Введение в специальность

315

Абонент 2 Абонент 1

Абонент 4 Абонент 3

Принципкоммутациисообщений

Каквидим, принципкоммутациисообщенийимеетследующие отличительные особенности:

•соединительный канал занимается конкретным сообщением тольконавремяпередачиисразужеосвобождается. Темсамым обеспечивается высокий коэффициент использования дефицитных соединительных каналов;

•передача сообщения между соседними узлами происходит по процедуре с переспросом. Более того, если соседний узел или соединительныйканалвообщеокажутсянеработоспособными, маршрутизатор отправит сообщение по обходному пути. Тем самым, даже при ненадежных каналах связи и разрушении отдельныхузлов, обеспечиваетсявысокийуровеньнадежности всей сети.

Таим образом, схема коммутации сообщений оказывается избавленной от главных пороков схемы с коммутацией каналов, однако это достигается не даром, а ценой других проблем.

Во-первых, маршрутизаторы– этонепростыесоединители, подобные телефонным реле на АТС, а полнофункциональные компьютеры. Поэтому на практике коммутация сообщений не могла реа-

316

лизоваться раньше, чем появились относительно дешевые миниЭВМ , 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, которыемогутдостигатьзначительныхвеличин, еслипутьсообщения проходит через длинную цепочку узлов. Этот недостаток являетсяпринципиальным, отнегоневозможноизбавитьсясовсем, можно только постараться уменьшить задержку, повышая быстродействие каналов связи и самих маршрутизаторов.

В чистом виде коммутация сообщений затруднительна еще по одной причине. Если необходимо передавать длинные сообщения, порядка нескольких мегабайт, то на каждом узле приходится хранить и повторно передавать такие массивы данных. Это долго и дорого, работасетиблокируетсядлиннымисообщениями. Дляборьбысэтой проблемой была предложена идея пакетной коммутации. Пакет (packet) – это сообщение ограниченной длины, обычно до 1500 байт. Длинные сообщения у источника разбиваются на пакеты, которые независимо друг от друга проходят через сеть, и у получателя опять собираются в целостные сообщения. Сети, организованные по такому принципу называются сетями пакетной ком-

мутации (packet switching).

Между прочим, разбиение сообщения на пакеты позволяет уменьшитьвремязадержкизасчеттакназываемоговодопроводного 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 трансляцияегонаследующем узлеможетначатьсятолькопослеокончания приема последнего байта (ведь нужно проверить корректность приема и послать квитанцию отправителю). В результате первый символсообщениядостигнетполучателявмоментвремениt1. Если же сообщение передается отдельными пакетами (внашем примере их четыре), то первый паке при тех же скоростях передачи и обработки данных дойдет до конечного пункта через время t2.

Таким образом, теоретически метод пакетной коммутации сулил большие преимущества посравнению с коммутацией каналов. Оста-

317

A B C D A B C D

t2

t1

Иллюстрация водопроводного эффекта припакетной коммутации. Слева — передача сообщения целиком, справа — отдельными пакетами

лосьпроверитьегонапрактике, однакодляэтогобылинужнызначительные капиталовложения вканалы связиимаршрутизаторы.

лизацию сети. Руководителем проекта был назначен перешедший из MIT Лоуренс Робертс, который в октябре 1967 года организовал историческую встречу всех трех школ пакетной коммутации (MIT, RAND, NPL) иподготовилконкретныепредложения. Вавгусте1968 года был объявлен конкурс на создание сети из четырех коммуникационныхкомпьютеровсвозможностьюрасширениядодевятнадцати. Передача данных между узлами предполагалась на скорости 50 Кбит/с по некоммутируемым широкополосным аналоговым ка-

318

налам.

Ведущие фирмы, такие как AT&T или IBM, не проявили интереса к проекту, считая его реализацию невозможной. Конкурс вы-

играламаленькаяфирмаBolt Beranek and Newman (BBN), изКемб-

риджа, штатМассачусетс, основаннаяспециалистамиМассачусетсского технологического института (MIT). Группа разработчиков под руководством Фрэнка Харта (Heart, Frank) за миллион долларов взялась в течение года претворить теорию в жизнь.

Коммуникационные процессоры были заказаны у фирмы Honeywell, ужевмарте1969 года онапоставила прототип маршру- тизаторанабаземини-ЭВМHoneywell 516 соперативнойпамятью 12 Кбайт. Вапрелебылоразработанопрограммноеобеспечениемаршрутизатора и описан стандарт на интерфейс между абонентскимиЭВМ, называемымихостами(host – хозяин) имаршрутизаторами. Автор этого стандарта Стив Крокер (Crocker, Steve), чтобы избежать обвинений в самодовольстве, назвал его скромно Request for Comment (RFC 1) – запрос для комментариев и предложений.

Так родилась будущая система стандартов интернета, насчитывающая сейчас более тысячи документов.

Первыйузелсетибылустановлен в сентябре в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, где он былподключенкбольшойЭВМSDS Sigma-7. Эта честь была предоставлена университету потому, что в UCLA работалколлективКлейнрока, взявшийнасебяфункциисетевыхизмерений.

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-ма- шинного общения работал знамени-

321

межконтинентальные соединения с Великобританией и Норвегией. Каджый цень по сети циркулировали миллионы пакетов, пролетая Америку от океана до океана за 0,25 с.

Ксередине1970-хгодовкомпьютер- ныесетипакетнойкоммутацииначалирасти, какгрибыпоследождя. Вопервых, проявилиинициативуправи-

тельственные и академические круги. Успех министерства обороны в построении сети ARPAnet подвигнул министерство энергетикиСШАнасозданиесетиMFENet винтересахисследователейтермоядерногосинтеза, затемспециалистывобластифизикивысоких 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 былизначальновстроенкоммуникационныйпротоколUUCP (UnixUnix CoPy) породило множество неоммерческих академических и любительских сетей, некоторые из которых развились до национальных и международных масштабов, например, сетьобмена новостями Usenet, о которой мы еще будем говорить.

Во-вторых, начали создаваться частные коммерческие сети. Предпринимателипочувствовали, чтометодпакетнойкоммутации позволяет создавать сети передачи данных, такие же открытые для всех желающих, как телефонная сеть общего пользования. Конечно, рассчитывать на то, что рядовой пользователь будет подключатьсякудаленнымкомпьютерамсцельюпроведениянаучныхвычислений было нереально, коммерческий успех публичных сетей видился в предоставлении других массовых услуг, прежде всего в передаче сообщений электронной почты. Родившаяся в недрах ARPAnet электронная почта, о которой мы будем говорить далее, открылановыйиоченьперспективныйрынок, оправдывающийкапиталовложения в крупномасштабные публичные сети пакетной коммутации. Компания BBN, построившая некоммерческую ARPAnet, образовала крупную коммерческую сеть Telenet, конку-

322

ренты создали отличающиеся по технологии сети Tymnet, Compuserv, Datapac, Transpac, идр. ЗапределамиСШАтакжестро-

итьсясетипередачиданных. ВоФранциив1972 годуначаласьразработка сети с коммутацией пакетов Cyclades, в Великобритании создана сеть BTnet и т. д.

К сожалению все эти сети были несовместимы друг с другом, поскольку основывались на несовместимых технологических решениях и протоколах. Протокол (protocol) – это соглашение (стандарт), определяющееформатыданныхипроцедурывзаимодействия междуобъектамивсети. Данныйтерминспециалистызаимствовали из дипломатической практики, где правила поведения участников встреч и переговоров жестко регламентированы, иначе могут возникнутьнедоразумения. Различиепротоколовприводилоктому, что компьютеры, подключенные к различным сетям, физически соединенными друг с другом, не могли обмениваться сообщениями. Это обстоятельство объективно тормозило широкое распространение сетей и мешало развитию сетевого бизнеса.

Выход из создавшегося положения возможен двумя способами: либо унифицировать внутреннюю технологию построения сетей, стем, чтобыонибылиизначальносовместимыми, либоискать пути объединения различных сетей на внешнем уровне.

В1976 годугруппаведущихпроизводителейсетевогооборудования 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, осуществляющеекоммутациюпакетовпоэтомупротоколу, врезультатев 80-е годы сети X.25 получили 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 стали общепринятым стандартом для частных икоммерческих сетей, нанихдосих порработают многочисленные международные банковские системы, системы резервирования билетов на авиалиниях и т. д.

323

По другому пути пошли создатели некоммерческих сетей. С целью создания возможностей для объединения разнородных сетейРобертКан, перешедшийв1972 году

на службу в ARPA, предложил концепцию открытой сетевой архитектуры, основанную на универсальных протоколах передачи данных. Для реализа-

ции проекта, названного «Internating», Кан пригласил Винтона Серфа (Cerf, Vinton; р. 1943) – аспирантаСтенфордскогоуниверситета, изучавшего, как сеть реагирует на различные стрессовые ситуации.

Сотрудничество двух специалистов дало прекрасные результаты. В 1974 году была опубликована первая версия семейства (стека) протоколов TCP/IP (Tranfer Control Protocol / Internet Protocol – Про-

токол управления передачей/Межсетевой протокол), азатемначалсядолгийпроцесс

его реализации, доработки 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 подключились CSnet, Usenet, далее процесс распространения TCP/IP принял лавинообразный характер. На базе ARPAnet стала развиваться «сеть сетей»

– Internet.

Что же такое Internet? Точное определение этого термина было дано только в 1995 году, когда Федеральный сетевой советединодушноодобрилсоответствующую резолюцию. Мы детально рассмотрим эту резолюцию далее, в разделе 4.7, здесь же просто заметим, что Internet – это не конк-

324

ретная вычислительная сеть, а сообщество сетей самой различной физическойприроды, принадлежащихсамымразличнымсобственникам, добровольно объединившихся на базе логических стандартов передачи данных. Определяющим условием вхождения некоторой сети в Internet является принятие на внешнем уровне адресов, форматов и процедур, регламентированных базовыми протоколами TCP/IP, при этом внутренняя структура сети может быть какой угодно, в нее никто не вмешивается. Межсетевой обмен со- вершаетсячерезпограничныешлюзы-маршрутизаторы(gateways).

Хотя Internet никем оперативно не управляется, порядок в ней, учитываячислоиразнообразиеучастников, долженбытьоченьстрогий.Уже в 1979 году были созданы первые координирующие органы – Исследовательская группа (Internet Research Group) и Совет по конфигурационному управлению Интернетом (Internet Configuration Control Board, ICCB). В дальнейшем они многократ-

нореструктурировались и меняли названия, при этом ихрольиавторитет в сообществе Internet постоянно усиливались.

80-е годы – время бурного роста Ibternet. Если к началу этого десятилетия количество подключенных пользовательских компьютеров (хостов) было около 200, то в конце оно составляло более 100 000. Число компьютеров росло экспоненциально, удваиваясь каждыйгод(см. график). ВначалеосновуинфраструктурыСети(вот так, с заглавной буквы, часто называют «сеть сетей») составляла ARPAnet, так как подключаться к ней никто не запрещал, а прогрммное обеспечение протоколов распространялось бесплатно. Однако когда число участников увеличилось до сотен, забеспокоилось Министерство обороны США. Для того, чтобы отгородиться от чужих пользователей, оно в 1983 году образовало самостоятелльнуювоеннуюсетьMilNet. ДемократичнаяARPAnet оказаласьбеспризорной, абудущееIbternet – подугрозой.

Спас сеть Ibternet и вдохнул в нее новую жизнь национальный научный фонд США (National Science Foundation – NSF). Он взял подопекуARPAnet, ав1986 годуприступилксозданиюсетиNSFnet, основу которой составляла высокоскоростная магистраль передачиданныхNSFnet Backbone. Запоследующиевосемьлетфондвложил в инфраструктуру NSFnet 200 миллионов долларов, магист-