Первоначальные концепции объединения в сеть

Первоначальная сеть ARPANET переросла в Интернет. Сеть Интернет была основана на идее о том, что должно существовать несколько независимых сетей достаточно произвольной структуры, начиная с ARPANET – первой сети с коммутацией пакетов, к которой вскоре подключились спутниковые сети, наземные радиосети с коммутацией пакетов и другие сети. Интернет в том виде, в котором мы его видим сегодня, включает главные основополагающие технические данные, а именно – сетевые технологии с открытой архитектурой. В этом подходе выбор любой отдельной сетевой технологии уже не определялся архитектурой конкретной сети, а мог выбираться произвольным образом поставщиком и затем подключался к другим сетям с использованием «межсетевой архитектуры» на метауровне. До этого момента существовал только один общий метод интеграции сетей. Это был традиционный метод коммутации цепей, в котором сети соединялись на уровне цепи, синхронно передавая отдельные биты, а также часть комплексной цепи между парой конечных точек. Вспомните, что Клейнрок в 1961 г. доказал, что пакетная коммутация является более эффективным методом. Помимо пакетной коммутации можно было использовать межсетевые соединения специального назначения. Несмотря на то, что существовало ограниченное количество других способов объединения нескольких сетей, они требовали, чтобы одна использовалась как компонент другой, а не в виде равноправных и независимых друг от друга сетей, предоставляющих комплексный набор услуг.

В сети с открытой архитектурой отдельные сети можно проектировать и разрабатывать, отдельно и каждая может обладать своим собственным уникальным интерфейсом, предлагаемым для других пользователей и/или других поставщиков, включая других поставщиков услуг Интернета. Каждую сеть можно проектировать в соответствии с конкретной средой и требованиями пользователей к этой сети. Обычно не существует ограничений по типам сети, которые можно включать, а также по их территориальной протяженности, несмотря на то, что исходя из некоторых прагматических соображений, предложение отдельных вариантов оказывается бессмысленным.

Идея сети с открытой архитектурой была впервые предложена Каном сразу после его приезда в DARPA в 1972 г. Эта работа изначально являлась частью программы пакетной радиопередачи, однако впоследствии она стала отдельной самостоятельной программой. В то время программа называлась «Internetting». В основе работы системы пакетной радиопередачи был надежный протокол связи между точками, который мог обеспечивать эффективную связь в условиях перенасыщения эфира и других радиопомех или выдерживать случайное пропадание сигнала, например, при попадании в туннель или блокировании местным рельефом. Первоначально Кан занимался разработкой протокола только для локальной связи в радиосети пакетной передачи, поскольку в этом случае не нужно было решать проблему разнообразия различных операционных систем и продолжать пользоваться протоколом NCP.

Однако протокол NCP не обладал способностью адресации сетей (и машин) далее за процессором IMP в сети ARPANET, поэтому также необходимо было вносить какие-то изменения в протокол NCP. (В то время исходили из предположения, что сеть ARPANET в этом плане не поддерживала изменений). Протокол NCP был построен на использовании сети ARPANET для обеспечения комплексной надежности. Если какие-то пакеты терялись, это приводило к полной остановке работы протокола (и предположительно всех приложений, которые он поддерживал). В этой модели в протоколе NCP отсутствовал комплексный механизм контроля ошибок, поскольку сеть ARPANET была единственной существующий на тот момент сетью, и она должна была быть настолько надежной, что никакого контроля ошибок со стороны хостов не требовалось. Таким образом, Кан решил разработать новую версию протокола, который бы удовлетворял потребности среды сети с открытой архитектурой. Данный протокол впоследствии стал называться протоколом управления передачей/протоколом Интернета (TCP/IP). В то время как протокол NCP выступал больше как драйвер устройства, новый протокол больше напоминал протокол связи.

Для ранних рассуждений Кана были важны четыре основополагающих правила:

• Каждая отдельная сеть должна работать сама по себе, и не должно требоваться никаких внутренних изменений в такой сети для ее подключения к Интернету.

• Связь осуществляется по принципу наилучших усилий. Если пакет не достигал своего конечного пункта назначения, то он повторно передавался из источника.

• Для подключения сетей использовались «черные ящики»; впоследствии они стали называться шлюзами и маршрутизаторами. Шлюзы не сохраняли в себе никакой информации об отдельных потоках пакетов, проходящих через них. Благодаря этому они оставались простыми и не требовалась сложная адаптация и восстановления из различных режимов сбоя.

• Не требовался глобальный контроль на уровне эксплуатации.

Среди других основных вопросов, которые требовали решения, можно выделить следующие:

• Алгоритмы для предотвращения полного отключения связи вследствие потери пакетов и обеспечение возможности успешной повторной их передачи из источника.

• Предоставление «канала» между узлами, чтобы несколько пакетов можно было отправить из источника в пункт назначения по усмотрению участвующих узлов, если это позволяли промежуточные сети.

• Функция шлюза заключалась в том, чтобы обеспечивать соответствующую переадресацию пакетов. Сюда относились интерпретация IP-заголовков для маршрутизации, обработка интерфейсов, разбиение пакетов при необходимости на элементы меньшего размера и т. д.

• Необходимость подсчета комплексных контрольных сумм, повторная сборка пакетов из фрагментов и определение дублирующихся, если таковые имелись.

• Необходимость использования глобальной адресации

• Методы управления потоком от одного узла к другому.

• Взаимодействие с различными операционными системами

• Кроме того, стояли такие проблемы, как обеспечение эффективности внедрения, работа объединенной сети, однако сначала эти вопросы отходили на второй план.

Кан начал работу над набором принципов для операционных систем, ориентированных на связь, еще в BBN и опубликовал часть своих идей во внутреннем меморандуме BBN под название. В этот момент он понял, что необходимо изучить детали внедрения каждой операционной системы, чтобы иметь возможность эффективно встраивать новые протоколы. Таким образом, весной 1973 г. после начала работ над проектом Internetting он предложил Винту Серфу (затем в Стэнфорде) поработать с ним над подробным проектом протокола. Серф принимал активное участие в создании и разработке исходного протокола NCP и уже обладал знаниями в области создания интерфейсов для существующих операционных систем. Поэтому используя архитектурный подход, предложенный Каном в области связи, а также опыт Серфа в области протокола NCP, им удалось совместно уточнить детали протокола, который впоследствии стал называться TCP/IP.

Компромисс оказался весьма высокопроизводительным, и первая написанная версия7 полученного подхода была распространена на специальном заседании Международной рабочей группы по информационно-вычислительным сетям (INWG), которое прошло на конференции в университете Суссекса в сентябре 1973 г. Серфа пригласили в качестве председателя этой группы, и он воспользовался возможностью провести заседание группы INWG, которая была широко представлена на Суссекской конференции.

Некоторые базовые подходы появились в результате этого сотрудничества между Каном и Серфом:

• Связь между двумя процессами логически состояла из очень длинного потока байтов (они назвали их октетами). Для его идентификации использовалось положение любого октета в потоке.

• Управление потоком осуществляется с помощью скользящих окон и подтверждений. Время для подтверждения может подтверждаться узлом назначения, и каждое возвращаемое подтверждение будет кумулятивным для всех пакетов, полученных до текущего момента времени.

• Остался открытым вопрос, каким образом исходный и конечный узел договариваются о параметрах используемой пропускной способности. Первоначально использовались настройки по умолчанию.

• Несмотря на то, что в это время разрабатывалась сеть Ethernet в компании PARC, распространения локальных сетей пока еще никто не ожидал, во всяком случае, их ожидали гораздо меньше, чем компьютеров и рабочих станций. Исходной моделью являлись сети национального уровня, такие как ARPANET, причем считалось, что аналогов подобной сети могло существовать немного. Таким образом, стал использоваться 32-разрядный IP-адрес, в котором первые 8 бит обозначали сеть, а остальные 24 бита указывали на узел в этой сети. Подобное предположение о том, что 256 сетей в обозримом будущем будет достаточно, потребовало пересмотра, когда в конце 1970-х стали появляться локальные сети.

Первая статья Серфа/Кана по Интернету описывала один протокол, который назывался TCP и обеспечивал транспорт и все необходимые службы в Интернете. Кан стремился, чтобы протокол TCP поддерживал целый ряд транспортных услуг, начиная с абсолютно надежной последовательной доставки данных (модель виртуальной цепи) до службы датаграммы, в которой напрямую использовалась сетевая служба нижнего уровня. Вследствие этого иногда периодически возникали проблемы, связанные повреждением или изменением порядка пакетов. Однако первоначальные усилия по внедрению протокола TCP привели к созданию версии, которая допускала только использование виртуальных цепей. Такая модель отлично работала для передачи файлов и удаленного входа, однако после некоторых ранних работ с расширенными сетевыми приложениями, в частности с пакетной передачей голосовых данных в 1970-х годах, стало ясно, что некоторые случаи потери пакетов не следует исправлять на уровне протокола TCP, а предоставить это приложениям. Это привело к реорганизации исходного протокола TCP на два протокола: простого протокола IP, который обеспечивал только адресацию и пересылку отдельных пакетов, и отдельного протокола TCP, который отвечал за служебные функции, такие как управление потоком и восстановление утраченных пакетов. Для тех приложений, которым не нужны были службы TCP, был добавлен альтернативный протокол, который назывался протоколом пользовательских датаграмм (User Datagram Protocol – UDP), чтобы предотвратить прямой доступ к основной службе протокола IP.

Главной исходной мотивацией как для сети ARPANET, так и Интернета, стало совместное использование ресурсов, например разрешение пользователям радиосетей с пакетной коммутацией получать доступ к системам с разделением времени, подключенным к сети ARPANET. Подключение этих двух систем друг к другу было экономически намного более целесообразно по сравнению с дублированием этих очень дорогих компьютеров. Однако несмотря на то, что передача файлов и удаленный вход (Telnet) являлись очень важными приложениями, в то время электронная почта, наверное, оказала самое существенное влияние на инновации. Электронная почта обеспечивал новую модель возможного общения людей друг с другом, а также изменила саму суть совместной работы, сначала в области создания самого Интернета (как это описано ниже) и затем для большей части общества.

В начале развития Интернета были предложены другие приложения, включая голосовую связь на основе пакетной коммутации (предшественник Интернет-телефонии), различные модели общего доступа к файлам и дискам, первые программы "червей", которые показали концепцию агентов (и, конечно, вирусы). Основная концепция Интернета состояла в том, что он был создан не для одного приложения, а как общая инфраструктура, на основе которой можно было строить новые приложения, как было показано позже с появлением и быстрым развитием «всемирной паутины». Это становится возможным благодаря универсальной структуре услуги общего назначения, обеспечиваемой протоколами TCP и IP.