Twój e-mail dotarł. W ciągu ostatnich kilku sekund nie poruszał się jako jeden solidny blok. Zostało rozerwane na kawałki. Rozbity na małe fragmenty. Wysyłane różnymi drogami. Zmontowany ponownie po stronie odbiorczej. Taka jest rzeczywistość sieci z komutacją pakietów. Stanowi niewidzialny fundament współczesnego Internetu i działa poprzez dzielenie plików danych na mniejsze jednostki zwane pakietami przed przesłaniem ich przez szereg węzłów lub przełączników.
Pomyśl o logistyce przechowywania i przesyłania. Przełączniki kierują te pakiety niezależnie od siebie. Nie czekają, aż otrzymają cały plik. Po prostu przesuwają każdy fragment do miejsca przeznaczenia. Po dostarczeniu wszystkich elementów urządzenie odbierające ponownie składa puzzle. Internet działa zgodnie z tą logiką. To samo dotyczy większości sieci lokalnych (LAN).
Kompromis w zakresie wydajności
Tradycyjne sieci przyjęły inne podejście. Sieci przełączające kanały. Stworzyli jedną fizyczną ścieżkę transmisji danych. Dedykowany pas. Ścieżka ta pozostawała otwarta tak długo, jak było to konieczne. Wszystkie informacje zostały przesłane sekwencyjnie. Jeśli byłeś online, miałeś przepustowość. Kropka.
Przełączanie pakietów jest bardziej chaotyczne, ale mądrzejsze. Kieruje pakiety wieloma ścieżkami. Każde rozwiązanie przełącznika poprawia ogólną wydajność. Jeżeli określona ścieżka nie powiedzie się z powodu awarii, pakiety zostaną przekierowane. Wybierają inną drogę. Oznacza to, że pakiety mogą dotrzeć w niewłaściwej kolejności. System docelowy musi je posortować.
Są też zalety. Zoptymalizowana pojemność kanału. Zwiększona tolerancja na błędy. Ale to trudne. Wymaga znacznej mocy obliczeniowej. Przetworzenie chaosu wymaga dużej ilości pamięci RAM. Występują również opóźnienia spowodowane przekierowaniem. Następuje utrata pakietów. Ze względu na tę złożoność w przypadku małych plików preferowane jest przełączanie pakietów. Przełączanie obwodów nadal sprawdza się w przypadku dużych transmisji w czasie rzeczywistym, gdzie stabilność jest ważniejsza niż wydajność.
Wewnątrz rdzenia i na obrzeżach
Sieć komutacji pakietów składa się z dwóch głównych stref: rdzenia i peryferii. Rdzeń składa się z routerów i systemów zarządzania. Są one połączone za pomocą łączy o dużej przepustowości. Krawędź to miejsce, w którym znajdują się systemy użytkownika końcowego. Hosty, podobnie jak Twój komputer osobisty, znajdują się tutaj. Wysyłają i odbierają pakiety.
Komunikacja poprzez jądro opiera się na protokołach. Takie są zasady. Procedury stosowane przez nadawcę i odbiorcę w celu skutecznej komunikacji. Stos protokołów używany do przesyłania danych nazywany jest stosem protokołów. Jest to system wielopoziomowy. Każdy poziom wykonuje swoje własne zadanie.
Każda transmisja, zwana datagramem, składa się z dwóch części. Tytuł. Ładunek. Nagłówek zawiera informacje sterujące. Adres nadawcy. Adres odbiorcy. Ładunek to rzeczywista informacja, którą próbujesz dostarczyć. Czasami pakiety są dalej dzielone na mniejsze jednostki. To jest fragmentacja pakietów. Występuje, gdy dane przekraczają określone limity rozmiaru.
Bezprzewodowe i zorientowane na połączenie
Sieci te występują w dwóch typach. Sieci bezprzewodowe. Zwane także sieciami datagramowymi. Jest to model standardowy. Dane są podzielone na części. Nagłówki są do nich dołączone. Datagramy wybierają najlepszą trasę od źródła do miejsca docelowego. Nie ma gwarancji zamówienia. Brak gwarancji dostawy. Tylko szybkość i wydajność.
Istnieją sieci zorientowane na połączenie. Sieci kanałów wirtualnych. Symulują przełączanie kanałów. Przed wysłaniem czegokolwiek ustalają dedykowaną trasę. Daje to niektóre korzyści wynikające ze starej metody, zachowując jednocześnie cyfrowość. Jest to podejście hybrydowe. Płacisz koszty konfiguracji za niezawodność.
Historia podziału na części
Koncepcja nie wzięła się znikąd. Paul Baran, inżynier w RAND Corporation, jako pierwszy przewidział podzielenie dużych jednostek danych na mniejsze pakiety. Rozwiązał problem militarny. Jak sieć komputerowa może przetrwać atak nuklearny? Jego odpowiedź brzmiała: „trasowanie gorących ziemniaków”. Szybko przesyłaj dane. Nie zatrzymuj ich.
Opublikował to między 1960 a 1962 rokiem. Następnie w sierpniu 1964 roku opublikował 11-tomową analizę zatytułowaną O komunikacji rozproszonej. Rząd zignorował to. Prywatne korporacje nie wykazały zainteresowania. Pomysł był zbyt radykalny. Zbyt abstrakcyjne.
Tymczasem Donald Davis pracował w Wielkiej Brytanii. Informatyk w Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL). Do tej samej koncepcji doszedł niezależnie. Zaczął budować sieć, aby ją przetestować. Baran nazwał swoje jednostki „blokami wiadomości”. Davis nazwał je „pakietami”. Ta nazwa utknęła.
Lawrence „Larry” Roberts dowiedział się o pracy Davisa w październiku 1967 roku. Było to sympozjum w Gatlinburgu w stanie Tennessee. Roberts zarządzał siecią ARPANET dla rządu USA. Widział wartość. Przyjął termin Davisa. Przełączanie pakietów stało się standardem dla ARPANET. Poprzednik Internetu, jaki znamy dzisiaj.
Dlaczego do niektórych zadań nadal używamy starych metod? Ponieważ nie każdy problem wymaga zdecentralizowanego rozwiązania. Czasem wystarczy prosta linia. Ale dla sieci WWW? Zepsuty, przekierowany i uporządkowany chaos jest dokładnie tym, czego potrzebujemy. Jest stabilny. Jest elastyczny. To jedyny sposób na zwiększenie skali.
Początki przełączania pakietów
ARPANET nie pojawił się znikąd. Powstał szybko. Bolt Beranek i Newman (BBN) zaprojektowali go w ciągu jednego roku. Wzięli pomysły Barana i Davisa i wcielili je w życie. Pierwsze prawdziwe testy odbyły się w październiku 1969 roku. Miały charakter publiczny. Wykorzystywał przełączanie pakietów.
Sieć zaczynała od niewielkich rozmiarów. Cztery węzły to Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles (UCLA), Instytut Badawczy Stanforda (SRI), Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara i Uniwersytet Utah. Do 1975 roku liczba ta wzrosła do 57. Sieć rosła.
Demonstracja (i nieudana próba wywarcia wrażenia)
W październiku 1972 roku Roberts i BBN zademonstrowali ARPANET na pierwszej Międzynarodowej Konferencji Komunikacji Komputerowej. Udowodnili funkcjonalność przełączania pakietów. Reakcja? Cisza. Albo jeszcze gorzej. Duża część amerykańskiego przemysłu telekomunikacyjnego była obojętna. Niektórzy nawet nienawidzili tego pomysłu.
BBN dostrzegł szansę. W tym samym roku Roberts i BBN założyli Telenet. Sieć komercyjna przeznaczona dla tych, którzy wolą płacić za połączenie niż korzystać z niego za darmo.
Przebudzenie globalnego zainteresowania
Inne kraje zadziałały szybciej. W listopadzie 1973 roku francuska poczta ogłosiła TRANSPAC. Wewnętrzna sieć pakietowa. W październiku 1974 r. Transkanadyjski system telefoniczny uruchomił DATAPAC. Japoński NTT planował także utworzenie własnej publicznej sieci danych.
Większość dostawców pozostała sceptyczna. Patrzyli. Czekali. Chcieli sprawdzić, czy wczesne sieci rzeczywiście przetrwają.
Nowe eksperymenty w Europie
Podczas budowy sieci publicznych badacze przeprowadzali eksperymenty. Davis ukończył budowę sieci Mark II w 1973 r. Rozpoczęła się ona w 1970 r. w Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL). Wywarła ona wpływ na Wielką Brytanię i większą część Europy.
W tym samym roku Louis Pouzin, francuski informatyk, zakończył prace nad programem CYCLADES. Używała datagramów. Zmieniło to sposób, w jaki myślimy o korekcji błędów. Zamiast korygować błędy rdzenia sieci, hosty zaczęły to robić. Ta zmiana zrobiła różnicę. Uczynił sieć mądrzejszą. Europejska Sieć Informatyczna (EIN) została uruchomiona w 1976 r. dzięki wsparciu międzynarodowemu.
Standaryzacja chaosu
Pięć krajów musiało się w czymś zgodzić. Kanada. Francja. Japonia. Wielka Brytania. USA. Potrzebowali standardu interfejsu host-sieć. Negocjacje rozpoczęły się w 1975 r.
W rezultacie powstało Zalecenie CCITT X.25. Przyjęty w marcu 1976 r. Zapoczątkował kolejną fazę przełączania pakietów. Połączone sieci usług publicznych. Następnie pojawił się X.75. Standard łączenia sieci międzynarodowych.
Narodziny protokołu TCP/IP
Robert Kahn został dyrektorem Instytutu Zaawansowanych Projektów Badawczych (IPTO) DARPA w 1979 roku. Departament Obrony Stanów Zjednoczonych miał kilka sieci pakietowych. Żaden z nich nie mógł wchodzić w interakcję z pozostałymi.
Kahn rozwiązał ten problem. Doprowadził do przyjęcia protokołu TCP/IP przez Departament Obrony. Standard protokołu, który wymyślił wspólnie z Vincentem Cerfem. Cerf był znanym programistą. Kahn napisał na ten temat artykuł w 1974 roku.
Rozprzestrzenił się protokół TCP/IP. Trafił do laboratoriów badawczych. Następnie do sektora publicznego. Stało się podstawą ostatecznej sieci pakietowej. Internet.
Czy to nie wygląda na to, że historia się powtarza? Zbudowaliśmy rury. Następnie je wypełniliśmy. Technologia była gotowa. Infrastruktura istniała. Po prostu dodawaliśmy węzły.
