Як пакетна комутація забезпечує роботу інтернету і чому це важливо
Ви надсилаєте електронного листа. Ви транслюєте відео. Ви завантажуєте цю сторінку. Ніщо з цього не відбувається через єдиний виділений провід, відкритий лише для вас. Це міф. Інтернет працює на хаосі. Він працює на мережах із пакетною комутацією.
Це цифрові системи, які розбивають ваші файли даних на крихітні одиниці, які називаються пакетами. Вони відправляють ці пакети через лабіринт вузлів або комутаторів по всьому світу. Комутатори використовують метод «забрати та передати» (store-and-forward). Вони захоплюють пакет, дивляться на адресу та відправляють його далі. У пункті призначення комп’ютер збирає фрагменти назад у вихідний файл. Без цього процесу сучасного інтернету, яким ми його знаємо, не було б.
Більшість локальних мереж (LAN) використовують таку ж логіку. Якщо підключено до Wi-Fi або Ethernet, ви використовуєте хвилі пакетної комутації.
Різниця між комутацією каналів та пакетною комутацією
Традиційні мережі були іншими. Згадайте старі телефонні смуги. Мережі з комутацією каналів створюють фізичний шлях із фіксованою пропускною здатністю. Вони тримають цей шлях відкритим від початку остаточно. Всі дані передаються послідовно цим єдиним шляхом. Це впорядковано. Це жорстко.
Мережі з пакетною комутацією не дбають про порядок. Вони направляють пакети кількома шляхами одночасно. Кожен комутатор приймає рішення з урахуванням ефективності. Якщо один шлях виходить з ладу через збій, комутатори перенаправляють пакети іншими доступними маршрутами.
Це створює проблему. Пакети надходять не по порядку. Вони приходять у різний час. Приймаюча сторона повинна зібрати головоломку.
Цей підхід пропонує значні переваги перед комутацією каналів. Він оптимізує пропускну спроможність каналу. Він підвищує стійкість до відмов. Якщо одна дорога закрита, трафік тече в обхід. Але є ціна. Пакетна комутація складна. Вона потребує значних обчислювальних потужностей. Вона потребує великих обсягів оперативної пам’яті (ОЗП) у комутаторах.
Також є затримки. Перенаправлення займає час. Іноді пакети губляться у процесі. Через ці накладні витрати пакетна комутація переважна для відносно невеликих файлів. Комутація каналів все ще використовується для великих передач, де критично час, наприклад, для відеодзвінків у реальному часі.
Анатомія мережі з пакетною комутацією
Кожна мережа з пакетною комутацією має два основні компоненти. Ядро та периферія.
Ядро складається з маршрутизаторів та систем управління. Вони з’єднані каналами зв’язку з високою пропускною здатністю. Це — магістраль. Периферія — це місце, де живуть кінцеві системи користувача. Ваш ноутбук. Ваш телефон. Ці хости здатні надсилати та отримувати пакети даних.
Зв’язок через ядро спирається на протоколи. Це процедури, які відправники та одержувачі використовують для ефективного спілкування. Протоколи, що використовуються для передачі даних, утворюють стек протоколів.
Кожен переданий пакет, який часто називають дейтаграмою, має дві частини. Заголовок та корисне навантаження.
Заголовок містить інформацію, що управляє. Він містить адресу відправника. Він містить адресу одержувача. Він вказує комутаторам, куди прямувати. Корисне навантаження – це фактична інформація, яку ви хочете доставити. Іноді пакети розбиваються на ще дрібніші одиниці. Це називається фрагментацією пакетів.
Безмережні та мережеві мережі
Мережі з пакетною комутацією бувають двох видів. Безмережні та мережеві.
Безмережні мережі, також відомі як дейтаграмні мережі, працюють так, як описано вище. Дані розбиваються більш дрібні частини. До них прикріплюються заголовки. Дейтаграми вибирають найкращий маршрут від джерела до місця призначення. Жодної попередньої угоди немає.
Мережеві мережі імітують мережі з комутацією каналів. Вони встановлюють виділений маршрут між відправляючим хостом і приймаючим хостом до початку передачі будь-яких пакетів. Ця фаза налаштування дає переваги комутації каналів, залишаючись у цифровій мережі.
Хто це винайшов?
Ідея розбити великі одиниці даних на дрібніші пакети не з’явилася у готовому вигляді. Вона еволюціонувала.
Пол Баран, інженер корпорації RAND, уперше представив цю концепцію. Він відповідав на запитання ВПС США. Як комп’ютерна мережа може пережити ядерну атаку? Його рішенням була “маршрутизація за принципом гарячої картоплі” (hot-potato routing). Він опублікував свою теорію у дослідженнях RAND у період з 1960 по 1962 рік. Він розширив її в 11-томному аналізі під назвою On Distributed Communications в серпні 1964 року.
Уряд та приватні корпорації проігнорували його. Ідея викликала невеликий інтерес на той час.
Незалежно від нього Дональд Девіс, вчений комп’ютерник з Національної фізичної лабораторії (NPL) Великобританії, розробив ту ж концепцію. Він почав працювати над мережею для її тестування. Баран називав свої одиниці блоками повідомлень. Девіс назвав їх “пакетами”.
Термін прижився. Лоуренс (Ларрі) Робертс, менеджер в ARPA (тепер DARPA), дізнався про роботу Девіса у жовтні 1967 року. Він відвідав симпозіум у Гатлінбурзі, штат Теннессі. Робертс прийняв термін Девіса пакетна комутація для ARPANET. Цей проект став попередником Інтернету.
Це було не гладко. Це було миттєво. Але це спрацювало. І тепер, коли ви оновлюєте сторінку, ви є свідком результату рішення, прийнятого для виживання в ядерній війні. Або, можливо, просто для швидшого відправлення електронного листа. Різниця більше не має значення. Пакети летять.
Фундамент сучасного інтернету був закладений задовго до того, як ви натиснули на посилання. Все почалося з ARPANET — першої публічної мережі з пакетною комутацією, яка провела свій перший успішний тест у жовтні 1969 року. Архітектура була продуманою: мережа була розроблена лише за один рік компанією Bolt Beranek and Newman (BBN). Вони взяли концепції Барана та Девіса і втілили їх у життя. Спочатку мережа була невеликою. Чотири вузли: Каліфорнійський університет у Лос-Анджелесі (UCLA), Інститут досліджень у Стенфорді (SRI), Каліфорнійський університет у Санта-Барбарі та Юта. До 1975 кількість вузлів зросла до 57.
Але справжня історія – це не лише код. Це тертя. Коли ARPANET була продемонстрована у жовтні 1972 року на першій Міжнародній конференції з комп’ютерних комунікацій (ICCC), реакція індустрії була неоднозначною. Так, вона довела працездатність пакетної комутації. Проте більшість комунікаційного сектора США залишилася байдужою. Деякі поставилися до цього відкрито вороже.
BBN і Робертс побачили цю прогалину. У тому ж році вони започаткували Telenet. Комерційну мережу. Оскільки державний сектор рухався надто повільно.
Глобальний скептицизм та паралельний розвиток
Поки США вагалися, інші країни рухалися вперед. Або так здавалося.
У листопаді 1973 року Франція анонсувала TRANSPAC. Внутрішню пакетну мережу, керовану підрозділом пошти та телекомунікацій. Потім у жовтні 1974 року з’явилася DATAPAC. Її розгорнула Trans-Canada Telephone System. Японська корпорація Nippon Telegraph and Telephone (NTT) планувала створити власну публічну мережу передачі з пакетною комутацією.
Більшість провайдерів залишалися осторонь. Вони воліли зачекати. Спостерігати за роботою ранніх громадських мереж. Бачити, чи справді вони працюють у реальних умовах.
«Більшість провайдерів залишалися скептиками, воліючи почекати і подивитися, як поведуться ранні публічні мережі».
Експериментальні мережі, що формують Європу
У період очікування дослідники не припиняли роботу. Вони будували нові сіті. Експериментували. Удосконалили базову концепцію.
Дональд Девіс завершив свою мережу Mark I у Національній фізичній лабораторії (NPL) у 1970 році. Потім він збудував Mark II. Завершену 1973 року. Вона поступово вплинула на Велику Британію і більшу частину Європи.
Луї Пузен, французький вчений у галузі комп’ютерних наук, завершив роботу над CYCLADES у тому ж 1973 році. Вона була іншою. Вона ґрунтувалася на дейтаграмах. Вона змістила відповідальність. Замість того, щоб ядро мережі обробляло помилки, це робили хости. Це назавжди змінило комп’ютерні комунікації.
Європейська мережа інформатики (EIN) була запущена 1976 року. Фінансувалася на міжнародній основі. Ще один елемент головоломки.
Прагнення до стандартизації
Чому державам треба було спілкуватися? П’ять країн будували громадські мережі з пакетною комутацією. Канада. Франція. Японія. Велика Британія. США.
Їм потрібний був стандарт інтерфейсу “хост-мережа”. Сильна мотивація. Без нього їхні сіті залишалися ізольованими островами. Переговори розпочалися 1975 року. Результатом стала рекомендація CCITT X.25. Прийнята всіма залученими країнами у березні 1976 року.
X.25 відкрила наступну фазу. Взаємопов’язані громадські сервісні мережі. Це був кінець історії. Настали додаткові угоди. X.75 став стандартним протоколом підключення міжнародних мереж. Він дозволяв інфраструктурі різних країн спілкуватися одна з одною.
Розкол у DoD і TCP/IP
До 1979 Роберт Кан став директором Управління з обробки інформації (IPTO) в DARPA. Міністерство оборони США мало кілька мереж із пакетною комутацією. Але жодна з них не була сумісною. Вони «говорили» різними мовами.
Кан вирішив цю проблему. Він досяг прийняття DoD стандарту TCP/IP. Протоколу, концепцію якого він уперше виклав у статті 1974 року, написаної спільно з Вінсентом Серфом. Визначним розробником програмного забезпечення. Співавтором.
TCP/IP поширився. Він перейшов до інших дослідних лабораторій. Потім — до широкого загалу. Він став основою остаточної мережі з пакетною комутацією. Інтернет.
Перехід був миттєвим. Але архітектура витримала. Стандарти встоялися. І скептицизм 70-х років розчинився в інфраструктурі сьогодення. Ми, як і раніше, використовуємо ту ж фундаментальну логіку. Пакети рухаються. Хости виправляють помилки. Інтерфейси визначені.
