Ваш електронний лист прибув. За останні кілька секунд воно не мандрувало як єдиний суцільний блок. Воно було розірвано на частини. Розбитий на дрібні фрагменти. Відправлено різними маршрутами. Зібрано заново на стороні, що приймає. Це реальність пакетно-комутаційної мережі. Це невидимий фундамент сучасного Інтернету, який працює за рахунок поділу файлів даних на дрібніші одиниці, які називають пакетами, перед їх відправкою через серію вузлів або комутаторів.
Уявіть собі логістику за принципом «зберігати та пересилати». Комутатори маршрутизують ці пакети незалежно один від одного. Вони не чекають, поки весь файл буде отримано повністю. Вони просто переміщують кожен фрагмент до місця призначення. Як тільки всі частини доставлені, пристрій збирає пазл назад. Інтернет працює за цією логікою. Те ж саме для більшості локальних мереж (LAN).
Компроміс в ефективності
Традиційні мережі використовували інший підхід. Канально-комутаційні мережі. Вони створювали єдиний фізичний шлях передачі даних. Виділену смугу. Цей шлях утримувався відкритим стільки, скільки потрібно. Вся інформація передавалася послідовно. Якщо ви були в лінії, ви мали пропускну смугу. Крапка.
Пакетна комутація хаотичніша, але розумніша. Вона спрямовує пакети по безлічі шляхів. Кожне рішення комутатора збільшує загальну ефективність. Якщо конкретний шлях виходить з ладу через збій, пакети перенаправляються. Вони обирають інший шлях. Це означає, що пакети можуть прибути у неправильному порядку. Система призначення має їх відсортувати.
Є й переваги. Оптимізована пропускна спроможність каналів. Підвищена стійкість до відмов. Але це складно. Потрібна значна обчислювальна потужність. Потрібно багато оперативної пам’яті обробки хаосу. Також виникають затримки через перенаправлення. Відбувається втрата пакетів. Через цю складність пакетна комутація переважна для невеликих файлів. Канальна комутація як і раніше виграє для великих передач у реальному часі, де стабільність важливіша за ефективність.
Усередині ядра і на периферії
Пакетно-комутаційна мережа має дві основні зони: ядро та периферію. Ядро складається з маршрутизаторів та систем управління. Вони з’єднані через канали з високою пропускною здатністю. Периферія це місце, де знаходяться системи кінцевих користувачів. Хости, такі як ваш власний комп’ютер, знаходяться тут. Вони відправляють та отримують пакети.
Комунікація через ядро спирається протоколи. Це правила. Процедури, які відправники та одержувачі використовують для ефективної взаємодії. Стек протоколів, який використовується для передачі даних, називається стеком протоколів. Це багаторівнева система. Кожен рівень виконує своє завдання.
Кожна передача, відома як дейтаграма, складається із двох частин. Заголовок. Корисне навантаження. Заголовок містить інформацію, що управляє. Адреса відправника. Адреса отримувача. Корисне навантаження – це фактична інформація, яку ви намагаєтеся доставити. Іноді пакети поділяються далі більш дрібні одиниці. Це фрагментація пакетів. Вона відбувається, коли дані перевищують певні обмеження за розміром.
Бездротові та орієнтовані на з’єднання
Ці мережі бувають двох видів. Бездротові мережі. Також звані дейтаграмними мережами. Це стандартна модель. Дані розбиваються на частини. До них прикріплюються заголовки. Дейтаграми вибирають найкращий маршрут від джерела до місця призначення. Немає гарантії порядку. Немає гарантії доставки. Тільки швидкість та ефективність.
Потім є мережі, орієнтовані з’єднання. Віртуально-канальні мережі. Вони імітують канальну комутацію. Вони встановлюють виділений маршрут перед відправкою чогось. Це дає вам деякі переваги старого методу, залишаючись у цифрових мережах. Це гібридний підхід. Ви сплачуєте вартість налаштування за надійність.
Історія поділу на частини
Концепція не виникла з нізвідки. Пол Баран, інженер корпорації RAND, першим уявив поділ великих одиниць даних на дрібніші пакети. Він вирішував військову проблему. Як комп’ютерна мережа може пережити ядерну атаку? Його відповіддю була «маршрутизація за принципом гарячої картоплі». Швидко передавайте дані далі. Не тримайте їх.
Він опублікував це між 1960 та 1962 роками. Потім випустив 11-томний аналіз під назвою On Distributed Communications в серпні 1964 року. Уряд проігнорував це. Приватні корпорації не виявили інтересу. Ідея була надто радикальною. Занадто абстрактної.
Тим часом Дональд Девіс працював у Великій Британії. Вчений-комп’ютерник у Національній фізичній лабораторії (NPL). Він прийшов до тієї самої концепції незалежно. Він почав будувати мережу для її тестування. Баран називав свої одиниці блоками повідомлень. Девіс називав їх “пакетами”. Ця назва прижилася.
Лоуренс “Ларрі” Робертс дізнався про роботу Девіса у жовтні 1967 року. Це був симпозіум у Гатлінбурзі, штат Теннессі. Робертс керував ARPANET уряду США. Він побачив цінність. Він прийняв термін Девіса. Пакетна комутація стала стандартом ARPANET. Попередник Інтернету, який ми знаємо сьогодні.
Чому ми досі використовуємо старі методи для деяких завдань? Тому що не кожна проблема потребує децентралізованого рішення. Іноді просто потрібна пряма лінія. Але для глобальної мережі? Розбитий, перенаправлений, переупорядкований хаос — це саме те, що нам потрібне. Він стійкий. Він гнучкий. Це єдиний спосіб масштабування.
Ранні дні пакетної комутації
ARPANET не виник з нізвідки. Він був створений швидко. Компанія Bolt Beranek та Newman (BBN) спроектувала його за один рік. Вони взяли ідеї Барана та Девіса і змусили їх працювати. Перше реальне тестування відбулося у жовтні 1969 року. Воно було публічним. Воно використовувало пакетну комутацію.
Мережа починалася з малого. Чотири вузли: Каліфорнійський університет у Лос-Анджелесі (UCLA), Інститут досліджень у Стенфорді (SRI), Каліфорнійський університет у Санта-Барбарі та Ютаський університет. До 1975 року ця кількість зросла до 57. Мережа зростала.
Демонстрація (і невдала спроба вразити)
У жовтні 1972 року Робертс та BBN продемонстрували ARPANET на першій Міжнародній конференції з комп’ютерного зв’язку. Вони довели працездатність пакетної комутації. Реакція? Тиша. Або навіть гірше. Більшість американської промисловості зв’язку була байдужа. Дехто навіть ненавидів цю ідею.
BBN побачили можливості. Робертс і BBN заснували Telenet того ж року. Комерційна мережа, створена для тих, хто хотів платити за підключення, а не досліджувати його безкоштовно.
Пробудження глобального інтересу
Інші країни діяли швидше. У листопаді 1973 року французьке поштове відомство анонсувало TRANSPAC. Внутрішню пакетну мережу. До жовтня 1974 система Trans-Canada Telephone System запустила DATAPAC. Японська NTT також планувала створення власної мережі передачі даних.
Більшість провайдерів залишалися скептиками. Вони спостерігали. Вони чекали. Вони хотіли побачити, чи насправді виживуть ранні мережі.
Нові експерименти в Європі
Поки будувалися громадські мережі, дослідники експериментували. Девіс завершив мережу Mark II у 1973 році. Вона почалася в Національній фізичній лабораторії (NPL) у 1970 році. Вона вплинула на Велику Британію і більшу частину Європи.
Луї Пузен, французький вчений у галузі комп’ютерних наук, завершив роботу над CYCLADES того ж року. Вона використовувала дейтаграми. Вона змінила уявлення про корекцію помилок. Замість виправлення помилок ядром мережі це почали робити хости. Це зрушення мало значення. Він зробив мережу розумнішою. Європейська мережа інформатики (EIN) вийшла на лінію 1976 року. За міжнародного фінансування.
Стандартизація хаосу
П’яти країнам потрібно було погодити дещо. Канаді. Франції. Японії. Великобританії. США. Їм потрібний був стандарт інтерфейсу “хост-мережа”. Переговори розпочалися 1975 року.
Результатом стала рекомендація CCITT X.25. Прийнята у березні 1976 року. Вона відкрила наступну фазу пакетної комутації. Взаємопов’язані громадські сервісні мережі. За нею була X.75. Стандарт для підключення міжнародних мереж.
Народження TCP/IP
Роберт Кан став директором Інституту передових дослідницьких проектів DARPA (IPTO) у 1979 році. Міністерство оборони США мало кілька пакетних мереж. Жодна з них не могла взаємодіяти з іншими.
Кан вирішив цю проблему. Він досяг прийняття протоколу TCP/IP Міністерством оборони. Стандарт протоколу, який він вигадав разом з Вінсентом Серфом. Серф був відомим розробником програмного забезпечення. Кан написав статтю про це у 1974 році.
TCP/IP поширився. Він потрапив до дослідних лабораторій. Потім у громадський сектор. Він став основою остаточної пакетної мережі. Інтернет.
Чи це не схоже на повторення історії? Ми збудували труби. Потім ми їх наповнили. Технологія була готова. Інфраструктура існувала. Ми просто продовжували додавати вузли.
