В начале 1970-х годов компьютеры были редкостью, а идея соединить их в сеть казалась скорее инженерной задачей, чем повседневной необходимостью. В университетах и корпорациях машины по-прежнему оставались изолированными островами, обменивавшимися данными через перфокарты и магнитные ленты. Но в одном исследовательском центре Калифорнии и в университете на Гавайских островах одновременно возникли две идеи, которым суждено было встретиться и изменить облик локальных сетей на десятилетия вперед.
ALOHAnet: как Гавайи научили компьютеры говорить по радио
В конце 1960-х годов Гавайский университет столкнулся с задачей, которая для островного штата была вполне типичной, но от этого не менее сложной. Его кампусы и исследовательские станции располагались на разных островах архипелага — от Оаху, где находился главный вычислительный центр в Гонолулу, до удаленных станций на других островах. Прокладывать кабель между островами было дорого и технически непросто, а аренда телефонных линий обходилась в круглую сумму. Тогда профессор Норман Абрамсон, инженер и специалист по теории информации, предложил решение, которое коллеги сочли как минимум странным — передавать данные по радио.
В сентябре 1968 года в университете началась работа над исследовательской программой, финансируемой ARPA, по изучению использования радиосвязи для соединения компьютеров и терминалов. Абрамсон и его коллега Фрэнк Куо разделили роли: Абрамсон сосредоточился на теории, а Куо занимался практической реализацией сети. Уже через три года, в июне 1971 года, первая в мире сеть пакетной радиосвязи ALOHAnet была официально запущена в эксплуатацию.
Технически сеть была устроена элегантно и просто. Для соединения терминалов с главным вычислительным центром в Гонолулу использовались два отдельных радиоканала. Один канал применялся для передачи данных от удаленных терминалов к центральному компьютеру, а второй использовался для широковещательной рассылки сообщений от центрального узла к терминалам. Центральным элементом сети был миникомпьютер HP 2100 с 64 килобайтами памяти, который выполнял роль коммуникационного процессора.
Топология ALOHAnet представляла собой «звезду». Центральный узел координировал весь обмен данными. Рядом с центральным компьютером устанавливалась всенаправленная антенна, которая «слышала» все удаленные терминалы, а на островах — направленные антенны, которые должны были предотвращать прямой прием сообщений от других терминалов и создавать помехи. Сеть обслуживала исследовательские и административные задачи университета, демонстрируя жизнеспособность передачи данных по радиоканалу с произвольным доступом.
Самым радикальным нововведением ALOHAnet был не сам радиоканал, а принцип доступа к нему. В то время уже существовали методы разделения среды — TDMA (разделение по времени) и FDMA (разделение по частоте), но они были рассчитаны на непрерывный трафик, например голосовую связь.
Компьютерные данные передаются короткими импульсами и нерегулярно, поэтому фиксированное распределение ресурса приводило к простоям. Абрамсон предложил отказаться от расписания как такового: любой узел мог начать передачу в любой момент, не проверяя, свободен ли канал, и не запрашивая разрешения. Если два пакета сталкивались, отправители ждали случайный промежуток времени и повторяли попытку.
Эта схема была далека от совершенства — при высокой нагрузке количество коллизий росло, и эффективность канала падала до 18,4%. Но она доказала главное: совместное использование общей среды возможно без централизованного планирования.
Xerox PARC: лаборатория, которая решила построить «офис будущего», но столкнулась с проблемой соединения
В июне 1970 года корпорация Xerox, известная прежде всего копировальными аппаратами, открыла на краю Стэнфордского кампуса в Пало-Альто исследовательский центр. Задачу, поставленную перед лабораторией, сформулировали просто и дерзко: изобрести «офис будущего». Xerox не хотела оставаться просто производителем офисной техники — она хотела контролировать саму архитектуру информации в офисе, а для этого нужны были технологии, которых еще не существовало.
Результатом работы PARC стал Xerox Alto — машина, разработанная в начале 1973 года как эксперимент в области персональных вычислений. У Alto был растровый дисплей с разрешением 606×808 пикселей, трехкнопочная мышь, клавиатура, жесткий диск на 2,5 МБ и 128 КБ оперативной памяти. Для своего времени это был компьютер, опережавший все, что продавалось на рынке. Но вместе с десятками таких машин в одном здании возникла проблема — их нужно было соединить друг с другом и с общими ресурсами, в первую очередь с лазерным принтером.
И здесь инженеры PARC столкнулись с ограничениями, которые сегодня кажутся почти комичными. Типичная скорость передачи данных по последовательному кабелю в начале 1970-х составляла около 300 бит/с, а в лучшем случае — 14 400 бит/с. Лазерный принтер, созданный в PARC, печатал страницу в секунду с разрешением около 500 точек на дюйм. Чтобы передать на него изображение, требовалась пропускная способность порядка 20 Мбит/с — в десятки тысяч раз больше, чем могли обеспечить существующие последовательные соединения.
В 1972 году в PARC пришел Роберт Меткалф. Он только что защитил докторскую диссертацию в Гарварде, а до этого работал в MIT над интерфейсом к ARPANET — сети, которая уже связывала компьютеры по всей стране. Однако задача, которую решала ARPANET, и задача, стоявшая перед Меткалфом в PARC, были принципиально разными.
ARPANET была глобальной сетью (WAN): она соединяла большие мейнфреймы в университетах и исследовательских центрах по всей стране через выделенные телефонные линии, и ее первыми узлами стали компьютеры, находившиеся на расстоянии сотен миль друг от друга. Перед ней стояла цель обеспечить связь между немногими мощными машинами, разбросанными по континенту, и для этого подходили дорогие телефонные линии и сложное коммутационное оборудование.
Перед Меткалфом же теперь стояла совсем другая задача — соединить десятки персональных компьютеров и один общий принтер в пределах одного здания. Здесь нужна была дешевая, быстрая и простая в развертывании сеть, которую можно протянуть по коридорам и кабинетам. Другими словами, нужна была локальная сеть.
22 мая 1973 года: меморандум, в котором появилось слово «Ethernet»
Решение пришло из неожиданного источника. Меткалф был знаком с работой ALOHAnet и видел в ней рациональное зерно — отказ от централизованного управления и использование общей среды для передачи данных. Но гавайская схема не проверяла, свободен ли канал, прежде чем начать передачу, что приводило к коллизиям. Меткалф предложил усовершенствовать ее и сделать так, чтобы перед отправкой данных узел «прослушивал» кабель и начинал передачу только в том случае, если среда свободна. Эта идея получила название «прослушивание несущей» (carrier sense).
22 мая 1973 года Меткалф разослал коллегам меморандум, в котором описал «сеть широковещательной связи» для соединения компьютеров Alto и других устройств PARC. Изначально проект назывался Alto ALOHA Network, но уже в этом документе Меткалф предложил название Ether Network, позднее превратившееся в Ethernet — от слова «эфир» (aether), той гипотетической субстанции, которая, по представлениям древних ученых, заполняла все пространство и позволяла распространяться электромагнитным волнам. В случае с Ethernet роль «эфира» играл коаксиальный кабель.
Вместе с Дэвидом Боггсом, аспирантом, которого Меткалф привлек к проекту, они построили первый прототип. Сеть работала на скорости 2,94 Мбит/с (вдвое меньше тактовой частоты компьютера Alto) и использовала манчестерское кодирование для передачи данных по общему коаксиальному кабелю. К 1975 году в экспериментальной сети PARC насчитывалось 25 узлов, соединявших компьютеры Alto, миникомпьютеры, принтеры, мейнфрейм и шлюз в ARPANET. Это было доказательство того, что локальная сеть с общей средой и децентрализованным управлением может работать надежно и эффективно.
CSMA/CD и бинарная экспоненциальная задержка: как Ethernet решает проблему коллизий
Одной лишь проверки несущей было недостаточно. Допустим, два компьютера одновременно «слушают» кабель, видят, что он свободен, и начинают передачу в один и тот же момент. Их сигналы сталкиваются, и данные теряются. Чтобы справиться с этой проблемой, Меткалф добавил в Ethernet механизм обнаружения коллизий (collision detection) и алгоритм повторной передачи, который он назвал «бинарной экспоненциальной задержкой» (binary exponential backoff).
Суть алгоритма была проста: когда два узла сталкиваются, они не начинают повторную передачу одновременно. Вместо этого каждый из них выбирает случайный интервал времени и ждет. Если коллизия повторяется, диапазон возможных задержек удваивается, и с каждой новой попыткой вероятность одновременного выхода в эфир снижается. Эта схема позволяла сети оставаться стабильной даже при высокой нагрузке, в отличие от ALOHAnet, где при перегрузке эффективность критически падала.
Вместе эти два механизма — прослушивание несущей и обнаружение коллизий — образовали метод доступа, который сегодня известен как CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Именно он лег в основу первых спецификаций Ethernet и оставался стандартом для проводных локальных сетей на протяжении десятилетий. Меткалф переосмыслил ALOHAnet для проводной среды и добавил механизмы, которые сделали технологию пригодной для практического использования в масштабах здания, а затем и целого кампуса.
Как Ethernet победил в войне стандартов
В 1979 году Меткалф покинул Xerox PARC и основал компанию 3Com, чтобы коммерциализировать Ethernet. Вместе с Digital Equipment Corporation (DEC), Intel и Xerox он создал промышленный консорциум, который в 1980 году опубликовал спецификацию «DIX Ethernet» — стандарт на 10 Мбит/с с 48-битной адресацией, что было значительно быстрее оригинальных 2,94 Мбит/с. Эта спецификация, известная как «Голубая книга», стала основой для дальнейшей стандартизации.
В 1983 году Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) утвердил стандарт IEEE 802.3, который был основан на Ethernet и закрепил его в качестве официального стандарта локальных сетей. Однако Ethernet столкнулся с серьезным конкурентом: компания IBM продвигала технологию Token Ring, которая обладала не меньшей пропускной способностью и поддерживалась маркетинговой мощью гиганта. В 1980-х Token Ring обеспечивал 4 Мбит/с против теоретических 10 Мбит/с у Ethernet, а стоимость одного узла составляла около $830 против $950 у Ethernet.
Победа Ethernet была обусловлена принципиально иной стратегией его создателей. Если IBM, продвигавшая Token Ring, затрудняла другим компаниям производство совместимых компонентов, то консорциум Ethernet (DEC, Intel и Xerox), напротив, целенаправленно выстраивал рынок так, чтобы поощрять сторонних производителей выпускать совместимое оборудование.
IBM фактически блокировала формирование широкого сообщества поставщиков — она сомневалась в совместимости продуктов Token Ring от разных фирм, что мешало росту экосистемы. В отличие от нее, спонсоры Ethernet создавали условия, в которых производители могли свободно выпускать свои реализации, и это привело к быстрому росту сообщества компаний вокруг стандарта.
Именно конкуренция внутри этого сообщества обеспечила Ethernet решающее преимущество. По мере того как все больше производителей выпускало совместимое оборудование, цены снижались, а технология совершенствовалась настолько стремительно, что изначально технически превосходивший его Token Ring проиграл эту гонку. Сам Роберт Меткалф позже объяснял победу Ethernet именно открытостью. Он также признавал, что IBM недооценила силу открытого стандарта, тогда как сама IBM, по его выражению, «в своем темном сердце не была привержена открытым стандартам, и ее продукты не были совместимы».
Ирония в том, что именно эта приверженность закрытым стандартам впоследствии обернулась для IBM потерей контроля над рынком персональных компьютеров — об этом мы рассказывали в статье «Грязный трюк IBM: как нарушение приказов и одна оплошность перекроили компьютерную индустрию».
Заключение
История Ethernet началась с двух, казалось бы, не связанных между собой задач: соединить компьютеры в одном здании и наладить связь между разными островами. Гавайская радиосеть ALOHAnet доказала, что совместное использование общей среды возможно без централизованного планирования. В Xerox PARC пытались соединить десятки персональных компьютеров с общими ресурсами. Меткалф и Боггс соединили эти две линии, добавив механизмы, которые сделали технологию надежной и практичной.
Спустя полвека Ethernet остается одной из главных технологий локальных сетей. Он пережил переход от толстого коаксиального кабеля к витой паре и оптоволокну, от шинной топологии к звезде, от 2,94 Мбит/с до терабитных скоростей. Его принципы — децентрализация, открытость и готовность к коллизиям — оказались настолько универсальными, что легли в основу как проводных, так и беспроводных сетей. И каждый раз, когда компьютер подключается к локальной сети, он неявно использует идеи, родившиеся в меморандуме, разосланном в Xerox PARC 22 мая 1973 года.
Читайте также: