Компьютерные сети. 6-е изд.

Мы начнем с интернета, вероятно, самой известной «сети», и расскажем о его истории, эволюции и используемых технологиях. Далее перейдем к мобильным сетям: в техническом отношении они довольно сильно отличаются от интернета. Затем мы познакомим вас с IEEE 802.11, главным стандартом беспроводных LAN.

1.4.1. Интернет

Интернет представляет собой обширное собрание сетей, использующих некоторые общие протоколы и предоставляющих определенные общие сервисы. Необычность этой системы в том, что она не была задумана и не контролируется какой-либо одной организацией. Чтобы лучше разобраться в устройстве интернета, начнем с истоков и выясним, как он был создан и почему. История создания интернета замечательно описана в книге Джона Нотона (John Naughton, 2000). Это одна из редких книг, которые не только интересны простому читателю, но и содержат при этом 20 страниц ссылок на серьезные исследования. Некоторые материалы в данном разделе основаны на этой книге. Более актуальная история интернета представлена в книге Брайана Маккалоу (Brian McCullough, 2018).

Конечно, интернету, его истории и протоколам также посвящен гигантский массив технической литературы. Больше информации можно найти, например, в работе Северанса (Severance, 2015).

ARPANET

История интернета начинается в конце 1950-х. В самый разгар холодной войны Министерству обороны США понадобилась система командования и управления, способная пережить ядерную войну. В это время все военные коммуникации осуществлялись через общественную телефонную сеть, которая считалась уязвимой. Причины этого ясны из илл. 1.12 (а). На нем черные точки соответствуют коммутационным станциям, к каждой из которых подключены тысячи телефонов. Эти коммутационные станции, в свою очередь, подключены к коммутационным станциям более высокого уровня (центральным АТС). В результате сформировалась общенациональная иерархия с очень незначительной избыточностью. Уязвимость этой системы состояла в том, что уничтожение всего нескольких ключевых центральных АТС раздробило бы ее на множество изолированных участков, так что генералы из Пентагона не смогли бы дозвониться до базы в Лос-Анджелесе.

Илл. 1.12. (а) Структура телефонной системы; (б) Предложение Бэрана

В начале 1960-х Минобороны заключило с корпорацией RAND контракт на поиск решения этой проблемы. Один из сотрудников компании, Пол Бэран (Paul Baran), разработал сильно распределенную и отказоустойчивую архитектуру, изображенную на илл. 1.12 (б). Длина пути между любыми двумя коммутационными станциями теперь значительно превышала расстояние, которое аналоговые сигналы могут проходить без искажений. Поэтому Бэран предложил использовать цифровую технологию коммутации пакетов. Бэран написал несколько отчетов для Минобороны, в которых подробно описал свои идеи (Baran, 1964). Представители Пентагона оценили его концепцию и предложили компании AT&T (на тот момент монополиста в сфере телефонных услуг в США) создать опытный образец системы. AT&T сразу же отмели идеи Бэрана. Крупнейшая и богатейшая корпорация в мире не собиралась позволять какому-то выскочке из Калифорнии6 (AT&T тогда базировались на Восточном побережье США) указывать ей, как выстраивать телефонную систему. В компании заявили, что сеть Бэрана в принципе нереализуема, и идея была загублена на корню.

Прошло несколько лет, а у Минобороны все еще не было улучшенной системы командования и управления. Чтобы понять, что произошло далее, придется вернуться в октябрь 1957-го, когда СССР победил США в космической гонке, запустив первый искусственный спутник Земли. Когда президент США Дуайт Эйзенхауэр попытался выяснить, чей это был недосмотр, он был шокирован тем, как армия, ВМС и ВВС пререкались из-за бюджета Пентагона на исследования. Эйзенхауэр немедленно создал единую организацию для исследований в оборонной сфере, ARPA (Advanced Research Projects Agency — Управление перспективных исследовательских проектов). У ARPA не было своих ученых или лабораторий; фактически оно представляло собой один офис с маленьким (по меркам Пентагона) финансированием. Его работа состояла в распределении грантов и контрактов университетам и компаниям, предлагавшим многообещающие идеи.

В первые несколько лет ARPA занималось поиском своей миссии. В 1967 году Ларри Робертс (Larry Roberts), руководитель проектов в ARPA, пытавшийся найти способ предоставления удаленного доступа к компьютерам, обратил свое внимание на сетевые технологии. Он связался с несколькими экспертами в этой области, чтобы определить порядок действий. Один из них, Уэсли Кларк (Wesley Clark), предложил построить подсеть с коммутацией пакетов, в которой каждый хост был бы связан со своим маршрутизатором.

Поначалу Робертс был настроен скептически, но в конце концов принял эту идею. Он представил несколько туманный доклад на симпозиуме по операционным системам ACM SIGOPS, проводившемся в Гатлинбурге, штат Теннесси, в конце 1967 года (Roberts, 1967). К большому удивлению Робертса, на конференции был представлен еще один доклад, описывающий аналогичную систему. Эта система была не только спроектирована, но и полностью реализована под руководством Дональда Дэвиса (Donald Davies) из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании. Созданная в NPL система не охватывала всю страну, а всего лишь соединяла несколько компьютеров на территории NPL. Тем не менее это убедило Робертса в принципиальной реализуемости идеи коммутации пакетов. Кроме того, в упомянутом докладе цитировалась более ранняя забракованная работа Бэрана. Робертс уехал из Гатлинбурга с твердым намерением создать то, что позднее получило название ARPANET.

Согласно разработанному им плану, подсеть состояла из мини-компьютеров IMP (Interface Message Processors — обработчики сообщений интерфейсов), соединенных самыми современными на тот момент 56-килобитными линиями передачи. Для повышения надежности каждый IMP соединялся по крайней мере с двумя другими IMP. Все отправляемые через подсеть пакеты содержали полный адрес получателя, так что в случае уничтожения части линий связи и IMP следующие пакеты автоматически перенаправлялись бы по альтернативным путям.

Каждый узел сети представлял собой находящиеся в одном помещении IMP и хост, соединенные коротким кабелем. Хост мог отправлять своему IMP сообщения размером до 8063 бит. Затем IMP разбивал информацию на пакеты максимум по 1008 бит и по отдельности направлял их в пункт назначения. Перед дальнейшей отправкой каждый пакет нужно было получить полностью. Таким образом, эта подсеть стала первой электронной сетью с промежуточным хранением данных и коммутацией пакетов.

Далее ARPA объявило тендер на создание подсети и получило заявки от 12 компаний. После оценки всех предложений победила консалтинговая компания BBN (Кембридж, штат Массачусетс). В декабре 1968 года ARPA заключило с BBN контракт на разработку подсети и написание для нее программного обеспечения. В качестве IMP были выбраны специально модифицированные мини-компьютеры Honeywell DDP-316 с 12K 16-битных слов памяти на магнитных сердечниках. У этих IMP не было дисков, поскольку наличие движущихся частей сочли понижающим надежность. IMP соединялись между собой 56-килобитными линиями связи, арендованными у телефонных компаний. Сегодня скорость в 56 Кбит/с используется разве что в сельской местности, но тогда это было лучшее из возможного.

Программное обеспечение было разбито на две части: ПО подсети и ПО хоста. ПО подсети состояло из конечного IMP в соединении между хостом и IMP, протокола IMP — IMP и протокола для взаимодействия, передающего и принимающего IMP, созданного для повышения надежности. Первоначальная архитектура ARPANET приведена на илл. 1.13.

Вне подсети также требовалось программное обеспечение, а именно конечный хост в части соединения хоста с IMP, протокол хост — хост, а также прикладное ПО. Вскоре стало понятно, что BBN полагали, что их работа была выполнена, как только сообщение на линии хост — IMP было получено и передано в пункт назначения.

Однако для хостов также требовалось программное обеспечение. Для решения этой проблемы Робертс организовал встречу исследователей сетей (в основном аспирантов) в Сноуберде, штат Юта, летом 1969-го. Участники собрания ожидали, что какой-нибудь эксперт представит грандиозный проект по созданию сети, опишет нужное программное обеспечение, после чего распределит между ними работу. Они с удивлением обнаружили, что никакого эксперта, как и проекта, нет. Им нужно было самим разобраться, что делать.

Илл. 1.13. Первоначальная архитектура ARPANET

Тем не менее в декабре 1969-го удалось запустить экспериментальную сеть, состоящую из четырех узлов: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA), Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB), Стэнфордский исследовательский институт (SRI) и Университет Юты. Эти четыре узла были выбраны, поскольку все они имели значительное количество контрактов с ARPA. Кроме того, их хост-компьютеры были совершенно несовместимы (что делало задачу более интересной). Первое сообщение между хостами было отправлено двумя месяцами ранее из узла UCLA в узел SRI группой под руководством Лена Клейнрока (Len Kleinrock), одного из первопроходцев теории коммутации пакетов. Сеть быстро росла по мере доставки и установки дополнительных IMP, и вскоре она полностью охватила Соединенные Штаты. На илл. 1.14 представлен стремительный рост ARPANET за первые три года.

ARPA не только помогала расти только что созданному ARPANET, но и спонсировала исследования в области спутниковых сетей и мобильных сетей пакетной радиосвязи. В знаменитом ныне эксперименте ехавший по Калифорнии грузовик с помощью пакетной радиосети передавал сообщения в SRI, которые отправлялись далее через ARPANET на Западное побережье, а затем в Университетский колледж Лондона по спутниковой сети. Таким образом находящийся в грузовике исследователь мог использовать лондонский компьютер во время поездки по Калифорнии.

Этот эксперимент также продемонстрировал, что существующие протоколы ARPANET не подходили для работы с различными сетями. Это наблюдение привело к дальнейшим исследованиям в сфере протоколов, завершившихся изобретением TCP/IP (Серф и Кан; Cerf & Kahn, 1974). Протокол TCP/IP был специально разработан для связи через интерсети, и его значение росло по мере подключения к ARPANET все новых сетей.

В качестве стимула для внедрения новых протоколов ARPA заключила несколько контрактов по реализации TCP/IP на различных компьютерных

Илл. 1.14. Разрастание ARPANET. (а) Декабрь 1969. (б) Июль 1970. (в) Март 1971. (г) Апрель 1972. (д) Сентябрь 1972

платформах, включая системы IBM, DEC и HP, а также Berkeley Unix. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли переписали TCP/IP на основе нового интерфейса программирования — сокетов (sockets) — для предстоящей версии 4.2BSD системы Berkeley Unix. Они также разработали множество приложений, утилит и программ управления, чтобы продемонстрировать, насколько удобно использовать сеть с сокетами.

Момент был выбран идеально. Во многих университетах как раз появился второй или третий компьютер VAX и соединяющая их LAN, но отсутствовало необходимое сетевое программное обеспечение. Как только появилась 4.2BSD — с TCP/IP, сокетами и множеством сетевых утилит, — ее немедленно приняли на вооружение в полном комплекте. Более того, благодаря TCP/IP значительно упрощалось соединение LAN с ARPANET, чем многие университеты и воспользовались. В результате объемы использования TCP/IP в середине 1970-х стремительно выросли.