Введение в специальность

355

терминала, он увидел там знак @ (в английском языке называется «коммерческоеat»), которыйстехпориспользуетсявкачестверазделителя. Например, электронный адрес автора этой книги в ин-

тернете gladkikh@inf.tsu.ru.

К июлю 1972 года Ларри Робертс из ARPA написал программу RD для управления почтовыми сообщениями, которая поддерживала все стандартные функции: чтение, сохранение, создание ответа, пересылку писем. С тех пор более чем на двадцать лет электроннаяпочтасталасамымпопулярнымсетевымприложением. Благодаря ей сначала тысячи, а потом и миллионы людей приобщились к Сети, на визитной карточке любого делового человека есть адресE-mail. Электроннаяпочтасовершеннонеожиданносталасоциальнымявлениемивозродилаэпистолярныйжанр, которомупосле изобретения телефона грозила скорая смерть. Можно ли было предположить, что современный человек будет каждый день писать и получать десятки писем, а общее ежедневное число посланий перевалит через миллиард? Сегодня в электронный конверт можно вложить не просто текст, но и фотографию, звук и даже видео, а для того, чтобы завести бесплатный почтовый ящик необходимотолькоиметьвыходвинтернет, этууслугунаперебойпредлагают тысячи почтовых серверов. Как следствие резко сократился поток международных телеграмм. Например, в 1990 году по каналам Deutsche Telekom их было отправлено 1,5 миллиона, в 2000 – только 70 тысяч, а с 2001 года такие телеграммы вообще перестали принимать. Телеграф – отец телефона и дедушка интернета – стал нерентабельным, электронная почта сделала его достоянием истории.

Функционированиеэлектроннойпочтывинтернетеподдерживается несколькими протоколами прикладного уровня, надстроенными над TCP / IP. В настоящее время наиболее популярным протоколом для отправки почты является SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – Простойпротоколпередачипочты), адляприема– POP3 (Post Office Protocol, v. 3 – Протокол почтового отделения, версия 3). Для работы с почтой разработано множество клиентских приложений для различных операционных систем, например, Outlook Express дляWindows илимногоплатформенныйклиентLotus Notes.

356

На основе стандартной электронной почты в интернете реализованоещенескольковысокоуровневыхсервисов, например, списки рассылки (mailing lists) и почтовые конференции. Списки рассылкипредназначены дляраспространения информациисредирегулярных подписчиков. Послав письмо с просьбой о подписке на один из специализированных серверов, где установлена соответ- ствующаяпрограмма-робот, выбудетерегулярнополучатьпоэлектронной почте новости в выбранной области интересов, прогнозы погоды, свежие анекдоты, курсы валют и всякую другую полезную информацию дотех пор, пока это не надоест, и вы не пошлете письмо с отказом от подписки.

Почтовые конференции в отличие от списков рассылки являютсядвусторонними. Тоестьвынетолькополучаетеписьмассервера рассылки, но можете послать туда свои, при этом они будут немедленно разосланы всем участникам списка. Такая форма общения исключительно удобна для групп людей, связанных общими интересами, например, для ученых разных стран, работающих в одной узкой области науки.

Ещеболееудобнуюформувзаимодействия людей, общающихся на заданную тему,

предоставляют группы новостей

(newsgroups). В отличие от списков рассылки и почтовых конференций, приэтойтехнологиисообщениянезабиваютпочтовыеящики подписчиков, а хранится их на специализированных серверах, которые постоянно и автоматически обмениваются друг с другом последниминовостями. Подключившиськближайшемусерверуновостейивыбравинтересующуюегогруппу, абонентможетпредварительно прочитать заголовки, а уже потом скачать интересующие его письма.

Идея групп новостей родилась в 1979 году на восточном побережье США, когда между Университетом штата Северная Кароли-

на (University of North Carolina – UNC) и Университетом Дьюка

(Duke University) был организован регулярный обмен последними известиями. Первые программные реализации связаны с именами Белловина, Дэниэла и Траскотта (Bellovin, Steve; Daniel, Steve;

358

В Россию группы новостей пришли вместе с электронной почтой в 1990 году, и уже во время августовского путча 1991 года, когда радио и телевидение транслировали только «Лебединое озеро», весь мир следил за событиями в России по интернету, каналы которого путчисты не догадались перекрыть.

Группы новостей достигли пика популярности в 1991-1993 годах, впоследствии в результате триумфального развития Всемирнойпаутиныихзначение уменьшилось. Аналогимногихгруппновостей теперь можно найти на Web-страницах, там они называются форумами – forums. Как известно, форумом в древнем Риме называлась главная площадь, место обмена мнениями. В Сети форум выполняет аналогичные функции. Зайдя на некоторый форум, пользователь интернета может не только прочитать сообщение, но иприкрепитькнемусвойкомментарийввидеответа. Другойпосетитель может добавить ответ на ответ и т. д., в результате иногда образуютсяинтереснейшиецепочкиилицелыегроздиобсуждений. Для выражения эмоций участники обсуждений широко пользуются различными значками вроде :) или 8-). Историки интернета точно установили, чтовпервые такой значок-смайлик(отsmile - улыбка, однако по-английски он называется emoticon) появился в Сети 12 апреля 1979 года в сообщении Мак-Кензи (MacKenzie, Kevin), посланном в группу новостей.

Электронная почта, группы новостей и форумы, несмотря на все удобства, имеют один общий и принципиальный недостаток

– они не обеспечивают живого общения. Электронноеписьмодойдетдоадресатавлучшемслучаезанесколько минут, этосовсемнето, чторазговорвреальномвремени.

Неологизм чат (chat) в переводе означает «дружеский разговор, беседа, болтовня». Эта услуга интернета предназначена в основном для молодых людей, которые от скуки или любопытства желают пообщаться со сверстниками на всем белом свете. Для ее реализации в 1988 году финн Ойкаринен (Oikarinen, Jarkko) предложил специальный прикладной протокол IRC (Internet Relay Chat

359

– Передача чата в интернете). Запустив на своем компьютере клиент IRC, пользователь подключается к одному из чат-серверов, где емупредлагаетсянавыбормножествомножествоканалов, каждый из которых посвящен некоторой излюбленной теме, как в группах новостей. Всего в мире имеется около 30 независимых IRC-сетей, насчитывающих в общей сложности более 40 тысяч каналов. Выбрав сеть и канал, пользователь оказывается как бы в комнате (сhatroom), гдевсемогутодновременноговоритьислышатьдругдруга, только этот разговор не звуковой, а письменный. Каждое набранное на клавиатуре слово немедленно передается в канал, поэтому возникает полная иллюзия непосредственного общения с обитателями данной комнаты. При этом любые два участника общей бесе-

ды могут переключиться на приватный канал и продолжить разговор tête-à-tête, то есть наедине.

Поскольку набирать длинные тексты на клавиатуре обременительно, участники чата широко пользуются смайликами, жаргонными словами и специфическими сокращениями на английском и русском языках, так что понять смысл беседы постороннему человеку бывает непросто.

Благодаря своей демократичности чат очень популярен среди молодежи. В чате знакомятся, назначают свидания. Я лично знаю одного томского студента, который через IRC познакомился с девушкой из Израиля, а потом они вместе уехали в Америку.

Несомненное достоинство чата – работа в реальном времени, однако для того, чтобы поговорить через IRC с конкретным абонентом, нужнождать, пока онпоявится в нужномканале. В связи с этим в самое последнее время исключительной популярностью в интернете стала пользоваться технология мгновенных сообщений (instant messaging – IM), представляющая собой гибрид электронной почты и чата. Изобретателем службы мгновенных сообщений является небольшая израильская фирма Mirabilis, которая в 1997 году предложила прикладной протокол и технологию ICQ (фонетическое сокращение от «I Seek You» – «Я ищу тебя»; в русском просторечии «Аська»).

Принцип действия этой технологии следующий. При установ-

360

ке клиента ICQ абонент получает 8-значный цифровой идентификационный номер (UIN), сообщаемый друзьям и знакомым, кото- рыевносятеговконтакт-листысвоихклиентовICQ. Покакомпьютер работает вне интернета, «Аська» ничем себя не проявляет, но как только абонент подключается к Сети, она пробуждается и посылает на центральный сервер ICQ сообщение о том, что абонент такой-то перешел из состояния Offline в состояние Online. Сервер разошлет это сообщение всем заинтересованным пользователям и черезнесколькосекундихклиенты, есливданныймоментониподключены к интернету, прореагируют на эту весть изменением статуса абонента в контакт-листе. После этого возможен прямой диалогклиентовврежимечата. Такимобразом, составивсоответствующим образом контакт-лист, вы всегда будете в курсе, кто из ваших корреспондентов, разбросанных по всему миру, доступен для немедленного общения. А если нужный абонент находится в состоянииOffline, тоемуможнооставитьнасерверезаписку. Кактолько он включит свой компьютер, записка будет немедленно доставлена.

Технология мгновенных сообщений быстро завоевала интернет, число установленных клиентов ICQ уже к началу 1999 года достигло 30 миллионов, а к середине 2001 года оно превысило 100 миллионов. ФирмаMirabilis в1998 годубыла

куплена могущественной America On-Line (AOL); несколько других компаний, в том числе Microsoft и IBM, вышли на рынок с подобнымитехнологиями. Как выяснилось, эта служба оказалась чрезвычайно полезной не только для всемирного интернета, но и для замкнутых интранет-систем, где требуется наладить оперативное взаимодействие между сотрудниками, причем не только в гражданской, но и в военной сфере. Например, Канада, Великобритания, Австралия и Германия установили на своих кораблях серверы и клиенты системы Sametime от фирмы IBM, принцип дей-

361

ствия которой аналогичен ICQ. По сообщениям прессы, в ходе антитеррористическойоперациивАфганистанев2002 годусистема мгновенных сообщений стала тактическим оружием в военноморских силах США и их союзников. Снабженцы напрямую общались со снабженцами, врачи – с врачами, а командиры обсуждали свои проблемы прямо в ходе боевых действий.

Коммуникационные услуги, о которых мы говорили выше, так или иначе имели дело с передачей текста либо файла в режиме

off-line. Для электронного письма или «мгновенного» сообщения время, потраченное на передачу сообщения, некритично, задержка в несколько секунд ничего не значит. Совершенно другая ситуация складывается, если речь идет о мультимедийных сетевых услугах, когдапередачазвукаиизображенийпроисходитврежимереального времени; в этом случае сообщения должны передаваться в том же темпе, в котором они создаются у отправителя.

При работе с мультимедиа-приложением критически важным является понятие битрейта (bitrate=bit+ rate-скорость), который показывает, какой объем двоичных данных предается за секунду приработеданногоприложения. Длятого, чтобысетьподдерживала мультимедийную услугу, ее полезная пропускная способность (которая намного ниже технической скорости каналов связи из-за многочисленныхнакладныхрасходовпротоколоввсехуровней) должна быть не менее битрейта приложения. Поскольку пропускная способность сети является пока еще дорогим и дефицитным ресурсом, общей проблемой мультимедиа-сервисов является уменьшение битрейта за счет сжатия (компрессии) данных.

Нарисункеизображенатипичнаясхемапередачимультимедийных сообщений на примере компьютерной телефонии. Звуковой сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, которыйпереводитеговпервичныйпотокбитов(дляречевогосигнала, как мы знаем, стандартная скорость первичного потока составляет64 кбит/с). Компрессия(иобратнаядекомпрессия) потокапроизводится функциональным блоком, называемым кодеком – сodec (от кодер / декодер – coder / decoder). Кодек может быть реализо-

362

Схема передачи звуковых сообщений в компьютерной сети

ван программно или выполнен в виде специализированного устройства, возможно совмещенного с АЦП и ЦАП. Сжатый до приемлемого битрейта поток далее разбивается на пакеты, которые обычным порядком передаются по сети передачи данных получателю, где происходит его декомпрессия и выходное цифро-анало- говое преобразование.

Разработка быстрых и эффективных алгоритмов сжатия (компрессии) данных является одним из важных направлений информатики, требующих глубоких теоретических исследований.

Сжатие бывает без потерь и с потерями (lossy compression).

Сжатие без потерь основано на формальных методах экономного кодирования, основополагающая идея которых была предложена еще Клодом Шенноном. Ее суть очень проста: в исходном потоке нужно найти часто повторяющиеся последовательности символов и преобразовать их в короткие кодовые комбинации. Классические алгоритмы такого кодирования (например, коды Шеннона-Фэно и Хаффмана) и их математическое обоснование изучаются в курсах теоретической информатики.

Сжатие с потерями требует глубокого проникновения в те области знаний, которые исследуют восприятие человеком соответствующих сообщений, то есть в психофизиологию слуха и зрения. Задача состоит в том, чтобы ценой незначительных потерь субъективно воспринимаемого качества звука или изображения добиться существенногосниженияобъемапередаваемыхданных. Например, фундаментальные теоретические исследования в области психоакустики позволили установить, что громкие звуки на некоторой частотеделаютухонанекотороевремяневосприимчивымкблизко

363

лежащим частотам, поэтому последние можно без существенного ущерба для восприятия исключить из звукового сигнала. На этом принципе разработано много алгоритмов аудиосжатия, в частности, немецкие специалисты из Фраунгоферовского института

(Fraunhofer Institute for Integrated Circuits) предложили эффектив-

ный алгоритм Audio MPEG Layer 3, известный под сокращением MP3. Он обеспечивает 10-12 кратное сжатие аудиоданных при хорошемкачествезвучаниямузыкальныхпрограмм. ФорматMP3 произвел переворот в мире музыки, в этом формате продаются записи на компакт-дисках, транслируются радиопрограммы, кодируется звуковое сопровождение к видеосюжетам.

Еще более сложные и изощренные алгоритмы сжатия изобретаются для передачи изображений. Работы в этом направлении началисьдостаточнодавно. В1988 годудвесамые влиятельныемеждународные организации по стандартизации: International Standard Organization (ISO) и International Telecommunication Union (ITU), в

составе которой работает неоднократно упоминавшийся МККТТ, образовалиобъединеннуюрабочуюгруппуэкспертоввобластифо-

тографииJPEG – Joint Photographic Experts Group, котораяразрабо-

тала одноименный алгоритм сжатия с потерями неподвижных реалистичных изображений, обеспечивающий компрессию в 5-15 раз. В настоящее время этот формат является одним из наиболее популярных в интернете, в нем закодированы многочисленные фотоархивы.

СпециальнодляразработкиметодовсжатиядвижущихсяизображенийбыласозданарабочаягруппаMPEG – Motion Picture Expert Group, результатомработыкоторойсталинесколькоформатовсжатыхвидеопотоков. ЭтагруппаиспользовалапринципыJPEG вчастипредставленияодногонеподвижногокадраидополнилаихмножествомновыхидей, касающихсясжатияпоследовательностикадров. Скажем, зачем каждый раз передавать изображение на заднем плане, если оно от кадра к кадру остается неизменным, а действие происходит только на переднем плане?

Формат MPEG-1 был разработан в 1992 г., он предназначался для передачи изображений относительно невысокого качества,

364

такого, как у домашнего видеомагнитофона. Формат MPEG-2 предназначен для обработки видеоизображения, соизмеримого по качеству с профессиональным телевизионным. В настоящее время эту технологию использует цифровое телевидение; сигнал, сжатый в соответствии со стандартом MPEG-2, транслируется через спутники.

Наиболее совершенным и универсальным является формат MPEG-4, первая версия которого принята в 1999 году. Формат вобралвсебявселучшее, чтобылосозданозапоследние10 летвобласти мультимедиа. Он не только позволяет в сотни раз сжимать реальныевидеопотоки, но, позамыслуразработчиков, долженпредоставлять разнообразные инструменты и алгоритмы для работы с виртуальнымиобъектами, сгенерированнымисредствами компьютернойграфики. Подобныеобъектыпозволяютзначительносократить объем передаваемых данных, так как для их анимации бывает достаточно передать всего несколько параметров – все остальное будет сделано в декодере.

Например, среди синтетических объектов виртуальной реальности выделены в отдельный класс анимированные человеческие лицаифигуры. ВMPEG-4 определенынаборыуправляющихпараметровдлязаданияособенностейлица, егоанимациииинтерполяции. Лицоможетбытьсгенерировановдекодеренабазеимеющейся в нем обобщенной модели, а затем индивидуализировано на основе конкретных измерений, полученных, например, с помощью трехмерногосканера. Более того, напостроенную трехмернуюмодельможно«натянуть» фотографиюконкретногочеловека, азатем заставить его произносить нужный текст. Средства синтеза речи на базе текстов, предусмотренные в MPEG-4, не только генерируют необходимые фонемы, но могут также создавать поток данных для соответствующей анимации модели лица говорящего. Таким образом можно построить виртуального диктора или изображение удаленного абонента при разговоре в chat.

В части генерирования музыки стандарт MPEG-4 также предлагает много нового по сравнению с сегодняшним MIDI: с помощью специальных языков можно описать виртуальный оркестр,