Пол Баран: Компьютерлік желілерді дамытушы және пакеттік коммутацияның авторы

Кіріспе

Американдық еврей инженері, сол аттас экономист Пауль Баран (туған күні Песах Баран '/b//æ//r//ən/; 29 сәуір 1926 – 26 наурыз 2011) – компьютерлік желілерді дамытудың пионері болған американдық еврей инженері. Бүгінде әлемдік компьютерлік желілердегі деректерді таратудың басты құралы болып табылатын пакеттік коммутацияны екі тәуелсіз ойлап тапқандардың бірі болды. Ол сондай-ақ бірнеше компания құрып, қазіргі заманғы цифрлық байланыстың маңызды бөлігін құрайтын басқа да технологияларды жасады.

Ерте өмір

1926 жылы 29 сәуірде Гродно қаласында (сол кезде Екінші Польша Республикасы, ал 1945 жылдан Беларусь құрамына кірген) дүниеге келген. Ол литвалық еврей отбасындағы үш баланың ең кішісі болды, оның иврит есімі "Песах" еді. Оның отбасы 1928 жылы 11 мамырда АҚШ-қа көшіп, Бостонға, кейін Филадельфияға қоныс аударды, онда оның әкесі Моррис "Моше" Баран (1884–1979) азық-түлік дүкенін ашты. 1949 жылы Дрексел университетін (бұрын Дрексел технология институты) электротехника мамандығы бойынша бітірді. Одан кейін ол Эккерт-Мокли Компьютерлік компаниясына қосылды, онда ол АҚШ-тағы алғашқы коммерциялық компьютерлердің бірі – UNIVAC модельдері бойынша техникалық жұмыс істеді. 1955 жылы Эвелин Мерфиге үйленді, Лос-Анджелеске көшіп, Хьюз Эйркрафт компаниясында радарлық деректерді өңдеу жүйелерінде жұмыс істеді. 1959 жылы ол UCLA-да инженерлік ғылымдары бойынша магистр дәрежесін алды, оның ғылыми жетекшісі Джеральд Эстрин болды, ол кешкі сабақтарға қатысты. Оның диссертациясы әріптерді тануға арналған.

Пакетпен ауыстырылатын желі құрылымы

1959 жылы RAND корпорациясына қосылғаннан кейін Баран "өміршең" коммуникациялық жүйені жобалау міндетін алды. Бұл жүйе суық соғыс кезінде ядролық қарудан келген зақымдануға қарамастан, байланыс нүктелері арасындағы байланысты сақтай алатын еді. Сол кезде американдық әскери байланыс жүйелерінің көпшілігі жоғары жиілікті байланыс арналарын пайдаланды, олар ядролық шабуыл кезінде сағаттаған бойы істен шығуы мүмкін еді. Баран RAND директоры Франклин Р. Коллбомның дәстүрлі AM радиожелілері арқылы төтенше жағдайлардағы байланыс бойынша бұрынғы жұмысын автоматтандыруға шешім қабылдады және таратылған релелік түйін архитектурасының өміршең болуы мүмкін екенін көрсетті. Римдегі Әуе Даму Орталығы бұл идеяның іске асырылатынын көп ұзамай дәлелдеді. Баран және оның командасы сол кездегі мини-компьютер технологиясын пайдалана отырып, әртүрлі деңгейде байланысқан түйіндер массивінің негізгі байланысын сынау үшін симуляциялық кешенді жасады. Яғни, n-дәрежелі байланысқа ие желіде әр түйінде n байланыс болады. Симуляция кездейсоқ түрде түйіндерді "жойды" және содан кейін байланыста қалған түйіндердің пайызын тексерді. Симуляцияның нәтижесі көрсеткендей, n ≥ 3 болатын желілердің 50% түйін жоғалған жағдайда да төзімділігі айтарлықтай артты. Баран симуляциядан алған түсінігі – артық көшірмелердің маңыздылығы еді. Оның алғашқы жұмысы 1960 жылы RAND есебі ретінде жарияланды, ал келесі екі жылда техниканы кеңейте түсіндіретін көптеген мақалалар жарық көрді. Өміршеңдігін дәлелдегеннен кейін Баран және оның командасы осы дизайның тұжырымдамалық үлгісін көрсетуі керек болды, осылайша оны құруға болады. Бұл жоғары деңгейдегі схемаларды қамтыды, олар операцияны, құрылысты және қажетті желіні құру үшін қажетті барлық компоненттердің құнын егжей-тегжейлі сипаттайды, сондай-ақ жаңа артық байланыстар туралы түсінікті де пайдаланды. Нәтижесінде алғашқы сақтау және жіберу дерек қабатының коммутациялық протоколдарының бірі, байланыс күйі / қашықтық вектор маршруттау протоколы және дәлелденбеген қосылымға бағытталған тасымалдау протоколы пайда болды. Дизайнның толық мәліметтерін 1964 жылы RAND баспасында жарияланған "Таратылған коммуникациялар туралы" есептер сериясынан табуға болады. Бұл дизайн сол кездегі телефон дизайнына қарсы болды, өйткені желі орталығына арзан және сенімсіз түйіндерді, ал соңғы нүктелерде ақылдырақ "мультиплексорлар" орналастырылды. Баранның айтуынша, оның дизайны телефон компаниясының жабдықтары сияқты сенімді болу үшін қымбат "алтын жалатылған" компоненттерді қажет етпейді. Баран ұсынған таратылған желі зақымданудың орнын айналып өтуге арналған еді. Ол орталықтандырылған бір байланыс емес, көптеген нүктелер арқылы басқалармен байланыс жасады. Схеманың негізі – ақпаратты желіге жібермес бұрын "блоктарға" бөлу еді. Бұл деректердің жылдам таралуына және коммуникациялық арналардың тиімді пайдаланылуына мүмкіндік берді. Әр блок жеке жіберілді, әртүрлі жолдармен жүріп, олар түйінге жеткенде біріктірілді.

After joining the RAND Corporation in 1959, Baran took on the task of designing a "survivable" communications system that could maintain communication between end points in the face of damage from nuclear weapons during the Cold War. Then, most American military communications used high frequency connections, which could be put out of action for many hours by a nuclear attack. Baran decided to automate RAND Director Franklin R. Collbohm's previous work with emergency communication over conventional AM radio networks and showed that a distributed relay node architecture could be survivable. The Rome Air Development Center soon showed that the idea was practicable. Using the minicomputer technology of the day, Baran and his team developed a simulation suite to test basic connectivity of an array of nodes with varying degrees of linking. That is, a network of n ary degree of connectivity would have n links per node. The simulation randomly "killed" nodes and subsequently tested the percentage of nodes that remained connected. The result of the simulation revealed that networks in which n ≥ 3 had a significant increase in resilience against even as much as 50% node loss. Baran's insight gained from the simulation was that redundancy was the key. His first work was published as a RAND report in 1960, with more papers generalizing the techniques in the next two years. After proving survivability, Baran and his team needed to show proof of concept for that design so that it could be built. That involved high level schematics detailing the operation, construction, and cost of all the components required to construct a network that leveraged the new insight of redundant links. The result was one of the first store and forward data layer switching protocols, a link state/distance vector routing protocol, and an unproved connection oriented transport protocol. Explicit detail of the designs can be found in the complete series of reports On Distributed Communications, published by RAND in 1964. The design flew in the face of telephony design of the time by placing inexpensive and unreliable nodes at the center of the network and more intelligent terminating 'multiplexer' devices at the endpoints. In Baran's words, unlike the telephone company's equipment, his design did not require expensive "gold plated" components to be reliable. The Distributed Network that Baran introduced was intended to route around damage. It provided connection to others through many points, not one centralized connection. Fundamental to the scheme was the division of the information into "blocks" before they were sent out across the network. That enabled the data to travel faster and communications lines to be used more efficiently. Each block was sent separately, traveling different paths and rejoining into a whole when they were received at their destination.

Идеяны сату

«Таратылған коммуникациялар» жарияланғаннан кейін ол өзінің командасының нәтижелерін көптеген тыңдаушыларға, соның ішінде AT&T инженерлеріне (сол кезде Пол Баран желілік жобалау ұсынысында сілтемелер ретінде қолданған T1 схемасының бірінші буынының техникалық талаптарын ұсынған Bell Labs инженерлерінен шатастырмау керек) таныстырды. Кейінгі сұхбаттарда Баран AT&T инженерлерінің дауыс байланысы үшін арналмаған физикалық тізбектер туралы идеясын қалай сынайтынын айтты, кейде Баран дауыстық телекоммуникацияның қалай жұмыс істейтінін түсінбейтінін мәлімдеді. Ұлыбританияның Ұлттық физикалық зертханасындағы Дональд Дэвис та осы идеяны ойлап, сынақ желісін іске қосты. Баран Дэвис өздігінен осы идеяға келгенін мойындауға қуанды. Дэвиске жіберген электрондық хатында ол былай деп жазды: «Сіз бен мен пакеттік коммутацияның мәнін бірдей түсінеміз, себебі сіз бен мен тәуелсіз түрде бірдей элементтерді ойлап таптық». 1970 жылдардың басында ол бұл теорияны пакеттік коммутация желілерінің өнімділігін модельдеу үшін қолданды. Алайда, Клайнроктың ерте жұмысы пакеттік коммутация тұжырымдамасын тудырды деген пікірге басқа интернет-пионерлер, Баран және Дэвис келіспейді. Баран мен Дэвис тарихшылар мен АҚШ Ұлттық өнертапқыштар даңқы тарапынан Интернетті қоса алғанда, қазіргі заманғы компьютерлік желілерде қолданылатын цифрлық пакеттік коммутация тұжырымдамасын тәуелсіз түрде ойлап тапқандары үшін мойындалды. 1969 жылы АҚШ-тың Advanced Research Projects Agency (ARPA) компьютерлік ресурстарды бөлісу үшін терминалдар желісін құру идеясын әзірлеуді бастағанда, олар қарастырған анықтамалық материалдарға Баран мен RAND корпорациясының «Таратылған коммуникациялар» томдары кірді. 1980 жылдардың басында Баран PacketCable, Inc компаниясын құрды, «импульстік төлемді телеарналарды, жергілікті түрде жасалған бейнемәліметтерді және пакеттелген дауыс беруді қолдау үшін». PacketCable, сондай-ақ Packet Technologies деп те аталады, StrataCom компаниясынан бөлініп, телефония нарығы үшін пакеттік дауыс технологиясын коммерцияландырды. Бұл технология алғашқы коммерциялық стандартқа дейінгі Асинхронды беріліс режимінің өнімдеріне әкелді. Ол 1980 жылдардың ортасында дискретті көп тонды модем технологиясын ойлап тапқаннан кейін Telebit-ті құрды. Бұл ортогональді жиілікті бөлу мультиплексін пайдаланған алғашқы коммерциялық өнімдердің бірі болды, кейіннен DSL модемдер мен Wi-Fi сымсыз модемдерде кеңінен қолданылды. 1985 жылы Баран «Ricochet» желісін іске қосқан алғашқы сымсыз интернет компаниясы Metricom-ды құрды. Кейіннен ол Plaster Networks компаниясын құрды, үй немесе шағын кеңседегі желілік құрылғыларды қосу үшін қажетті жаңа шешім ұсынды. Баран пакеттік коммутациядағы жұмысын сымсыз спектр теориясына дейін кеңейтіп, сымсыз спектрді пайдалану үшін «балабақша ережелері» деп атаған қағидаларды жасады. Желілік өнімдердегі жаңалықтарынан басқа, ол есіктің алдындағы қаруды анықтайтын құрылғыны да ойлап тапқан. 1997 жылы ол Дрексел университетінде диплом беру салтанатында сөз сөйлегенде құрметті докторлық дәрежесін алды.

After the publication of On Distributed Communications, he presented the findings of his team to a number of audiences, including AT&T engineers (not to be confused with Bell Labs engineers, who at the time provided Paul Baran with the specifications for the first generation of T1 circuit that he used as the links in his network design proposal). In subsequent interviews, Baran mentioned how the AT&T engineers scoffed at his idea of non dedicated physical circuits for voice communications, at times claiming that Baran simply did not understand how voice telecommunication worked. Donald Davies, at the National Physical Laboratory in the United Kingdom, also thought of the same idea and implemented a trial network. Baran was happy to acknowledge that Davies had come up with the same idea as him independently. In an e mail to Davies, he wrote:

Blockquote|You and I share a common view of what packet switching is all about, since you and I independently came up with the same ingredients. In the early 1970s, he applied this theory to model the performance of packet switching networks. However, the representation of Kleinrock's early work as originating the concept of packet switching is disputed by other internet pioneers, Baran and Davies. Baran and Davies are recognized by historians and the U. S. National Inventors Hall of Fame for independently inventing the concept of digital packet switching used in modern computer networking including the Internet. In 1969, when the US Advanced Research Projects Agency (ARPA) started developing the idea of an internetworked set of terminals to share computing resources, the reference materials that they considered included Baran and the RAND Corporation's "On Distributed Communications" volumes. In the early 1980s, Baran founded PacketCable, Inc, "to support impulse pay television channels, locally generated videotex, and packetized voice transmission." PacketCable, also known as Packet Technologies, spun off StrataCom to commercialize his packet voice technology for the telephony market. That technology led to the first commercial pre standard Asynchronous Transfer Mode product. He founded Telebit after conceiving its discrete multitone modem technology in the mid 1980s. It was one of the first commercial products to use orthogonal frequency division multiplexing, which was later widely deployed in DSL modems and Wi Fi wireless modems. In 1985, Baran founded Metricom, the first wireless Internet company, which deployed Ricochet, Later, he founded Plaster Networks, providing an advanced solution for connecting networked devices in the home or small office through existing wiring. Baran extended his work in packet switching to wireless spectrum theory, developing what he called "kindergarten rules" for the use of wireless spectrum. In addition to his innovation in networking products, he is also credited with inventing the first doorway gun detector. He received an honorary doctorate when he gave the commencement speech at Drexel in 1997.