Как семафоры Шаппа и Эдельхранца предвосхитили ARQ, контроль целостности и двоичный код и причем тут Кулибин

Привет! Меня зовут Алексей, и я занимаюсь беспроводными технологиями.

На новогодних каникулах, лениво перелистывая каналы в телевизоре, я наткнулся на современную интерпретацию «Графа Монте‑Кристо». Как раз на тот момент, когда главный герой управлял оптическим телеграфом. Об этом удивительном устройстве я слышал на курсе сетевых технологий ещё в университете, но тогда на меня это не произвело никакого впечатления. Ну телеграф и телеграф, только оптический: что‑то там маячило и показывало. Но живая картинка в фильме меня заинтересовала, и я решил твёрдо разобраться с этой темой. И, конечно… забыл.

Второй раз оптический телеграф напомнил о себе на Хабре — вот в этой статье ^[1]. Думаю, авторы, как и я, вдохновились просмотром фильма 😊Начав из любопытства изучать эту тему, я был приятно поражён. Оказывается, именно оптические телеграфы заложили многие фундаментальные правила передачи информации: здесь и правила передачи трафика, и контроль целостности, и двоичная система, и даже псевдореализация ARQ‑протокола. Всё это будет осознано много позже и описано в работах Клода Шеннона, но точка отсчёта находится именно здесь — в оптическом телеграфе.

Экскурс в историю

Древние методы визуальной сигнализации

История визуальной передачи информации на расстояния восходит к глубокой древности. Древние вавилоняне, возможно, использовали башни (включая саму Вавилонскую башню) для оптического телеграфирования. Китайцы применяли яркие костры, зажигаемые вдоль Великой Китайской стены, для передачи срочных сообщений на расстояния.​

В древние времена дозорные, заметив приближение врага, зажигали сигнальные костры, которые видел следующий пост на расстоянии нескольких километров, и таким образом информация передавалась по цепочке. Однако эти примитивные системы могли передавать только очень ограниченное количество информации (обычно бинарные сигналы: враг приближается или нет).

В 1684 году британский полимат Роберт Гук представил Королевскому обществу подробный проект визуальной телеграфной системы. Проект был мотивирован военными соображениями, последовавшими за Битвой при Вене в 1683 году. Однако система Гука так и не была реализована в практику.​

В 1778 году для установления связи между Парижской и Гринвичской обсерваториями был сооружён ранний оптический телеграф, использовавший огни. Однако эта система имела серьёзные ограничения в надёжности и информационной ёмкости. Но настоящее развитие оптического телеграфа связывают с именем Клода Шаппа.

Клод Шапп и изобретение практической системы

Клод и его четыре безработных брата решили разработать практическую систему семафорных релейных станций, задачу, предложенную ещё в древности, но так и не реализованную.

Первый успешный эксперимент (1791)

В 1791 году Клод Шапп провел первый успешный эксперимент со своим помощником (и братом) Рене Шаппом. Тестирование происходило между городками Брюлон и Парсе на расстоянии примерно 16 километров. Должностные лица в Брюлоне выбрали сообщение, которое нужно было передать, и Рене Шапп послал его Клоду Шаппу в Парсе, который не имел никакого предварительного знания о сообщении.

Сообщение гласило: «Si vous réussissez, vous serez bientôt couverts de gloire» (Если вы преуспеете, вскоре вы будете окружены славой).

4 августа 1793 года Национальный конвент одобрил бюджет на строительство первой оперативной телеграфной линии между Парижем и Лиллем, используя систему Шаппа. Несмотря на войну, политические волнения и технические вызовы, строительство продвигалось быстро.

Техническая конструкция телеграфа Шаппа

Структура и компоненты станции

Типичная башня оптического телеграфа Шаппа состояла из следующих основных частей:​

1. Мачта высотой 7 метров - небесно-голубого цвета (для лучшей видимости и контрастности против неба), с лестницей для доступа к подвижным частям и проведения технического обслуживания.

2. Регулятор (главная балка) - чёрный основной горизонтальный брус размером 4,60 м × 0,35 м, жёсткий и неподвижный относительно мачты, служивший основой для крепления движущихся указателей.

3. Два индикатора (подвижные крылья) - чёрные вращающиеся крылья размером 2 м × 0,30 м, закреплённые на регуляторе с помощью шарниров. Эти крылья могли принимать различные угловые положения, формируя видимые издалека сигналы.

4. Противовесы - серые металлические грузы, уравновешивавшие каждый индикатор, облегчавшие их движение.

5. Жалюзи (неподвижные ставни) - неподвижные горизонтальные рейки с щелями на регуляторе и индикаторах, предназначенные для уменьшения сопротивления ветру и улучшения видимости издалека при различной освещённости.

6. Манипулятор (система управления) - система тросов и блоков в рабочем помещении в основании мачты, которой оператор пользовался для управления сигналом. Манипулятор воспроизводил состояние сигнального механизма в миниатюре, позволяя операторам видеть, что они делают, не поднимаясь на башню.​

7. Два телескопа - установленные в деревянных корпусах, зафиксированные и сфокусированные на соседних башнях (расположенных в пределах видимости). Телескопы имели увеличение от 30× до 65×, в зависимости от расстояния между башнями. Каждый телескоп был постоянно направлен на одну из соседних башен, что исключало необходимость регулировки для каждого сообщения.​

Система позиций и кодирование

Основные движения индикаторов:

Каждый из двух индикаторов мог принимать семь основных угловых положений относительно горизонтальной плоскости регулятора:

• 45° (по диагонали вверх-вправо)

• 90° (вертикально вверх)

• 135° (по диагонали вверх-влево)

• 225° (по диагонали вниз-влево)

• 270° (вертикально вниз)

• 315° (по диагонали вниз-вправо)

• Сложенное положение (указатель сложен вдоль регулятора, фактически невидимо)

Регулятор:

Сам регулятор (главная балка) мог принимать четыре основных положения:​

• Горизонтальное

• Вертикальное

• Диагональное (два варианта)

Общее количество сигналов:

Это давало: 7 позиций первого индикатора × 7 позиций второго индикатора × 4 положения регулятора = 196 различных позиций.

Однако для уменьшения ошибок в практической эксплуатации использовались не все 196 позиций. В окончательной системе применялось только 92 сигнала для передачи сообщений, а оставшиеся позиции (в частности, диагональные положения регулятора, видимые на конечной станции) использовались для подтверждения приёма и сигналов ошибки.

Кодирование и передача информации

Шапп разработал революционную систему кодирования с помощью своего кузена Леона Делоне, имевшего опыт кодирования, полученный при работе во французском консульстве в Лиссабоне.​

Словарь кодирования:

Вместо кодирования отдельных букв, Шапп создал словарь из 9999 кодовых записей, каждой из которых было назначено численное кодовое слово. Словарь включал:​

• Часто используемые слова и фразы (с самыми короткими кодами)

• Числа (1—9): кодировались одним сигналом

• Числа (10—99): кодировались двумя сигналами

• Числа (100—999): кодировались тремя сигналами

• Числа (1000—9999): кодировались четырьмя сигналами

Например, слово «homme» (человек) кодировалось как 43-51 в словаре, используемом в Савойе в 1809 году.​

Процесс передачи кода:

Чтобы передать слово или фразу из словаря, оператор должен был передать соответствующее численное кодовое слово, используя десять основных знаков (соответствующих цифрам 0—9):​

1. Оператор устанавливал телеграф в позицию, соответствующую первой цифре кода

2. Оператор соседней станции подтверждал визуальное восприятие сигнала

3. После подтверждения оператор переходил к следующей позиции

Разделитель кодовых групп:

Чтобы ясно отделить одну кодовую группу от другой, последний знак каждой группы показывался с одним из неиспользуемых индикаторов, слегка повёрнутым от регулятора. Таким образом, общее количество используемых сигналов (включая управляющие сигналы) составляло двадцать.​

Управляющие сигналы (контрольные коды)

Система включала набор специфических управляющих сигналов для синхронизации и обработки ошибок:

Четырнадцать основных управляющих сигналов:

1. Speech/Activity (Речь/Активность) — инициирование передачи сообщения. В французском коде было два отдельных сигнала: один для сообщений, инициируемых из Парижа, и один с периферии (так как почти все линии заканчивались в Париже).

2. Attention (Внимание) - подтверждение получения сигнала активности.

3. Error (Ошибка) - сигнализирование об ошибке при приёме.

4. Repeat (Повтор) - запрос на повтор сообщения (добавлен Шаппом в 1809 году).

5. Wait (Ожидание) - указание на необходимость прерывистой передачи (добавлен в 1809 году).

6. Word Delimiter (Разделитель слов) - для разделения кодовых групп.

7. Closing (Закрытие) - завершение передачи.

8-14. Дополнительные сигналы для управления потоком, скоростью передачи и синхронизации.

Эти управляющие сигналы примечательны тем, что предвосхищали многие современные концепции из протоколов компьютерной коммуникации, разработанные почти два века спустя.

Фактически, каждый участок «башня–башня» жил в режиме упрощённого stop-and-wait:

1. Передающая станция выставляет фигуру.

2. Принимающая, убедившись, что конфигурация корректно распознана, подтверждает её обратным сигналом или переходом к следующей позиции.

3. При ошибке или сомнении подаётся специальная комбинация «повторить» — предыдущий символ отправляется снова.

Если провести прямую аналогию с учебниками по компьютерным сетям:

• Символ семафора — это «кадр».

• Набор служебных фигур — это флаги протокола и коды управления.

• Визуальная сверка соседних станций — это примитивный контроль целостности и подтверждение доставки (ACK/NACK) на каждом хопе

Вычислительные перегрузки и расширение сети

К 1823 году сеть Шаппа достигла грандиозных масштабов: более 550 станций и 5000 километров воздушных телеграфных линий охватывали всю Францию. Сообщения, которые ранее занимали дни или недели доставки, теперь передавались за минуты.​

Однако по мере расширения сети возникла проблема: трафик стал растущим, система была перегружена. Шапп постоянно работал над улучшениями и кодировкой для повышения эффективности и снижения времени передачи.

Шведская система- ставни Эдельхранца (Edelcrantz Telegraph)

Техническая конструкция:

В отличие от подвижных рычагов Шаппа, система Эдельхранца была основана на десяти складных железных ставнях (люках), каждая из которых могла находиться в двух состояниях:

• Видимое состояние (= 1): ставня повёрнута так, чтобы быть хорошо видимой издалека

• Невидимое состояние (= 0): ставня вставлена на ребро, не видимая на расстоянии

Комбинации положений ставней преобразовывались в цифры, которые затем декодировались с помощью кодовых справочников в буквы, слова и фразы.​

Система Эдельхранца замечательна тем, что она предвосхищала современный двоичный код компьютеров с его единицами и нулями. Это была одна из первых практических реализаций концепции двоичной логики почти за 150 лет до появления электронных компьютеров.​

Система Эдельхранца была почти в два раза быстрее французской системы Шаппа, что делало её более эффективной для эксплуатации. Первая официальная демонстрация произошла в 1794 году, когда Эдельхранц отправил стихотворение, посвящённое шведскому королю в его день рождения, со дворца в Стокгольме в Дроттнингхольм, где находился король.

Оптический телеграф Кулибина

Любопытно, но и у отечественной истории тут своя интересная линия. Незадолго до смерти Екатерина II специально попросила Ивана Петровича Кулибина заняться устройством оптического телеграфа.​ И Кулибин создал свою версию телеграфа «дальноизвещающую машину». По конструкции она была близка к европейским семафорам: цепочка станций с мачтой и рейками, которые принимали разные положения по условному коду.

Но в деталях Кулибин пошёл дальше:

• Кодирование слогов, а не слов. У Шаппа и многих его последователей основой кода были слова и фразы; у Кулибина - слоги. Это давало более гибкий и компактный код и фактически позволяло передавать произвольные тексты, а не только заранее подготовленный «словарь». Одновременно возрастала криптостойкость: для постороннего наблюдателя последовательность слогов читалась хуже, чем готовая фраза.

• Работа и днём, и ночью. На мачте предусматривался фонарь с отражающими зеркалами, позволявший вести передачу в тёмное время суток и даже при слабом тумане.

• Проработанная конструкция механизма. В источниках упоминается самостоятельное решение Кулибиным всех конструктивных задач - от механики до кода и демонстрационной модели для Академии наук.​

То есть в терминах сетевика Кулибин предложил:

• более «общий» и выразительный уровень представления (слоговой код вместо фразового);

• расширенный физический уровень (работа не только на дневном свете, но и в ночном/туманном режиме).

Изобретение было продемонстрировано Екатерине II, интерес к нему проявила и Академия наук, но денег на реальную линию не нашлось. Модель отправили в Кунсткамеру, а дальше российская практика пошла по «французскому» пути.

Вместо заключения

С наступлением эры электро телеграфа, предложившего еще большую скорость передачи информации, необходимость в оптическом телеграфе отпала. Однако система Шаппа внедрила ряд концепций, которые остаются актуальны в современных коммуникационных системах:​

1. Кодирование данных - использование численных кодов для представления букв и слов

2. Подтверждение доставки (ACK) - механизм проверки корректного приёма каждого сигнала

3. Коррекция ошибок - системы обнаружения и повторной передачи ошибочных сообщений

4. Управление потоком - сигналы "ожидание" и "повтор" для синхронизации

5. Протоколы связи - строгое определение последовательности операций и управляющих сигналов

Изучение исторических документов Шаппа и Эдельхранца показало, что они разработали механизмы, переоткрытые в современном компьютерном сетевом проектировании почти два века спустя.