Это похоже на магию!
С легким движением пальцев возникают образы, сообщения и контакты с людьми, находящимися далеко от нас. Лишь сформулируйте свою мысль – и мгновенно она становится реальностью.
Но так было не всегда.
Технологии развивались постепенно, вначале служа узкому кругу – государствам и военным, и лишь со временем они стали частью нашей повседневной жизни, а Интернет объединил все это в поистине волшебный мир.
Начало: удалённое подключение к компьютеру
Сначала компьютеры были большими и очень большими. К тому же дорогими и редкими. А вот устройство, с помощью которого люди начинали общаться с такими компьютерами, к тому моменту существовало уже много лет – это был телетайп, печатная машинка, позволяющая печатать на очень большом расстоянии.
Телетайп — это электромеханическое устройство, предназначенное для передачи текстовых сообщений на расстояние с помощью кодирования и декодирования символов. Телетайпы были разработаны в начале 20-го века и использовались для связи между офисами, газетами, правительственными учреждениями и другими организациями, которым требовалось отправлять и получать текстовые сообщения.
У телетайпа были прекрасные возможности для подключения к компьютеру и фактически цифровой интерфейс ввода-вывода. Поэтому и общаться с первыми компьютерами на большом расстоянии (при наличии телетайпной сети) проблем не было.Компьютеры были дефицитной диковинкой, поэтому использовались простые устройства – терминалы, которые позволяли подключаться к ним издалека. Все, что нужно было – это кабель и стабильный сигнал. Но специальные кабели были не везде, а вот телефонные провода уже были протянуты повсюду. В развитых странах, разумеется. Так появилась идея передавать информацию между компьютерами через телефонные линии: колебания звуковой частоты уже беспроблемно передавались на большие расстояния, технология была отработана. Передача по этим же проводам информации от компьютера к компьютеру стала революционным моментом для связи на расстоянии. И для этого появились устройства – модемы.
Сокращение от МОДулятор-ДЕМодулятор. Модем — это устройство, которое позволяет компьютерам обмениваться данными через телефонные или кабельные линии. Принцип работы модема заключается в преобразовании цифровых данных из компьютера в аналоговый сигнал, который может передаваться по линии связи, и обратно.
Модулируем-демодулируем по телефонному кабелю
Первый интернет строился на использовании таких цифровых телефонных каналов связи.
Однако для домашнего применения это решение было дорогим. Да и компьютеров изначально в домах не было.
Революция домашних компьютеров пошла в конце 70-х – в 80-х годах с появлением Apple I, II и Spectrum, Commondore… Но это другая, очень интересная история.
Многие из первых, относительно недорогих, домашних компьютеров имели возможность установки плат расширения, среди которых были и модемы. И телефонная сеть позволила соединять два домашних компьютера. Это ещё не Интернет, но возможностей уже очень много. Телефонная сеть изначально предназначена для передачи голоса человека, который находится в диапазоне от нескольких герц до 4 кГц. По теореме Котельникова для оцифровки этого сигнала необходимо измерять амплитуду голосовой волны 8000 раз в секунду и записывать значения от 0 до 256.
Теорема Найквиста-Котельникова говорит о том, как правильно превратить аналоговый сигнал (непрерывный) в цифровой (состоящий из отдельных точек) и обратно, не потеряв информации. Она утверждает, что для этого нужно делать «снимки» аналогового сигнала минимум в два раза чаще, чем его самая высокая частота. Таким образом, мы можем быть уверены, что сможем восстановить аналоговый сигнал из цифровых данных без потерь.
Таким образом, звук голоса кодируется и преобразуется в цифровую форму, что указывает на теоретическую емкость стандартного телефонного канала. В 1970-е годы, когда появились домашние модемы, качественного оборудования не было, поэтому изначально скорость передачи составляла 300 бит в секунду или бод (в честь Гарри Боде).
Гарри Найквист Боде (Harry Nyquist Bode, 1905-1982) был американским инженером и ученым в области систем контроля и электроники. Он считается одним из основателей теории автоматического управления и разработчиком Боде-плота, инструмента, который используется для анализа характеристик передачи и стабильности линейных электрических сетей.
Боде работал на Bell Telephone Laboratories, где внес значительный вклад в разработку теории усилителей и систем управления. Также он авторо важных трудов по теории обратной связи и стабилизации систем. Боде-плот представляет собой комбинацию амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик и широко применяется в электронике, автоматике и других областях техники для анализа и проектирования систем.
Сейчас кажется, что это очень мало, но тогда это была магия: вы могли передать свое письмо или крошечную картинку кому-то в другом месте. Передавать картинки тогда было сложно: их рисовали символами английского алфавита и спецсимволами, которые были в знакогенераторах тогдашних компьютеров.
Технологии развивались, и использование телефонной сети, предназначенной для передачи голоса, позволило передавать данные между компьютерами на все более высоких скоростях: 2400, 9600, 19200 бод и дальше. С переходом телефонных сетей на цифровые технологии, скорость аналогового модема приблизилась к теоретическому максимуму в 64 килобит/с и достигла 57 килобит/с.
Мечта любого интернет энтузиаста второй половины 90-х в России: модем U.S. Robotics Courier 56K
Звук модема, соединяющегося с интернетом по телефонным проводам
Технологии телефонных сетей также развивались: телефонная сеть становилась цифровой, и голос на конце абонентской медной линии оцифровывался и далее передавался по стране или между странами в цифровом виде. Телефонные сети американских и европейских телекоммуникационных компаний стали цифровыми, и их возможности использовались для связи между большими университетскими компьютерами.
Первая цифровая телефонная сеть была внедрена в 1960-х годах в СШАкомпанией AT&T. Это была система T1, предназначенная для передачи цифровых сигналов с использованием временного разделения каналов (TDM). T1 имела пропускную способность 1,544 Мбит/с и была первоначально разработана для передачи 24 одновременных телефонных разговоров по одному медному кабелю.
В Европе аналогичная система, называемая E1, была внедрена в 1970-х годах. E1 имела пропускную способность 2,048 Мбит/с и могла передавать 30 одновременных телефонных разговоров.
Процесс перехода на цифровые телефонные сети продолжался вплоть до 1990-х годов и 2000-х годов.
Один голосовой канал занимал 8000 отсчетов в секунду по 256 значений, что давало 64 кбит/с. Для больших компьютеров предприятий создавались интерфейсы для подключения к этим сетям в чисто цифровом виде. Более того, появилась возможность цифровых подключений абонентских телефонов в домах с использованием технологии ISDN, когда ваш голос оцифровывался не на телефонной станции, а непосредственно у вас дома. Обычно по этой технологии подключались две телефонных линии по 64 кбит/с, которые можно было использовать, в том числе, для передачи данных.
ISDN (Integrated Services Digital Network) – это стандарт цифровой телефонной связи, который позволяет передавать голос, данные и видео по одной цифровой линии. Он был разработан в 1980-х годах и использовался для замены аналоговых сетей передачи данных.
ISDN предоставляет два основных типа соединений: B-каналы (Bearer channels) и D-каналы (Delta channels). B-каналы используются для передачи голоса и данных, а D-каналы для управления соединением.
К сожалению, такая технология не успела развиться в России и Советском Союзе, но активно развивалась в западных странах. В России телефония во многом оставалась аналоговой, с медными проводами, что приводило к сложностям соединения между компьютерами с помощью модема.
Модемы с скоростью передачи данных 2400 бод стали широко распространяться в конце 1980-х и начале 1990-х годов, когда персональные компьютеры стали популярными и доступными для широкой аудитории.
Рост скорости передачи данных по телефонной сети с помощью модема привел к появлению данных, которые стали передаваться. Сначала это были короткие текстовые сообщения, затем простейшая графика, созданная с помощью текстовых символов. Когда память компьютеров увеличилась и стала обрабатывать простейшие изображения, появились и файлы изображений.
Что касается размера памяти компьютеров в те времена, то он был гораздо меньше, чем сейчас. Например, в первых IBM PC, выпущенных в 1981 году, было всего 16 килобайт оперативной памяти (RAM) и 64 килобайта постоянной памяти (ROM). В конце 1980-х годов уже были доступны компьютеры с 1 мегабайтом оперативной памяти, а в начале 1990-х годов появились компьютеры с 4-8 мегабайтами оперативной памяти…
С тогдашними скоростями модемов передача интересных программ занимала несколько минут или даже часов (автор статьи скачивал 9-мегабайтную игру Quake модемом на 2400, можете подсчитать, сколько это заняло времени).
Скорости, мощность и память компьютеров росли, появлялись новые медиафайлы, которыми люди хотели обмениваться. Больший размер новых медиа стимулировал разработку оборудования, которое могло их обрабатывать проще и быстрее. Таким образом, техника развивалась по спирали.
Больше двух: общаемся в широком кругу
До сих пор мы рассматривали передачу данных между двумя компьютерами, а также между людьми, работающими или развлекающимися за компьютерами дома.
Однако, что если нужно отправить данные кому-то на расстоянии, когда дозвониться сложно или слишком дорого? Или вы хотите донести важную информацию до ещё незнакомых вам людей?
BBC и «доски объявлений»
В США появилась возможность коммуникации между большим количеством людей с помощью Bulletin Board System (BBS) – компьютера с специальной программой, размещенного у кого-то дома, подключенного к телефонной линии, номер которой был опубликован в местной газете (бумажные издания были тогда популярны). Позвонив на этот номер с помощью модема, люди могли почитать новости, скачать программы, оставить объявления или отправить личные сообщения другим пользователям этой BBS.
Первая BBS (Bulletin Board System) была создана в 1978 году в городе Чикаго, США. Ее создатель, Рэнди Сейлз (Randy Suess), разработал систему, которая позволяла пользователям обмениваться сообщениями на дому, используя модем и телефонную линию. В России BBS стали появляться в середине 1980-х годов и получили наибольшее распространение в период с 1990-х до начала 2000-х годов.
BBS – это что-то вроде доски объявлений на входе в общежитие или многоквартирный дом, где каждый может оставить своё сообщение. Однако в компьютерном мире количества и видов информации, которые можно оставить на «доске объявлений», гораздо больше. Множество людей могли подключиться и посмотреть информацию, но для обмена такой информацией необходимо знать номер телефона и обмениваться можно только с теми, кто также звонил на этот же номер.
Стоит отметить, что несмотря на отставание России в развитии и распространении домашних компьютеров и модемов, в начале 90-х BBS также стали появляться и у нас в стране. Начал появляться рынок домашних компьютеров, а кроме того, энтузиасты собирали их из дефицитных радиодеталей.
FIDO и сотоварищи: первые сети передачи данных
Но что делать, если нужно отправить сообщение кому-то, кто находится далеко, не знаком с вашей BBS и может быть даже в другой стране, где междугородний звонок очень дорог?
Зародилась и стала реализовываться идея о том, что местные компьютеры с модемами, на которые пользователи звонят по местным тарифам, могут связываться друг с другом и обмениваться информацией. Появились так называемые file transfer networks (сетей передачи файлов).
Самыми популярными стали сеть FIDO (FidoNet) и сеть передачи электронной почты, основанная на протоколе Unix-to-Unix Copy Protocol (UUCP).
FIDO
FidoNet представляет собой сеть из множества BBS, которые связаны между собой.
FIDO (FidoNet) была создана в 1984 году Томасом Дженсеном (Tom Jennings) в США. FidoNet была распространена по всему миру и стала одной из самых крупных сетей передачи файлов а 1980-х и 1990-х годах.
Почтовые сети в основном работали между компьютерами организаций и крупных компаний, тогда как FIDO была доступна для обычных пользователей. И FIDO все еще работает! Несмотря на то, что объемы современной информации делают передачу данных с помощью модемов и компьютеров сложной, на сегодня существуют специальные шлюзы для отправки почты из интернет-сети в сеть FIDO.
Протокол UUCP
Сеть передачи почты, основанная на протоколе UUCP, стала предтечей развития интернета. Изначально в России продавались услуги электронной почты, а не интернета. Обычно доступ к электронной почте в начале 1990-х предоставлялся по подписке, и стоимость этой подписки была довольно высокой.
IAUP (International Association of Users of Electronic Mail Systems) — это международная ассоциация пользователей электронной почты, которая была создана в 1984 году. Целью ассоциации было содействие развитию и распространению электронной почты в мире. В России услуги доступа к электронной почте предоставляли различные организации, такие как Московский центр электронной почты (МЦЭП), Российский научно-исследовательский институт системных исследований (РНИИСИ), Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), Московский физико-технический институт (МФТИ) и другие.
В 1991 году, во время августовского путча, сообщения о происходящем распространялись через узел компании «Релком» с помощью электронной почты.
Развитие технологий и потребность в получении информации позволили компаниям перейти на технологии интернета и начать продавать услуги доступа в интернет. Собственно, появлялся и сам интернет в привычном нам понимании.
Первые сайты
Один из первых сайтов в России был создан в 1994 году. Это был сайт Московского физико-технического института (МФТИ). На нём была размещена информация об университете, его истории, научных исследованиях и других событиях.
Еще одним из первых сайтов в России был сайт компании «Релком» . Сайт был создан в 1994 году и содержал информацию о компании, ее услугах и новостях.
Также в середине 1990-х годов появились первые онлайн-издания, такие как «Газета.ру» и «Компьютерра». Они были доступны в интернете и предлагали своим читателям новости, статьи и другую информацию.
Соединения с помощью модемов
История развития соединений с помощью модемов заслуживает отдельного внимания.
Сначала передавались семибитные символы, которых было достаточно для передачи английского текста. На случай плохого качества телефонной линии и зашумленного сигнала разрабатывались дополнительные протоколы, позволяющие корректировать ошибки, возникающие в результате неудачной модуляции-демодуляции или потери сигналов в линии. Те, кто помнит модемные соединения, знают о настройках количества бит, бит четности, бит переноса и о более сложных протоколах коррекции ошибок, таких как MNP.
MNP (Microcom Networking Protocol) – это набор стандартов, разработанный компанией Microcom, для улучшения производительности и надежности передачи данных по телефонным линиям, используя модемы.
MNP включает в себя различные протоколы, которые обеспечивают сжатие данных, контроль ошибок, управление потоком данных и другие функции, которые улучшают качество связи и повышают скорость передачи данных.
Один из наиболее известных протоколов, входящих в состав MNP, – это MNP5, который обеспечивает аппаратное сжатие данных на модемах. Другие протоколы включают MNP10, который улучшает качество связи на зашумленных линиях, и MNP4, который обеспечивает контроль ошибок при передаче данных.
По модему и сетям, предназначенным для передачи файлов, наилучшим образом передавались текстовые сообщения в кодировке ASCII с использованием 7 бит на символ. Для передачи других типов сообщений – программ, двоичных файлов или изображений – разработали метод преобразования двоичных данных в текст, удачно вписывающийся в набор символов ASCII – Encoding. Передача больших файлов по модему была проблематичной, и файлы могли теряться из-за ошибок или разрыва соединения. Большие и очень большие сообщения разрезались на более мелкие части. Существовали специальные программы, которые разбивали и затем собирали обратно большие картинки или программы.
Стоит отметить, что даже сейчас сообщения, отправляемые через интернет по электронной почте, могут быть преобразованы в семибитную кодировку, но это уже скорее дань традиции.
Итак, появились сети, базирующиеся на передаче файлов, в которых находятся почтовые сообщения. В то же время, возникла маршрутизация почтовых сообщений в зависимости от адреса получателя, указанного в сообщении.
- В случае с FIDO адреса были исключительно иерархическими: сообщения с вашего конечного устройства (point) передавались на ноду (node), затем шли на следующий уровень вверх, и только на верхнем уровне сообщения могли обмениваться между странами.
- В почтовых сетях, основанных на протоколе UUCP (который использовался в Unix-системах), почта не следовала строгой иерархии, а доставлялась до первого хоста, после которого определялся маршрут дальнейшей доставки. Иными словами, UUCP работает на основе древовидной сети, в которой каждый узел может передавать сообщения другим узлам. И каждый узел может быть как отправителем, так и получателем сообщений. Сеть, построенная на базе UUCP, может быть достаточно плоской, тогда как сеть FIDO является более централизованной, поскольку узлы на более высоком уровне иерархии могут контролировать обмен сообщениями между узлами на более низком уровне.
Провайдеры
Немного позже появились провайдеры, предоставляющие коммерческий доступ в интернет.
Компания Demos начала предоставлять услуги доступа к Интернету в России в 1993 году, но услуга была только для научных и образовательных учреждений. В 1995 году компания «Релком» запустила свою услугу Relcom Internet Service, которая стала доступна для коммерческих и частных пользователей, и это можно считать началом коммерческого доступа в Интернет в России.
Ваш компьютер получал реальный IP-адрес, и вы могли подключаться к различным интернет-сервисам или даже запускать их самостоятельно, хотя скорость доступа была, мягко говоря, не очень высока.
Оплата за интернет в разные годы значительно отличалась. Оплата во времена BBS и сетей передачи файлов, как правило, включала только стоимость времени соединения. В западных странах тарификация обычно была поминутной. В США владельцы BBS могли использовать услуги телефонных компаний для сбора платежей за свои сервисы. Многие из первых интернет-провайдеров в США, например, Compuserve, начинали как BBS и предоставляли доступ в интернет. Телефонные номера для доступа к Compuserve, кстати, были и в России.
Но в России ситуация исторически сложилась иначе: поминутная оплата телефонных соединений не была широко распространена, а телефоны были доступны не для всех. Кроме того, некоторые телефонные линии были «спаренными» (обслуживали несколько абонентов) и неудобными для модемного доступа. Терминальный и полноценный доступ в интернет обходились очень дорого: стоимость составляла 2-9 долларов в час. В ответ на это преемники советских телефонных компаний начали вводить повременную оплату за звонки, что еще больше увеличило стоимость интернета.
Чтобы привлечь клиентов, провайдеры предлагали более дешевые тарифы в ночное время, и основным маркетинговым прорывом стали тарифы с относительно бесплатным доступом на протяжении всей ночи. В Москве один из провайдеров предлагал ночной безлимит за $20 в месяц. Однако дозвониться до провайдера в часы действия такого тарифа было практически невозможно.
Для провайдеров проблемой было получение телефонных номеров с большим количеством входящих линий. Телефонисты в России не любили интернет-провайдеров и не могли предоставить такие услуги связи, как в западных странах. Вместо этого они пытались заработать на коррупции. В Москве были случаи, когда коррумпированные сотрудники московской городской телефонной сети обходили систему учета телефонных звонков и продавали дополнительные линии провайдерам. Также известны случаи мошенничества с телефонными звонками, когда междугородние и международные звонки проходили мимо биллинга телефонных операторов, а собранные деньги попадали в карман ушлых дельцов.
Пакетная реорганизация
Для доступа в интернет можно было использовать пакетное развитие телефонной сети, X.25.
В России сеть X.25 появилась в конце 1980-х годов и начале 1990-х годов в рамках развития информационно-вычислительной инфраструктуры для государственных нужд. Сеть X.25 использовалась в основном для передачи данных между государственными учреждениями и организациями, такими как банки, аэропорты, научно-исследовательские учреждения и другие.
С середины 1990-х годов и до начала 2000-х годов, когда сеть X.25 стала более широко доступна для коммерческих компаний, ее использовали и западные компании, имеющие бизнес в России. Кроме того, существовали специальные сервисы, которые позволяли подключаться к X.25 через глобальную телефонную сеть, что сделало сеть X.25 доступной для международных компаний. Проще говоря, в неё можно было попасть также по модему, позвонив на определённые номера. Через X.25 выходили в интернет некоторые русские хакеры, в том числе, например, «отец хакерства» Владимир Левин, который был пойман на взломе Sitibank в 1994 году.
В 1994 году Владимир Левин, программист из Санкт-Петербурга, сумел взломать защиту нью-йоркского банка Sitibank. Он перевел более 12 миллионов долларов на зарубежные счета клиентов банка. Когда банк узнал о краже денег, ФБР включилось в дело. Левин получил часть переведенных средств наличными, а остальные суммы были получены курьерами в разных странах. Большинство курьеров было арестовано при попытках получить деньги на руки. С помощью МВД России удалось выяснить, что Левин входил в компьютерную сеть из помещения компьютерной фирмы «Сатурн СПб» . Его личность была установлена. Однако на тот момент УК РФ не содержала статей о компьютерных преступлениях, и Левин был невиновен с точки зрения действующего законодательства. Сыщики России и США провели тонкую психологическую игру с арестованными подельниками Левина и смогли добиться того, чтобы он почувствовал угрозу и отправился в Великобританию. Левин был арестован в аэропорту «Стэнстед» в марте 1995 года и экстрадирован в США, где был осужден на 3 года тюремного заключения.
Разгоняемся по телефонным проводам
Технологии цифровой обработки сигналов продолжали развиваться, что привело к появлению более высокоскоростных модемов для выделенных линий. Это были медные провода, которые соединяли здания через АТС и телефонную инфраструктуру, не проходя через телефонные коммутаторы. Старые телефонные компании имели обширную медную инфраструктуру для подключения абонентов. Толстые кабели, содержащие много пар медных проводов, использовались для подключения телефонов. Хотя эти кабели были предназначены для передачи телефонных разговоров на частотах человеческого голоса, современная цифровая обработка сигналов позволила передавать данные на значительно более высоких скоростях.
Так появилась технология ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия), которая предоставляла доступ в интернет тем, у кого уже был телефон. «Асимметричный» означает, что более продвинутое оборудование на стороне телефонной станции позволяло передавать данные на высокой скорости к абоненту, а с абонентской стороны данные отправлялись на скоростях менее высоких.
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) – это технология передачи данных по телефонной линии, которая позволяет передавать данные со скоростью до 24 Мбит/сек вниз по линии (от провайдера к абоненту) и до 3,5 Мбит/сек вверх по линии (от абонента к провайдеру). ADSL использует частотное разделение каналов (Frequency Division Multiplexing, FDM), чтобы разделить телефонные голосовые каналы и каналы передачи данных. ADSL работает на расстоянии до 5 км от центрального узла связи.
ADSL была особенно привлекательна для пользователей в начале 2000-х годов, она позволяла использовать одну и ту же телефонную линию для телефонных звонков и доступа в интернет одновременно, без необходимости установки дополнительных проводов или линий. Это значительно облегчило процесс перехода на широкополосный доступ в интернет для многих домашних и офисных пользователей.
Медные провода имели существенные недостатки, такие как затухание сигнала высоких частот, необходимых для высокоскоростной передачи данных, и слабую изоляцию от электромагнитных помех. В старых многожильных кабелях, которые могли содержать от 100 до 1000 пар проводов, упакованных в свинцовую трубку и проходящих через телефонную канализацию от телефонной станции к телефонной станции или крупному зданию, передача сигналов высокой частоты была проблематичной. Высокочастотные сигналы, передаваемые по большому количеству телефонных проводов в таком кабеле, наводили существенные помехи друг на друга, что вызывало проблемы со скоростью и пропадание связи.
Из стандартов передачи данных по телефонной линии самым быстрым на сегодняшний день является VDSL2. Он был опубликован в мае 2006 года и позволяет достигать скорости передачи данных до 300 Мбит/с на расстоянии до 300 метров от центрального узла (DSLAM), и до 100 Мбит/с на расстоянии до 1 км.
Кроме VDSL2, также широко используются стандарты ADSL2+ (опубликован в феврале 2003 года) и VDSL (2001 год), позволяющие достигать скорости передачи данных до 24 Мбит/с и 200 Мбит/с соответственно.
Стоит отметить, что скорость передачи данных по DSL-технологии зависит от многих факторов, включая качество линии, удаленность от центрального узла, качество оборудования и другие. Поэтому фактические скорости могут значительно отличаться от заявленных.
Впрочем, некоторые разработки продолжались. Например, стандарт G.fast — это стандарт для передачи данных по медным кабелям на короткие расстояниях, который был опубликован в 2014 году. Он является развитием стандарта VDSL2 и позволяет достигать скоростей передачи данных до 1 гигабита в секунду на расстоянии до 100 метров и до 500 Мбит/с на расстоянии до 250 метров. G.fast использует широкополосные частоты до 212 МГц, что позволяет достигать высокой скорости передачи данных.
Более лучшие провода
Для улучшения ситуации медные провода стали перевивать попарно (витая пара). Стандарт Витая пара (Twisted Pair) был разработан в 1990-х годах и был опубликован в 1995 году, а затем был пересмотрен и модернизирован в 2002 году.
Витая пара – это тип кабеля, в котором два провода внутри пары скручены по спирали вместе, чтобы уменьшить помехи. Эффект достигается благодаря тому, что электрический ток, протекая через один проводник, создает магнитное поле вокруг себя, которое может негативно повлиять на сигналы в других проводниках. При скручивании проводов вместе магнитное поле одного проводника компенсируется магнитным полем другого проводника, что снижает помехи и повышает качество сигнала в кабеле. Это делает витую пару одним из наиболее распространенных типов кабелей для передачи данных в различных сетях.
Однако стандарты того времени предполагали передачу только голоса или, в случае цифровой телефонии ISDN, данных на невысоких скоростях и частотах.
Для доступа в интернет в России в начале 2000-х использовали и спутниковую связь. С развитием спутниковой связи и технологий, пользователи могли достигать скорости передачи данных до двух мегабит в секунду, что превосходило возможности модемных подключений того времени. В России пионером этого подхода стал НТВ+, использовав спутник Eutelsat W4 (ранее называвшийся Eutelsat SESAT 1). Пользователи использовали два канала связи: обычный модем для отправки данных в Интернет (медленно) и спутниковую тарелку для получения ответов от провайдера (быстро). Эта схема была эффективной, так как входящий трафик часто преобладал над исходящим в соотношении до 10:1. Из очевидных минусов: огромные задержки – 500 мс и выше, и необходимость дополнительного оборудования – спутниковой тарелки от 0,9 метра, специальных плат типа Skystar 1 или Skystar 2.
Вместо телефонного модема можно было использовать и выделенные линии, которые начали появляться в крупных городах в начале 2000-х. Особенно выгодна такая схема была при условии, что оплачивался, как правило, только входящий трафик А в случае с использованием спутниковой тарелки для входящего трафика на выделенной линии он практически отсутствовал. Надо ли говорить, что операторы, продающие 30 мегабайт трафика за 5$ такие хитрые схем очень невзлюбили.
Операторы транслировали данные бродкастом (широковещательно) со спутника, позволяя множеству пользователей одновременно принимать информацию. Пользователи могли выбирать нужные данные, а также скачивать фильмы по расписанию, если кто-то другой уже планировал их скачать.
Этот период можно считать пиком истории передачи данных по старой проводной телефонной инфраструктуре. Разработчики постепенно перестали фокусироваться на использовании телефонных линий для передачи данных и выбрали другой тип среды для передачи данных.
Таким образом, в к середине 2000-х в России стала заканчиваться эра интернета по телефонным проводам и началась эра других проводов и кабелей.
И пришёл Ethernet
Начиная с 1970-х годов вместе с развитием цифровой телефонии возникли и другие технологии. В центре XEROX PARC, где были придуманы компьютерная мышь и «оконный» интерфейс, также работали над тем, как связывать компьютеры на высокой скорости. Именно там был разработан стандарт Ethernet, который сейчас является самым популярным методом связи между компьютерами.
Ethernet – это технология локальных сетей (LAN), которая использует кабельную передачу данных. Ethernet была разработана в Xerox PARC в 1970-х годах и стала одной из самых распространенных технологий для соединения компьютеров в локальных сетях. Это простой, универсальный, надежный и доступный стандарт передачи данных, обладающий высокой производительностью и поддерживающий широкий диапазон протоколов.
Тогда он был значительно медленнее и требовал существенно более дорогой инфраструктуры, но его в основу были заложены принципы, которые позволили ему развиваться и дальше. На 2023 год существую более 40 разновидностей стандарта Ethernet, отличающихся друг от друга скоростью передачи данных, типами кабелей и методами модуляции сигнала.
Метод модуляции канала (Channel bonding) – это технология, позволяющая объединить несколько каналов передачи данных в единый канал, что позволяет увеличить скорость передачи данных.
Суть метода заключается в том, что данные делятся на несколько потоков и передаются по разным каналам одновременно. В итоге, получателю нужно обратно объединить эти потоки в один, чтобы получить исходный файл.
В современных системах связи для объединения каналов используются различные технологии, такие как мультиплексирование временных интервалов (TDM), мультиплексирование частот (FDM), кодовое деление канала (CDMA) и другие.
В технологии Channel bonding используется метод FDM, при котором частотный диапазон делится на несколько полос, которые используются для передачи данных. Эти полосы могут быть физически отдельными кабелями или логически разделены на кабеле.
Идея стандарта интернета была идеей общей среды передачи. Как у радиосигнала, только заключенной в медный кабель. Поэтому к одному носителю можно было подключить много устройств, которые могли обмениваться между собой на высокой скорости. Первоначально это был так называемый «толстый интернет» с большим количеством кабеля и сложным подключением. Потом появился более простой «тонкий интернет» (ставший очень популярным): использовался коаксиальный кабель, похожий на телевизионный, который позволял передавать информацию в одном куске кабеля – сегменте – на 500 м, а при помощи повторителей на существенно большее расстояние. Цена кабеля и повторителей была довольно невысокой, поэтому это позволило строить сети в пределах жилых домов, общежитий университетов и небольших поселков. Для построения компьютерных сетей по коаксиальному кабелю были и другие технологии, к сожалению, ныне отмершие. Например, российская Иола.
Иола (IOLA) – российская технология сетей передачи данных, разработанная в конце 1990-х годов. Она представляла собой сеть, основанную на коаксиальном кабеле, и использовалась для передачи данных в локальных сетях. Система работала по протоколу CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), что позволяло избежать коллизий в канале передачи данных.
Коаксиальный кабель, который использовался в системе Иола, позволял передавать данные на расстояния до 200 метров без использования повторителей сигнала. Также Иола предлагала высокую скорость передачи данных на уровне 100 Мбит/с.
Однако, несмотря на свои преимущества, технология Иола не получила широкого распространения. Это произошло по нескольким причинам. Во-первых, развитие технологии Ethernet и появление новых стандартов, таких как 100BASE-TX, 1000BASE-T, привело к тому, что коаксиальный кабель стал устаревшим и неактуальным для большинства пользователей. Во-вторых, Иола была разработана в России, и мало кто знал о ее существовании за пределами страны.
Вообще, для компьютерных сетей существовали и другие технологии – TokenRing, FDDI, ATM, но они были существенно более дорогими, для массовых сетей не прижились и ныне вымерли.
Кроме того, с середины 1990-х годов многие пользователи использовали коаксиальный кабель Ethernet для создания «пионерских» сетей в пределах своих домов или квартир. Они могли объединить несколько компьютеров на одном подключении и обмениваться данными между ними. Некоторые из этих пионеров в дальнейшем стали официальными провайдерами интернет-услуг и построили свои сети на основе Ethernet.
Первоначально технология Ethernet включала тонкий коаксиальный кабель, который позволял соединять компьютеры на больших расстояниях, но имел ряд недостатков. Это была общая среда передачи данных, где при попытке одновременной передачи данные «сталкивались» (это называется коллизией), что снижало скорость передачи данных. Технология Collision Detection помогала увеличивать скорость передачи данных, но если было много компьютеров в одном сегменте – скорость передачи сильно падала. Была также проблема электрической совместимости при строительстве сетей между зданиями, что приводило к сгоранию оборудования, например, при грозе. С появлением интернета на витой паре ситуация изменилась, хотя проблема с грозоустойчивостью никуда не ушла. Однако Ethernet стал коммутируемым, и теперь каждый сегмент стал кусочком кабеля между двумя устройствами. Коммутаторы используются для избежания коллизий и снижения провалов в производительности.
И тогда Ethernet приобрел оптический интерфейс, т.е. для передачи данных стали использовать оптическое волокно. Оно способно передавать данные с беспрецедентными скоростями относительно медных конкурентов и имеет более благоприятные физические характеристики – бОльшую термо- и помехоустойчивость, износостойкость и пр., т.е. при бОльшей рабочей емкости оно еще и значительно более удобно в обращении.
С ним Ethernet стал более скоростным – 100 Мбит/с, 1 Гбит/с, 10, 25, 40, 100 Гбис/с и далее. Современные компьютеры обычно имеют 1 гигабитный 2,5 гигабитный или 10 гигабитный интерфейс, а коммутаторы, маршрутизаторы и сетевое оборудование могут иметь интерфейс до 400 Гбит/с. Однако оптический Ethernet очень дорог, так как требует точных светодиодов, оптического волокна и кабелей с несколькими волокнами, а также их укладки и соединения – сварки.
Вообще для передачи данных оптоволокно использует активно с 80-х годов прошлого века, но в силу своей высокой стоимости применялось оно только для магистральных каналов, а тянуть в каждый дом оптический шнур было неоправданно дорого. Но со временем технология будет удешевляться, и к началу 2010-х годов стоимость оптоволокна и медного кабеля сравняются, что приведет к логичным изменениям: оптоволокно начнут тянуть в каждый дом. В 2015 году МГТС начать активно внедрять эту технологию в жилых домах Москвы.
И всё же скорости передачи данных по старой медной телефонной инфраструктуре были невысокими, даже с использованием цифровой сети ISDN. Максимальная скорость составляла от 128 Кбит/с до нескольких Мегабит/с.
В то же время, интерфейс компьютеров становился более быстрым, в начале 2000-х Ethernet достигал скорости 100 Мбит/с, а домашние компьютеры уже могли обрабатывать информацию на такой скорости. Мультимедиа развивалась, компьютеры могли декодировать и кодировать информацию на лету, сначала музыку в формате MP3, а затем и видео в реальном времени, хоть и с низким качеством. Появилась возможность проведения видеозвонков, приложения для звонков через интернет, такие как Skype, и аппаратные устройства для видеоконференций с реальным временем сжатия видео, например, Cu-Cme.
Cu-Cme — это комбинация аббревиатур, которые относятся к технологии связи Cisco Unified CallManager Express (CME). Это программное обеспечение для IP-телефонии, которое предоставляет функциональность офисной телефонии для малых и средних предприятий. Оно позволяет управлять вызовами, регистрировать и настраивать IP-телефоны, устанавливать голосовые сообщения, а также предоставляет другие функции связи.
Все это требовало повышения скорости интернета не только на магистралях, но и для домашнего подключения. Пионеры в области сетевых технологий становятся более серьезными, а оборудование для подключения к интернету становится доступнее. Медные кабели для передачи интернета также снижаются в цене. Оборудование 100 Мбит/с Ethernet становится массовым на рынке, что позволяет с помощью доступных коммутаторов подключать каждую квартиру к 100 Мбит/с-му медному кабелю. Международный магистральный интернет тогда еще довольно дорогой, безлимитные тарифы еще не появляются, и операторы вынуждены считать трафик до абонентов. Чем быстрее соединение, тем больше скачанных данных и больше платежей операторам. Операторы заинтересованы в повышении скорости подключения.
В результате в старых домах строятся новые, современные и высокоростные сети, а в новых операторы стараются предложить сразу не только телефонные сети, но и интернет. Так появляется бизнес-модель ETTH – Ethernet в каждый дом или квартиру. Дома можно установить коммутатор, маршрутизатор и создать собственную локальную сеть или использовать беспроводное подключение, не требуется специальный ADSL-модем.
Тем временем, производство оптического волокна значительно дешевеет, и появляется технология надежного оптического волокна с пластиковой оболочкой, удобной для прокладки в многоквартирных домах и офисах.К началу 2010-х стоимость оптических гигабитных и 10-гигабитных интерфейсов снижается до уровня медных интерфейсов, что приводит к переходу части сетей на оптический Ethernet.
PON – дешевое оптоволокно
При всей своей технологичности, удобстве и дешевизне оптоволокно имеет неприятный недостаток: оно очень сложно в монтаже. Поэтому, например, до сих пор оптоволоконный кабель, заведенный прямо в квартиру (к пользователю) встречается не так часто – с привычными медными проводами все ещё значительно проще. Однако уже появилась и внедряется технология PON, которая решает сложности монтажа.
PON использует один быстрый интерфейс с разветвленным оптическим волокном, которое передает данные между абонентами на разных длинах волн лазера одновременно (в результате каждый абонент получает собственный временной слот для передачи данных).
Т.е. PON позволяет передавать данные не только на разных волнах, но еще и умеет делить их во времени. Это важно, так как накладывает некоторые ограничения: чем больше «качает» твой сосед в одном с тобой луче PON, тем меньше тебе достается скорости.
PON не требует активного оборудования на пути и имеет удобное централизованное управление, что делает ее привлекательной для крупных операторов. Фактически это дешевый способ подать оптоволокно каждому пользователю, физически не протягивая от узла связи персональное волокно.
Но дело это новое, и пока нет единого стандарта для сетей PON. Т.е. производители предлагают свои решения, но если провайдер их купит — он будет и дальше зависеть от решений производителя. Для простого пользователя это, например, чревато тем, что при переходе от провайдера к провайдеру ему придется менять модем на модель с подходящей технологией.
Связь по воздуху
В современном мире для передачи данных на высоких скоростях также используются радиосистемы, включая мобильные сотовые сети. Ранее были разработаны радиокарты для компьютеров, которые работали с операционными системами и позволяли передавать данные на большие расстояния через препятствия. Разработаны различные стандарты для подключения «точка-точка» или сотовых сетей с базовыми станциями, такие как Pre-WiMax и WiMax, которые в России впоследствии слились с обычными мобильными операторами. Активно использоваться эти технологии начали после 2007 года.
Из этих стандартов выросли и стандарты Wi-Fi, которые позволяют подключать множество устройств на небольших расстояниях. Wi-Fi обычно используется в домах, а также в кафе, вокзалах и на городских улицах. Россия разрешила домашнее использование Wi-Fi позже других стран (в 2005 году), когда-то даже использование Wi-Fi дома могло быть признано незаконным.
Стандарты Wi-Fi активно развиваются, расширяются диапазон частот и способы модуляции, а также применяются многоантенные решения. Важное значение имеет совместимость оборудования. Значок Wi-Fi на самом деле указывает на совместимость устройств, а не на наличие радиосети. В пустом помещении на небольших расстояниях Wi-Fi может быть даже быстрее проводных подключений, но в местах с плотной застройкой и активным использованием соседями возможны проблемы с интернетом из-за пересечения радиосигналов.
Некоторые интернет-провайдеры строят собственные Wi-Fi сети и продают доступ к ним, однако это обычно менее удобно по сравнению с 4G или проводными подключениями, если они доступны в регионе.
PLC, DOCSIS и прочие извращения
Существуют и экзотические технологии для подключения к интернету, включая те, которые основаны на существующей инфраструктуре. Некоторые интернет-провайдеры и устройства позволяют подключаться к интернету через электропроводку (PLC адаптеры), используя высокочастотные помехи, которые не мешают работе электрических устройств. Это может быть полезно, если у вас старый загородный дом. Однако в многоквартирных домах возникают проблемы с передачей сигнала из-за непредсказуемых ветвлений электропроводки.
PLC (Power Line Communication) – это технология передачи данных по электрическим проводам, которая позволяет использовать электросеть для организации сетей связи и доступа в Интернет. PLC может обеспечивать скорость передачи данных до нескольких сотен мегабит в секунду, но качество передачи зависит от многих факторов, таких как качество проводки, наличие помех и т.д.
DOCSIS – другая старая технология, которая по-прежнему используется для подключения к интернету, — это сети коаксиальных кабелей, созданные для кабельного телевидения. Такие сети имеют ограниченные возможности для высокоскоростного подключения из-за общего среды передачи сигнала. Использование таких сетей актуально, когда строительство новой сети слишком дорого. Существуют специальные кабельные модемы, к которым можно подключить телевизор и компьютер, но существует проблема столкновения сигналов – коллизий.
DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) – это стандарт, разработанный для передачи данных по коаксиальным кабелям в кабельных сетях. DOCSIS используется для предоставления широкополосного доступа в Интернет, цифрового телевидения и других услуг, использующих кабельную сеть.
Сотовые сети передачи данных
Когда Интернет только начинал развиваться и популярностью пользовались модемы, в России появились мобильные операторы. Начиная с 1991 года сотовая связь начала медленно приходить в Москву. Вначале операторы предоставляли мобильную связь в аналоговом формате для элиты, так как услуга стоила очень дорого. В Советском Союзе также существовала передвижная гражданская связь, устанавливающаяся в основном в автомобилях. Со временем сотовая связь стала доступнее, и массовые мобильные телефоны появились в виде аналогового стандарта DAMPS. Некоторые телефоны могли быть использованы как модемы для выхода в Интернет, но передача данных была ограничена. Следующие стандарты GSM, GPRS, 2G, 2.5G, и 3G уже фокусировались на передаче данных и использовали радио-спектр более эффективно, повышая скорость передачи для всех подключенных устройств.
Современные стандарты, такие как LTE, 4G и 5G, обеспечивают передачу данных на очень высоких скоростях (до 20 Гбит/с для 5G), включая передачу голоса как данные виде пакетной связи. В России внедрение 5G пока затруднено, в большей части из-за бюрократических ограничений.
На мобильных телефонах стандарта GSM был также хитрый стандарт WAP, позволяющий преобразовывать веб-страницы для удобного отображения на маленьких монохромных экранах мобильных устройств, но это было дороже, чем обычный доступ в Интернет: мегабайт трафика мог стоит 10$. Со временем мобильные устройства стали поддерживать обычный Интернет, а также появились наладонные компьютеры, которые изначально не имели собственного сотового устройства. Впоследствии появились смартфоны, которые стали драйвером развития мобильных устройств, включая разработки компании Apple.
Сегодня сложно представить нашу жизнь без мобильного подключения и приложений, которые постоянно соединяются с серверами, предоставляя нам все необходимое.
Заключение
Изначально доступ в интернет могли позволить себе университеты и большие организации, которые оплачивались государством или зарубежными партнерами, такими как зарубежные университеты. Постепенно интернет начал медленно выходить в народ, постоянно наращивая темпы подключения новых пользователей. И за 30 лет подключил к себе 90% населения России.
Технологии подключения к интернету развиваются, скорости растут, простота подключения увеличивается. Вслед за ростом скорости и простотой подключения увеличивается сложность контента который нам нужен и количество подключаемых устройств. Появился интернет вещей, который говорит о том, что практически каждая наша вещь будет подключена к интернету; а также датчики нашего умного дома, нашего сада, нашего города и вообще всего чего только можно. Дополненная и виртуальная реальность, развитие искусственного интеллекта требует все более высоких скоростей, более надёжного подключения, меньших задержек в передаче данных Всё это развивает наше домашнее подключение.
Мы верим, что развитие сетей будет продолжаться и, несмотря на все трудности, инфраструктура связи будет развиваться в России и во всём мире, неся людям удобство, комфорт и высокое качество жизни.