Передача данных стала фундаментальной частью вычислений. Сети, разбросанные по всему миру, собирают данные о таких разных предметах, как атмосферные условия, производство продуктов и воздушных перевозках. Группы создают электронные справочные списки, которые позволяют им получать информацию, интересную всем. Любители обмениваются программами для их домашних компьютеров. В научном мире сети данных стали необходимы, так как они позволяют ученым посылать программы и данные на удаленные суперкомпьютеры для обработки, получать результаты и обмениваться научной информацией с коллегами.
К сожалению, большинство сетей являются независимыми сущностями, созданными для удовлетворения потребностей одной группы людей. Пользователи выбирают аппаратную технологию, подходящую для их коммуникационных проблем. Более важно то, что нельзя создать универсальную сеть на основе одной аппаратной технологии, так как нет такой сети, которая удовлетворила бы все потребности. Некоторым пользователям нужна высокоскоростная сеть, соединяющая их машины, но такие сети не могут быть расширены на большие расстояния. Другим нужна более медленная сеть, которая будет соединять машины, находящиеся на расстоянии тысяч километров друг от друга.
Недавно, тем не менее, появилась новая технология , которая сделала возможным взаимное соединение большого числа разделенных физических сетей и заставила их работать как одно единое целое. Эта новая технология, называющаяся межсетевым обменом(internetworking), приспосабливает друг к другу различные аппаратные технологии, лежащие в основе физических сетей, с помощью добавления как физических соединений сетей, так и нового набора соглашений. Технология межсетевого обмена скрывает детали сетевого оборудования и позволяет компьютерам взаимодействовать вне зависимости от типа их физических соединений.
Технология межсетевого обмена, описанная в книге, является примером Взаимодействия Открытых Систем. Они называются открытыми потому, что в отличие от конкретных коммуникационных систем, продаваемых тем или иным производителем, ее спецификации доступны всем. Поэтому любой может создать программное обеспечение, необходимое для взаимодействия в объединенной сети. Более того, вся эта технология была разработана для того, чтобы упростить взаимодействие между машинами с различными аппаратными архитектурами, чтобы использовать почти любое оборудование сети с коммутацией пакетов, и чтобы позволить взаимодействие различных операционных систем.
Чтобы оценить значение межсетевой технологии, подумайте, как она повлияла на исследования. Представьте на минуту эффект взаимного соединения всех компьютеров, используемых учеными. Любой ученый может обменяться результатами эксперимента с любым другим ученым. Можно создать национальные центры данных, собирающие данные о природных явлениях и делающие их доступными для всех ученых. Компьютерные средства и программы, доступные в одном месте, могут использоваться учеными в других местах. В результате скорость, с которой осуществляются научные исследования, может резко возрасти. Короче говоря, изменения могут быть очень драматичными.

Средства Интернета

Нельзя говорить о технических деталях, лежащих в основе Интернета, не понимая средств, которые он обеспечивает. Эта глава кратко рассматривает средства Интернета, более подробно останавливаясь на тех средствах, которыми пользуется большинство пользователей, и откладывая до следующих глав рассмотрение вопроса о том, как компьютеры присоединяются к Интернету и как реализуются эти средства.
Большая часть описания средств будет посвящена стандартам, называемым протоколами. Протоколы, такие как TCP и IP, дают формулы для передачи сообщений, описывают детали форматов сообщений и указывают, как обрабатывать ошибки. Самое важное то, что они позволяют нам рассматривать стандарты взаимодействия вне зависимости от того, на оборудовании какого производителя, они реализуются. По существу, протоколы являются для коммуникации тем, чем является языки программирования для вычислений. Язык программирования позволяет описать или понять вычисления, не зная системы команд конкретного ЦП. Аналогично, коммуникационный протокол позволяет нам описать или понять процесс передачи данных, не зная на каком оборудовании этот процесс выполняется.
Скрытие низкоуровневых деталей взаимодействия помогает улучшить производительность. Во-первых, программистам, работающим с высокоуровневыми протокольными абстракциями, не нужно знать или помнить множество деталей о конкретных параметрах оборудования. Они могут быстро создавать новые программы. Во-вторых, так как программы, разработанные, используя высокоуровневые абстракции, не ограничены архитектурой конкретной машины или конкретного сетевого оборудования, их не надо изменять при замене машины или изменении конфигурации. В-третьих, так как прикладные программы, построенные, используя высокоуровневые протоколы, независимы от используемого оборудования, они могут обеспечивать прямое взаимодействие различных машин. Программистам не нужно писать специальные версии прикладных программ для перемещения и трансляции данных для всех возможных пар типов машин. Мы увидим, что все сетевые средства описываются протоколами.
Следующие секции рассмотрят протоколы, используемые для описания средств прикладного уровня, а также протоколы, используемые при определении сетевых средств. Следующие главы опишут каждый из этих протоколов более детально.

Средства Интернета прикладного уровня.

С точки зрения пользователя, Интернет TCP/IP является набором прикладных программ, использующих сеть для выполнения полезных коммуникационных задач. Мы будем использовать термин взаимная работоспособность(interoperability) для описания способности различных вычислительных систем взаимодействовать при решении вычислительных задач. Мы утверждаем, что прикладные программы Интернета показывают высокую степень взаимной работоспособности. Большинство пользователей, которые пользуются Интернетом, делают это, просто запуская прикладные программы , не понимая при этом технологии TCP/IP, структуры Интернета, и даже не зная пути, который проходят данные до назначения; они полагаются на то, что прикладные программы сами разберутся с этими деталями. Только программисты, пишущие такие прикладные программы, смотрят на Интернет как на сеть и понимают детали этой технологии.
Самые популярные и широко распространенные прикладные средства Интернета включают:

• ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ. Электронная почта позволяет пользователю создать письмо и послать его человеку или группе людей. Другая часть этого приложения позволяет пользователю читать письма, которые он получил. Электронная почта была так успешна, что многие пользователи Интернета используют ее для обычной коммерческой переписки. Хотя существует много систем электронной почты, важно понимать, что использование TCP/IP делает доставку письма более надежной. Вместо того, чтобы полагаться на промежуточные машины при передаче письма, система предоставления письма в TCP/IP работает, напрямую соединяя машину отправителя с машиной получателя. Поэтому отправитель знает, что как только письмо покинуло его машину, оно успешно достигло места назначения.

• ПЕРЕДАЧУ ФАЙЛОВ. Хотя пользователи иногда и передают файлы, используя электронную почту, письмо предназначено для коротких, текстовых файлов. Протоколы TCP/IP включают прикладную программу передачи файлов, которая позволяет пользователям передавать или принимать довольно большие файлы программ или данных. Например, используя программу передачи файлов, можно скопировать с одной машины на другую большие объемы данных, содержащие изображения со спутника, программы, написанные на Фортране или Паскале, или английский словарь. Эта система обеспечивает способ проверки личности пользователя или даже запрещение доступа. Как и письмо, передача файлов по Интернету TCP/IP надежна, так как две взаимодействующие машины делают это напрямую, не полагаясь на промежуточные машины для создания копий файла.
• УДАЛЕННЫЙ ДОСТУП. Являясь самым интересным приложением Интернета, удаленный доступ позволяет пользователю, находящемуся на одном компьютере, взаимодействовать с удаленной машиной и выполнять на ней интерактивный сеанс работы. Удаленный доступ позволяет создать впечатление, что терминал пользователя или его рабочая станция присоединены напрямую к удаленной машине, посылая каждый символ, нажатый на клавиатуре пользователя на удаленную машину и отображая каждый символ, возвращенный с удаленной машины, на экране терминала пользователя. Когда сеанс с удаленной машиной завершается, приложение возвращает пользователя в локальную систему.

Средства Интернета сетевого уровня.

Программист, который пишет прикладные программы, использующие протоколы TCP/IP, имеет совершенно другое представление об Интернете, чем пользователь, который просто запускает прикладные программы, такие как электронная почта. На сетевом уровне Интернет предоставляет два основных типа сервиса, который используют прикладные программы. И хотя на данном этапе несущественно понимание деталей этих средств, их нельзя опустить при любом обзоре TCP/IP:

• ДЕЙТАГРАММНОЕ СРЕДСТВО ДОСТАВКИ ПАКЕТОВ. Это средство, которое будет впоследствии детально объяснено, образует основу всех других средств Интернета. Доставка без соединения (дейтаграмная доставка) является абстракцией сервиса, который предоставляет большинство сетей с коммутацией пакетов. Это просто означает, что Интернет TCP/IP определяет маршрут передачи небольшого сообщения от одной машины к другой, основываясь только на адресной информации, находящейся в сообщении. Так как дейтаграмное средство маршрутизирует каждый пакет отдельно, оно не гарантирует надежной доставки пакетов в том порядке, в котором они были посланы. Так как это средство обычно напрямую отображается на лежащее в его основе оборудование, средство без соединения очень эффективно. Более того, использование доставки пакетов без соединения в качестве основы всех средств Интернета делает протоколы TCP/IP адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования.

• НАДЕЖНОЕ ПОТОКОВОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО. Большинству приложений требуется нечто большее, чем простая доставка пакетов, так как они требуют от коммуникационного программного обеспечения автоматического восстановления при ошибках передачи, потере пакетов или сбоях промежуточных маршрутизаторов на пути между отправителем до получателем. Надежное транспортное средство обрабатывает эти ситуации. Оно позволяет приложению на одном компьютере устанавливать "соединение" с приложением на другом компьютере, а затем посылать большие объемы данных по соединению, как если бы это было прямое аппаратное соединение. На самом деле, конечно, протоколы взаимодействия делят поток данных на маленькие сообщения и посылают их затем по одному, ожидая от получателя подтверждения приема.

Много сетей обеспечивает базовые средства, аналогичные описанным выше, поэтому кое-кто может удивиться:"Чем же отличаются средства TCP/IP от других?". Основными отличиями являются:

• НЕЗАВИСИМОСТЬ ОТ СЕТЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ. Хотя TCP/IP и основывается на удобной пакетной технологии, он независим от оборудования конкретного производителя. Объединенный Интернет включает большое число сетевых технологий от сетей, предназначенных для работы в одном здании, до сетей, работающих на больших расстояниях. Протоколы TCP/IP определяют элемент передачи данных, называемый дейтаграммой, и описывают, как передавать дейтаграммы по конкретной сети.
• ВСЕОБЩАЯ СВЯЗНОСТЬ. Интернет TCP/IP позволяет любой паре компьютеров, присоединенных к нему, взаимодействовать друг с другом. Каждому компьютеру назначается адрес, который известен по всему Интернету. Каждая дейтаграмма содержит адреса отправителя и получателя. Промежуточные маршрутизаторы используют адрес получателя для того, чтобы принимать решение о дальнейшем маршруте дейтаграммы.
• МЕЖКОНЦЕВЫЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ. Протоколы TCP/IP Интернета обеспечивают подтверждения между отправителем и получателем, а не между отправителем и промежуточными машинами на пути, даже когда две машины не связаны общей физической сетью.
• СТАНДАРТНЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ПРОТОКОЛЫ. Помимо базовых средств транспортного уровня(таких, как надежные потоковые соединения), протоколы TCP/IP включают стандарты для наиболее часто используемых приложений, таких как электронная почта, передача файлов и удаленный доступ. Поэтому при разработке прикладных программ, использующих TCP/IP, программисты часто могут обнаружить, что существующее программное обеспечение уже обеспечивает коммуникационные средства, которые им нужны.

Группа Активности Интернета(IAB).

Так как связка протоколов TCP/IP не была разработана каким-либо производителем или известным профессиональным обществом, естественно задать вопрос:"кто определяет направления развития и решает, когда протоколы становятся стандартами?". Ответом является группа, известная как Группа Активности Интернета(IAB). IAB определяет главное направление разработок на основе протоколов TCP/IP , координирует большинство их и управляет эволюцией объединенного Интернета. Она решает, какие протоколы являются требуемой частью связки TCP/IP и определяет официальную политику.
Образованная в 1983 году, когда DARPA реорганизовало ICCB, IAB унаследовала много от своих предшественников. Ее начальными целями было стимулировать обмен идеями между людьми, вовлеченными в исследования, связанные с TCP/IP и Интернетом, и держать исследователей в курсе общих целей. После первых шести лет существования IAB из исследовательской группы DARPA превратился в независимую организацию. За эти годы каждый член IAB побывал председателем Целевых Сил Интернета(ITF), отвечая за исследование проблемы или ряда вопросов, представляющих интерес. IAB состояло из приблизительно десяти целевых сил с задачами от исследования, как трафик различных приложений влияет на Интернет, до текущих инженерных проблем Интернета. IAB собиралась несколько раз в год для заслушивания отчетов всех целевых сил, краткого обзора и пересмотра технических направлений, обсуждения политики и обмена информацией с представителями других агентств, таких как DARPA и NSF, которые финансировали работу Интернета и исследования для него.
Председатель IAB имел звание Архитектор Интернета и отвечал за предложение направлений технического развития и координацию работы различных целевых сил. Председатель IAB создавал новые целевые силы по совету IAB и также представлял IAB перед другими организациями.
Новички в TCP/IP иногда удивляются, узнав, что IAB не имел большого бюджета; хотя он и определял направления, он не финансировал большую часть исследований и инженерных разработок. Вместо этого, добровольцы сами выполняли большую часть работы. Члены IAB отвечали за прием добровольцев для работы их в подчиненных им целевых силах, за созыв встреч целевых сил, и за отчеты о работе перед IAB. Обычно, добровольцы появлялись из исследовательского сообщества или коммерческих организаций, использовавших TCP/IP. Активные исследователи принимали участие в целевых силах Интернета по двум причинам. Во-первых, работа в целевых силах обеспечивала возможность узнать новое об исследовательских проблемах. Во-вторых, так как новые идеи и решения проблем выдвигаемые и проверяемые целевыми силами, часто становились частью технологии Интернета, члены понимали, что их работа напрямую влияет на эту область.

Новая организация IAB

Начиная с лета 1989 года, как технология TCP/IP, так и объединенный Интернет из исследовательского проекта выросли в средства производства, которыми пользовались тысячи людей в своих каждодневных делах. Больше нельзя было реализовать новые идеи, установив ночью новое программное обеспечение на нескольких машинах. Теперь уже сотни коммерческих компаний, распространявших продукты TCP/IP, определяли, будут ли их продукты взаимно работоспособны, решая вопрос о внесении изменений в их программы.
Исследователи, разрабатывавшие начальные спецификации и тестировавшие новые идеи в лабораториях, больше не могли рассчитывать на быстрое внедрение и использование своих идей. По иронии судьбы исследователи, проектировавшие TCP/IP и наблюдавшие за его развитием, оказались побеждены коммерческим успехом их детища. Коротко говоря, TCP/IP стал успешной, производительной технологией и теперь уже рынок стал управлять его развитием.
Поэтому IAB был реорганизован летом 1989 года для приведения в соответствие с новой политической и коммерческой реальностью TCP/IP и объединенного Интернета. Председательство изменилось. Исследователи были переведены из IAB во вспомогательную группу, и был создан новый IAB, для того чтобы включать представителей более широкого сообщества.
Помимо самой IAB организация включает две основные группы: Исследовательские Целевые силы Интернета(IRTF) и Инженерные Целевые Силы Интернета(IETF).
Как это следует из ее имени, IETF концентрируется на оперативных и тактических инженерных проблемах. IETF существовала и в старой структуре IAB, и ее успех явился одной из причин реорганизации. В отличие от большинства целевых сил IAB, которые были ограничены несколькими людьми, концентрировавшимися на одной конкретной проблеме, IETF разросся и стал включать сотни активных членов, работавших над многими проблемами параллельно. До реорганизации IETF был разделен на 20 рабочих групп, каждая из которых работала над конкретной проблемой. Рабочие группы собирались на свои встречи для выработки решений проблем. Кроме того, весь IETF собирался регулярно, чтобы заслушивать отчеты рабочих групп и обсуждать предлагаемые изменения или добавления к технологии TCP/IP. Проводимые обычно три раза в год, встречи всей IETF собирали сотни участников и зрителей. IETF стал слишком большим, чтобы им управлял один председатель.
IETF сохранился в реорганизованной структуре IAB, но был разделен на восемь областей, каждая из которых имела своего собственного управляющего. Председатель IETF и восемь управляющих областями составляют Руководящую Инженерную Группу Интернета (IESG), члены которой ответственны за координацию всех проектов рабочих групп IETF.
Так как IETF был широко известен по всему Интернету, и так как его встречи получили широкое одобрение, имя IETF было сохранено при реорганизации и все еще обозначает эту группу целиком, включая председателя, управляющих областями, и всех членов рабочих групп. По аналогичным причинам было оставлено имя "рабочая группа IETF".
Созданные при реорганизации, Исследовательские Целевые Силы Интернета получили такое имя как исследовательское дополнение к IETF. IRTF координирует работы исследователей, связанные с протоколами TCP/IP и архитектурой Интернета в целом. Как и IETF, IRTF имеет небольшую группу, называемую Руководящей Исследовательской Группой Интернета или IRSG, которая устанавливает приоритеты и координирует работы исследователей. В отличие от IETF, IRTF, тем не менее, в настоящее время гораздо меньше по размерам. Каждый член IRSG набирает добровольцев в Исследовательские Группы Интернета, аналогичные рабочим группам IETF; IRTF не поделен на области.

Будущие рост и технология

Как технология TCP/IP, так и Интернет продолжают развиваться. Разрабатываются новые протоколы; пересматриваются старые. NSF значительно усложнила систему, введя свою магистральную сеть, несколько региональных сетей, и сотни университетских сетей. Другие группы также продолжают присоединяться к Интернету. Самое значительное изменение произошло не из-за присоединения дополнительных сетей, а из-за дополнительного трафика. Физики, химики, и астрономы работают и обмениваются объемами данных гораздо большими, чем исследователи в компьютерных науках, составляющие большую часть пользователей трафика раннего Интернета. Эти новые ученые привели к значительному увеличению загрузки Интернета, когда они начали использовать его, и загрузка постоянно увеличивалась по мере того, как они все активнее использовали его.
Чтобы приспособиться к росту трафика, пропускная способность магистральной сети NSFNET была увеличена вдвое, приведя к тому, что текущая пропускная способность приблизительно в 28 раз больше, чем первоначальная; планируется еще одно увеличение, чтобы довести этот коэффициент до 30, в конце 1990 года. На настоящий момент трудно предсказать, когда исчезнет необходимость дополнительного повышения пропускной способности.
Рост потребностей в сетевом обмене не был неожиданным. Компьютерная индустрия получила большое удовольствие от постоянных требований на увеличение вычислительной мощности и большего объема памяти для данных в течение долгих лет. Пользователи только начали понимать, как использовать сети. В будущем мы можем ожидать постоянное увеличение потребностей во взаимодействии. Поэтому потребуются технологии взаимодействия с большей пропускной способностью, чтобы приспособиться к этому росту.
Таблица 1. обобщает расширение Интернета и иллюстрирует важную составляющую роста: изменение в сложности, возникшее из-за того, что несколько автономных групп являются частями объединенного Интернета. Исходные проекты для многих подсистем предполагали централизованное управление. Потребовалось много усилий, чтобы доработать эти проекты для работы при децентрализованном управлении.

Таблица 1. Рост объединенного Интернета. Помимо увеличения трафика из-за увеличения размера, Интернет столкнулся с сложностью, явившейся результатом децентрализованного управления как при разработке, так и при работе.

FNC и NREN

Федеральный Сетевой Совет(FNC) служит для координации деятельности федеральных агентств, финансирующих исследования или разработки в области TCP/IP и Интернета. FNC состоит из представителей DARPA, NSF, NASA, DOE, DOD и HHS. Члены FNC принимают участие во встречах IAB и помогают определять приоритеты в исследовательских и инженерных проектах Интернета.
Учитывая увеличившиеся потребности своих агентств и общенациональнуюзаинтересованность в высокоскоростной вычислительной сети, FNC вместе с лидерами этого технического сообщества выработал план преобразования Интернета в Национальную Исследовательскую и Образовательную Сеть(NREN). В соответствии с этим планом, NREN будет расширяться таким образом, чтобы в конечном счете соединить все образовательные институты и исследовательские лаборатории. Для этого потребуются более высокоскоростные коммуникационные технологии, а также переход от финансируемых федеральным правительством магистральных сетей к средствам, работающим на коммерческой основе. FNC будет использовать федеральные исследовательские фонды для стимуляции исследований и разработки требуемых технологий.