Invii un’e-mail. Trasmetti un video in streaming. Carichi questa pagina. Niente di tutto ciò avviene attraverso un unico cavo dedicato tenuto aperto solo per te. Questo è un mito. Internet funziona nel caos. Funziona su reti a commutazione di pacchetto.
Si tratta di sistemi digitali che prendono i tuoi file di dati e li distruggono in minuscole unità chiamate pacchetti. Sparano questi pacchetti attraverso un labirinto di nodi, o interruttori, in tutto il mondo. Gli switch utilizzano un metodo chiamato store-and-forward. Prendono il pacchetto, guardano l’indirizzo e lo mandano in viaggio. A destinazione, il computer riassembla i frammenti nel file originale. Senza questo processo, l’Internet moderna come la conosciamo non esisterebbe.
La maggior parte delle reti locali (LAN) utilizza questa stessa logica. Se utilizzi Wi-Fi o Ethernet, stai cavalcando onde a commutazione di pacchetto.
La differenza tra commutazione di circuito e commutazione di pacchetto
Le reti tradizionali erano diverse. Pensa alle vecchie linee telefoniche. Le reti a commutazione di circuito creano un percorso fisico con larghezza di banda fissa. Mantengono quel percorso aperto dall’inizio alla fine. Tutti i dati viaggiano in sequenza lungo quella singola traccia. È ordinato. È rigido.
Le reti a commutazione di pacchetto non si preoccupano dell’ordine. Dirigono i pacchetti lungo più percorsi contemporaneamente. Ogni interruttore prende una decisione basata sull’efficienza. Se un percorso si interrompe a causa di un’interruzione, gli switch reindirizzano i pacchetti lungo altri percorsi disponibili.
Questo crea un problema. I pacchetti arrivano fuori ordine. Arrivano in orari diversi. La parte ricevente deve mettere insieme il puzzle.
Questo approccio offre vantaggi significativi rispetto alla commutazione di circuito. Ottimizza la capacità del canale. Migliora la tolleranza agli errori. Se una strada viene chiusa, il traffico scorre altrove. Ma c’è un costo. Il cambio di pacchetto è complicato. Richiede una potenza di elaborazione significativa. Richiede grandi quantità di memoria ad accesso casuale (RAM) negli switch.
Ci sono anche dei ritardi. Il reindirizzamento richiede tempo. A volte i pacchetti si perdono nella confusione. A causa di questi costi generali, la commutazione di pacchetto è preferibile per file relativamente piccoli. La commutazione di circuito viene ancora utilizzata per trasferimenti più grandi in cui la tempistica è fondamentale, come le videochiamate in tempo reale.
Anatomia di una rete a commutazione di pacchetto
Ogni rete a commutazione di pacchetto ha due componenti principali. Il nucleo e il bordo.
Il nucleo è costituito da router e sistemi di controllo. Sono collegati da canali di comunicazione a larghezza di banda elevata. Questa è l’autostrada. L’edge è il luogo in cui risiedono i sistemi degli utenti finali. Il tuo portatile. Il tuo telefono. Questi host sono in grado di inviare e ricevere pacchetti di dati.
La comunicazione all’interno del core si basa sui protocolli. Si tratta di procedure che mittenti e destinatari utilizzano per comunicare tra loro in modo efficace. I protocolli utilizzati per trasferire i dati formano uno stack di protocolli.
Ogni pacchetto di trasmissione, spesso chiamato datagramma, è composto da due parti. L’intestazione e il carico utile.
L’intestazione contiene informazioni di controllo. Contiene l’indirizzo del mittente. Contiene l’indirizzo del destinatario. Dice agli interruttori dove andare. Il carico utile è l’informazione effettiva che desideri fornire. A volte i pacchetti vengono suddivisi in unità ancora più piccole. Questa è chiamata frammentazione dei pacchetti.
Reti senza connessione e reti orientate alla connessione
Le reti a commutazione di pacchetto sono disponibili in due versioni. Senza connessione e orientato alla connessione.
Le reti senza connessione, note anche come reti di datagrammi, funzionano come descritto sopra. I dati sono suddivisi in parti più piccole. Le intestazioni sono allegate. I datagrammi seguono il miglior percorso possibile dalla sorgente alla destinazione. Non esiste alcun accordo preventivo.
Le reti orientate alla connessione imitano le reti a commutazione di circuito. Impostano un percorso dedicato tra l’host mittente e l’host ricevente prima che avvenga qualsiasi trasferimento di pacchetti. Questa fase di configurazione ottiene i vantaggi della commutazione di circuito rimanendo su una rete digitale.
Chi l’ha inventato?
L’idea di suddividere grandi unità di dati in pacchetti più piccoli non sembrava del tutto consolidata. Si è evoluto.
Paul Baran, un ingegnere della RAND Corporation, ha immaginato per primo il concetto. Stava rispondendo a una domanda dell’aeronautica americana. Come potrebbe una rete di comunicazione informatica sopravvivere a un attacco nucleare? La sua soluzione era il “routing della patata bollente”. Pubblicò la sua teoria negli studi RAND tra il 1960 e il 1962. La espanse in un’analisi in 11 volumi intitolata On Distributed Communications nell’agosto 1964.
Il governo e le società private lo ignorarono. L’idea suscitò poco interesse all’epoca.
Indipendentemente, Donald Davies, uno scienziato informatico del National Physical Laboratory (NPL) del Regno Unito, ha sviluppato lo stesso concetto. Ha iniziato a lavorare su una rete per testarla. Baran chiamava le sue unità “blocchi di messaggi”. Davies li chiamava “pacchetti”.
Il termine è rimasto. Lawrence (Larry) Roberts, un manager dell’ARPA (ora DARPA), venne a conoscenza del lavoro di Davies nell’ottobre 1967. Vide un simposio a Gatlinburg, nel Tennessee. Roberts ha adottato il termine di Davies commutazione di pacchetto per ARPANET. Quel progetto è diventato il precursore di Internet.
Non è stato tutto liscio. Non è stato immediato. Ma ha funzionato. E ora, ogni volta che aggiorni una pagina, assisti al risultato di una decisione presa per sopravvivere a una guerra nucleare. O forse semplicemente per inviare un’e-mail più velocemente. La distinzione non ha più importanza. I pacchetti volano.
Le basi per l’Internet moderna sono state gettate molto prima che tu facessi clic su un collegamento. Tutto ebbe inizio con ARPANET, la prima rete pubblica a commutazione di pacchetto, che eseguì con successo il suo primo test nell’ottobre del 1969. Il progetto era rigoroso: realizzato in un solo anno da Bolt Beranek e Newman (BBN). Hanno preso concetti da Baran e Davies e li hanno resi reali. All’inizio era piccolo. Quattro nodi. UCLA, Stanford Research Institute, UC Santa Barbara e Università dello Utah. Nel 1975 arrivò a 57 nodi.
Ma la vera storia non è solo il codice. È l’attrito. Quando ARPANET fu presentato nell’ottobre del 1972 alla prima Conferenza internazionale sulle comunicazioni informatiche (ICCC), la reazione dell’industria fu mista. Sì, ha dimostrato che la commutazione di pacchetto funzionava. Ma gran parte del settore delle comunicazioni negli Stati Uniti è rimasto disinteressato. Alcuni erano apertamente ostili.
La Bbn e Roberts hanno notato il divario. Nello stesso anno fondarono Telenet. Una rete commerciale. Perché il settore pubblico non si stava muovendo abbastanza velocemente.
Scetticismo globale e costruzioni parallele
Mentre gli Stati Uniti esitavano, altri paesi si muovevano. O almeno così sembrava.
Nel novembre 1973, la Francia annunciò il TRANSPAC. Una rete a pacchetto nazionale gestita dalla divisione poste e telecomunicazioni. Poi arrivò DATAPAC nell’ottobre 1974. Il sistema telefonico transcanadese lo lanciò. La giapponese Nippon Telegraph and Telephone Corporation ha progettato la propria rete dati pubblica a commutazione di pacchetto.
La maggior parte dei fornitori è rimasta in disparte. Hanno preferito aspettare. Guarda l’esibizione delle prime reti pubbliche. Scopri se hanno effettivamente funzionato in natura.
“La maggior parte degli operatori è rimasta scettica e ha preferito aspettare per vedere come si sarebbero comportate le prime reti pubbliche.”
Reti sperimentali che danno forma all’Europa
Durante questo periodo di attesa, i ricercatori non hanno smesso di lavorare. Hanno costruito nuove reti. Hanno sperimentato. Hanno migliorato il concetto principale.
Donald Davies completò la sua rete Mark I alla NPL nel 1970. Poi costruì Mark II. Completato nel 1973. Ha gradualmente influenzato il Regno Unito e gran parte dell’Europa.
Louis Pouzin, un informatico francese, completò CYCLADES nello stesso anno. 1973. Questo era diverso. Era basato su datagrammi. Ha spostato la responsabilità. Invece di gestire gli errori da parte dei core della rete, lo hanno fatto gli host. Ciò ha cambiato per sempre le comunicazioni informatiche.
La Rete informatica europea (EIN) è nata nel 1976. Finanziata a livello internazionale. Un altro pezzo del puzzle.
La spinta verso la standardizzazione
Perché le nazioni avevano bisogno di parlare? Cinque paesi stavano costruendo reti pubbliche a pacchetto. Canada. Francia. Giappone. Il Regno Unito. Gli Stati Uniti.
Avevano bisogno di un’interfaccia di rete host standard. Forte motivazione. Senza di essa, le loro reti sarebbero isole. I colloqui iniziarono nel 1975. Il risultato fu la Raccomandazione X.25 del CCITT. Adottato da tutte le nazioni coinvolte nel marzo 1976.
X.25 ha inaugurato la fase successiva. Reti di servizio pubblico interconnesse. Non era la fine della storia. Seguirono ulteriori accordi. X.75 era un protocollo standard per la connessione di reti internazionali. Ha consentito alle infrastrutture di diversi paesi di dialogare tra loro.
La divisione DoD e TCP/IP
Nel 1979, Robert Kahn divenne direttore dell’Ufficio per le tecniche di elaborazione delle informazioni (IPTO) presso la DARPA. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti disponeva di più reti a commutazione di pacchetto. Ma nessuno era compatibile. Parlavano lingue diverse.
Kahn lo ha risolto. Ha chiesto al Dipartimento della Difesa di adottare TCP/IP. Uno standard di protocollo da lui immaginato per la prima volta in un articolo del 1974 scritto con Vincent Cerf. Sviluppatore di software di spicco. Coautore.
Diffusione del TCP/IP. Si è trasferito in altri laboratori di ricerca. Poi al grande pubblico. È diventata la base per la rete a commutazione di pacchetto definitiva. Internet.
La transizione non è stata immediata. Ma l’architettura ha resistito. Gli standard sono rimasti bloccati. E lo scetticismo degli anni ’70 è svanito nelle infrastrutture di oggi. Usiamo ancora la stessa logica fondamentale. Pacchetti in movimento. Ospiti in correzione. Interfacce definite.
