буму.

ARPA функционировало как государственная исследовательская организация, не имевшая собственных лабораторий: оно финансировало исследования, проводившиеся в государственных и частных институтах и предполагавших использование в будущих военных приложениях. Компьютерные науки, только начавшие становление в это время, получили покровительство ARPA. В 1962 г. ARPA создало новый департамент технологий обработки информации (Information Processing Techniques Office, IPTO), которому было поручено изучить технологии контроля и управления. Этот департамент и руководил работами в области компьютерных наук. Первым директором IPTO был психолог, специалист по поведению человека, сотрудник Массачусетского технологического института по имени Джозеф Карл Ликлайдер (Joseph Carl Licklider). Под его руководством IPTO финансировал исследования в нескольких внезапно возникших областях компьютерных наук, в том числе в компьютерных сетях. Эти работы и привели к созданию ARPANET в 1969 г., когда IPTO возглавлял уже новый директор Роберт Тейлор (Robert Taylor).

Джозеф Ликлайдер

Хотелось бы сказать несколько слов о Ликлайдере. В 1960-х он опубликовал свои идеи относительно будущей роли вычислителей, взаимодействующих друг с другом в среде передачи данных с множественным доступом. Он заглядывал далеко вперед, за возможности перфокарт и перфолент, во времена, когда компьютеры и человек будут вместе работать в реальном времени. Выполняя рутинные вычисления, компьютеры смогут освободить людей для новых изобретений. Ликлайдер видел в человеко-машинном взаимодействии путь к повышению качества и эффективности решения человеческих проблем. Формулировка этого видения была важным вкладом в возможность людей проверить приложения новой технологии. Работая в ARPA, он оказался способен сделать свое видение реальностью. Проекты, которые он поддерживал с помощью своей программы, обеспечили исследования в компьютерных науках в США на несколько последующих лет. Более того, это была первая программа, получившая со стороны государства гарантии финансовой стабильности, от которой зависели перспективные исследования. Однако наибольшее влияние Ликлайдер оказал, вероятно, на компьютерное образование. До его работы в ARPA в американских университетах не было отделений, готовивших компьютерных специалистов. Его программа финансировала первые четыре университета, которые ввели у себя соответствующие курсы, выступив, в свою очередь, в качестве моделей для других отделений.

Таким образом, Ликлайдер сыграл центральную роль в инициации и постановке компьютерных наук в США.

Леонард Клейнрок на 30-летии Интернет в Калифорнийском университете (Лос-Анджелес, США)

В 1961 г. работу, посвященную коммутации пакетов и послужившую темой для будущей диссертации опубликовал в Массачусетском технологическом институте Леонард Клейнрок (Leonard Kleinrock); это было первое упоминание о коммутации пакетов. Смысл этой технологии заключался в том, что при передаче информации на неопределенно большое расстояние в течение неопределенно большого времени через неопределенное количество промежуточных узлов блок передаваемого сообщения должен быть заключен в капсулу, содержащую все необходимые сведения о сообщении, чтобы любой промежуточный узел мог определить его дальнейшее направление, а приемный узел - принять и проверить целостность.

В 1963 г. в США был создан Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) - ставший впоследствии главным разработчиком массовых стандартов в области ЛВС. Тогда же защитил диссертацию Леонард Клейнрок, будущий создатель Интернета и главный теоретик.

Пауль Баран

В августе 1964 г. Пауль Баран (Paul Baran), сотрудник корпорации RAND, опубликовал меморандум "On Distributed Communications: IX Security, Secrecy, and Tamper-Free Considerations", где впервые высказал идею построения распределенной сети передачи данных, не имеющей управляющего центра. Работы выполнялись по заказу ВВС США. Однако практическую реализацию идеи независимо от него осуществил три года спустя в Великобритании Дональд Дэвис.

Через год агентство ARPA Министерства обороны США финансировало изучение работы компьютеров в общей сети в режиме разделения времени.

Первую в мире ЛВС создал в 1967 г. Дональд Дэвис (Donald Davies) в Национальной физической лаборатории Великобритании (British National Physics Laboratory). До этого он принимал участие в экспериментах по созданию цифровых компьютеров и даже возглавлял группу, которая собирала переведенные с русского на английский научные статьи по компьютерной тематике.

К началу 70-х сеть работала с пиковой скоростью 0,25 Мбит/с, обслуживая около 200 пользователей. В дальнейшем Дональд Дэвис стал известным специалистом в области защиты информации. В частности, в 1989 г. он издал монографию "Security for Computer Networks".

Создание базовых методов

В США в 1968 г. в Лаборатории Белла исследователь В. Чу (W. W. Chu) вводит термин "Asynchronous Time Division Multiplexing" - так зарождается технология ATM. В том же году Министерство обороны США одобрило черновой вариант стандарта MIL-STD-1553 - это был первый в мире стандарт на ЛВС. А в Швеции Олаф Содерблюм из IBM разработал сеть Token Ring.

В 1969-м исследования, финансировавшиеся IPTO, директором которого в это время был Роберт Тейлор, привели к тому, что в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Леонард Клейнрок создал ARPANET - первый узел будущего Интернета. Его создатели были разбиты на две группы. Первая работала в университетах и частных компаниях и отвечала за развитие сетевых технологий, необходимых для функционирования ARPANET. Вторая группа состояла из исследователей в IPTO, выполнявших роль административных директоров. Отдельные лица в эту группу попадали из исследовательских институтов, и их работа была ограничена руководством и распределением финансов.

Спустя год, в 1970-м, на Гавайских островах Норман Абрамсон (Norman Abramson) создал сеть ALOHA - прообраз будущих и Ethernet, и IEEE 802.11. Это была первая в мире пакетная радиосеть, использовавшая удивительно простой метод доступа к среде передачи: пакеты передавались в эфир, когда в этом возникала необходимость. Если через какое-то время возвращалось посланное таким же простым методом подтверждение получения, то сообщение считалось доставленным. Если подтверждение не приходило, следовала повторная попытка передачи.

Ларри Робертс

В начале 1973 г. на одной из северных баз ВВС в США прошло совещание, в котором среди прочих приняли участие все главные действующие лица в области компьютерных сетей: Ларри Робертс (ARPA), Норман Абрамсон (создатель сети ALOHA), Боб Меткалф (Robert Metcalfe, будущий изобретатель Ethernet), Лен Клейнрок и Фоуад Тобаги (Fouard Tobagi) (оба - известные теоретики, специалисты в области теории вероятности и сетей массового обслуживания). Обсуждались протоколы доступа к каналу передачи данных. У своеобразной "тайной вечери", о которой через тридцать лет рассказал Ф.Тобаги, оказались удивительно далеко идущие последствия. После него база ВВС почему-то меняет свое название на Rockwell International, а Боб Меткалф 22 мая подает в фирме Xerox записку с предложением создать Ethernet!

Первая ЛВС Ethernet, созданная Бобом Меткалфом и Дэвидом Боггсом в исследовательском центре PARC (Palo Alto Research Centre) фирмы Xerox, работала со скоростью 2,944 Мбит/с и соединяла друг с другом два компьютера. Эти компьютеры имели собственные имена "Майкельсон" и "Морли" - по имени двух ученых (Michelson и Morley) XIX века, доказавших, что "эфира" (ether) не существует.

Позже Меткалф сформулировал так называемый закон Меткалфа, служивший верой и правдой, когда надо было обосновать необходимость создания ЛВС: стоимость ЛВС с ростом числа узлов растет линейно, а ценность - пропорционально квадрату числа узлов.

Боб Меткалф

Боб Меткалф имел достаточно богатую биографию к моменту создания своего главного детища. Он родился в Бруклине в 1946 г. в семье техника по ракетным гироскопическим системам. Будучи учеником восьмого класса, он выполнил свою первую "научную работу" - из запчастей железной дороги, которую ему соорудил в подвале дома отец, сконструировал устройство, выполнявшее суммирование двух чисел. Это устройство школьный учитель назвал "компьютером". Способности Меткалфа были таковы, что в последнем классе школы он мог посещать специальные курсы в Колумбийском университете для особо одаренных детей, где познакомился с первой мини-ЭВМ фирмы DEC PDP-8 и даже пытался писать для нее программу. С этим периодом связан забавный и знаменательный эпизод. Как говорит Меткалф, в один прекрасный день, придя в университет, он обнаружил, что компьютер украли. А стоил он 30 тыс. долл.! Ужасаясь, что ему придется всю жизнь расплачиваться за пропажу, Меткалф нашел все-таки в себе силы позвонить в DEC и сообщил о случившейся беде. На следующий день в университете появился человек, отвечавший за маркетинг, который предоставил компьютер. С ним пришли два специалиста по связям с общественностью. Они вели себя так, как будто собирались открывать Всемирную выставку. Они заявили, что фирма DEC сделала первый в мире компьютер, достаточно маленький для того, чтобы его можно было УКРАСТЬ!

В Массачусетском технологическом институте Меткалф занимался теорией пакетной передачи информации (тема его докторской диссертации), а кроме того, принял участие в работах по созданию сети ARPANET. Так что, перейдя в фирму Xerox в команду, занимавшуюся проектированием лазерного принтера, он получил задание разработать систему связи компьютера с этим будущим принтером (как в одном из своих интервью объясняет сам Боб Меткалф: "Поскольку я был сетевым чучелом"). Объем информации, которую предстояло вывести на страницу принтера, составлял примерно 1 Мбит, а печатать надо было по одной странице в секунду, следовательно, необходимая скорость передачи данных по сети должна была превысить 1 Мбит/с. Получалось, что протоколы типа RS-232 не годились и требовалось что-то более производительное.

По-видимому, первая ЛВС в СССР, разработанная в 1975 г. автором этих строк, появляется в ФИАН им. П. Н. Лебедева (Москва); она еще очень несовершенна, но в ней впервые в мире применен "двунаправленный усилитель - формирователь"; потом такое устройство будут называть hub (концентратор). Разработчика из ФИАН очень сильно беспокоило качество сигналов, поскольку его ЛВС оказалась разветвленной: она охватывала несколько комнат, в каждой из которой к ней должно было быть подключено 6-8 устройств. Ему было ясно, что абонентов в комнатах надо "изолировать" от общей магистрали. Заявка Боба Меткалфа на патент на аналогичное устройство для Ethernet была подана лишь 16 февраля 1977 г.

В 1977 г. в японские ученые М. Токоро (Mario Tokoro - в последующем вице-президент компании Sony) и К. Тамару (Kiichirou Tamaru) разработали способ использования Ethernet в радиоканале (Acknowledging Ethernet). В процессе передачи по радиоканалу невозможно осуществить прием информации, а значит, невозможно и установить, имела ли место коллизия. Авторы предложили по окончании приема информационного блока сообщения посылать в ответ небольшой пакет подтверждения. Отсутствие такого подтверждения и должно было говорить о коллизии. Эта работа стала первой ступенькой к современным радио ЛВС IEEE 802.11 и IEEE 802.15.

Ровно через год Международная организация стандартизации разработала семиуровневую модель открытой сетевой архитектуры, ставшую своеобразным "переводчиком" для разнородных сетевых разработок: стало ясно, как они соотносятся друг с другом. В том же 1978 г. появился первый вариант стандарта ARINC-429, до настоящего времени исправно служащий в авиации. Топология ЛВС в соответствии с этим стандартом была очень проста: практически точка - точка, поскольку на витой паре шины лишь одно устройство имело право передавать, остальные (а их могло быть несколько) должны были только слушать. Если требовался двунаправленный обмен, прокладывали второй канал ЛВС. Столь же просто осуществлялось и кодирование сигналов: положительный импульс означал передачу единицы, отрицательный - нуля.

В 1979 г. в США три фирмы - Xerox, DEC и Intel - объединили свои усилия, чтобы стандартизовать Ethernet. Произошло это при посредничестве Боба Меткалфа, который считает это объединение даже более важной своей заслугой, чем изобретение самой Ethernet. Аргументы, "добившие" конкурирующие стороны, были просты: объединение усилий для стандартизации многократно увеличивало общий сбыт изделий и повышало прибыль каждой компании.

4 июля того же 1979 г. Боб Меткалф с помощью фирмы DEC основал компанию 3Com (тройная аббревиатура от COMputer COMmunications COMpability - совместимость компьютерных коммуникаций). В задачу компании входило производство сетевого оборудования, соответствующего будущему стандарту Ethernet.

А тем временем Комитет по стандартизации СССР утвердил ГОСТ 18977-79 (аналог ARINC-429) - это единственный известный пример оперативной работы нашего ведомства.

Американский национальный институт стандартов (ANSI) в 1979 г. сформировал целевую группу (Task Group) X3T9.5 с задачей разработки высококачественного канала обмена данными, названного Local Distributed Data Interface (LDDI), - в результате был создан FDDI.

В сентябре 1979 г. была опубликована работа, посвященная приоритетно-кодовым методам доступа к шине ЛВС, явившая собой одну из первых попыток радикального избавления от коллизий в Ethernet (J. Capetanakis, "Tree Algorithms for Packet Broadcast Channels"). В СССР этот метод доступа, многократно "переоткрывавшийся" различными специалистами, назывался "приоритетно-кодовый метод арбитража шины". Впоследствии он нашел применение в шине CAN из семейства Fieldbus и VAN (ЛВС автоматизации автомобиля, см. PC Week/RE, № 33/2000, с. 26)

Совместный труд DEC, Intel и Xerox завершился 30 сентября 1980 г. опубликованием работы по стандартизации Ethernet, первого варианта этого стандарта.

В декабре 1980 г. появилась статья П. Ферерта (P. Ferert, "Application of Spread Spectrum Radio to Wireless Terminal Communications"), положившая начало технике радио-ЛВС с непрерывным спектром.