«История развития информационных сетей» (150

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет» (ПГУ)

М. П. Строганов, М. А. Щербаков

История развития информационных сетей

Учебное пособие

Пенза Издательство ПГУ

2012

1

УДК 621.397 С86

Р е ц е н з е н т ы

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и производство радиоаппаратуры»

Пензенского государственного университета

Н. К. Юрков;

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Прикладная информатика» Пензенской государственной технологической академии

А. П. Ремонтов

Строганов, М. П.

2012. – 40 с.

ISBN 978-5-94170-452-1

Рассмотрена история развития информационных сетей: история развития средств связи с самых первых сетей до современных систем спутниковой и сотовой связи и история развития вычислительной техники начиная с машин Паскаля до ЭВМ пятого поколения.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Автоматика и телемеханика» и предназначено для студентов направления подготовки 220400 «Управление в технических системах», а также может быть использовано студентами других направлений, изучающими телекоммуникационные технологии.

УДК 621.397

2

3

1. История развития средств связи

Потребность в передаче информации существовала всегда. Звуковая сигнализация явилась, по-видимому, исторически первым техническим средством связи. Вместе со звуковой сигнализацией родилась идея кодирования передаваемой информации: частые удары – «тревога!», редкие удары – «все спокойно».

Выдающимся достижением античной культуры явился оптический телеграф, который позволял дистанционно передавать тексты. Существовали две его разновидности – водяной и факельный.

Лучшую для своего времени систему оптического телеграфа изобрели в III в. до н.э. александрийские инженеры Клеоксен и Демоклит. Здесь греческий алфавит из 24 букв был сведен в таблицу из пяти рядов по пять букв в каждом ряду (последний ряд был неполным). Для передачи буквы выставлялись в две факельные группы, первая из которых означала номер ряда в алфавитной таблице, а вторая – номер буквы в ряду. За факелами наблюдали в приемном пункте с помощью пары соответственно направленных визирных труб. В Римской империи факельный телеграф применяли для дальней передачи сообщений по цепочке сигнальных башен, которые можно считать «предками» современных радиорелейных линий.

Француз Клод Шапп в 1781 г. сконструировал удачную телеграфную систему, включающую новый способ кодирования. Первая линия такого телеграфа Париж – Лиль (протяженностью около 225 км) с 22 приемно-передающими пунктами была запущена в конце 1794 г. Передача одного знака по этой линии занимала около 2 мин. На линии С.-Петербург – Варшава (1200 км) в 1839 г. был установлен телеграф системы Шаппа. На смену ему пришел телеграф электрический.

В 1800 г. итальянский ученый А. Вольт создал первый электролитический источник постоянного тока. В 1820 г. Х. К. Эрстед открыл магнитное действие тока. В том же году Ампер нашел, как усилить действие тока на магнитную стрелку: для этого следует провод намотать спиралью.

Датой рождения электромагнитного телеграфа считается 1832 г., когда русский офицер, герой войны 1812 г. Павел Шиллинг продемонстрировал в Петербурге работу изобретенного им устройства связи. В электромагнитном телеграфе Шиллинга регистрация сигналов осуществлялась с помощью магнитных стрелок, помещенных в катушки. Появление тока в катушке вызывало поворот стрелки, что свидетельствовало о наличии сигнала. В устройстве был применен

5

комбинационный код, позволяющий для передачи алфавита использовать только шесть стрелок и восемь проводов, каждой букве соответствовала комбинация из нескольких одновременно переданных сигналов. Стрелочный телеграф не позволял автоматически записывать принятые сигналы.

Американец Сэмуэль Морзе в 1838 г. изобрел конструкцию самопишущего телеграфного аппарата. В следующем году он разработал и код для своего телеграфа. Телеграфная система Морзе позволила увеличить скорость передачи до десятков букв в минуту. Следующий этап заключался в объединении телеграфа и пишущей машинки. В 1872 г. французский механик Бодо создал буквопечатающий телеграфный аппарат, позволяющий осуществлять передачу в десять раз быстрее по сравнению с аппаратом Морзе.

В 1876 г. американский изобретатель Александр Белл запатентовал устройство для передачи речи по проводам – телефон.

Сразу же на телефон появился огромный спрос. Вначале телефонные аппараты продавались парами. Задача протягивания между ними единственного провода была возложена на покупателя. Вместо второго провода использовалась земля. Если владелец телефона хотел поговорить с n другими владельцами телефонов, ему приходилось протягивать отдельные провода ко всем n домам. За первый год существования такой телефонной сети города оказались опутанными настоящей сетью из проводов, тянущихся над домами и деревьями в полнейшем беспорядке. Стало очевидно, что модель соединения телефонов «каждый с каждым» работать не будет. К чести Белла он заметил это и основал телефонную компанию Bell Telephone Company, открывшую свой первый офис в 1878 г. в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Компания прокладывала провод к каждому дому или офису пользователя. Чтобы позвонить, пользователь должен был покрутить ручку телефона, при этом в офисе телефонной компании звенел звонок, привлекающий внимание оператора, который вручную соединял звонившего с требуемым номером, втыкая разъем в нужное гнездо.

В 1889 г. начался новый этап в развитии средств связи – владелец бюро похоронных услуг из Канзас-Сити Элмон Браун Строуджер разработал систему автоматической коммутации каналов. Именно ему принадлежит приоритет в создании шагового искателя и декадношаговых АТС. Считается, что Строуджер был вынужден принять подобные меры, так как столкнулся с промышленной диверсией: жена его конкурента по бизнесу в Канзас-Сити работала телефонисткой и все звонки гробовщику направляла своему мужу. Изобретение Стро-

6

уджера оказалось настолько удачным, что в 1891 г. он основал ком-

панию Strowger Automatic Exchange.

Вначале АТС были далеки от совершенства и являлись редкостью. Повсеместное их строительство началось лишь в 20-е гг. прошлого века. В Риге, например, первая АТС была сдана в эксплуатацию в 1925 г. В Советском Союзе первая отечественная АТС была построена в 1929 г. в Ростове-на-Дону.

В XIX в. трансатлантические телеграфные кабели уже соединили (в 1858, 1866 и 1898 гг.) Европейский и Американский континенты. Первый из упомянутых кабелей проработал лишь 20 дней, а затем оборвался. Две попытки проложить трансатлантический кабель в 1857 и 1865 гг. вообще не имели успеха.

Однако проводная связь не могла удовлетворять запросы быстро растущей промышленности, торговли, транспорта и в первую очередь судоходства, поскольку проводная связь с судами вообще не может быть осуществлена. Человечество испытывало острую нужду в беспроводной электрической связи.

Данная беспроводная связь могла быть осуществлена только с открытием электромагнитного поля, представляющего собой совокупность взаимосвязанных переменных полей – электрического и магнитного. Основные положения теории электромагнитного поля были математически разработаны английским ученым Джеймсом Клерком Максвеллом и опубликованы в 1873 г. в его двухтомном труде «Трактат об электричестве и магнетизме».

Экспериментально электромагнитные волны впервые наблюдал немецкий физик Генрих Герц, который опубликовал результаты своих опытов в 1888 г.

Эксперименты Герца показали способность электромагнитных волн преломляться на границе двух сред и отражаться от металлических поверхностей. Опыты Герца были воспроизведены и усовершенствованы многими физиками того времени.

Особых успехов добился английский физик Оливер Лодж, который применил для обнаружения электромагнитных волн стеклянную трубку с металлическими опилками, названную им когерером. На концах этой трубки помещены контакты, через которые опилки включаются в цепь батареи. Когерер обладает замечательным свойством, исследованным еще раньше французским физиком Э. Бранли: его сопротивление электрическому току сможет меняться под действием электромагнитного поля. В обычном состоянии проводимость когерера мала вследствие большого перепадного сопротивления между от-

7

дельными частицами опилок. Но при включении расположенной вблизи индукционной катушки, создающей электромагнитное поле, проводимость когерера резко возрастает. Это объясняется наведением в каждой частице электродвижущей силы, под действием которой между ними возникают электрические разряды, приводящие как бы к «спеканию» опилок. Для восстановления нормального состояния когерера его надо встряхнуть, нарушив связь между частицами опилок. Опыты Г. Герца и других ученых были первоначально направлены на изучение и демонстрацию свойств электромагнитного поля. Никто из них не видел возможности его практического использования.

Появление радио – заслуга талантливого русского ученого Александра Степановича Попова. Будучи преподавателем Минных классов в Кронштадте, он понимал острую потребность в беспроводной электрической связи, и им была успешно решена задача по созданию чувствительного устройства, способного регистрировать электромагнитные волны.

Немало талантливых и выдающихся людей занимались электромагнитными волнами, их теоретическим объяснением, различными способами получения, всесторонним исследованием, но никто до Попова всерьез не думал о практическом применении этих волн. Так, Максвелл оставался в сфере чистой теории. Когда ему задали вопрос, возможно ли ожидать впоследствии какого-нибудь практического использования его опытов, он ответил: «Никакого». Лодж назвал как-то всякую мысль об использовании электрических лучей для устройства связи «бредовой мечтой».

Только у Попова верно и твердо созрела подобная мысль. Он всюду искал ей подтверждение, искал способы воплотить ее в жизнь. Попов представлял собой редкое, счастливое сочетание ученого и техника, был человеком и отвлеченной мысли, и практического ума. Краткая протокольная запись на заседании Русского физико-хими- ческого общества в Петербурге от 7 мая 1895 г. явилась официальным актом о рождении радио, его «метрикой».

Дальше началось постепенное развитие, усовершенствование отдельных частей и деталей. Велась тяжелая борьба за существование радио. В марте 1896 г. Попов снова показывает на заседании Физикохимического общества работу радиоприемника. На этот раз вибратор был помещен в другом здании, метров за двести от физической аудитории. Но самое главное заключалось в том, что приемник имел теперь вместо простого звонка самопишущий телеграфный аппарат Морзе. После того как приемный аппарат, воспроизведя сигналы из другого здания, обозначил на ленте серию точек и тире и председа-

8

тель собрания выписал все знаки мелом на доске и перевел их в буквы, присутствующие прочли слова «Генрих Герц». Это была первая в мире радиограмма. Слова, целые фразы могли быть переданы теперь на расстояние без всяких проводов.

В 1899 г. А. С. Попов реализовал телеграфную радиолинию протяженностью 52 км. Эта радиолиния между о. Гогланд и г. Кожна была построена для организации спасательных работ по снятию с мели броненосца «Генерал-адмирал Апраксин». В дальнейшем А. С. Попов совместно со своим ассистентом П. Н. Рыбкиным значительно увеличил дальность радиосвязи, доведя ее в 1901 г. до 148 км. Кроме А. С. Попова радиотелеграфией занимались многие другие ученые и инженеры. Наибольшего успеха при этом добился итальянский изобретатель Гульельмо Маркони, который в июне 1896 г. запатентовал в Англии «усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и аппаратуру для этого». В 1943 г. его патенты были анулированы в пользу Н. Теслы (1856–1943 гг.). Г. Маркони, работавший с группой ученых и инженеров, довел дальность связи в 1901 г. до 560 км. Вскоре состоялась радиопередача через Атлантику на расстояние

2800 км.

Следующий этап в развитии радио связан с его переходом от радиотелеграфии к радиотелефонии. Расцвет радиотелефонии стал возможным с созданием электрической вакуумной лампы.

Двухэлектродная лампа (диод) была изобретена в 1904 г. английским ученым Джоном А. Флемингом. А в 1906 г. американским радиоинженером Ли де Форестом была предложена трехэлектродная лампа (триод). Эта лампа произвела революцию в радиотехнике.

С 20-х гг. началось коммерческое радиовещание посредством амплитудной модуляции. В 1933 г. Эдвин Говард Армстрой изобрел частотную модуляцию (ЧМ), с 1936 г. началось коммерческое использование (радиовещание) ЧМ. В 1946 г. компании AT&Т и Bell System приступили к эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS) для абонентов с автомобильными радиотелефонами (20 Вт). Для полудуплексной связи использовались шесть каналов шириной 60 кГц на частоте 150 МГц.

9

2. История развития спутниковой связи

Артур Чарльз Кларк в статье «Extra-terrestrial Relays», опубликованной в 1945 г. в журнале «Wireless World», пророчески писал: «Искусственный спутник Земли на определенном расстоянии от поверхности будет совершать один оборот каждые 24 ч, т.е. постоянно оставаться над одной точкой земного шара. Три ретрансляционные станции, расположенные на этой орбите в пределах 120 , позволят охватить всю планету телевидением и радио-связью».

Через 15 лет, как только появилась техническая возможность вывода искусственных спутников Земли на орбиту, начались работы в области создания спутниковых систем связи (ССС). Первым спутником связи стал запущенный 12 августа 1960 г. американский космический аппарат (КА) Echo-1. Это был пассивный ретранслятор – надувной шар диаметром 30 м (100 футов) с металлизированной оболочкой на орбите немногим выше 1,5 тыс. км. Он служил экспериментальным целям, в дальнейшем разработка пассивных ретрансляторов в силу неэффективности развития не получила.

Активный ретранслятор, спутник Telstar I, впервые выведен на орбиту 10 июля 1962 г. Орбита этого КА оказалась в районе так называемого первого радиационного пояса Ван-Аллена. В результате все его электронное оборудование вышло из строя за несколько недель. Запущенный на следующий год Telstar II был более радиационно стойким и проработал гораздо дольше. Он позволял передавать один телевизионный канал или 60 дуплексных телефонных каналов. Через Telstar II была организована первая успешная трансатлантическая телепередача. Однако орбита этого КА была низкой, а мощность передатчика не превышала 2 Вт. Все это требовало больших наземных антенн со сложной системой сопровождения спутников, а также делало невозможными продолжительные сеансы связи.

Но уже в 1963 г. начались запуски КА серии Syncom на геостационарные орбиты. Первые две попытки были неудачны (14 февраля и 26 июля, в последнем случае орбита была почти геосинхронной, период обращения составлял 21,2 ч, но с отклонением около 30 ). Но 19 августа 1964 г. Syncom-3 занял место на геостационарной орбите. Связь через него обеспечивали две наземные станции с 9-метровыми антеннами – в городе Лейкхерсте (США, на Нью-Джерси) и на судне «Кингспорт», стоявшем в Гвинейском заливе близ города Лагос.

10