Ваше электронное письмо прибыло. За последние несколько секунд оно не путешествовало как единый сплошной блок. Оно было разорвано на части. Разбито на мелкие фрагменты. Отправлено по разным маршрутам. Собрано заново на принимающей стороне. Это реальность пакетно-коммутационной сети. Это невидимый фундамент современного Интернета, который работает за счет разделения файлов данных на более мелкие единицы, называемые пакетами, перед их отправкой через серию узлов или коммутаторов.
Представьте себе логистику по принципу «хранить и пересылать». Коммутаторы маршрутизируют эти пакеты независимо друг от друга. Они не ждут, пока весь файл будет получен целиком. Они просто перемещают каждый фрагмент к месту назначения. Как только все части доставлены, принимающее устройство собирает пазл обратно. Интернет работает по этой логике. То же самое верно для большинства локальных сетей (LAN).
Компромисс в эффективности
Традиционные сети использовали другой подход. Канально-коммутационные сети. Они создавали единственный физический путь для передачи данных. Выделенную полосу. Этот путь удерживался открытым столько, сколько требовалось. Вся информация передавалась последовательно. Если вы были в линии, вы имели полосу пропускания. Точка.
Пакетная коммутация более хаотична, но умнее. Она направляет пакеты по множеству путей. Каждое решение коммутатора повышает общую эффективность. Если конкретный путь выходит из строя из-за сбоя, пакеты перенаправляются. Они выбирают другой путь. Это означает, что пакеты могут прибыть в неправильном порядке. Система назначения должна их отсортировать.
Есть и преимущества. Оптимизированная пропускная способность каналов. Повышенная отказоустойчивость. Но это сложно. Требуется значительная вычислительная мощность. Нужно много оперативной памяти для обработки хаоса. Также возникают задержки из-за перенаправления. Происходит потеря пакетов. Из-за этой сложности пакетная коммутация предпочтительна для небольших файлов. Канальная коммутация по-прежнему выигрывает для больших передач в реальном времени, где стабильность важнее эффективности.
Внутри ядра и на периферии
Пакетно-коммутационная сеть имеет две основные зоны: ядро и периферию. Ядро состоит из маршрутизаторов и систем управления. Они соединены через каналы с высокой пропускной способностью. Периферия — это место, где находятся системы конечных пользователей. Хосты, такие как ваш личный компьютер, находятся здесь. Они отправляют и получают пакеты.
Коммуникация через ядро опирается на протоколы. Это правила. Процедуры, которые отправители и получатели используют для эффективного взаимодействия. Стек протоколов, используемый для передачи ваших данных, называется стеком протоколов. Это многоуровневая система. Каждый уровень выполняет свою задачу.
Каждая передача, известная как дейтаграмма, состоит из двух частей. Заголовок. Полезная нагрузка. Заголовок содержит управляющую информацию. Адрес отправителя. Адрес получателя. Полезная нагрузка — это фактическая информация, которую вы пытаетесь доставить. Иногда пакеты разделяются дальше на более мелкие единицы. Это фрагментация пакетов. Она происходит, когда данные превышают определенные ограничения по размеру.
Беспроводные и ориентированные на соединение
Эти сети бывают двух видов. Беспроводные сети. Также называемые дейтаграммными сетями. Это стандартная модель. Данные разбиваются на части. К ним прикрепляются заголовки. Дейтаграммы выбирают лучший маршрут от источника к месту назначения. Нет гарантии порядка. Нет гарантии доставки. Только скорость и эффективность.
Затем есть сети, ориентированные на соединение. Виртуально-канальные сети. Они имитируют канальную коммутацию. Они устанавливают выделенный маршрут перед отправкой чего-либо. Это дает вам некоторые преимущества старого метода, оставаясь в цифровых сетях. Это гибридный подход. Вы платите стоимость настройки за надежность.
История разделения на части
Концепция не возникла из ниоткуда. Пол Баран, инженер корпорации RAND, первым представил себе разделение крупных единиц данных на более мелкие пакеты. Он решал военную проблему. Как компьютерная сеть может пережить ядерную атаку? Его ответом была «маршрутизация по принципу горячего картофеля». Быстро передавайте данные дальше. Не удерживайте их.
Он опубликовал это между 1960 и 1962 годами. Затем выпустил 11-томный анализ под названием On Distributed Communications в августе 1964 года. Правительство проигнорировало это. Частные корпорации не проявили интереса. Идея была слишком радикальной. Слишком абстрактной.
Тем временем Дональд Дэвис работал в Великобритании. Ученый-компьютерщик в Национальной физической лаборатории (NPL). Он пришел к той же концепции независимо. Он начал строить сеть для ее тестирования. Баран называл свои единицы «блоками сообщений». Дэвис называл их «пакетами». Это название прижилось.
Лоуренс «Ларри» Робертс узнал о работе Дэвиса в октябре 1967 года. Это был симпозиум в Гатлинбурге, штат Теннесси. Робертс управлял ARPANET для правительства США. Он увидел ценность. Он принял термин Дэвиса. Пакетная коммутация стала стандартом для ARPANET. Предшественника Интернета, который мы знаем сегодня.
Почему мы все еще используем старые методы для некоторых задач? Потому что не каждая проблема требует децентрализованного решения. Иногда вам просто нужна прямая линия. Но для глобальной паутины? Разбитый, перенаправленный, переупорядоченный хаос — это именно то, что нам нужно. Он устойчив. Он гибок. Это единственный способ масштабирования.
Ранние дни пакетной коммутации
ARPANET не возник из ниоткуда. Он был создан быстро. Компания Bolt Beranek and Newman (BBN) спроектировала его за один год. Они взяли идеи Барана и Дэвиса и заставили их работать. Первое реальное тестирование состоялось в октябре 1969 года. Оно было публичным. Оно использовало пакетную коммутацию.
Сеть начиналась с малого. Четыре узла: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA), Институт исследований в Стэнфорде (SRI), Калифорнийский университет в Санта-Барбаре и Ютаский университет. К 1975 году это число выросло до 57. Сеть росла.
Демонстрация (и неудачная попытка впечатлить)
В октябре 1972 года Робертс и BBN продемонстрировали ARPANET на первой Международной конференции по компьютерной связи. Они доказали работоспособность пакетной коммутации. Реакция? Тишина. Или даже хуже. Большая часть американской индустрии связи была равнодушна. Некоторые даже ненавидели эту идею.
BBN увидели возможности. Робертс и BBN основали Telenet в том же году. Коммерческую сеть, созданную для тех, кто хотел платить за подключение, а не исследовать его бесплатно.
Пробуждение глобального интереса
Другие страны действовали быстрее. В ноябре 1973 года французское почтовое ведомство анонсировало TRANSPAC. Внутреннюю пакетную сеть. К октябрю 1974 года система Trans-Canada Telephone System запустила DATAPAC. Японская NTT также планировала создание собственной общественной сети передачи данных.
Большинство провайдеров оставались скептиками. Они наблюдали. Они ждали. Они хотели увидеть, выживут ли ранние сети на самом деле.
Новые эксперименты в Европе
Пока строились общественные сети, исследователи экспериментировали. Дэвис завершил сеть Mark II в 1973 году. Она началась в Национальной физической лаборатории (NPL) в 1970 году. Она оказала влияние на Великобританию и большую часть Европы.
Луи Пузен, французский ученый в области компьютерных наук, завершил работу над CYCLADES в том же году. Она использовала дейтаграммы. Она изменила представление о коррекции ошибок. Вместо исправления ошибок ядром сети это стали делать хосты. Этот сдвиг имел значение. Он сделал сеть умнее. Европейская сеть информатики (EIN) вышла на линию в 1976 году. При международном финансировании.
Стандартизация хаоса
Пяти странам нужно было согласовать кое-что. Канаде. Франции. Японии. Великобритании. США. Им нужен был стандарт интерфейса «хост-сеть». Переговоры начались в 1975 году.
Результатом стала рекомендация CCITT X.25. Принятая в марте 1976 года. Она открыла следующую фазу пакетной коммутации. Взаимосвязанные общественные сервисные сети. За ней последовала X.75. Стандарт для соединения международных сетей.
Рождение TCP/IP
Роберт Кан стал директором Института передовых исследовательских проектов DARPA (IPTO) в 1979 году. Министерство обороны США имело несколько пакетных сетей. Ни одна из них не могла взаимодействовать с другими.
Кан решил эту проблему. Он добился принятия протокола TCP/IP Министерством обороны. Стандарта протокола, который он придумал вместе с Винсентом Серфом. Серф был известным разработчиком программного обеспечения. Кан написал статью об этом в 1974 году.
TCP/IP распространился. Он попал в исследовательские лаборатории. Затем в общественный сектор. Он стал основой для окончательной пакетной сети. Интернета.
Не похоже ли это на повторение истории? Мы построили трубы. Затем мы их заполнили. Технология была готова. Инфраструктура существовала. Мы просто продолжали добавлять узлы.
