Краткий исторический очерк развития информационных сетей

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Краткий исторический очерк развития информационных сетей

Потребность в общении, в передаче и хранении информации возникла и развивалась вместе с развитием человеческого общества. Сегодня уже можно утверждать, что информационная сфера деятельности человека является определяющим фактором интеллектуальной, экономической и оборонной возможностей человеческого общества, государства. Зародившись в те времена, когда стали проявляться самые ранние признаки человеческой цивилизации, средства общения между людьми (средства связи) непрерывно совершенствовались в соответствии с изменением условий жизни, с развитием культуры и техники. Это же относится и к средствам записи и обработки информации. Сегодня все эти средства стали неотъемлемой частью производственного прогресса и нашего быта.

На заре своего развития человек, предупреждая своих соплеменников об опасности или сзывая на охоту, подавал сигналы криком или стуком. Затем он начал для этой цели использовать "технику" - свистки, рога животных, факелы, костры, барабаны, гонги, а после изобретения пороха - выстрелы и ракеты. Появились специальные люди - гонцы, герольды, - которые переносили и передавали сообщения, оглашали народу волю владык.

Первыми "системами" связи стали сторожевые посты, располагавшиеся вокруг поселений на специально построенных вышках или башнях, а иногда просто на деревьях. При приближении неприятеля зажигался костер тревоги. Увидев огонь, зажигали костер часовые на промежуточном посту, и неприятелю не удавалось застать жителей врасплох. Для гонцов создаются станции смены лошадей. Маяки и ракеты до сих пор несут свою "информационную службу" на море и в горах.

Необходимость передавать не только отдельные сигналы типа "тревога", но и различные сообщения привела к применению "кодов", когда разные сообщения различались, например, числом и частотой свистков или ударов в барабан, числом и расположением костров и т.п. Греки во втором веке до нашей эры использовали комбинации факелов для передачи сообщений "по буквам". На море широкое применение нашли сигнальные флаги различной формы и цвета, причем сообщение определяется не только самими флагами, но и их взаимным расположением, а также "семафор" - передача сообщений изменением расположения рук с флажками (днем) или фонарями (ночью). Потребовались люди, знающие "язык" флагов или семафора, умеющие передавать и принимать переданные сообщения.

В 1793 г. К.Штапп изобретает и передает Конвенту Франции "оптический телеграф" - семафорное устройство из трех подвижных брусьев, взаимное расположение которых определяло элементы передаваемых сообщений (например, отдельные буквы или целые слова). Этот семафор располагался на специальных башнях. Первая такая линия, сооруженная между Лиллем и Парижем (60 лье, около 265 км), имевшая 22 станции, вступила в строй в конце 1794 г. Сигнал проходил всю линию за 2 мин. На линии Берлин - Магдебург - Кельн - Кобленц, построенной в 1832 г., имелась 61 станция и сообщение доставлялось за 30 мин. В России линии оптического телеграфа начали строиться в 1824 г. (первая между Петербургом и Шлиссельбургом), а в 1839 г. была открыта самая длинная в то время в мире линия между Петербургом и Варшавой (1200 км). Линия имела 149 станций, сигнал проходил за 15 мин. а телеграмма из 100 сигналов - за 35 мин. Интересное усовершенствование такого телеграфа сделал русский механик И.П.Кулибин (1794 г.), которое, к сожалению, не было принято царским правительством.

Наряду с развитием способов передачи сигналов с использованием звука и света шло развитие способов и средств записи и запоминания информации. Сначала это были просто различные зарубки на деревьях и стенах пещер. По рисункам, выбитым на стенах пещер более трех тысяч лет назад, мы сейчас можем составить представление об отдельных сторонах жизни наших предков в те далекие времена. Постепенно совершенствовались как форма записи, так и средства ее осуществления. От серии примитивных рисунков человек постепенно переходит к клинописи и иероглифам, а затем - и к фонетическому письму по буквам.

Запись осуществлялась сначала на камне, потом на пергаменте (специально выделанных кожах животных), папирусе, коре деревьев, деревянных и глиняных дощечках и т.п., иногда даже на теле гонца. Но поистине революцию в системе записи информации произвела бумага, изобретенная по преданию в Китае во II в. и появившаяся в Европе в ХI - ХII вв. Бумага и теперь является основным носителем информации и только недавно с ней начали конкурировать магнитные ленты, диски, фотопленка (особенно с использованием голографии).

Менялись и средства нанесения записи. До прошлого века существовала только ручная запись - каменный молоток или костяная игла, позже кисточки и краски, палочки и тушь, а затем перо, чернила и (с ХVI в.) карандаш. В ХV в. появляются первые печатные станки с вырезаемыми вручную на специальных досках буквами, а к ХIХ в. - печатные машины с набором, а позже с отливом букв. Изобретенные в ХIХ в. фотография и кинематограф затем становятся цветными и объемными. Изобретение лазера приводит к появлению голографии. Для записи изображений используются не только бумага, фото- и кинопленка, но и магнитная пленка. В ХIХ же веке создаются и первые пишущие машинки. Для записи телеграмм используют перфоленту.

Но если в области передачи, доставки и записи информации непрерывно происходило усовершенствование и внедрялась механизация и автоматизация, то отработка информации до середины нашего века оставалась прерогативой человека. Правда, исключением здесь является "числовая" информация. Здесь использовались сначала различные счеты, потом счетные машины типа арифмометров и логарифмические линейки.

Лишь в 80-х годах прошлого столетия зарождается счетно-перфорационная техника, и с 1896 г. в США одна из фирм начинает выпуск табуляторов и счетно-перфорационных машин. Эта фирма, преобразованная позже в IBM, до настоящего времени является одной из ведущих фирм в области электронной вычислительной техники и одной из крупнейших фирм капиталистического мира.

Революция в передаче, а затем и обработке информации произошла тогда, когда для этого начали использовать достижения электротехники и когда появилась отрасль науки и техники, получившая позже название электросвязь.

Применение электроники привело к новым решениям в области обработки и хранения информации - к созданию ЭВМ.

Развитие электротехники начинается в конце ХVIII в., в начале ХIХ в. делаются попытки использовать свойство электрического тока быстро распространяться по проводникам для передачи сообщений. Первые проекты сначала электростатического, а затем электрохимического телеграфа (Ф.Сальва, Испания, 1800 г.; С.Т.Земмеринг, Германия, 1809 г.) не получили практического развития из-за высокой стоимости (требовалось большое число проводов, а передача шла очень медленно). Открытие магнитного действия электрического тока (Г.Х.Эрстед, Дания, 1820 г.) привело к созданию электромагнитного телеграфа, господствующего до последнего времени, когда ему на смену начинают приходить электронные системы. Электромагнитные свойства тока стали основой и в области телефонии.

Телеграф. Развитие электрических систем передачи информации связано с промышленной революцией и началось в первой половине прошлого века с изобретения электрического телеграфа П.Л.Шиллингом (1832г.), Гауссом и Вебером (1833 г.) и прокладкой С.Морзе первой телеграфной линии между Балтиморой и Вашингтоном (1844 г.). В 1855г. английский изобретатель Д.Э.Юз (1831-1900) разработал буквопечатающий аппарат, нашедший широкое распространение.

В основу работы телеграфного аппарата был положен принцип синхронного движения скользуна передатчика и колеса приемника. Опытный телеграфист на аппарате Юза мог передать до 40 слов в минуту.

Быстрый рост телеграфного обмена и увеличение производительности телеграфных аппаратов натолкнулись на ограниченные возможности телеграфистов, способных достичь скорости передачи при длительной работе до 240-300 букв в минуту.

Требовалось заменить ручную работу телеграфиста специальными механизмами, предварительно фиксирующими информацию, а затем осуществляющими ее передачу с постоянной высокой скоростью, независимо от человека. Задача предварительной фиксации информации была решена английским изобретателем Ч.Уитстоном (1802-1875). В 1858г. он создал перфоратор для набивания дырок в бумажной ленте, соответствующих точкам и тире азбуки Морзе. В этом же году он сконструировал и передатчик. В 1867 г. Уитстон изготовил телеграфный приемник, которым и завершил разработку своей приемно-передающей системы.

В 1871 г. Стирис изобрел дифференциальное дуплексное телеграфирование, при котором два сообщавшихся пункта одновременно вели прием и передачу телеграмм.

Однако эту проблему блестяще решил французский механик Ж.Бодо (1845-1903) в 1874 г., положив в основу пятизначный код, он сконструировал двукратный аппарат, скорость передачи которого достигала 360 знаков в минуту. В 1876 г. им был создан пятикратный аппарат, увеличивавший скорость приемопередачи в 2,5 раза. Помимо этих аппаратов, Бодо разработал дешифраторы, печатающие механизмы и распределители, ставшие классическими образцами телеграфных приборов. Аппаратура Бодо была высшим достижением телеграфной техники второй половины 19 в. В России с 1904 г. на телеграфных линиях между между Петербургом и Москвой использовались аппараты Бодо.

В 1870 г. в России существовало 90,6 тыс. км телеграфных проводов и 714 телеграфных станций. К началу 20в. протяженность телеграфных линий в России составляла 300 тыс. км, в мире - около 8 млн. км.

Телефон. Разработка телефона связана с именами американских изобретателей И. Грея (1835-1901) и А.Г. Белла (1847-1922). Участвуя в конкурсе по практическому разрешению проблемы уплотнения телеграфных цепей, они обнаружили эффект телефонирования. 14 февраля 1876 г. оба американца сделали заявку на практически применимые телефонные аппараты. Поскольку заявка Грея была сделана на 2 часа позже, патент был выдан Беллу, а возбужденный Греем процесс против Белла был им проигран. Первоначально в телефонном аппарате Белла роль передатчика и приемника выполнял разработанный им электромагнитный телефон.

В 1877 г. Д.Э. Юз изобрел телефонный передатчик, названный им микрофоном. Белл использовал изобретение Юза, так как эта деталь устраняла основной недостаток аппаратов Белла - ограниченный радиус действия. В 1878 г. Эдисон сконструировал другой тип телефонного аппарата. Впервые введя в схему телефонного аппарата катушку индуктивности и применив угольный микрофон из ламповой сажи, Эдисон обеспечил передачу звука на значительное расстояние.

Первая телефонная станция была построена в 1877 г. в США по проекту венгерского инженера т. Пушкаша (1845-1893), в 1879 г. телефонная станция была сооружена в Париже, а в 1881 г. - в Берлине, Петербурге, Москве, Одессе, Риге и Варшаве.

В 1882 г. П.М. Голубицкий (1845-1911) изобрел высокочувствительный телефон и настольный телефонный аппарат современного типа. В 1883 г. им же был сконструирован микрофон с угольным порошком, а в 1885 г. предложена схема телефонной станции с центральной батареей, позволившая создавать станции с десятками тысяч абонентских точек.

В 1887 г. русский изобретатель К.А. Мосицкий создал "самодействующий центральный коммутатор" - предшественника АТС.

В 1889 г. американский изобретатель А.Б. Стоунджер получил патент на автоматическую телефонную станцию.

Наиболее протяженными первыми телефонными линиями были Париж- Брюссель (320 км), Париж - Лондон (498 км) и Москва - Петербург (660 км). Последняя линия, построенная в 1898 г. являлась самой протяженной воздушной телефонной магистралью. К 1913 году телефонная связь была установлена между Москвой и Харьковом, Рязанью, Нижним Новгородом, Костромой. На междугородной телефонной магистрали Москва - Петербург в сутки осуществлялось до 200 телефонных переговоров.

В 1895 г. А.С. Попов открыл век радио, а в 1915 -1918 гг. появились электронная лампа, первые усилители и системы уплотнения. В 30 - 40 годах нашего столетия были внедрены коаксиальные кабели (к 1945 г. - до 600 телефонных каналов, а сейчас - более 10000), фототелеграфная и телевизионная передачи. В 50-е годы появляются радиорелейные линии, а затем связь через искусственные спутники земли (ИСЗ). Создаются системы передачи газет и видеотелефона. В 60-е годы в связи с внедрением ЭВМ появляется новый вид связи - передача данных и начинают разрабатываться волноводы, позволяющие создавать линии по 100000 и более телефонных каналов. В настоящее время разрабатываются световодные и стекловолоконные линии с лазерным лучом, пропускная способность которых будет примерно на два порядка больше. Непрерывно расширяется освоение области спектра электромагнитных колебаний

Если около 100 лет назад для связи использовался только переменный ток с частотами до 3-5 кГц, то сегодня освоен диапазон примерно до 108 кГц (миллиметровые волны) и в ближайшие десятилетия ожидается практическое использование лазеров, т.е. частот порядка 1011 - 1012 кГц. Для связи же практически используется лишь небольшая часть всего спектра, хотя область его использования все время расширяется, и сейчас трудно сказать, какие новые каналы связи будут получены и какие возможности это откроет.

Интенсивное развитие средств доставки и передачи информации стало возможным вследствие развития радиоэлектроники, сначала электронно-вакуумной, потом полупроводниковой и, наконец, микроэлектроники.

Сначала теории телефонно-телеграфной передачи и распространения электромагнитных колебаний развивались как энергетические теории (частотный спектр, распространение, затухание, модуляция, электроакустические преобразования, разборчивость и т.п.). Развитие информационного аспекта, создание теории передачи информации и кодирования, появление возможности количественной оценки информации позволили по-новому подойти к решению ряда задач, связанных с передачей сигналов.

Появилась возможность создания единого дискретного канала для передачи всех видов информации при обеспечении требуемой верности при любых заданных помехах, так что сегодня можно говорить о том, что практически (при соответствующих затратах) передавать информацию можно на любое расстояние и с любой требуемой скоростью (не превосходящей, правда, скорости света). Реализация такой возможности сегодня - не столько техническая, сколько социально-экономическая задача: сколько это будет стоить и окупят ли себя затраты.

Задача распределения информации возникла вслед за созданием устройств для ее передачи. Ведь информацию надо доставить по определенному адресу, для чего необходимо создать тракт передачи между аппаратами абонентов сети и обеспечить ответ (вызов) адресата. Уже в конце прошлого века создаются первые ручные телеграфные и телефонные станции и тогда же делаются первые попытки автоматизации процесса соединения - появляются электромеханические искатели, управляемые вызывающим абонентом. Первые два десятилетия нашего века характеризуются развитием городских ручных и автоматических телефонных станций и созданием первых междугородных телефонных станций с ручным обслуживанием. В 20-е годы начинается автоматизация междугородной связи. В это время выявляются основные недостатки искателей: трущийся контакт, создающий шумы, медленнодействие и малая надежность. В 30-е годы появляются координатные соединители с контактами релейного типа, более надежные и быстродействующие. В 50-е годы начинают внедряться квазиэлектронные АТС с герконами в цепях коммутации информации и электроникой (а позже и ЭВМ) в управляющей части.

Если каналообразующая аппаратура с самого начала базировалась на электронно-ламповых, а также на полупроводниковых элементах, то по ряду технико-экономических причин создать полностью электронные системы коммутации, особенно для телефонной связи, долго не удавалось. Лишь после разработки импульсных и кодовых систем передачи речи оказался технически возможным и экономически выгодным переход к полностью электронным системам коммутации и даже интегральным сетям, в которых на единых технических принципах и элементах объединяется каналообразующая и коммутационная аппаратура. И будущее, конечно, за электронными системами.

Для телеграфа и передачи данных наряду с коммутацией каналов применяется коммутация сообщений с приемом на промежуточном узле и последующей передачей в нужном направлении, которая стала особенно эффективной с применением ЭВМ. Позже появилась система коммутации пакетов, являющаяся дальнейшим развитием коммутации каналов и сообщений.

Развитие коммутационной техники потребовало развития систем управления. Использование общих управляющих устройств (регистров, маркеров и т.п.), управление несколькими ступенями искания и сетью в целом, применение централизованных и децентрализованных систем управления позволяют улучшить обслуживание, повысить надежность и живучесть сети, увеличить пропускную способность, а в итоге - удешевить систему при том же качестве обслуживания. Современные системы управления коммутацией и сетями широко используют специализированные ЭВМ.

Теоретической базой систем коммутации является, прежде всего, теория телетрафика (теория телефонных и телеграфных сообщений), дающая зависимость между требованиями к обслуживанию, качеством обслуживания и числом обслуживающих приборов или каналов. Позже была развита теория построения коммутационных систем, рассматривающая зависимости между структурой систем коммутации, объемом коммутационного оборудования (числом точек коммутации) и системой управления. В основу разработки управляющих систем была положена теория телемеханики и дискретных автоматов.

В области хранения и обработки информации решающий перелом произошел после появления цифровых вычислительных машин. Первые проекты электромеханических (на реле и других электромеханических переключателях) и электронных (на электронных лампах) вычислительных машин появляются в 30-х годах нашего столетия. В 40-х годах начинается выпуск первых ЭВМ на электронных лампах, обладающих скоростью до 10-20 тыс. операций в секунду (ЭВМ первого поколения). Развитие полупроводниковой техники дало возможность создать ЭВМ на транзисторах и твердых схемах с быстродействием порядка сотен тысяч операций в секунду (второе поколение). При этом расширились возможности использования ЭВМ, которые снабжаются набором программ и трансляторами с алгоритмических языков. В семействе современных машин третьего поколения, построенных на интегральных схемах и имеющих быстродействие до одного-двух миллионов операций в секунду, предусмотрена программная совместимость между ЭВМ различной мощности, значительно расширены возможности пользователя, включая работу с разделением времени и совместную работу нескольких удаленных ЭВМ по каналам связи. Значительно большими возможностями, как по быстродействию (сотни миллионов операций в секунду), так и по возможностям программного обеспечения обладают ЭВМ четвертого поколения на больших интегральных схемах (БИС). Успешно ведутся работы над ЭВМ пятого поколения.

Устройства памяти на ферритах имеют емкость (10-20) 106 бит и время обращения порядка нескольких микросекунд. Память на магнитных лентах имеет емкость порядка от 107 до 108 бит со средним временем обращения 30-150 мкс, а на магнитных дисках - емкость от 107 до 109 бит с временем обращения 10-200 мс. Память, построенная на магнитных барабанах, имеет емкость порядка 105-107 бит при скорости обращения 10-30 мс. Современные устройства ОЗУ имеют памяти порядка 107-108 бит, а современные накопители информации на жестких дисках имеют емкость порядка 1011 бит. Разработанные алгоритмы сжатия информации при хранении позволяют еще больше увеличить емкость устройств памяти. Применение голографии позволяет создать огромные информационные библиотеки с автоматизированным поиском нужной информации. Теоретической базой современной вычислительной техники являются та же теория информации, вычислительная математика и теория дискретных автоматов.

На современном этапе ЭВМ на сетях связи выполняют следующие основные функции:

- управление доставкой сообщений (прием и обработка адреса, выбор направления доставки, управление системами распределения);

- управление потоками и сетью в целом (сбор информации о состоянии сети, перераспределение каналов, восстановление и т.п.);

- обеспечение хранения информации в узлах коммутации сообщений;

- предоставление пользователям дополнительных услуг, выдача справок, осуществление расчета с пользователями;

- обеспечение управления сетью, как подсистемой народного хозяйства, планирование и учет работы отрасли (АСУ-Связь).

Для того, чтобы подойти к понятию сети связи, рассмотрим одностороннюю систему передачи информации, схема которой показана на рис.1

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.1 Структурная схема системы передачи информации

В процессе передачи информации эта система должна решить следующие задачи:

1. Преобразование подлежащих передаче сообщений, поступающих от источника информации, в электрические сигналы. Эта задача решается оконечными устройствами, называемыми также терминальными устройствами или терминалами.

2. Перенос электрических сигналов из одной точки пространства в другую без существенных потерь вложенной в них информации (с заданной достоверностью). Эта задача решается совокупностью технических устройств, относимых к линии связи (ЛС). На рис.1 линия связи представлена тремя устройствами - ПдУ, ФС и ПмУ, где:

ПдУ - передающее устройство;

ФС - физическая среда;

ПмУ - приемное устройство;

УПС - устройство преобразования сигналов.

3. Обратное преобразование электрических сигналов в информационные и выдачу их в форме, удобной для восприятия получателем информации (абонентом A2). Эта задача решается оконечными устройствами (ОУ, терминалами) приемной части системы передачи.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.2 Схема соединения абонентов по принципу "каждый с каждым"

Для организации обмена между несколькими абонентами, расположенными в различных точках пространства, при обеспечении связи каждого абонента с каждым, наиболее простой и очевидной является схема соединения, показанная на рис.2. Это один из вариантов образования сети связи для N абонентов. У каждого абонента необходимо иметь (N-1) терминалов, а в сети М двухсторонних линий связи, где М определяется соотношением:

M = N (N-1) / 2

Из формулы видно, что уже при N > 10 такое построение сети связи не только экономически, но и физически нецелесообразно.

Усовершенствуем эту сеть связи. С этой целью заменим у каждого абонента N терминалов одним. При этом нам придется ввести у каждого абонента новое устройство - коммутатор, который позволит подключать терминал абонента к любой линии. Такая сеть связи показана на рис.3.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.3 Схема соединения с использованием коммутаторов у абонентов

Заметим, что наиболее сложными и дорогостоящими являются средства передачи информации. При этом стоимость устройств, входящих в состав ЛС, при передаче информации на десятки километров и более во много раз превышает стоимость абонентского оборудования и это соотношение быстро растет с увеличением дальности связи. Поэтому при больших дальностях связи сеть связи, показанная на рис.3 не на много экономичнее сети, показанной на рис.2. Попробуем соединить абонентов через общий центр коммутации. Такая сеть показана на рис.4.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.4 Схема соединения абонентов через центр коммутации

В этом варианте требуется N терминалов и N линий связи до ЦК. При этом значительно сокращаются экономические затраты по сравнению с вариантами сетей на рис.2 и 3. Выигрыш быстро растет с увеличением N.

При большом числе абонентов и их удаленности на большие расстояния друг от друга более экономичной оказывается сеть связи, в которой имеется не один центр коммутации, а несколько, как показано на рис.5

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.5 Соединение абонентов в сети связи

Рассмотренный вариант сети связи определяет базовый принцип построения сетей связи, на основании которого может быть сформулировано определение сети связи, рассмотрены ее состав и основные функции элементов.

Сетью связи называется система, объединяющая единой целью функционирования оконечные средства связи, центры коммутации и соединяющие их линии (или каналы связи), а также средства управления, реализующие определенные алгоритмы работы сети связи.

Основной целью функционирования сети связи является обеспечение обмена информацией между абонентами при выполнении ряда требований, основными из которых являются:

- передача за установленное время объема информации не менее заданного; телеграмма коммутационный телефон связь

- доставка информации точно по адресу, т.е. тому абоненту, для которого она предназначена;

- своевременность передачи информации;

- заданная достоверность передачи информации (вероятность ошибки не должна превышать научно-обоснованного значения);

- соблюдения установленной дисциплины обслуживания абонентов и передачи сообщений, соответствующей месту абонента в структуре системы управления;

- обеспечение заданной скрытности и секретности передачи информации.

Размещено на Allbest.ru