Wysyłasz e-mail. Transmitujesz wideo. Ładujesz tę stronę. Nic z tego nie dzieje się za pośrednictwem jednego dedykowanego przewodu, otwartego tylko dla Ciebie. To jest mit. Internet rządzi chaosem. Działa w sieciach z komutacją pakietów.
Są to systemy cyfrowe, które dzielą pliki danych na małe jednostki zwane pakietami. Wysyłają te pakiety przez labirynt węzłów, czyli przełączników, na całym świecie. Przełączniki korzystają z metody przechowywania i przekazywania. Biorą paczkę, patrzą na adres i przesyłają dalej. W miejscu docelowym komputer składa fragmenty z powrotem w oryginalny plik. Bez tego procesu współczesny Internet, jaki znamy, nie istniałby.
Większość sieci lokalnych (LAN) wykorzystuje tę samą logikę. Jeśli masz połączenie z siecią Wi-Fi lub Ethernet, korzystasz z fal przełączania pakietów.
Różnica między przełączaniem obwodów a przełączaniem pakietów
Tradycyjne sieci były inne. Przypomnij sobie stare linie telefoniczne. Sieci z komutacją łączy tworzą ścieżkę fizyczną o stałej przepustowości. Trzymają tę ścieżkę otwartą od początku do końca. Wszystkie dane są przesyłane sekwencyjnie tą pojedynczą ścieżką. To jest uporządkowane. To trudne.
Sieci z komutacją pakietów nie dbają o porządek. Kierują pakiety wieloma ścieżkami jednocześnie. Każdy przełącznik podejmuje decyzję na podstawie wydajności. Jeśli jedna ścieżka ulegnie awarii z powodu awarii, przełącza pakiety dalej na inne dostępne trasy.
To stwarza problem. Pakiety docierają nie w kolejności. Przychodzą o różnych porach. Strona odbierająca musi ukończyć łamigłówkę.
Takie podejście oferuje znaczne korzyści w porównaniu z przełączaniem obwodów. Optymalizuje przepustowość kanału. Zwiększa tolerancję na błędy. Jeśli jedna droga jest zamknięta, ruch odbywa się płynnie. Ale jest też cena. Przełączanie pakietów jest złożone. Wymaga dużej mocy obliczeniowej. Wymaga dużej ilości pamięci o dostępie swobodnym (RAM) w przełącznikach.
Są też opóźnienia. Przekierowanie wymaga czasu. Czasami pakiety gubią się w trakcie tego procesu. Z powodu tego narzutu w przypadku stosunkowo małych plików preferowane jest przełączanie pakietów. Przełączanie obwodów jest nadal stosowane w przypadku dużych transmisji, w których czas ma kluczowe znaczenie, takich jak rozmowy wideo w czasie rzeczywistym.
Anatomia sieci z komutacją pakietów
Każda sieć z komutacją pakietów składa się z dwóch głównych elementów. Jądro i peryferie.
Rdzeń składa się z routerów i systemów zarządzania. Są one połączone kanałami komunikacyjnymi o dużej przepustowości. To jest autostrada. Krawędź to miejsce, w którym znajdują się systemy użytkowników końcowych. Twój laptop. Twój telefon. Hosty te mogą wysyłać i odbierać pakiety danych.
Komunikacja poprzez jądro opiera się na protokołach. Są to procedury stosowane przez nadawcę i odbiorcę w celu skutecznej komunikacji między sobą. Protokoły używane do przesyłania danych tworzą stos protokołów.
Każdy przesyłany pakiet, często nazywany datagramem, składa się z dwóch części. Nagłówek i ładunek.
Nagłówek zawiera informacje sterujące. Zawiera adres nadawcy. Zawiera adres odbiorcy. Mówi przełącznikom, gdzie mają się udać. Ładunek to rzeczywista informacja, którą chcesz dostarczyć. Czasami pakiety są dzielone na jeszcze mniejsze jednostki. Nazywa się to fragmentacją pakietów.
Sieci bezsieciowe i sieciowe
Istnieją dwa typy sieci z komutacją pakietów. Bez sieci i w sieci.
Sieci bezsieciowe, zwane także sieciami datagramowymi, działają w sposób opisany powyżej. Dane są dzielone na mniejsze części. Nagłówki są do nich dołączone. Datagramy podążają najlepszą możliwą trasą od źródła do miejsca docelowego. Nie ma porozumienia wstępnego.
Sieci sieciowe naśladują sieci z komutacją obwodów. Ustalają dedykowaną trasę pomiędzy hostem wysyłającym a hostem odbierającym zanim zostaną przesłane jakiekolwiek pakiety. Ta faza konfiguracji zapewnia korzyści wynikające z przełączania obwodów, pozostając w sieci cyfrowej.
Kto to wymyślił?
Pomysł rozbicia dużych jednostek danych na mniejsze pakiety nie wyszedł od razu z pudełka. Ona ewoluowała.
Paul Baran, inżynier w RAND Corporation, jako pierwszy przedstawił tę koncepcję. Odpowiadał na pytanie Sił Powietrznych USA. W jaki sposób komputerowa sieć komunikacyjna może przetrwać atak nuklearny? Jego rozwiązaniem było „trasowanie gorących ziemniaków”. Opublikował swoją teorię w badaniach RAND w latach 1960–1962. Rozszerzył ją w 11-tomowej analizie zatytułowanej O komunikacji rozproszonej w sierpniu 1964 r.
Rząd i prywatne korporacje zignorowały go. Pomysł wzbudził wówczas niewielkie zainteresowanie.
Niezależnie Donald Davis, informatyk w brytyjskim Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL), opracował tę samą koncepcję. Zaczął pracować nad siecią, aby ją przetestować. Baran nazwał swoje jednostki „blokami wiadomości”. Davis nazwał je „pakietami”.
Termin utknął. Lawrence (Larry) Roberts, menadżer w ARPA (obecnie DARPA), dowiedział się o pracy Davisa w październiku 1967 roku. Wziął udział w sympozjum w Gatlinburgu w stanie Tennessee. Roberts przyjął termin Davisa „przełączanie pakietów” dla określenia ARPANET. Projekt ten stał się prekursorem Internetu.
To nie była łatwa żegluga. To nie było natychmiastowe. Ale to zadziałało. A teraz za każdym razem, gdy odświeżasz stronę, jesteś świadkiem wyniku podjętej decyzji o przetrwaniu wojny nuklearnej. A może po prostu szybciej wysłać e-mail. Różnica nie ma już znaczenia. Paczki lecą.
Podstawy współczesnego Internetu zostały położone na długo przed kliknięciem łącza. Wszystko zaczęło się od ARPANET, pierwszej publicznej sieci z komutacją pakietów, która przeprowadziła swój pierwszy udany test w październiku 1969 roku. Architektura była przemyślana: sieć została opracowana w ciągu zaledwie jednego roku przez Bolta Beranka i Newmana (BBN). Wzięli koncepcje Barana i Davisa i wcielili je w życie. Początkowo sieć była niewielka. Te cztery węzły to: Uniwersytet Kalifornijski, Los Angeles (UCLA), Instytut Badawczy Stanforda (SRI), Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara i Utah. Do roku 1975 liczba węzłów wzrosła do 57.
Ale prawdziwa historia to nie tylko kod. To jest tarcie. Kiedy w październiku 1972 roku na pierwszej Międzynarodowej Konferencji Komunikacji Komputerowej (ICCC) zademonstrowano ARPANET, reakcja branży była mieszana. Tak, udowodniono, że przełączanie pakietów działa. Jednak znaczna część amerykańskiego sektora telekomunikacyjnego pozostała obojętna. Niektórzy byli wobec tego otwarcie wrogo nastawieni.
BBN i Roberts dostrzegli tę lukę. W tym samym roku założyli Telenet. Sieć handlowa. Ponieważ sektor publiczny działał zbyt wolno.
Globalny sceptycyzm i rozwój równoległy
Podczas gdy Stany Zjednoczone się wahały, inne kraje poszły naprzód. A przynajmniej tak się wydawało.
W listopadzie 1973 roku Francja ogłosiła TRANSPAC. Wewnętrzna sieć pakietowa zarządzana przez Pion Poczty i Telekomunikacji. Następnie, w październiku 1974, narodził się DATAPAC. Został wdrożony przez Trans-Canada Telephone System. Japońska korporacja Nippon Telegraph and Telephone (NTT) planowała stworzyć własną publiczną sieć danych z komutacją pakietów.
Większość dostawców pozostawała na uboczu. Woleli poczekać. Obserwuj działanie wczesnych sieci publicznych. Sprawdź, czy naprawdę sprawdzają się w rzeczywistych warunkach.
„Większość dostawców pozostała sceptyczna i wolała poczekać i zobaczyć, jak zachowają się wczesne sieci publiczne”.
Sieci eksperymentalne kształtujące Europę
W okresie oczekiwania badacze nie przestawali pracować. Zbudowali nowe sieci. Eksperymentowaliśmy. Ulepszono podstawową koncepcję.
Donald Davis ukończył swoją sieć Mark I w Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL) w 1970 r. Następnie zbudował Mark II. Ukończony w 1973 roku. Stopniowo wpłynął na Wielką Brytanię i większą część Europy.
Louis Pouzin, francuski informatyk, zakończył prace nad CYCLADES w 1973 roku. Była inna. Opierał się na datagramach. Przerzuciła odpowiedzialność. Zamiast błędów w obsłudze rdzenia sieci, zrobili to gospodarze. To na zawsze zmieniło komunikację komputerową.
Europejska Sieć Informatyczna (EIN) została utworzona w 1976 r. Jest finansowana na szczeblu międzynarodowym. Kolejny element układanki.
Dążenie do standaryzacji
Dlaczego państwa musiały się komunikować? Pięć krajów budowało publiczne sieci z komutacją pakietów. Kanada. Francja. Japonia. Zjednoczone Królestwo. USA.
Potrzebowali standardu interfejsu host-sieć. Silna motywacja. Bez niego ich sieci pozostały odizolowanymi wyspami. Negocjacje rozpoczęły się w 1975 r. W ich rezultacie przyjęto Zalecenie CCITT X.25. Zaakceptowany przez wszystkie zaangażowane kraje w marcu 1976 r.
X.25 otworzył kolejną fazę. Połączone sieci usług publicznych. To nie był koniec tej historii. Nastąpiły dodatkowe porozumienia. X.75 stał się standardowym protokołem do łączenia sieci międzynarodowych. Umożliwiło to infrastrukturze różnych krajów komunikację między sobą.
Podział na DoD i TCP/IP
W 1979 roku Robert Kahn został dyrektorem Biura Przetwarzania Informacji (IPTO) w DARPA. Departament Obrony Stanów Zjednoczonych miał kilka sieci z komutacją pakietów. Ale żaden z nich nie był kompatybilny. „Mówili” różnymi językami.
Kahn rozwiązał ten problem. Namówił Departament Obrony do przyjęcia standardu TCP/IP. Protokół, którego koncepcję po raz pierwszy nakreślił w artykule z 1974 roku napisanym wspólnie z Vincentem Cerfem. Wybitny programista. Współautor.
Rozprzestrzenił się protokół TCP/IP. Przeniósł się do innych laboratoriów badawczych. Następnie – dla ogółu społeczeństwa. Stało się podstawą ostatecznej sieci z komutacją pakietów. Internet.
Przejście nie było natychmiastowe. Ale architektura przetrwała. Ustalono standardy. A sceptycyzm lat 70. rozpłynął się w dzisiejszej infrastrukturze. Nadal używamy tej samej podstawowej logiki. Pakiety się przemieszczają. Hosty naprawiają błędy. Interfejsy są zdefiniowane.
