Исторический очерк развития сетевых технологий

БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ. ИСТОРИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации в России и во всем мире, о котором многие говорят как о беспроводной революции в области передачи информации, связано с такими их достоинствами, как:

- гибкость архитектуры, т.е. возможности динамического изменения то­пологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени

- высокая скорость передачи информации (1 1000 Мбит/с и выше): быстрота проектирования и развертывания;

- высокая степень защиты от несанкционированного доступа:

- отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного или медного кабеля.

Но прежде чем стать столь привычными, технологии беспроводной связи прошли более чем 150-летний путь развития. Чтобы более полно проникнутся величием того, что вскоре назовут связью 4G, кратко рассмотрим основные вехи строи­тельства этого грандиозного здания, имя которому глобальные беспроводные телекоммуникации.

Исторический очерк развития сетевых технологий

Беспроводные сети передачи информации, как следует из их названия, бази­руются на совокупности двух групп технологий беспроводной передачи ин­формации и сетевого взаимодействия. Исторически эти технологии зародились еще в позапрошлом веке. Родоначальником всех электронных сетей (систем) передачи данных, видимо, следует считать американского художника Самуэля Финли Бриза Морзе. В 1837 г. он разработал свою систему электросвязи по металлическому проводу и дал ей название «телеграф». Годом позже он дополнил ее знаменитой азбукой Морзе, т. е. механизмом кодирования источника, обязательным элементом всех современных сетей. 24 мая 1844 г. между Балтимо­ром и Вашингтоном состоялся первый публичный сеанс телеграфной связи. Уже через 14 лет был проложен первый трансатлантический кабель, правда, просу­ществовал он лишь 26 дней.

В 1874 г. французский инженер Жан Морис Эмаль Бодо (Baudot) изобрел телеграфный мультиплексор, позволявший по одному проводу передавать до шести телеграфных каналов. Значимость этого изобретения и авторитет Бодо были столь высоки, что когда в 1877 г. другой французский инженер Томас Муррэи разработал первый в истории символьный телеграфный КОД с фиксированным размером символа (5 бит на символ), он назвал его кодом Бодо. Известный также под названием телексный код он с незначительными изменениями применяется и сегодня (наиболее распространенная версия стандартизированный Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (ССIТТ) Международный алфавит .№ 2). В честь Бодо названа и единица измерения ско­рости передачи телекоммуникационных символов (бод).

Следующий шаг сделали изобретатели телефона профессор физиологии органов речи Бостонского университета Александр Грэйхем Белл при участии Томаса Ватсона (1875 г. приоритет от 14 февраля 1870 г.) и независимо от них — Элайша Грей в Чикаго. Последнему также принадлежит немалая роль в развитии сетевых технологий. Именно он в 1888 г. запатентовал Telautograph - первое устройство передачи факсимильных сообщений. Но это были лишь предпосылки сетей, а именно способы формирования канала связи и работы в нем. Сеть это совокупность многих каналов, которыми необходимо управлять (коммутиро­вать). В первых сетях, начиная с 1880 г. этим занимались телефонистки (вернее, телефонисты) методом установки штекеров в коммутационном июле.

С 1889 г. начался новый этап в развитии сетевых технологий владелец бюро похоронных услуг из Канзас-Сити Элмон Браун Строуджер разработал систему автоматической коммутации каналов. Именно ему принадлежит приоритет в создании шагового искателя и декадно-шаговых АТС. Предание гласит, что Строуджер столкнулся с промышленной диверсией, жена его конкурента по це­ху в Канзас-Сити работала телефонисткой, и все звонки гробовщику направляла своему мужу. Видимо, это был один из первых в мире случаев электронного шпи­онажа. Он так возмутил Строуджера. что заставил изыскать способ избавиться от телефонисток на станции. Изобретение Строуджера оказалось столь удачным, что в 1891 г. он основал компанию Strowger Automatic Exchange (с 1901 г. Automatic Electric, сегодня — отделение компании General Telephone and Electronics, GTE). Первая АТС этой компании емкостью 99 номеров была запушена в коммерческую эксплуатацию в 1892 г. (Лa-Порт, шт. Индиана). Примечатель­но, что на первых телефонных аппаратах для работы е- АТС номер набирался посредством кнопок. В 1897 г. компания Строуджера представила прототип первого аппарата с дисковым номеронабирателем.

В 1885 г. произошло еще одно ключевое для сетевых технологий событие. Первые АТС обеспечивали одновременное соединение всех возможных пар або­нентов. Очевидно, что при росте номерной емкости коммутационный матрицы становились невероятно дорогими и сложными. Впервые возникла проблема до­ступа к ограниченному коммутационному ресурсу. Ее разрешил российский инженер М.Ф. Фрейденберг. показавший, что для 10 тысяч, абонентов достаточно обеспечить возможность одновременного соединения любых 500 пар. Отметим, что результат Фрейденберга справедлив и сегодня, для современных АТС: на 10 тыс. номеров допустимая вероятность предоставления соединения составляет 0.125. В 1895 г. М. Ф. Фрейденберг совместно с другим русским инженером СМ. Бердичсвским-Апостоловым разработал и запатентовал в Великобритании АТС с предыскателем. выбиравшим свободный комплект линейных искателей при снятии абонентом трубки. Предыскатель и его принцип свободного поиска стал основой для проектирования всех будущих Л ГС. Примерно с 1910 г. (к окончанию срока действия патента Строуджера) началось массовое внедрение электромеханических АТС. Работу, начатую М.Ф. Фрейденбергом. До логи­ческого завершения довел датский математик А. К. Эрланг. опубликовавший в 1909 г. ставшую классической работу «Теория вероятностей и телефонные переговоры» («Тhе Theory of Probabilities and Telephone Conversations"), в которой предложил формулы для вычисления числа абонентов АТС. желающих одновре­менно вести разговоры.

Работы А. К. Эрланга положили начало нового научного направления теории очередей (теории массового обслуживания), широко используемой перво­начально для расчетов в телефонии, а затем при проектировании сетей передачи информации. Значительный вклад в развитие теории очередей внес выдающийся российский математик Александр Яковлевич Хинчин (Математическая теория стационарной очереди: Математический сборник. 1932. т. 39, №4. О формулах Эрланга в теории массового обслуживания. Теория вероятностей и ее приме­нения. 1962, т. 7, вып. 3.), выполнивший ряд оригинальных исследований для Московской телефонной сети.

В 1909 г. генерал-майор корпуса связи США доктор философии Джордж Оуэн Скваер изобрел способ посылки по телефонной линии нескольких радиограмм одновременно — родился метод частотного разделения каналов.

В 1928 г. американский физик-электрик и изобретатель Гарри Найквист в статье «Некоторые вопросы теории телеграфной передачи» («Certain Topics in Telegraph Transmission Theory») изложил принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые и сформулировал знаменитую теорему Найквиста. В СССР ее называли теоремой Котельникова. хотя Владимир Александрович опубликовал аналогичные результаты через пять лет после Найквиста. Но история все нивелирует основополагающая теорема Клода Элвуда Шеннона о пропускной способности канала (1948) была сформулирована Котельниковым в его докторской диссертации годом раньше, в 1947 г. Однако у нас ее называют теоремой Шеннона.

В 1938 г. американец А.Х. Риверс патентует метод преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую для коммутации и передачи, названный импулъсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Этот метод впервые был практически реализован учеными из Bell Laboratories Клодом Шенноном. Джоном Р. Пирсом и Бернардом М. Оливером в быстродействующей цифровой передающей системе, позволившей транслировать несколько телефонных разговоров по одному каналу с высоким качеством, - появилась система с временным разделением (уплотнением) каналов.

Начиная с 1950-х годов сетевые и беспроводные технологии начали сближать­ся настолько тесно, что зачастую грань между ними провести уже трудно.

Беспроводные технологии также зарождались в XIX веке. Идея носилась в воздухе, вплотную к ней подошли такие ученые, как Г. Герц. О. Лодж. Э. Бранли. В 1892 г. английский ученый Вильям Крукс теоретически показал возмож­ность и описал принципы радиосвязи. В 1893 г. сербский ученый Никола Тесла в США продемонстрировал передачу сигналов на расстояние. Тогда это событие не вызвало должного резонанса, возможно, потому, что Н. Тесла, работы которого существенно опережали время, интересовался беспроводной передачей на расстояние не информации, а энергии.

С 1878 г. над проблемой беспроводной связи работал преподаватель минных классов в Кронштадте Александр Степанович Попов. В 1884 г. он изобрел первую приемную антенну, создал прибор для регистрации грозовых разрядов на основе когерера — стеклянной трубки, заполненной металлическими опилками. Под воздействием электромагнитного поля проводимость этой трубки резко возрастала. 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Российского физико-химического общества состоялся его исторический доклад «Об отноше­нии металлических порошков к электрическим колебаниям». Тогда А. С. Попов продемонстрировал свой прибор для регистрации грозовых разрядов («грозоот­метчик») и высказал мысль о возможности его применения для беспроводной связи. Первая публичная демонстрация прототипа всех грядущих беспроводных систем состоялась 24 марта 1896 г. на заседании того же физико-химического общества. А. С. Попов передал на расстояние 250 м, возможно, первую в мире радиограмму, состоявшую из двух слов «Генрих Герц».

С 1894 г. успешно экспериментировал с физическими приборами для генера­ции и регистрации электромагнитных колебаний и двадцатилетний итальянский юноша Гульельмо Маркони, будущий нобелевский лауреат. В 1895 г. он устано­вил связь на расстоянии порядка двух миль, а уже в 1890 г. запатентовал свое изобретение (в 1943 г. его патенты были аннулированы в пользу Н. Тесла), в 1901-м установил радиосвязь через Атлантику.

В 1906 г. Ли де Форест создал первую электронную лампу (триод) — появи­лась возможность строить электронные усилители сигналов. С тех пор беспро­водная связь развивалась и продолжает по сей день семимильными шагами, главным образом благодаря достижениям электроники. Отметим лишь основные вехи.

С 1920-х годов началось коммерческое радиовещание (посредством ампли­тудной модуляции). В 1933 г. Эдвин Ховард Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ). с 1936 г. началось коммерческое ЧМ-радиовешание. В 19-16 г. компании AT&T и Bell System приступили к эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS) для абонентов с автомобильными радиотелефонами (20 Вт). Для полудуплексной связи использовалось шесть каналов шириной по 60 кГц на частоте 150 МГц, однако из-за межканальной интерференции число каналов вскоре сократили до трех. Система позволяла соединяться с городской телефонной сетью.

12 августа 1960 г. был выведен на орбиту высотой 1500 км первый спутник связи американский космический аппарат (КА) «Эхо-1» (Echo-1). Это был надувной шар с металлизированной оболочкой диаметром 30 м, выполнявший функции пассивного ретранслятора. Через два года, 10 июля и 13 декабря 1962 г., в США на низкие орбиты были запушены соответственно КА Telstar I и Relay-1 — первые спутники с активными ретрансляторами. Мощность их передатчиков не превышала 2 Вт. 19 августа 1964 г. впервые спутник свя­зи был выведен на геостационарную орбиту. Это был также американский Syncom-З (первые две попытки вывода в 1903 г. были неудачными). На следу­ющий день был создан международный консорциум спутниковой связи Intelsat (International Telecomniunications Satellite Organization), который стал крупней­шей международной организацией в области спутниковой связи. Сегодня ее услугами пользуются более чем в 200 странах, причем в начале 2001 г. 2/3 всего международного трафика передавалось через спутники Intelsat. 23 апреля 1965 г. был выведен на орбиту и начал успешно работать первый отечественный спутник связи «Молния-1 (также с третьей попытки). Мир вступил в эру спутниковой связи.

В истории сетевых технологий очередной этап начался в 1960-е годы и связан с массовым появлением компьютеров. Возникла потребность в передаче большого объема данных, зародилось понятие локальной вычислительной сети (ЛВС). Был разработан механизм коммутации сообщений (пакетов). В 1960-е годы над построением сети с коммутацией пакетов работали (параллельно, практически ничего не зная друг о друге) специалисты в трех организациях: в Массачусетсом технологическом институте (МIT), корпорации RAND (тогда по сути центр стратегических исследований ВВС США, создавалась как подразделение компании Douglas Aircraft, с 1948 г. - независимая компания) и Национальной британской физической лаборатории (NPL). Пионерской работой в этой области явилась диссертации. Леонарда Клейнрока на соискание степени доктора философии в МIТ «Информационный поток в больших коммуникационных сетях» («Infonnation Flow in Large Communication Nets». 1961). В 1964 г. была опубликована работа сотрудника корпорации RAND Пола Барана «О распределенных коммуникациях» («Оn Distributed Communications»). В ней были сформулированы принципы избыточной коммуникативности и показаны различные моден; формирования коммуникационной системы, способной успешно функционировать при наличии значительных повреждений. В 1965 г. Лоуренс Роберте из MIT совместно с Томасом Меррилом связал компьютер ТХ-2 в Массачусетсе с ЭВМ Q-32 в Калифорнии по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии. Так была создана первая нелокальная компьютерная сеть. Она убедительно продемонстрировала, что сеть с коммутацией соединений (каналов) неприемлема для таких задач.

В 1962 г. в журнале Коммунист» (№12) появилась статья академика АН СССР Александра Александровича Харкевича «Информация и техника». В ней впервые в мире были сформулированы основные принципы создания «миной сети связи (ЕСС). предугадана важность цифровых методов передачи и коммутации различных видов информации в цифровой форме. ЕСС, по мнению А.А. Харкевича, должна представлять собой крупнейший инженерный комплекс, объеди­няющий все существующие сети связи и развивающийся путем планомерного его наращивания в органическом взаимодействии с системой вычислительных, управляющих и справочных центров.

Знаковыми для сетевых технологий стали 1967 1968 гг. В NPL заработала первая ЛВС с пакетной коммутацией, во многом благодаря ее директору До­нальду Дэвису. Сеть работала с пиковой скоростью до 768 кбит/с (в начале 1970-х гг. она объединяла порядка 200 компьютеров со скоростью обмена до 250 кбит/с). В том же 1968-м г. сотрудник шведского отделения компании IBM Олаф Содерблюм разработал сеть Token Ring. МО США одобрило версию пер­вого в мире стандарта на ЛВС MIL-STD-1553 (протокол обмена данными по общему последовательному каналу посредством манчестерского линейного кода с- выделенным контроллером (отечественный аналог ГОСТ 26765.52 87). Этот стандарт после ряда модификаций до сих пор применяется в бортовых системах.

Но самое главное — в октябре 1967 г. был представлен начальный план сети ARPANET, развитием которой занимался департамент, методов обработки информации IPTO (Information Processing Techniques Office) агентства перспек­тивных исследовательских проектов ARPA (Advanced Research Projects Agency МО США. В декабре 19G8 г. группа во главе с Фрэнком Хартом из компании Bolt, Beranek и Newman (BBN) выиграла конкурс ARPA на создание так на­зываемого интерфейсного процессора сообщений (Interface Message Processor). В 1969 г. в рамках программы ЛИРАМ. В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе «отец» пакетной коммутации Леонард Клеинрок построил пер­вый узел ARPANET прообраз грядущего Интернета. В том же году компания ВВХ установила в Калифорнийском университете первый интерфейсный про­цессор сообщений и подключила к нему первый компьютер. Второй узел был образован в Стзнфордском исследовательском институте (SRI). Двумя следующими узлами ARPANET «тали Калифорнийский университет в Санта-Барбара и Университет штата Юта. Эмбрион Интернета начал делиться.

В 1970 г. появилась первая пакетная радиосеть передачи данных (через спутник) знаменитая ALOHA (aloha приветствие в гавайском диалекте английского языка). Ее разработал и построил Норман Абрамсон (совместно с Франком Куо и Ричародом Биндером) из Гавайского университета. Сеть связывала различные университетские учреждения, разбросанные по отдель­ным островам Гавайского архипелага. В 1972 г. ALOHA соединили с сетью ARPANET. В ALOHA был реализован принцип подтверждения и повторной посылки пакетов (ARQ), а также механизм множественного доступа к каналу с контролем несущей CSMA. Тогда же начали развиваться проекты создания пакетных радиосетей, в том числе спутниковых.

В октябре 1972 г. известный специалист из компании BBN Роберт Кан на международной конференции. по компьютерным коммуникациям впервые пу­блично продемонстрировал работу сети ARPANET- В 1974 г. появляется статья Вирта Серфа (сотрудника Стэндфордского исследовательского института) и Ро­берта Кана (CerfV.G., Kalin R.E. A protocol for packet network interconnection // IEEE Trans. Comm. Tech. Vol. COM-22. V. 5. May 1974. P. 627 641), в которой впервые была описана концепция протокола TCP/IP. В том же году компания BBN запустила первую открытую службу пакетной передачи данных (коммер­ческая версия ARPANET) известный сегодня любому специалисту Telnet.

В 1973 г. сотрудник исследовательского центра компании Xerox в Пал-Альто Роберт Метклаф, до прихода в Xerox защитивший в MIT докторскую дис­сертацию в области теории пакетной передачи информации и участвовавший в Создании сети ARPANET, представил своему руководству докладную запис­ку, в КОТОРОЙ впервые появилось слово Ethernet (эфирная сеть). В том же году Метклаф совместно с Дэвидом Боггсом построил первую Ethernet-ЛВС. свя­зывавшую два компьютера со скоростью 2.944 Мбит/с. В основу технологии Ethernet был положен усовершенствованный принцип CSMA/CD с обнаружени­ем коллизий. Через шесть лет, в 1979 г. при активном участии Р. Метклафа три ведущие в своих областях компании США - Xerox. Intel и Digital Equip­ment (DEC) начали процесс стандартизации протокола Ethernet, успешно завершившийся через год. В том же 1979 г. Метклаф при участии DEC основал знаменитую компанию 3COM для выпуска Ethernet-совместимого оборудования.

В 1976 г. ССIТТ выпустила рекомендацию Х.25, которая стала первым и чрезвычайно успешным стандартом сети с пакетной передачей данных по выделенному каналу (Interface between DTE and DC'E for Terminal Operations in Packet Mode and Connected to Public Data Networks by Dedicated Circuit). Массовая пакетная коммуникация стала реальностью.

В 1977 г. будущий вице-президент компании Sony Марио Токорои и другой японский ученый Киичироу Тамару предложили метод адаптации технологии Ethernet к передаче данных через радиоканал посредством механизма подтвер­ждений (Acknowledging Ethernet). Эта работа заложила основу будущих беспро­водных ЛВС (IEEE 802.11 и IEEE 802.15).

В 1978 г. в Бахрейне телефонная компания Batelco (Bahrain Telephone Com­pany) начата эксплуатацию коммерческой системы беспроводной телефонной связи, которая считается первой в мире реальной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазон 400 МГц обслуживали 250 абонентов. Исполь­зовалось оборудование японской компании Matsushita Electric Industrial. В том же году в Чикаго компания AT&T начала испытания сотовой системы Advanced Mobile Phone Service (AMPS), работающей в диапазоне 800 МГц. Сеть из 10 зон охватывала связью 54 тыс. км².

В 1977 г. Деннис Ханес основал компанию Hayes Microcomputer Products и выпустил на рынок первый массовый модем Micromodein II для персональных компьютеров (Apple II). Он работал со скоростью 110/300 бит/с и стоил 280 долл. В 1979 г. в Женеве CCITT утверждает первую модемную рекомендации) V.21. определяющую стандартный протокол модуляции на скорости 300 бит/с.

Новый этап начался в 1980 г., когда стек протоколов TCP/IP был принят в качестве военного стандарта США. Годом раньше пакетная радиосеть заработала на военной базе США Форт-Брэгг. В 1983 г. сеть ARPANET была переведена на протокол TCP/IP взамен действовавшего изначально NCR. Из ARPANET, которую вскоре все стали называть Интернетом, выделилась сеть MILNKT, об­служивающая оперативные нужды МО США.

События периода 1960-х годов в области сетевых технологий описаны во множестве книг, воспроизводить которые здесь невозможно, да и не нужно. За каждой датой, за каждым событием стоят напряженная работа и выдающиеся достижения специалистов всего мира. В это время сетевые технологии непре­рывно развивались в сторону повышения быстродействия и надежности сетей передачи информации, возможности интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации. Так. в области локальных сетей было создано семейство технологии Ethernet-Fast Ethernet-Gigabit Ethernet, обеспечивающих иерархию скоростей 10/100/1000 Мбит/с. В глобальных сетях произошел переход от техно­логии Х.25 к технологии Frame Relay, использованию стека протоколов TCP/IP. ATM и Gigabit Ethernet.

Важно отметить, что и в СССР работало немало выдающихся ученых и спе­циалистов в области систем связи, в том числе и беспроводной. Уже в 1970 1980-х годах проектировались и строились современные сети связи, например, систе­ма цифровой телефонной связи «Кавказ-5», многочисленные ведомственные сети связи. Хорошо известны системы «Сирена» (первая в СССР гражданская сен, пакетной коммутации) и «Экспресс» для автоматизации бронирования и продажи авиа- и железнодорожных билетов соответственно. Но, видимо, закрытость как самих работ, так и общества никак не согласовывалась с концепцией откры­тых сетей. Возможно, именно поэтому изначально созданная на деньги МО США открытая сеть Интернет, завоевала весь мир, породила множество сетевых технологий, стимулировала развитие смежных отраслей, прежде всего разработку соответствующей аппаратуры и элементной базы для нее, т.е. микроэлектронику.

Видимо, именно Интернету мы исторически обязаны тем, что сегодня бес­проводные сети получали столь бурное развитие. Их появление было бы невоз­можно без соответствующей полупроводниковой элементной базы. А она, в свою очередь, не может появиться, если нет массового (многомиллионного) спроса. Историческая заслуга и гениальное провидение тех, кто в 1960-е годы начинал работы по сетям пакетной передачи, в том, что они изначально сумели сфор­мулировать принципы будущей глобальной сети и воплотили их. Тем самым был создан рынок устройств для работы в сети, ставший основой для промыш­ленности и науки в этой области. Не случайно первым директором (с 1962 г.) департамента IРТО в ARРА. т.е. человеком, руководившим финансированием научных исследований в области компьютерных сетей, был психолог из Масса-чусетСКОГО технологического института Джозеф Карл Ликлайдер. Еще в начале 1960-х годов он сумел предвидеть появление глобальной сети взаимосвязанных компьютеров. Ему принадлежит ряд публикаций о концепции «Галактической сети» (Licklider J.C.R. // On-Line Man Computer Communication. August 1962).

Разумеется, не менее основополагающим для беспроводных сетей стало мас­совое появление персональных компьютеров и развитие сотовой телефонии, а также стремительное развитие полупроводниковых технологий (создание деше­вых сигнальных процессоров и микроконтроллеров, аналоговых СВЧ интеграль­ных схем).

С 1989 года началось развитие стандартов IEEE 802.11 беспроводных ло­кальных сетей. Постепенно они получили широчайшее развитие и стали исполь­зоваться на «последней миле» и для создания сетей беспроводного доступа регио­нального масштаба. Отдельно развивалась линия WLL (беспроводной абонент­ский доступ) технология, разработанная компанией AT&T. WLL использовала пакетную передачу голоса и данных со скоростью 128 кбит/с, являясь узкополосной беспроводной системой с временным распределением. Ряд подобных систем был коммерчески доступен в 1990-е годы. Желание совместить широкополосность стандарта IEEE S02.11 и надежность систем операторского класса в лицензионных диапазонах привело к созданию стандарта IEEE 802.16. Изна­чально он задумывался как технология фиксированного доступа — транспортная сеть распространения информации регионального масштаба. Однако со временем, во многом благодаря усилию международной организации WiMAX-форум, этот стандарт превратился в технологию мобильного широкополосного доступа, т.е. стал ориентированным на конечных пользователей. Таким образом, у технологий сотовой связи появился мощный конкурент. Те не замедлили с адекватным ответом. В результате сегодня мы говорим о зарождении технологий связи че­твертого поколения (4G).