Первая в мире компьютерная сеть – ARPANET. Протоколы

Урок информатики по теме «Локальные компьютерные сети»

Цели урока: дать представление о назначении и структуре локальных и глобальных сетей.

Компьютерная сеть – это объединение нескольких ЭВМ для совместного решения информационных, вычислительных, учебных и других задач.

Сети начали появляться в 1964 году и назывались терминальные сети. С одной ЭВМ работали несколько пользователей одновременно. К одной большой ЭВМ подключалось несколько других.

Основной целью компьютерной сети было: – максимальное увеличение вычислительной мощности,

– максимизация машинного времени.

1. В классе школы.
2. В кассах продаж билетов дальнего следования.
3. Базы и банк данных.

Первая в мире компьютерная сеть – ARPANET. Протоколы.

Именно концентрация вычислительных сетей была положена в основу проекта ARPANET. Агентство ARPA подчинялось министерству обороны США и координировало основную массу исследований в сфере информатики. В его ведении, в частности, находились и работы по обеспечению безопасности связи и коммуникации в случае начала ядерной войны. Эти работы должны были завершиться созданием такой системы передачи данных, которая бы обладала максимальной устойчивостью к повреждениям и оставалась работоспособной даже при полном выведении из строя большинства ее компонентов.

Несмотря на огромные средства, выделенные правительством США на создание первой вычислительной сети, она заработала только через 12 лет, в 1969 году.

Роберт Тейлор руководил бюро технологий обработки информации в агентстве ARPA. В 1967 году для создания сети передачи данных было решено использовать разбросанные по всей стране компьютеры ARPA, соединив их обычными телефонными проводами. Работы по созданию первой национальной компьютерной сети, получившей название ARPANET, велись быстрыми темпами.

Почти все американские университеты и научные институты, которые могли установить у себя компьютеры, стоящие десятки тысяч долларов, выполняли задачи ARPA, поскольку агентство брало на себя все расходы. Тейлор получал данные от компьютеров в разных штатах. Но каждый компьютер имел свой язык и систему ввода информации. Получив данные от одного компьютера, сложно было передать их на другой. Именно Тейлору пришла в голову идея связать компьютеры друг с другом, используя одинаковые терминалы и единое программное обеспечение. Нужно было также решить проблемы с телефонной связью. При прохождении сигнала через несколько коммутационных узлов качество связи ухудшается. Сотрудник корпорации RAND, принимавший участие в проекте, Пол Бэрэн, решил заменить аналоговый сигнал цифровым, т.е. набором из единиц и нулей. В таком виде информацию можно было бы передавать без потери качества.

Еще одна идея корпорации RAND: сеть не должна быть централизованной, а состоять из отдельных сегментов, что обеспечит надежный обмен данными между компьютерами в случае разрушения части сети во время ядерной войны. Кроме того, любое сообщение должно разделяться на фрагменты (пакеты) и передаваться в таком виде по разным ветвям сети, собираясь в единое целое у абонента-получателя. Для этого каждый пакет снабжается адресом, и в случае, если он не дошел до получателя или был искажен в процессе передачи, то передача осуществляется повторно. Блок информации многократно обрамляется различной вспомогательной информацией, которая позволяет благополучно доставить его адресату, которому нужно распаковать пакет. Этапы упаковки и выполняемые при этом операции получили название протоколов. Можно сказать также, что протокол – это набор правил, определяющий принципы обмена данными между различными компьютерными программами.

26 июля 1968 года рассылаются предложения 140 фирмам принять участие в конкурсе на лучший план создания компьютерной сети. Но согласилась только BBN –

ТФУПД Занятие №1.История развития компьютерных сетей

компания, работающая в сфере акустики. BBN получила контракт на реализацию проекта в этом же году.

Когда все идеи и усилия всех энтузиастов были связаны в единое целое, в октябре 1969 года состоялся первый сеанс передачи информации с компьютера на компьютер. Одним из компьютеров был Honeywell DDP-516 в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Он стоил 80 тыс. долларов, а весил почти полтонны. Объем его памяти был 12 Кбайт, примерно как у современного калькулятора. Из его корпуса выходило несколько кабелей, один из которых тянулся на 520 км. в Стенфордский Исследовательский Институт.

Первое слово, которым обменялись сидевшие за компьютерами участники сеанса связи, было Login. И по сей день мы начинаем вход в сеть, вводя логин и пароль.

Компания BBN завершила проект к концу 1969 года объединением в одну компьютерную сеть четырех исследовательских центров: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Стенфордский Исследовательский Институт, Калифорнийский университет Санта-Барбары и Университет Юты.

Если к декабрю 1969 года ARPANET насчитывала 4 узла, в июле 1970 – 8, в сентябре 1971 – 15, то в 1972 – уже 37 узлов. Примерно в это же время, в 1971 году, программистом Рэем Томлинсоном была разработана система электронной почты, в частности, в адресации впервые использовался символ @ («коммерческое эт»). В 1974 году была открыта первая коммерческая служба ARPANET – Telnet, обеспечивающая доступ к удаленным компьютерам в режиме терминала. В настоящее время Telnet практически полностью вытеснен более удобными видами сервисов.

В 1974 году рабочая группа по сети Internet, созданная ARPA и руководимая Винтоном Серфом из Стенфордского исследовательского Института, разработала универсальный протокол передачи данных и объединения сетей (TCP/IP) – по сей день использующийся в сети Internet. Роберт Кан, приглашенный на работу в ARPA, представил общую архитектуру сети ARPANET, удовлетворяющую требованиям универсальности, независимости от внутреннего устройства объединяемых сетей и типов аппаратного и программного обеспечения.

В 1975 году период опытной эксплуатации сети был завершен, и сеть была передана Подразделению по обмену данными Министерства обороны США.

В 1983 году ARPA обязала использовать на всех компьютерах ARPANET протокол TCP/IP. Кроме этого, Министерство обороны США разделило сеть на две части: отдельно для военных целей – MILNET, и научных исследований – ARPANET.

Начало глобальной сети Интернет в США датируется 1986 годом, когда Национальный научный фонд (NSF) совместно с Национальным управлением по аэронавтике и космосу (NASA) создали научную компьютерную сеть на базе TCP/IP и объединили ее с ARPANET. Через три года организационно оформилось администрирование и координация развития сети Интернет в Европе.

Кто автор идеи связать несколько компьютеров в одну сеть

История развития локальных сетей

Сегодня уже трудно представить себе, как люди жили когда-то без столь удобного и полезного инструмента, как локальные сети. Однако знало человечество и такие времена. Впервые идея связать несколько независимо работающих компьютеров в единую распределенную вычислительную систему посетила светлые головы инженеров еще в середине 60-х годов XX века. А если говорить более конкретно, то первый успешный эксперимент по передаче дискретных пакетов данных между двумя компьютерами провел в 1965 году молодой исследователь из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института Лари Роберте. Алгоритмы передачи данных, предложенные Робертсом, во многом послужили основой для построенной в 1969 году по инициативе американского «Агентства перспективных научных исследований» (Advanced Research Projects Agency, ARPA) глобальной вычислительной сети ARPANet, а она впоследствии, объединившись с несколькими другими существовавшими на тот момент сетями, стала фундаментом, на котором вырос современный Интернет. Однако и широко использовавшиеся в те времена многотерминальные системы, в которых пользователям предоставлялся доступ к одному головному многофункциональному компьютеру посредством нескольких конечных устройств удаленного подключения — терминалов — по принципу разделения процессорного времени, и глобальные сети, объединявшие между собой мейнфреймы крупных вычислительных центров и лабораторий, являлись лишь предтечей локальных сетей в их нынешнем понимании. Существенный толчок в направлении развития малых локальных сетей дало бурное развитие во второй половине 70-х годов настольных персональных компьютеров. И в авангарде этого процесса стояла фирма Xerox.
Персональные компьютеры Xerox Star были весьма и весьма популярны в начале 80-х годов, во-первых, благодаря сочетанию низкой стоимости и достаточно высокой производительности, во-вторых, потому, что работали они под управлением первой в мире операционной системы с оконным графическим интерфейсом, предоставлявшей пользователю возможность максимально комфортно взаимодействовать с ресурсами ЭВМ, и, наконец, по той простой причине, что разработчики предусмотрели возможность включения нескольких машин Xerox Star в единую сеть. Именно инженер-исследователь фирмы Xerox Роберт Меткалф впервые предложил стандарт организации малых локальных сетей Ethernet, который широко используется при проектировании подобных систем до сих пор. Тем не менее, несмотря на очевидные достоинства персональных компьютеров от Xerox, они были вскоре окончательно вытеснены с рынка изделиями корпорации IBM, впитавшими в себя все перспективные разработки и лучшие технические решения предшественников. Большие производственные мощности этой компании позволили снизить цены на персональные компьютеры до возможного минимума, и конкурировать с IBM PC стало практически невозможно. Количество локальных сетей росло в геометрической прогрессии, что вскоре привело к необходимости разработки четких стандартов архитектуры распределенных вычислительных систем. Действительно, одна из основных задач локальных сетей заключается не только в передаче данных и организации общего доступа к тем или иным периферийным устройствам, но также и в обеспечении совместной работы оборудования различных производителей. Это, естественно, означает необходимость унификации и стандартизации подходов к построению локальных сетей. Именно в 80-х годах окончательно сформировались основные стандарты распределенных вычислительных систем, такие как Ethernet, Token Ring, ArcNet, FDDI и некоторые другие. Все эти стандарты, а также многие смежные вопросы, связанные с теоретическими и практическими аспектами построения локальных сетей, мы подробно рассмотрим на страницах этой книги.
80-е годы можно назвать эпохой расцвета локальных сетей, поскольку как крупные, так и малые предприятия быстро оценили выгоды от использования этой перспективной технологии. Действительно, локальные сети позволяли осуществлять быстрый обмен данными между различными подразделениями и отделами фирмы, заметно уменьшив объем циркулирующей внутри предприятия бумажной документации. Это позволяло, во-первых, экономить на накладных расходах, а во-вторых, существенно повышало производительность труда. В сочетании с уже существовавшей тогда возможностью передавать данные на значительные расстояния по информационным каналам глобальной сети использование подобных технологий открывало широчайшие возможности не только для оптимизации бизнеса и расширения информационного пространства, но и для осуществления межкорпоративного взаимодействия.
С течением времени стандарты, позволявшие объединять компьютеры в локальные сети, постепенно оптимизировались, увеличивалась пропускная способность каналов связи, эволюционировало программное обеспечение, росла скорость передачи данных. Вскоре локальные сети стали использоваться не только для пересылки между несколькими компьютерами текста и различных документов, но также для передачи мультимедийной информации, такой как звук и изображение. Это открыло возможность организации внутри локальной сети систем видеоконференцсвязи, позволявших пользователям такой системы общаться в режиме реального времени «напрямую», физически находясь в различных помещениях, выполнять совместное редактирование текстов и таблиц, устраивать «виртуальные презентации». Уже сейчас системы компьютерной видеосвязи широко используются крупными коммерческими предприятиями, где служат для организации связи между различными отделами, в военных комплексах для быстрой передачи информации между несколькими абонентами и целыми подразделениями, а в последнее время — и в домашних «настольных» системах, в качестве средства организации досуга. Среди достоинств KB С можно упомянуть относительно низкую стоимость эксплуатации по сравнению с иными существующими на сегодняшний день системами коммуникаций, их многофункциональность, сравнительную легкость в использовании. В процессе работы абоненты видеоконференции в общем случае видят на экранах своих мониторов изображения собеседника и свое собственное, что необходимо для осуществления визуального контроля установленного соединения. Изображение динамически обновляется со скоростью от 0,5 кадра/с до 15-25 кадров/с в зависимости от скорости (пропускной способности) канала связи и загрузки канала данными. Участники для проведения переговоров используют миниатюрные видеокамеры и микрофоны с достаточно хорошими характеристиками. Речь для передачи по каналу связи оцифровывается. Основными достоинствами компьютерной видеосвязи являются возможности совместной работы с документами и интегрированной информацией (текст, графика, изображение, получаемое с видеокамер участников), а также дистанционный запуск программных приложений на компьютере собеседника. Изображения, получаемые с помощью видеокамер, могут передаваться не только в динамическом режиме (живое видео), но и в статическом. В последнем случае абонент выбирает необходимый кадр, захватывает и передает его по каналу связи в виде файла. В этом случае время передачи кадра не является критичным, и он может быть сформирован и передан со значительно более высоким качеством. Таким образом, участники подобного сеанса видеосвязи видят друг друга, могут разговаривать в дуплексном режиме, передавать цветные изображения графических документов и объектов, снимаемых видеокамерой, совместно редактировать документы, а также документировать процесс переговоров и результаты с помощью видеомагнитофонов и цветных принтеров. В итоге можно сделать вывод о том, что видеоконференцсвязь с успехом заменяет телефон, цветной факс и обеспечивает возможность записи сеанса или его части на видеомагнитофон для последующего анализа или демонстрации третьим лицам, не участвовавшим в сеансе видеосвязи.
Исходя из всего отмеченного выше можно сказать, что видеоконференции весьма перспективны для ведения переговоров между различными отделами одной компании, при согласовании технических вопросов, например, руководства промышленного предприятия с руководством производственного отдела без необходимости созывать совещание и с возможностью автоматически документировать весь ход переговоров с момента установления соединения до момента его разрыва.
Наконец, в начале 90-х годов XX века удешевление и расширение ассортимента конечного оборудования позволили локальным сетям выйти за пределы коммерческого сектора рынка. Появились небольшие домашние и частные локальные сети, объединявшие несколько компьютеров в одной семье или в пределах одного дома. В последнее время доля малых локальных сетей заметно выросла по отношению к общему количеству работающих в мире распределенных вычислительных систем, что, впрочем, не удивительно, поскольку такие локальные сети позволяют совместно использовать различные устройства, например принтеры, сканеры, цифровые камеры, а также организовывать подключение к Интернету через единственный канал связи, а значит — экономить на оборудовании и комплектующих. Не говоря уже о том, что практически все современные игры имеют возможность одновременного участия в игровом процессе нескольких пользователей, для чего опять же необходима локальная сеть. Таким образом, локальная сеть — это распределенная вычислительная система, позволяющая всем подключенным к ней компьютерам — узлам или рабочим станциям — обмениваться данными, а также совместно использовать различные аппаратные и программные ресурсы.
Практически все современные локальные сети используют подключение к Интернету либо по коммутируемым каналам связи, либо через непосредственное соединение с высокоскоростной магистралью передачи данных. Да и само появление Интернета было во многом стимулировано развитием локальных сетей, объединявшихся в глобальную вычислительную систему.

Как появился Интернет в мире?

2 сентября 1969 года группе ученых под руководством Леонарда Клейнрока удалось установить канал передачи данных с одного компьютера на другой через кабель. Этот момент считается началом эры Интернета.

История Интернета началась в конце 50-х годов ХХ века, а именно, когда в 1957 году в СССР запустили первый искусственный спутник. В 1973 году сеть стала международной. . В 1983 году был введен в строй новый механизм доступа к ARPAnet, названный «протоколом TCP/IP».

Кто является основателем сети Интернет?

В 1989 году в Европе, в стенах Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН) родилась концепция Всемирной паутины. Её предложил знаменитый британский учёный Тим Бернерс-Ли. Он же в течение двух лет разработал протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URI.

В 1980-х годах исследования британского учёного Тима Бернерса-Ли в ЦЕРН в Швейцарии привели к созданию Всемирной паутины в результате соединения гипертекстовых документов в информационную систему, доступную из любого узла сети. В результате в конце 1980-х годов были сформированы первые интернет-провайдеры.

Способ связать разные компьютеры в одну сеть

Есть несколько компьютеров, которые необходимо соединить в одну сеть, в не зависимости от операционной системы, аппаратной платформы, способа передачи данных и сетевого расположения. Создаваемая сеть позволит передавать данные от промышленного компьютера, управляющего технологическим процессом на всевозможные потребители (с дальнейшей обработкой этих данных), с возможностью обратной связи (для отдачи команд на исполнение).

Возможные средства исполнения

Существует несколько способов связать компьютеры в одну сеть. Например, VPN. В указанном случае неудобно то, что придётся перелопатить прошивку промышленного компьютера, или вмешаться в логику работы АРМа. В первом случае — перепрошивать совсем не хочется, да и нет необходимых средств/навыков, затраты на изучение платформы нерационально велики. Вмешательство в логику работы АРМа(SCADA InTuch) — также приведёт к потери гарантии. Ко всему прочему, довольно важно обеспечивать работу АРМа в режиме реального времени, а это гарантия мгновенной реакции системы на управляющее воздействие. Ни много, ни мало, а кому-то это спасёт жизнь.

Что ещё у нас есть? Ну например, SSH. Не подходит по аналогичным причинам. Хотя уровень требуемой безопасности вполне соответствует, но сложность переделок загоняет в тупик.

Приемлемое решение задачи

Итак, во внутренности работающих систем не лезем. Система обеспечивает вполне доступные средства обмена информацией в простых формах простыми средствами. Как правило, это текст с временными метками, указанием на уровень предупреждающих сообщений, отчёт о исполнении команд.

Ничто не мешает брать эти данные с машины под управлением АРМа, и на отдельной машине дальше с ними работать. Так как машина для связи является отдельной — можно не опасаться за подвисания, сбои и падения в самый неудобный момент времени. Впрочем, такое поведение будет говорить о плохой постановке вопроса, и как следствие — плохом решении. Ко всему прочему, машина может не находиться физически на опасном промышленном объекте (ОПО, обязателен к регистрации в органах Ростехнадзора), зачастую на объекте не предусмотрено место под дополнительное оборудование, а если предусмотрено, то потребуется провести проектные мероприятия, лицензирование, перерегистрацию и т. д. В конечном итоге, это тоже дорого и долго. А каналы связи, как правило, закладываются заблаговременно, и являются штатными средствами.

Сам способ связи компьютеров, очевидно, не должен базироваться на DNS, TCPIP, UDP непосредственно.

Выбор технологии

Вполне понятно, что создавать средства связи с чистого листа крайне накладно. Опираться на низкоуровневые средства также невыгодно из-за жёсткой привязки. Очевидно это будет высокоуровневый протокол, с опорой на уже существующие наработки.

Особенности любой SCADA-системы в том, что объём передаваемых данных совсем не велик, но в тоже время, должна быть оперативность. Понятно, что при попытки связать SCADA на PC и мобильный телефон (с Java), необходимо обеспечить оперативность доставки информации. Т. о. из указанных высокоуровневых протоколов исключаются эл. почта, сильно ограничен ftp и др. средства рассчитанные на длительные промежутки времени.

Наиболее подходящим типом связи будет являться протокол, основанный на передаче коротких сообщений. В качестве основы, теоретически, можно рассматривать какие угодно интернет-пейджеры: ICQ, mail.ru, MSN, jabber и ещё с десяток других. Практически, из всего разнообразия, остаётся всего пару штук. Так например, ICQ — закрытый протокол, и в любой момент может измениться. Ко всему прочему, если копирайтер вычислит, что его протокол используется «не по назначению», — возникнут проблемы более чем финансового характера. По тем же причинам отпадают все коммерческие или закрытые протоколы. Малораспространённые, протоколы либо не имеют нормальной поддержки, либо не обеспечивают приемлемое качество связи. В конечном итоге, благодаря открытости, наличию массы библиотек, транспортов и расширений, вот он наш победитель — jabber.

Эффект рычага

Технически, можно устроить чехарду с манипуляцией окнами — в одном месте данные прочитал из файла/сокета, послал окну сообщение всплыть на передний план, эмулировать нажатие клавиш, для вставки нужного сообщения, и далее эмулировать нажатие кнопки «отправить», со сворачиванием окна. Этот инверсно-ректальный метод вполне имеет право на существование. Именно так, уже более трёх лет функционирует АРМ диспетчера вагонного депо, из-за того, что какой-то умник решил, что принтер обязательно подключен к com-порту, и подсистема печати де-факто и де-юро в Windows отсутствует. (были перепробованы практически все способы решения проблемы, в т. ч. с виртуальными DOS-принтерами).

В данном случае интересует, всё-таки, человеческое решение проблемы. Человеческое решение предполагает под собой законченный, компактный механизм, не раздражающий ежесекундными произвольными манипуляциями с конами, мышью и клавиатурой. В любом случае, за такой машиной, уже работать нельзя (по крайней мере, не под одной учётной записью, и не на одном рабочем столе).

Jabber обладает как большой группой пользователей, так и развитыми средствами взаимодействия. Децентрализованная сеть, возможность на вполне законных основаниях поднять свой сервер, и связать с другими — приятно завершает перспективу. Впрочем, серверов в интернете более чем достаточно, и необходимость в собственном сервере возникает более чем редко. Ещё раз следует повторить: передавать большие объёмы данных возможно, но не следует злоупотреблять добротой тех, кто содержит сервера.

Средства производства

В качестве языка программирования выбран Python. Вполне легковесный, «батарейки идут в комплекте», не ограничен лицензированием, есть подо все платформы, переносим. Этого вполне достаточно для обоснования выбора.

В комплект к Python всё-таки придётся добавить одну «батарейку» — xmpppy. Это дополнительная библиотека, специально разработанная для работы по протоколу XMPP/jabber. Она не развивается официально, но сообщество чуть ли не ежедневно добавляет что-либо в неё (официальных релизов уже не было давно). На просторах рунета лежит несколько примеров её использования, они легко ищутся, ссылки будут приведены в случае необходимости).
Итак, код с комментариями, достаточный для обеспечения связи компьютер-компьютер/мобильник/смартфон/тачпад. Подразумевается, что информация приходит на jabber-клиент.

Приведённый код достаточно прокомментирован, чтобы решить в дальнейшем 99,5% задач.
В промышленных целях крайней не рекомендуется использовать операционные системы семейства Windows. Это не очередной виток холивар, это печальный опыт применения в промышленности. ко всему прочему, возможность связки внешнего оборудования и программной начинки PC — сильно ограничено, по сравнению с конкурентами. При сильном желании и избыточном количестве денег и эта проблема может быть решена, но если «брюки выглядят одинаково, зачем платить больше»?

Краткий итог

В приведённом примере не раскрыт механизм связи АРМ и клиента от начала и до конца. Решена лишь та часть, которая обеспечивает связь сколь угодно большого числа компьютеров со сколь угодно странно, в сетевом отношении, расположенными машинами. Дальнейшее наращивание обработчиков (или логики одного обработчика) позволит решить неограниченный круг задач по созданию информационной инфраструктуры. Встроенные средства обеспечения безопасности позволяют закрыть изначально массу брешей. Использование протокола высокого уровня позволяет поверх него создать дополнительные надстройки в интересах пользователей. Обеспечение устойчивой связи сократит время и средства на диагностику и устранение неисправностей. Инженерам АСУП указанная методика сохранит не один час свободного времени и нервов. Подключенные к PC внешний устройства (датчики, сигнализация охранная/пожарная, средства измерения) можно контролировать и программировать дистанционно.