Переход ARPANET на TCP/IP - «день рождения интернета»

Первые сети до интернета

В 1960-е годы компьютеры оставались дорогими машинами, размещенными в университетах, исследовательских центрах и государственных учреждениях. Пользователи работали с ними через терминалы, а обмен информацией между удаленными компьютерами был сложным. Телефонная сеть создавалась для непрерывного разговора, а не для передачи коротких порций данных. Исследователи искали способ объединить вычислительные ресурсы, чтобы специалисты из разных городов могли пользоваться программами, обмениваться файлами и передавать сообщения.

Важнейшей идеей стала коммутация пакетов. Вместо резервирования одной непрерывной линии сообщение разбивалось на небольшие части, каждая из которых проходила через сеть и собиралась у получателя. Эту концепцию независимо развивали Пол Бэран в США и Дональд Дэвис в Великобритании; работы Леонарда Клейнрока помогли создать математическую основу анализа сетевой передачи данных. Пакетные сети могли эффективнее использовать линии связи, особенно когда сообщения отправлялись короткими сеансами.

Американское Агентство перспективных исследовательских проектов ARPA, входившее в структуру Министерства обороны США, финансировало создание экспериментальной сети ARPANET. Проект поддерживал компьютерные исследования, а также отвечал потребностям ведомства в надежных коммуникационных технологиях. Распространенное утверждение, что сеть создавали исключительно для выживания после ядерной войны, упрощает историю: стойкость связи была важной исследовательской темой, но непосредственными задачами ARPANET были обмен ресурсами и отработка новых принципов коммуникации.

Создание ARPANET

29 октября 1969 года состоялась одна из первых передач между компьютерами Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Стэнфордского исследовательского института. Студент-программист Чарли Клайн под руководством Леонарда Клейнрока пытался отправить слово LOGIN. После первых двух букв принимающий компьютер вышел из строя, поэтому первый опыт вошел в историю как сообщение «LO». Позже соединение повторили успешно.

К концу 1969 года сеть объединяла четыре узла: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Стэнфордский исследовательский институт, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре и Университет Юты. Передачу данных обеспечивали специальные интерфейсные компьютеры IMP, созданные компанией Bolt Beranek and Newman. Важную роль в становлении сети сыграли Ларри Робертс, возглавлявший проект, и Стив Крокер, организовавший обсуждение технических стандартов через документы Request for Comments, или RFC.

Сеть быстро стала не только средством удаленного доступа к вычислительным мощностям. В 1971 году Рэй Томлинсон разработал систему сетевой электронной почты и предложил использовать знак @ для отделения имени пользователя от имени компьютера. Вскоре почта стала одной из наиболее востребованных возможностей ARPANET. Исследователи обменивались техническими замечаниями и новостями, поддерживали контакты без телефонных звонков и бумажной переписки. Уже тогда проявилось свойство будущего интернета: связь между людьми оказывалась не менее важной, чем доступ к машинам.

Проблема несовместимых сетей

ARPANET первоначально использовала протокол NCP, позволявший компьютерам общаться внутри одной организованной сети. Протокол справлялся со своими задачами, но плохо подходил для объединения нескольких самостоятельных сетей с разными правилами передачи. Между тем к началу 1970-х годов появились радиосети, спутниковые каналы и локальные компьютерные сети. Каждая работала по собственным техническим принципам.

Исследователей интересовал переход от отдельной компьютерной сети к «сети сетей». Нужно было передавать данные между системами, не требуя полного переустройства каждой из них. Разные сети могли использовать кабели, радиоканалы или спутники, иметь различную скорость, размер пакетов и структуру адресов. Общий протокол должен был скрывать эти различия от конечного пользователя.

К разработке универсальных методов подключились не только американские специалисты. Британский Национальный физический институт исследовал пакетные сети, французский проект CYCLADES под руководством Луи Пузена развивал принцип передачи дейтаграмм. Эти идеи помогли сформировать представление об универсальном соединении независимых сетей. Технологическая революция возникала как международный обмен результатами исследований, а не как единственное изобретение одной лаборатории.

Винтон Серф и Роберт Кан

В 1973 году Роберт Кан, работавший в ARPA, и Винтон Серф из Стэнфордского университета начали оформлять архитектуру связи между сетями. Кан уже участвовал в развитии ARPANET и хорошо представлял ограничения существующих решений. Серф имел опыт программирования сетевых компьютеров и разработки протоколов. Их сотрудничество объединило инженерные задачи с общей моделью передачи информации.

В 1974 году они опубликовали статью о протоколе межсетевой передачи пакетов. В раннем варианте TCP выполнял сразу несколько функций. Позднее его разделили на два взаимосвязанных протокола: IP, отвечающий за адресацию и пересылку пакетов между сетями, и TCP, отвечающий за надежную доставку данных между программами на конечных компьютерах.

Новая концепция не требовала, чтобы все сети внутри были одинаковыми. Между ними должны были работать специальные устройства, позднее получившие название маршрутизаторов. Они пересылали пакеты по нужным направлениям, позволяя отправителю и получателю не учитывать детали всех промежуточных линий связи. Такой подход оказался особенно удобным для сети, которая могла бесконечно расширяться путем подключения новых участников.

Существенный вклад внесли и многие другие специалисты, включая Джона Постела, Йогена Далала, Дэвида Кларка и разработчиков программного обеспечения в исследовательских лабораториях. История TCP/IP не сводится к двум именам, хотя Серф и Кан справедливо считаются ключевыми архитекторами.

Как работает TCP/IP

IP и TCP решают разные задачи. IP задает адреса устройств и правила доставки отдельных пакетов через последовательность сетей. Пакеты одного сообщения могут проходить разными путями. Протокол IP сам по себе не обещает, что все они дойдут в правильном порядке или вообще достигнут получателя.

TCP добавляет проверку надежности. Он следит за порядком переданных частей, обнаруживает отсутствие нужных данных и при необходимости организует повторную отправку. Благодаря этому прикладные программы могут работать с последовательным потоком информации, не управляя каждым пакетом вручную. Не всем приложениям такая надежность необходима: позднее широко распространился и более простой транспортный протокол UDP, также использующий IP.

Для понимания принципа можно представить отправку большой книги через несколько почтовых систем. IP обеспечивает маркировку и маршрутизацию отдельных конвертов, а TCP помогает установить, какие страницы получены, каких не хватает и в каком порядке их собрать. Аналогия не охватывает всей сложности технологии, но показывает смысл разделения обязанностей.

Открытые описания стандартов позволяли разработчикам разных организаций создавать совместимое оборудование. Ни одна компания не получала исключительного права определять всю архитектуру интернета. Именно общность технического языка помогла объединять университетские, государственные, коммерческие и впоследствии домашние сети.

Путь к переходу

От формулирования идеи до обязательного внедрения прошло почти десятилетие. Новые протоколы нужно было проверить, исправить ошибки и реализовать для разных типов компьютеров. В 1977 году состоялась знаменитая демонстрация соединения пакетной радиосети, спутниковой сети и ARPANET. Передача данных между несколькими разнородными сетями доказала жизнеспособность общей архитектуры.

В 1981 году были опубликованы основополагающие спецификации IPv4 и TCP в документах RFC 791 и RFC 793. Тогда же Джон Постел выпустил RFC 801, подробно определявший план отказа ARPANET от NCP. Его текст устанавливал конечную дату: 1 января 1983 года.

Переход затрагивал не только транспортировку данных. Для новой среды необходимо было адаптировать удаленный доступ Telnet, передачу файлов FTP и электронную почту. Чтобы компьютеры, уже работающие с TCP/IP, могли взаимодействовать с еще не обновленными системами, предусматривались временные промежуточные узлы. Университеты и лаборатории должны были самостоятельно переписать или установить необходимое программное обеспечение.

В марте 1982 года Министерство обороны США утвердило TCP/IP как стандарт для своих компьютерных сетей. К тому моменту многие инженеры уже готовили системы к переходу. Задача была организационной не меньше, чем технической: десятки учреждений с различными машинами должны были одновременно принять общее правило связи.

1 января 1983 года

Первое января получило в сетевом сообществе название «день флага» - flag day. В такой день старые правила должны были перестать поддерживаться как основной способ взаимодействия, а новым стандартом становился TCP/IP. Компьютеры, не подготовленные к переключению, рисковали потерять доступ к другим участникам ARPANET.

Эта дата не означает, что по всей планете в одну секунду включили ранее не существовавший интернет. TCP/IP уже испытывали несколько лет, некоторые сети пользовались им до 1983 года, а отдельные технические проблемы приходилось устранять и после установленного срока. Речь шла о завершении согласованного перехода ключевой сети на универсальные протоколы.

Именно здесь проходит условная историческая граница между ARPANET как отдельной экспериментальной сетью и интернетом как архитектурой, способной объединять множество независимых сетей. Поэтому 1 января 1983 года часто называют одним из «дней рождения интернета», хотя у него есть и другие обоснованные даты рождения.

Значение перехода состояло в создании общей технической основы. После него расширять связь между сетями стало значительно проще: новые системы могли подключаться через IP, не копируя полностью устройство уже существующих. Решение позволяло в дальнейшем соединить разнообразные исследовательские, государственные и коммерческие сети.

Военные и гражданские сети

В 1983 году ARPANET также разделили на исследовательскую часть и военную сеть MILNET, предназначенную для оперативных потребностей американского Министерства обороны. Разделение отражало изменение масштаба системы: экспериментальная сеть университетов и исследовательских учреждений перестала быть удобной единой инфраструктурой для всех военных задач.

Однако военное происхождение сети не означало, что ее дальнейшее развитие определялось только оборонными потребностями. Университеты, инженеры и научные фонды становились все более важными участниками. На основе общих протоколов можно было расширять сотрудничество, не подчиняя каждую локальную сеть одному центральному оператору.

Важную роль сыграла система Unix. Поддержка TCP/IP в версиях Berkeley Software Distribution способствовала распространению протоколов среди исследователей и разработчиков. Вместо создания сетевого программного обеспечения с нуля учреждения получили доступ к решениям, которые можно было устанавливать и совершенствовать на распространенных компьютерах.

При этом широкая публика в 1983 году почти не замечала произошедшей перемены. Интернет еще не имел привычных сайтов, поисковых систем и графических браузеров. Его использовали главным образом инженеры, ученые, военные организации и студенты университетов. Но инфраструктура будущего массового общения уже складывалась.

От имен к адресам

Расширение сети порождало новые задачи. Компьютерам требовались уникальные адреса, а людям было неудобно запоминать длинные последовательности чисел. Первоначально соответствие имен и адресов поддерживалось в специальных общих таблицах. С ростом числа машин обновлять такие списки становилось все труднее.

В 1983 году Пол Мокапетрис предложил систему доменных имен DNS, описанную в RFC 882 и RFC 883. Она позволила организовать распределенное преобразование читаемых адресов в числовые IP-адреса. Развертывание DNS происходило постепенно в последующие годы. Теперь пользователь мог обращаться к понятному названию узла, а не держать в памяти его числовой адрес.

В середине 1980-х годов Национальный научный фонд США начал развивать сеть NSFNET для научных и образовательных учреждений. Она стала одной из основ расширения интернета за пределы первоначального круга ARPANET. В 1990 году ARPANET окончательно вывели из эксплуатации: к тому времени она уже не была необходимым центром объединенной инфраструктуры.

Следующий поворот произошел в Европейской организации ядерных исследований CERN. В 1989 году Тим Бернерс-Ли предложил систему связанных гипертекстовых документов, позднее известную как Всемирная паутина, или World Wide Web. В начале 1990-х годов появились веб-серверы и браузеры, сделавшие информацию гораздо доступнее. Веб работал поверх интернета и не был его синонимом: электронная почта, передача файлов и другие сервисы существовали раньше.

Почему не все согласны с датой

Историки технологий нередко выделяют разные этапы рождения интернета. Для одних важнейшим рубежом является 1969 год, когда начала работать ARPANET. Другие называют 1974 год, когда Серф и Кан опубликовали архитектуру межсетевой связи, или 1977 год, когда несколько разнородных сетей успешно обменялись данными в ходе демонстрации.

Первое января 1983 года выделяется иной особенностью: не изобретением идеи, а ее принятием в качестве обязательного стандарта для центральной исследовательской сети. Это была точка институционального и технического закрепления TCP/IP. Без предшествующих экспериментов такой переход был бы невозможен, однако именно стандарт превратил разрозненные разработки в основу долгосрочной совместимости.

Важно различать интернет и Всемирную паутину. Интернет - это соединение сетей и технические правила передачи данных. Паутина - одна из служб, которая работает на этой основе и использует сайты и ссылки. Поэтому массовая популярность веба в 1990-е годы не является датой создания самого интернета.

Наследие

Переход ARPANET на TCP/IP стал одним из ключевых этапов истории вычислительной техники. Его непосредственными результатами были совместимость различных сетей, устойчивый стандарт для разработчиков и возможность расширения за рамки одной экспериментальной инфраструктуры.

В последующие десятилетия интернет изменил образование, науку, торговлю, журналистику и повседневное общение. Электронная почта стала обычным инструментом работы, сайты - средством публикации информации, а цифровые сервисы - частью экономики. Все это опиралось на принцип, заложенный в архитектуре TCP/IP: независимые сети могут взаимодействовать при помощи согласованных протоколов.

Одновременно рост сети выявил ограничения ранних решений. В частности, адресное пространство IPv4 оказалось недостаточным для бесконечного расширения числа подключенных устройств. Для решения этой проблемы был разработан IPv6 с существенно большим адресным пространством. Переход к нему идет постепенно, причем основные идеи межсетевого взаимодействия остаются прежними.

Событие 1 января 1983 года не сопровождалось массовыми торжествами, не было заметно большинству жителей планеты и не означало появления знакомого сегодня веба. Его историческое значение проявилось позднее: общий технический стандарт позволил соединить сети, которые прежде не могли свободно общаться друг с другом, и создал фундамент глобального интернета.