Коротка історична довідка, щодо розвитку локальних мереж

Серед найважливіших досягнень XX століття, що змінило способи збору, передачі й використання інформації, звичайно називають IBM System/360 і IBM PC. Насправді корпорація IBM зробила набагато більше, зігравши досить значну роль у створенні обчислювальної техніки і її застосуванні.

Тут же доцільно згадати Г. Холлерита, що в 1896 р. винайшов паперову перфокарту. Паперові перфокарти Г. Холлерита, винайдені їм для бюро перепису населення США, стали в першій половині XX століття основою систем зберігання даних, організації їх пакетного режиму обробки на ЕОМ і поклали початок застосуванню системного аналізу в бізнесі з використанням статистичних даних.

Розробка та монтаж першої електронної обчислювальної машини (ЕОМ) – ENIACа завершилися в листопаді 1945 р., а 15 лютого 1946 р. була офіційно представлена VIP-публіці й пресі, що зібралася в Пенсільванському університеті.

ЕОМ представляла величезне спорудження: машина важила близько 30 т, мала приблизно 2,4 м у висоту, 30,5 м у довжину й 0,9 м у глибину й займала зал площею 167 кв. м.

Вона містила 17 468 ламп, 7200 кристалічних діодів, 70 тис. резисторів, 10 тис. конденсаторів, 1500 реле, 5 млн. паяних з'єднань і споживала близько 160 кВт електроенергії – потужність, достатня для роботи невеликого заводу. 

Пристрої з'єднувалися між собою двома групами 11-провідних коаксіальних кабелів. Одна група кабелів утворювала цифрову магістраль, по якій передавалися послідовності імпульсів, що представляють числові дані. Окремий провідник (жила) у кабелі відповідав одному десятковому розряду (плюс жила знака числа), а значення переданої цифри рівнялося числу імпульсів, що пройшли по даному провіднику. Друга група кабелів була програмною магістраллю й передавала імпульси, що управляють послідовністю операцій у різних пристроях залежно від установок штекерів на комутаційній дошці. Кожний провідник у кабелі являв собою незалежну програмну лінію (програмний канал) і ніс певний керуючий сигнал від тактового генератора. Зовнішній вигляд ЕОМ представлений на рис. 1.1.

В 1953 р. була випущена ЕОМ IBM 701, побудована на електронно-вакуумних лампах, зі швидкодією до 17 тис. оп./с. Ініціатором створення цієї машини, названої Defence Calculator, що підкреслювало її оборонне призначення, був Томас Дж. Уотсон-молодший (президент IBM з 1952 р.). Саме йому належить ініціатива переходу IBM до виробництва комп'ютерів, хоча перспективи ринку були тоді досить мрячними: уважалося, що попит складе всього декілька штук.

Як американські, так і радянські електронні обчислювальні машини в п’ятдесятих роках минулого сторіччя – це громіздкі пристрої, що займають іноді цілі поверхи будинку, мали низьку надійність. Для підвищення надійності використовували дворазове, а іноді й трикратне резервування. При цьому були відпрацьовані принципи обміну даними між різними ЕОМ. На жаль, передача даних здійснювалася паралельно, що вимагало додаткових економічних витрат.

Рисунок 1.1 – Зовнішній вигляд ЕОМ ENIAC

Разом з тим, ЕОМ швидко виконували обчислювальні завдання. Наприклад, на настільній рахунковій машині обчислення 60-секундної траєкторії польоту снаряда займали 20 годин, диференціальний аналізатор дозволяв одержати той же результат (наближений) за 15 хв, ENIAC'у ж було потрібно всього 30 з – половина часу польоту. Природно, що споживачами перших машин були військові.

Розробка й застосування «більших» ЕОМ створило ряд передумов для створення мереж передачі даних.

У першу чергу, були розроблені засоби й принципи обміну даними між ЕОМ і зовнішніми (термінальними) пристроями, які надалі одержали назву – інтерфейс.

По-друге, перші ЕОМ коштували досить більших грошей, і для них був спочатку розроблений принцип пакетної обробки даних. А надалі, режим поділу часу – коли кілька терміналів (дисплеїв) послідовно обслуговуються в короткі моменти часу. У результаті в користувача складається враження, що ЕОМ перебувала в його повному розпорядженні (див. рис. 1.2).

Як і безліч інших технологічних винаходів, обчислювальні машини й комп'ютерні мережі вийшли з надр дослідницьких проектів сугубо військового призначення. У божевільній гонці ядерних випробувань, який були відзначені п’ятдесяті роки минулого століття, Сполучені Штати зробили начебто б не дуже потужний вибух на висоті 20 кілометрів. Але наслідки його були воістину жахаючими. Породжений вибухом електромагнітний імпульс вивів з ладу не тільки телефонні й телеграфні лінії, але й занурив у темряву на кілька днів цілий штат – Гавайї, розташований у тисячі миль від місця вибуху.

Мораль історії була досить смутної для американських військових: висотний ядерний вибух не дуже великої потужності, зроблений у центрі країни, повністю позбавляє її систем зв'язку, а виходить, і управління. Єдиним варіантом рішення проблеми було створення надзахищеної системи зв'язку, здатної передавати величезну кількість інформації в усі точки країни.

Рисунок 1.2 – Режим поділу часу

Крім цього, запуск у Радянському Союзі першого штучного супутника Землі в 1957 році ознаменував початок технологічного змагання між СРСР і США.

Отже, однієї з важливих дат в історії локальних мереж можна вважати 1957 рік, коли в рамках Міністерства оборони США (Department of Defence, DOD) виділилася окрема структура – агентство передових дослідницьких проектів (Advanced Research Projects Agency, ARPA, яке іноді позначають DARPA).

В 60-х роках основні роботи ARPA були присвячені розробці методу з'єднань ЕОМ одна з одною. У веденні ARPA, зокрема, перебували й роботи із забезпечення безпеки зв'язку й комунікації у випадку початку ядерної війни. Така система передачі даних повинна була мати максимальну стійкість до ушкоджень і бути здатної функціонувати навіть при повному виведенні з ладу більшості своїх ланок.

В 1961 г роботу, присвячену комутації пакетів і явилася темою для майбутньої дисертації опублікував у Масачусетському технологічному інституті Леонард Клейнрок (Leonard Kleinrock). У цій роботі було перше згадування про комутацію пакетів. Зміст нової технології полягав у наступному. При передачі інформації на невизначену велику відстань протягом невизначеного великого часу через невизначену кількість проміжних вузлів блок переданого повідомлення повинен бути укладений у капсулу (кадр, пакет, фрейм), що містить всі необхідні відомості про повідомлення, щоб будь-який проміжний вузол міг визначити його подальший напрямок, а прийомний вузол – прийняти й перевірити цілісність.

В 1962 р. ARPA створило новий департамент технологій обробки інформації (Information Processing Techniques Office, IPTO), що повинен був займатися системою глобальної комунікації. Дуже важливо, що очолював першу дослідницьку програму року Дж. Ликлайдер (J.C.R. Licklider ), що опублікував роботу "Galactic Network". У ній він предбачів можливість існування в майбутньому глобального комп'ютерного зв'язку між людьми, що мають миттєвий доступ до програм і баз даних з будь-якої точки земної кулі. Ликлайдер зумів переконати в реальності своєї концепції групу вчених, серед яких був майбутній його спадкоємець – дослідник Масачусетського Технологічного Інституту (MIT) Лоренс Робертс ( Lawrence G.Roberts.).

В 1963 р. у США був створений Інститут інженерів по електротехніці й радіоелектроніці (IEEE) – який став згодом головним розроблювачем масових стандартів в області локальних обчислювальних систем. Тоді ж захистив дисертацію Леонард Клейнрок, майбутній творець Інтернету й головний теоретик.

У серпні 1964 г Пауль Баран (Paul Baran), співробітник корпорації RAND (RANDCorporation – скорочення від Research and Development, науково-дослідні розробки; стала першої у світі «фабрикою думки», по-англійському think-tank), опублікував меморандум "On Distributed Communications: IX Security, Secrecy, and Tamper-Free Considerations", де вперше висловив ідею побудови розподіленої мережі передачі даних, що не має керуючого центра. Роботи виконувалися за замовленням ВПС США. Однак практичну реалізацію ідеї незалежно від нього здійснив через три роки у Великобританії Дональд Дэвис.

Через рік агентство ARPA Міністерства оборони США фінансувало вивчення роботи ЕОМ у загальній мережі в режимі поділу часу.

Однак і широко використовувалися в ті часи багатотермінальні системи, у яких користувачам надавався доступ до одного головного багатофункціонального комп'ютера за допомогою декількох кінцевих пристроїв вилученого підключення – терміналів – за принципом поділу процесорного часу, були лише прообразом локальних мереж у їхньому нинішнім розумінні.

Вище вже було сказано, що знову створювана мережа повинна була забезпечувати керування величезною країною в умовах повної відсутності інших засобів зв'язку, і тому її пропускна здатність мала дуже важливе значення. Із цього погляду велике значення мала теорія про комутацію пакетів для передачі даних, що Леонард Клейнрок (Leonard Kleinrock ) розробив в 1961 році й уперше опублікував у липні 1964 року. Л.Клейнрок переконав Л.Робертса в можливості комунікацій з використанням пакетів і в перевагах своєї теорії перед існуючим принципом передачі даних – комутацією каналів.

При комутації пакетів необхідні для передачі дані розбиваються на частині. До кожної частини приєднується заголовок, що містить повну інформацію про доставку пакета по призначенню. При комутації ж каналів на час передачі інформації пари комп'ютерів з'єднується « один-з-одним». У період з'єднання відбувається передача всього обсягу інформації. Технологія комутації пакетів не вимагає спеціального пристрою комутації, що з'єднує пари комп'ютерів між собою, і не виділяє інформаційний канал у монопольне користування для передачі одного пакета. У підсумку, комутація пакетів забезпечує більшу пропускну здатність каналу й надійність системи. Досить сказати, що використання пакетної технології дозволило збільшити швидкість передачі по каналах проектованої мережі ARPANET з 2.4 Кбіт/с до 50 Кбіт/с.

В 1967 році для створення мережі передачі даних було вирішено використовувати розкидані по всій країні ЕОМ агентства ARPA, з'єднавши їх звичайними телефонними проводами.

При цьому Роберт Кэн представив загальну архітектуру мережі ARPANET, Лоренс Робертс розробив топологію й економічні питання, Леонард Клейнрок ( Network Measurement Center, UCLA ) представив всі засоби вимірів і аналізу мережі. Роботи зі створення першої глобальної комп'ютерної мережі, що одержала назва ARPANet, велися швидкими темпами й уже до 1968 року з'явилися її вузли, перший з яких був побудований у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (University of California in Los-Angeles, UCLA), другий – у Стенфордському дослідницькому інституті (Stanford Research Institute, SRI).

Перший сервер мережі ARPANET був установлений у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. ЕОМ Honeywell 516 мала 12 Кбайт оперативної пам'яті. І 2 вересня 1969 р. у лабораторії Лена Кляйнрока цього університету два комп'ютери передавали один одному позбавлені якого-небудь змісту тестові дані по сірому кабелі довжиною в три метри. За експериментом спостерігала група з 20 дослідників.

Саме цей момент уважається народженням мережі ARPANET.

Місяцем пізніше до "домашньої" мережі університету Каліфорнії в Лос-Анджелесі приєднався Стенфордський дослідницький інститут. Саме між університетом Каліфорнії й цим інститутом 29 жовтня 1969 року було передано по телефонній мережі перше в історії слово. Їм став усього лише один склад: "ЛО". Справа в тому, що дослідники передавали з одного комп'ютера на інший команду "підключитися" – "ЛОГ-ИН", але один з комп'ютерів завис відразу після другої букви система "звалилася". А до кінця 1969 року до нової мережі приєдналися університет Каліфорнії в Санта-Барбаре й університет Юти.

Перше "поява" ARPANET перед широкою публікою відбулося в 1972 році, коли в мережі, що поєднувала вже 30 «хостових» комп'ютерів, пройшла перша публічна конференція.

Наступним етапом, мабуть, було розширення мережі по всій країні, що забезпечило б вище військове й політичне керівництво надійним каналом зв'язку у випадку надзвичайних обставин, під яким малося на увазі, у першу чергу, ядерна атака з боку Радянського Союзу. DARPA, натхненна успіхом ARPANET, запросила Роберта Кэна для розробки нової програми «Internetting Project» з метою вивчення методів з'єднання різних мереж між собою. Архітектура й принципи мережі ARPANET не задовольняли висунутим вимогам стійкої й надійної передачі пакетів, тому була поставлена завдання розробки універсального протоколу передачі даних. Нагадаємо, що протокол – це набір правил та засобів, що визначає принципи обміну даними між різними комп'ютерними програмами.

До грудня 1969 р. ARPANet нараховувала 4 вузли, у липні 1970 р. – вісім, а у вересні 1971 р. уже 15 вузлів. В 1971 році програмістом Рэем Томлісоном (Ray Tomlison) розроблена система електронної пошти, зокрема, в адресації вперше використаний значок @ ("комерційна эт"). В 1974 році був відкритий перший комерційний додаток ARPANet – Telnet, що забезпечує доступ до вилучених комп'ютерів у режимі термінала.

Тут варто згадати про успіхи мікроелектроніки й інтегральної схемотехніки, які далі поштовх у розвитку мікроконтролерів і мікропроцесорів. Перший патент на однакристальну мікро-ЕОМ був виданий в 1971 році інженерам М. Кочрену й Г. Буну, співробітникам американської Texas Instruments. Саме вони запропонували на одному кристалі розмістити не тільки процесор, але й пам'ять із пристроями вводу-виводу.

Мікроконтролер (англ. Micro Controller Unit, MCU) – мікросхема, призначена для керування електронними пристроями. Типовий мікроконтролер сполучає на одному кристалі функції процесора й периферійних пристроїв, містить ОЗП або ПЗП. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання.

З появою однакристальних мікро-ЕОМ зв'язують початок ери масового застосування комп'ютерної автоматизації в області управління. Очевидно, ця обставина й визначило термін «контролер» (англ. controller – регулятор, керуючий пристрій).

В 1976 році американська фірма Intel випускає мікроконтролер i8048. В 1978 році фірма Motorola випустила свій перший мікроконтролер MC6801, сумісний по системі команд із випущеним раніше мікропроцесором MC6800. Через 4 роки, в 1980 році, Intel випускає наступний мікроконтролер: i8051. Удалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті й прийнятна ціна забезпечили цьому мікроконтролеру успіх на ринку. З погляду технології мікроконтролер i8051 був для свого часу дуже складним виробом – у кристалі було використано 128 тис. транзисторів, що в 4 рази перевищувало кількість транзисторів в 16-розрядному мікропроцесорі i8086.

Істотний поштовх у напрямку розвитку локальних мереж дав бурхливий розвиток у другій половині 70-х років настільних персональних комп'ютерів. Уже перші настільні комп'ютери від ЕОМ відрізняла їхня висока надійність. Однієї із причин високої надійності було використання в комп'ютерах відомих принципів, які використовувалися у системах зв'язку:

- загальний канал (загальна двінаправлена шина) передачі даних;

- часовий поділ каналу для передачі даних.

Саме використання цих принципів дозволило виключити зв'язок за допомогою окремих провідників одного пристрою з іншими й тим самим, скоротити кількість з'єднань. А саме порушення зв'язків – основна причина відмов ЕОМ.

В авангарді розробки комп'ютерів стояла фірма Xerox.

Персональні комп'ютери Xerox Star були досить популярні на початку 80-х років, що було забезпечено наступним:

- завдяки сполученню низької вартості й досить високої продуктивності;

- працювали комп'ютери під керуванням першої у світі операційної системи з віконним графічним інтерфейсом, що надавав користувачеві можливість максимально комфортно взаємодіяти з ресурсами ЕОМ;

- розроблювачі передбачили можливість включення декількох машин Xerox Star у єдину мережу.

Саме інженер-дослідник фірми Xerox Роберт Меткалф уперше запропонував стандарт організації малих локальних мереж Ethernet, що широко використовується при проектуванні подібних систем дотепер. Проте, незважаючи на очевидні достоїнства персональних комп'ютерів від Xerox, вони були незабаром остаточно витиснуті з ринку виробами корпорації IBM, що вбрали в себе всі перспективні розробки й кращі технічні рішення попередників.

Більші виробничі потужності цієї компанії дозволили знизити ціни на персональні комп'ютери до можливого мінімуму, і конкурувати з IBM PC стало практично неможливо. Кількість локальних мереж росла в геометричній прогресії, що незабаром привело до необхідності розробки чітких стандартів архітектури розподілених обчислювальних систем.

До 1977 року мережа ARPANet, яка не була локальною, поєднувала вже десятки наукових і військових організацій, як у США, так і в Європі, а для зв'язку використовувалися вже не тільки телефонні, але також супутникові й радіоканали. Схема вузлів і каналів зв'язку мережі ARPANet в 1980 році представлена на рис. 1.3.

Тут же варто згадати 1 січня 1983 року. Ця дата була ознаменована прийняттям єдиних протоколів обміну даними – TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol). Видатне значення цих протоколів полягало в тім, що з їхньою допомогою різнорідні мережі одержали можливість робити обмін даними один з одним. Саме цей день фактично є вдень народження Інтернет, як мережі, що поєднує глобальні комп'ютерні мережі. Після цього з'явилося одне з найбільш ємних і точних визначень Інтернет – "мережа мереж".

В 1986 році національним фондом науки США (The National Science Foundation – NSF) була запущена в експлуатацію NSFNet, що зв'язала комп'ютерні центри по всім Сполученим Штатам з "суперкомп'ютерами". NSFNet споконвічно базувалася на TCP/IP, тобто була відкрита для включення нових мереж, але спочатку була доступна лише для зареєстрованих користувачів, в основному, університетів. Вся військова частина виділилася в MILNet, що відійшла винятково у ведення американських військових організацій. NSFNet була високошвидкісною комп'ютерною мережею, що базувалася на суперкомп'ютерах, з'єднаних оптоволоконними кабелями, радіо- і супутниковим зв'язком. Графічно ця мережа показана на рис. 1.4 і по суті в США це був єдиний цифровий простір.

Рисунок 1.3 – Схема вузлів і каналів зв'язку мережі ARPANet в 1980 році

До середини 1990 років Інтернет був доступний відносно вузькому академічному співтовариству, а його наповнення не відрізнялося багатством і розмаїтістю.

Рисунок 1.4 – Зображення мережі NSFNet у середині 90-х років

Обмін електронними листами, спілкування в групах новин по інтересах за допомогою текстових повідомлень, доступ до обмеженого числа серверів по telnet і одержання файлів по FTP (File Transfer Protocol – протокол передачі файлів) були долею ентузіастів.

Тут необхідно відзначити й ряд технічних рішень, які послужили широкому поширенню Інтернет, але й одночасно істотно вплинули на розвиток технологій локальних мереж.

До них ставляться наступні рішення:

- гіпертекст і протокол передачі гіпертексту (HyperText Transmission Protocol – HTTP) призначався для обміну інформацією серед фізиків;

- в 1993 році, після того як у Національному центрі суперкомп'ютерних додатків (National Center for Supercomputing Applications, NCSA) був створений перший графічний інтерфейс до World Wide Web – браузер Mosaic. Mosaic виявився настільки популярний, що один з розроблювачів програми Марко Андреессен (Mark Andreessen) заснував компанію Netscape, що зайнялася розробкою аналога Mosaic – браузера Netscape Navigator;

- мова розмітки гіпертексту (HyperText Markup Languag – HTML) призначений для створення й розміщення документів у всесвітній павутині.

Ухвалені рішення спростило інтерфейс доступу до інформації Всесвітньої павутини, але, головне, дозволило розміщати у віртуальної вселеної практично всі види даних. На зміну текстовим чорно-білим додаткам прийшло багатоколірне середовище, наповнена графікою, анімацією, аудио- і відеоданими. Таке середовище відразу ж залучило більше число користувачів, що у свою чергу стимулювали ще більше число організацій і приватних громадян розміщати в мережі свої дані. Вийшла своєрідна замкнута спіраль, кожний наступний виток якої значно перевищує попередній.

Таким чином, першими були створені регіональні мережі, принципи роботи яких були використані й розвинені в локальних мережах.