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 году 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 года 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 году французский инженер Жан Морис Эмиль 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 году другой французский инженер Томас Мурр-эй разработал первый в истории символьный телеграфный код с фиксированным размером символа (5 бит на символ), он назвал его кодом Бодо. Ивестный также под названием телексный код, он с незначительными изменениями применяется и сегодня (наиболее распространенная версия — стандартизированный Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (CCITT) 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 год, приоритет от 14 февраля 1876 года) и независимо от них — Элайша Грей в Чикаго. Последнему также принадлежит немалая роль в развитии сетевых технологий. Именно он в 1888 году 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. В первых сетях начиная с 1880 года этим занимались телефонистки (вернее телефонисты) методом установки штекеров в коммутационном поле.

С 1889 года начался новый этап в развитии сетевых технологий — владелец бюро похоронных услуг из Канзас-Сити Элмон Браун Строуджер разработал систему автоматической коммутации канатов. 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 один из первых случаев электронного шпионажа. Изобретение Строуджера оказалось столь удачным, что в 1891 году он основал компанию Strowger Automatic Exchange (с 1901 года — Automatic Electric, сегодня — отделение компании General Telephone and Electronics — GTE). Первая АТС этой компании емкостью 99 номеров была запущена в коммерческую эксплуатацию в 1892 году (г. Jla-Порт, шт. Индиана). Примечательно, что на первых телефонных аппаратах для работы с АТС номер набирался посредством кнопок. В 1897 году компания Строуджера представила прототип первого аппарата с дисковым номеронабирателем.

В 1885 году произошло еще одно ключевое для сетевых технологий событие. Первые АТС обеспечивали одновременное соединение всех возможных пар абонентов. Очевидно, что при росте номерной емкости коммутационные 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 тыс. 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 году М.Ф. Фрейденберг совместно с другим русским инженером С.М. Бердичевским-Апостоловым разработали и запатентовали в Великобритании АТС с так называемым предыскателем, выбиравшим свободный комплект линейных искателей при снятии абонентом трубки. Предыскатель и его принцип свободного поиска стал основой для проектирования всех будущих АТС. Примерно с 1910 года (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 году ставшую классической работу «The Theory of Probabilities and Telephone Conversations» («Теория вероятностей и телефонные переговоры»), 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. Т. 39, № 4. 1932; О формулах Эрланга в теории массового обслуживания// Теория вероятностей и ее применения. Т. 7. Вып. 3. 1962), выполнивший ряд оригинальных исследований для Московской телефонной сети.

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

В 1928 году 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 — родилась знаменитая теорема Найквиста. В СССР ее называли теоремой Котельникова, хотя Владимир Александрович опубликовал ее через пять лет после Найквиста. Но история все нивелирует — основополагающая теорема Клода Элвуда Шеннона о пропускной способности канала (1948 год) была сформулирована Котельниковым в его докторской диссертации годом раньше, в 1947 году. Однако у нас ее называют теоремой Шеннона.

В 1938 году американец А.Х. Риверс патентует метод преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую для коммутации и передачи, названный импульсно-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 50-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. Бран-ли. В 1892 году английский ученый Вильям Крукс теоретически показал возможность и описал принципы радиосвязи. В 1893 году 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 года над проблемой беспроводной связи работал преподаватель Минных классов в Кронштадте Александр Степанович Попов. В 1884 году 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 года 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 года 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 года успешно экспериментировал физическими приборами для генерации и регистрации электромагнитных колебаний и двадцатилетний итальянский юноша Гульельмо Маркони, будущий Нобелевский лауреат. В 1895 году он установил связь на расстоянии порядка двух миль, в 1896 году запатентовал свое изобретение (в 1943 году его патенты были аннулированы в пользу Н. Тесла [220]), в 1901-м установил радиосвязь через Атлантику.

В 1906 году 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 20-х годов началось коммерческое радиовещание (посредством амплитудной модуляции). В 1933 году Эдвин Ховард Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ), с 1936 года началось коммерческое ЧМ-радиовещание. В 1946 году 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 6 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 года был выведен на орбиту высотой 1500 км первый спутник связи — американский космический аппарат (КА) «Echo-1» (Эхо-1). Это был надувной шар с металлизированной оболочкой диаметром 30 м, выполнявший функции пассивного ретранслятора. Через два года, 10 июля и 13 декабря 1962 года, в США на низкие орбиты были запущены соответственно КА «Telstar I» и «Relay-1» — первые спутники с активными ретрансляторами. Мощность их передатчиков не превышала 2 Вт. 19 августа 1964 года впервые спутник связи был выведен на геостационарную орбиту. Это был также американский «Syncom-З» (первые две попытки вывода в 1963 году были неудачными). На следующий день был создан международный консорциум спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite Organization), который стал крупнейшей международной организацией в области спутниковой связи. Сегодня ее услугами пользуются более чем в 200 странах, причем в начале 2001 года 2/3 всего международного трафика передавалось через спутники Intelsat. 23 апреля 1965 года был выведен на орбиту и начал успешно работать первый отечественный спутник связи «Молния-1» (также с третьей попытки). Началась эра спутниковой связи.

В истории сетевых технологий очередной этап начался в 60-е годы прошлого столетия 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 60-е годы над построением сети с коммутацией пакетов работали (параллельно, практически ничего не зная друг о друге) специалисты в трех организациях: в Массачусетском технологическом институте (MIT), в корпорации RAND (центр стратегических исследований ВВС США), в Национальной британской физической лаборатории (NPL). Пионерской работой в этой области явилась диссертация Леонарда Клейнрока на соискание степени доктора философии в MIT «Информационный поток в больших коммуникационных сетях» («Information Flow in Large Communication Nets», 1961 год). В 1964 году была опубликована работа сотрудника корпорации RAND Пола Барана «О распределенных коммуникациях» («On Distributed Communications»). В ней были сформулированы принципы избыточной коммуникативности и показаны различные модели формирования коммуникационной системы, способной успешно функционировать при наличии значительных повреждений. В 1965 году 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 построения ЛВС.

В 1962 году 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 единой 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 всю существующую сеть связи и развивающийся путем планомерного ее наращивания в органическом взаимодействии с системой вычислительных, управляющих и справочных центров.

Знаковыми для сетевых технологий стали 1967-1968 годы. 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 70-х она объединяла порядка 200 компьютеров со скоростью обмена до 250 кбит/с). В том же 1968-м сотрудник шведского отделения компании IBM Олаф Содер-блюм 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 в бортовых системах применяется до сих пор).

Но самое главное, в октябре 1967 года 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 1968 года 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 году в рамках программы ARPANET в Калифорнийском университете в Лос-Анжелесе «отец» пакетной коммутации Леонард Клейнрок построил первый узел ARPANET — прообраз грядущего Интернета. В том же году компания BBN установила в Калифорнийском университете первый интерфейсный процессор сообщений и подключила к нему первый компьютер. Второй узел был образован в Стэнфордском исследовательском институте (SRI). Двумя следующими узлами ARPANET стали Калифорнийский университет в Санта-Барбара и университет штата Юта. Эмбрион Интернета начал делиться.

В 1970 году 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 году ALOHA связали 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 года известный специалист из компании BBN Роберт Кан на международной конференции по компьютерным коммуникациям впервые публично продемонстрировал работу сети ARPANET. В 1974 году появляется статья Вирта Серфа (сотрудника Стэнфордского исследовательского института) и Роберта Кана (V.G.Cerf, R.E. Kahn. 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 году 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 году, при активном участии Б. 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 году Метклаф при участии DEC основал знаменитую компанию 3COM для выпуска Ethernet-совместимого оборудования.

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

В 1977 году 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 году в Бахрейне телефонная компания Batelco (Bahrain Telephone Company) впервые в мире начала эксплуатацию коммерческой системы беспроводной телефонной связи, которая считается первой в мире реальной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазоне 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 году Деннис Хайес основал компанию Hayes Microcomputer Products и выпустил на рынок первый массовый модем Micromodem II для персональных компьютеров (Apple И). Он работал со скоростью 110/300 бит/с и стоил 280 долл. В 1979 году в Женеве CCITT утверждает первую модемную рекомендацию V.21, определяющую стандартный протокол модуляции на скорости 300 бит/с.

В 1978 году международная организация по стандартизации ISO утвердила семиуровневую модель взаимодействия открытых систем.

Новый этап начался в 1980 году, когда протокол TCP/IP был принят в качестве военного стандарта США. Годом раньше пакетная радиосеть заработала в военной базе США Форт Брэгг. Через три года, в 1983 году, сеть ARPANET была переведена на протокол TCP/IP (взамен действовавшего изначально NCP). Произошло выделение из ARPANET (которую вскоре все стали называть Интернетом) сети MILNET, обслуживающей оперативные нужды МО США.

События периода 60-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 технологий 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.

Чтобы завершить краткий исторический обзор, отметим, что и в СССР работало немало выдающихся ученых и специалистов в области систем связи, в том числе и беспроводной. Уже в 70-80-е годы проектировались и строились современные сети связи. Назовем, например, систему цифровой телефонной связи «Кавказ-5», многочисленные ведомственные сети связи. Хорошо известны системы «Сирена» (первая в СССР гражданская сеть 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 согласовывались 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.

Возможно, именно Интернету мы исторически обязаны тем, что сегодня широкополосные беспроводные сети получили 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 60-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 года) департамента IPTO в ARPA, т. е. человеком, руководившим финансированием научных исследований в области компьютерных сетей, был Джозеф Карл Ликлайдер из Массачусетского технологического института. Еще в начале 60-х он сумел предвидеть появление глобальной сети взаимосвязанных компьютеров. Ему принадлежит ряд публикаций о концепции «галактической сети» (J.C.R. Licklider. 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). Вот эти слагаемые и привели сегодня к тому, что высокоскоростные беспроводные СПИ готовы избавить мир от пут проводных коммуникаций.




Дополнительные материалы:

  • Порты обмена Порты обмена предназначены для связи с персональным компьютером и внешним устройством (например, эхолотом). Они используются для загрузки в навигатор электронных карт, маршрутов или […]
  • Серия навигаторов GPS 72/76 и GPSmap 76/76S/76Cx/CSx Эта группа состоит из : монохромных навигаторов GPS 72/76, не имеющих графической картографии; монохромных навигаторов GPSmap 76/76S с картографической поддержкой; цветных […]
  • Принципы работы GPS-навигатора В системе спутниковой навигации можно выделить три составляющие: орбитальную группировку космических аппаратов, наземный комплекс управления и приемную аппаратуру пользователей. […]
  • Система ГЛОНАСС Система ГЛОНАСС состоит из орбитальной группировки навигационных космических аппаратов (НКА), подсистемы контроля и управления и навигационной аппаратуры потребителей (приемников […]
Share This

Поделитесь!

Если статья показалась Вам полезной.