Sie senden eine E-Mail. Sie streamen ein Video. Sie laden diese Seite. Nichts davon geschieht über einen einzigen, speziell für Sie offen gehaltenen Draht. Das ist ein Mythos. Im Internet herrscht Chaos. Es läuft in paketvermittelten Netzwerken.
Hierbei handelt es sich um digitale Systeme, die Ihre Datendateien in winzige Einheiten, sogenannte Pakete, zerlegen. Sie schicken diese Pakete durch ein Labyrinth von Knoten oder Switches rund um den Globus. Die Switches verwenden eine Methode namens Store-and-Forward. Sie schnappen sich das Paket, sehen sich die Adresse an und schicken es auf den Weg. Am Zielort setzt der Computer die Fragmente wieder zur Originaldatei zusammen. Ohne diesen Prozess gäbe es das moderne Internet, wie wir es kennen, nicht.
Die meisten lokalen Netzwerke (LANs) verwenden dieselbe Logik. Wenn Sie WLAN oder Ethernet nutzen, nutzen Sie paketvermittelte Wellen.
Der Unterschied zwischen Leitungs- und Paketvermittlung
Traditionelle Netzwerke waren anders. Denken Sie an alte Telefonleitungen. Leitungsvermittelte Netzwerke bilden einen physischen Pfad mit fester Bandbreite. Sie halten diesen Weg von Anfang bis Ende offen. Alle Daten werden nacheinander auf dieser einzelnen Spur übertragen. Es ist geordnet. Es ist starr.
Paketvermittelten Netzwerken ist die Ordnung egal. Sie leiten Pakete gleichzeitig über mehrere Pfade. Jeder Schalter trifft eine Entscheidung basierend auf der Effizienz. Wenn ein Pfad aufgrund eines Ausfalls ausfällt, leiten die Switches die Pakete über andere verfügbare Routen um.
Dadurch entsteht ein Problem. Pakete kommen nicht in der richtigen Reihenfolge an. Sie kommen zu unterschiedlichen Zeiten an. Der Empfänger muss das Puzzle zusammensetzen.
Dieser Ansatz bietet erhebliche Vorteile gegenüber der Schaltungsvermittlung. Es optimiert die Kanalkapazität. Es verbessert die Fehlertoleranz. Wenn eine Straße gesperrt ist, fließt der Verkehr woanders hin. Aber es gibt einen Preis. Paketvermittlung ist kompliziert. Es erfordert erhebliche Rechenleistung. Es erfordert große Mengen an Direktzugriffsspeicher (RAM) in den Switches.
Es kommt auch zu Verzögerungen. Eine Umleitung braucht Zeit. Manchmal gehen Pakete im Shuffle verloren. Aufgrund dieses Overheads wird die Paketvermittlung für relativ kleine Dateien bevorzugt. Für größere Übertragungen, bei denen das Timing entscheidend ist, wie etwa Echtzeit-Videoanrufe, wird die Leitungsvermittlung immer noch verwendet.
Anatomie eines paketvermittelten Netzwerks
Jedes paketvermittelte Netzwerk besteht aus zwei Hauptkomponenten. Der Kern und der Rand.
Der Kern besteht aus Routern und Steuerungssystemen. Sie sind über Kommunikationskanäle mit hoher Bandbreite verbunden. Das ist die Autobahn. Der Edge ist der Ort, an dem Endbenutzersysteme leben. Dein Laptop. Dein Telefon. Diese Hosts sind in der Lage, Datenpakete zu senden und zu empfangen.
Die Kommunikation im gesamten Kern basiert auf Protokollen. Hierbei handelt es sich um Verfahren, mit denen Sender und Empfänger effektiv miteinander kommunizieren können. Die zur Übertragung Ihrer Daten verwendeten Protokolle bilden einen Protokollstapel.
Jedes Übertragungspaket, oft auch Datagramm genannt, besteht aus zwei Teilen. Der Header und die Nutzlast.
Der Header enthält Steuerinformationen. Es enthält die Adresse des Absenders. Es enthält die Adresse des Empfängers. Es teilt den Schaltern mit, wohin sie gehen sollen. Bei der Nutzlast handelt es sich um die eigentlichen Informationen, die Sie übermitteln möchten. Manchmal werden Pakete in noch kleinere Einheiten aufgeteilt. Dies wird als Paketfragmentierung bezeichnet.
Verbindungslose vs. verbindungsorientierte Netzwerke
Paketvermittelte Netzwerke gibt es in zwei Varianten. Verbindungslos und verbindungsorientiert.
Verbindungslose Netzwerke, auch Datagramm-Netzwerke genannt, funktionieren wie oben beschrieben. Daten werden in kleinere Teile aufgeteilt. Überschriften sind beigefügt. Die Datagramme nehmen den bestmöglichen Weg von der Quelle zum Ziel. Es gibt keine vorherige Vereinbarung.
Verbindungsorientierte Netzwerke ähneln leitungsvermittelten Netzwerken. Sie richten eine dedizierte Route zwischen dem sendenden Host und dem empfangenden Host ein, bevor eine Paketübertragung stattfindet. In dieser Einrichtungsphase profitieren Sie von den Vorteilen der Leitungsvermittlung, während Sie in einem digitalen Netzwerk bleiben.
Wer hat es erfunden?
Die Idee, große Dateneinheiten in kleinere Pakete aufzuteilen, schien noch nicht vollständig ausgereift zu sein. Es hat sich weiterentwickelt.
Paul Baran, ein Ingenieur bei der RAND Corporation, erfand das Konzept als Erster. Er beantwortete eine Frage der US-Luftwaffe. Wie könnte ein Computerkommunikationsnetzwerk einen Atomangriff überleben? Seine Lösung war „Hot-Potato-Routing“. Er veröffentlichte seine Theorie zwischen 1960 und 1962 in RAND-Studien. Im August 1964 erweiterte er sie zu einer 11-bändigen Analyse mit dem Titel „On Distributed Communications“.
Die Regierung und private Unternehmen ignorierten ihn. Die Idee stieß damals auf wenig Interesse.
Unabhängig davon entwickelte Donald Davies, Informatiker am National Physical Laboratory (NPL) des Vereinigten Königreichs, das gleiche Konzept. Er begann mit der Arbeit an einem Netzwerk, um es zu testen. Baran nannte seine Einheiten „Nachrichtenblöcke“. Davies nannte sie „Pakete“.
Der Begriff blieb hängen. Lawrence (Larry) Roberts, ein Manager bei ARPA (heute DARPA), erfuhr im Oktober 1967 von Davies‘ Arbeit. Er besuchte ein Symposium in Gatlinburg, Tennessee. Roberts übernahm den Begriff „Paketvermittlung“ von Davies für ARPANET. Dieses Projekt wurde zum Vorläufer des Internets.
Es war nicht glatt. Es war nicht unmittelbar. Aber es hat funktioniert. Und jedes Mal, wenn Sie eine Seite aktualisieren, werden Sie jetzt Zeuge des Ergebnisses einer Entscheidung, einen Atomkrieg zu überleben. Oder vielleicht einfach nur, um schneller eine E-Mail zu versenden. Die Unterscheidung spielt keine Rolle mehr. Die Pakete fliegen.
Der Grundstein für das moderne Internet wurde gelegt, lange bevor Sie jemals auf einen Link geklickt haben. Es begann mit ARPANET, dem ersten öffentlichen paketvermittelten Netzwerk, das im Oktober 1969 seinen ersten erfolgreichen Test durchlief. Das Design war straff – in nur einem Jahr von Bolt Beranek und Newman (BBN) gebaut. Sie übernahmen Konzepte von Baran und Davies und setzten sie in die Realität um. Anfangs war es klein. Vier Knoten. UCLA, Stanford Research Institute, UC Santa Barbara und die University of Utah. Bis 1975 wuchs es auf 57 Knoten.
Aber die wahre Geschichte ist nicht nur der Code. Es ist die Reibung. Als ARPANET im Oktober 1972 auf der ersten International Conference on Computer Communications (ICCC) vorgestellt wurde, war die Reaktion der Branche gemischt. Ja, es hat sich gezeigt, dass die Paketvermittlung funktioniert. Doch ein Großteil des Kommunikationssektors in den USA blieb desinteressiert. Einige waren geradezu feindselig.
BBN und Roberts erkannten die Lücke. Im selben Jahr gründeten sie Telenet. Ein kommerzielles Netzwerk. Weil der öffentliche Sektor nicht schnell genug vorankam.
Globale Skepsis und Parallelkonstruktionen
Während die USA zögerten, zogen andere Länder nach. Zumindest schien es so.
Im November 1973 kündigte Frankreich TRANSPAC an. Ein inländisches Paketnetzwerk, das von der Post- und Telekommunikationsabteilung betrieben wird. Dann kam DATAPAC im Oktober 1974. Das Trans-Canada Telephone System führte es ein. Die japanische Nippon Telegraph and Telephone Corporation plante ihr eigenes öffentliches paketvermitteltes Datennetz.
Die meisten Anbieter blieben am Rande. Sie warteten lieber. Sehen Sie sich die ersten öffentlichen Sender an. Sehen Sie, ob sie tatsächlich in freier Wildbahn gearbeitet haben.
„Die meisten Anbieter blieben skeptisch und warteten lieber ab, wie sich die ersten öffentlichen Netze entwickelten.“
Experimentelle Netzwerke prägen Europa
Während dieser Wartezeit hörten die Forscher nicht auf zu arbeiten. Sie bauten neue Netzwerke auf. Sie experimentierten. Sie haben das Kernkonzept verbessert.
Donald Davies beendete 1970 sein Mark-I-Netzwerk an der NPL. Anschließend baute er Mark II auf. 1973 fertiggestellt. Es beeinflusste nach und nach das Vereinigte Königreich und weite Teile Europas.
Louis Pouzin, ein französischer Informatiker, beendete CYCLADES im selben Jahr. 1973. Dieses hier war anders. Es basierte auf Datagrammen. Es hat die Verantwortung verschoben. Anstatt Fehler durch Netzwerkkerne zu beheben, taten dies die Hosts. Dies veränderte die Computerkommunikation für immer.
Das European Informatics Network (EIN) ging 1976 online. International finanziert. Ein weiteres Puzzleteil.
Der Vorstoß zur Standardisierung
Warum mussten Nationen reden? Fünf Länder bauten öffentliche Paketnetze auf. Kanada. Frankreich. Japan. Großbritannien. Die USA.
Sie benötigten eine Standard-Host-Netzwerk-Schnittstelle. Starke Motivation. Ohne sie wären ihre Netzwerke Inseln. Die Gespräche begannen 1975. Das Ergebnis war die CCITT-Empfehlung X.25. Im März 1976 von allen beteiligten Nationen angenommen.
X.25 läutete die nächste Phase ein. Vernetzte öffentliche Dienstleistungsnetze. Es war nicht das Ende der Geschichte. Es folgten weitere Vereinbarungen. X.75 war ein Standardprotokoll zur Verbindung internationaler Netzwerke. Es ermöglichte den Infrastrukturen verschiedener Länder, miteinander zu kommunizieren.
Der DoD-Split und TCP/IP
1979 wurde Robert Kahn Direktor des Information Processing Techniques Office (IPTO) bei DARPA. Das US-Verteidigungsministerium verfügte über mehrere paketvermittelte Netzwerke. Aber keiner war kompatibel. Sie sprachen verschiedene Sprachen.
Kahn hat es behoben. Er veranlasste das Verteidigungsministerium, TCP/IP einzuführen. Ein Protokollstandard, den er erstmals 1974 in einer zusammen mit Vincent Cerf verfassten Arbeit vorstellte. Prominenter Softwareentwickler. Mitverfasser.
TCP/IP-Verbreitung. Es wurde in andere Forschungslabore verlegt. Dann an die breite Öffentlichkeit. Es wurde zur Grundlage für das ultimative paketvermittelte Netzwerk. Das Internet.
Der Übergang erfolgte nicht sofort. Aber die Architektur hielt. Die Standards blieben hängen. Und die Skepsis der 70er Jahre ist in der Infrastruktur von heute verschwunden. Wir verwenden immer noch dieselbe grundlegende Logik. Pakete bewegen sich. Gastgeber korrigieren. Schnittstellen definiert.
