Když odešlete e-mail nebo načtete webovou stránku, neposíláte jeden velký soubor do celého světa. Vysíláte roztříštěný nepořádek. Funguje to díky Packet Switching Network, digitální infrastruktuře, která rozděluje data na menší části zvané pakety. Tyto části procházejí řadou přepínačů, jsou směrovány na místo určení a poté sestavovány zpět přijímajícím počítačem. Tento proces je známý jako store-and-forward.
Pokud je internet nebo vaše místní síť nedostupná, s největší pravděpodobností máte co do činění se selháním tohoto konkrétního mechanismu.
Proč je přepínání paketů lepší než přepínání okruhů
Tradiční sítě využívají přepínání okruhů. Představte si vyhrazenou telefonní linku. Otevře se jedna fyzická cesta s pevnou šířkou pásma a data se po této lince přenášejí postupně až do konce konverzace. Cesta zůstává otevřená, ať už v tuto chvíli někdo mluví.
Přepínání paketů funguje jinak. Nepotřebuje jednu vyhrazenou cestu. Místo toho směruje pakety po více dostupných trasách. Každý přepínač se rozhoduje na základě aktuálního výkonu sítě. Pokud je jedna cesta přetížená nebo poškozená, pakety jsou jednoduše přesměrovány.
Tento design nabízí dvě hlavní výhody:
* Optimalizace využití šířky pásma kanálu.
* Zvýšená odolnost proti chybám.
Má to ale i nevýhodu. Přepínání paketů je složité. Ke správě rozhodnutí o směrování vyžaduje značný výpočetní výkon a velké množství paměti RAM. Může také způsobit zpoždění. Pakety mohou dorazit mimo provoz a některé mohou být zcela ztraceny. Kvůli této složitosti je pro přenos malých souborů preferováno přepínání paketů. Přepínání okruhů se stále používá pro velké přenosy v reálném čase, kde je latence důležitější než účinnost.
Anatomie datového paketu
Síť pro přepínání paketů se skládá ze dvou hlavních komponent: jádra a okraje.
Jádro tvoří směrovače a řídicí systémy propojené vysokorychlostními spoji. Periferní zařízení je místo, kde se nachází vaše zařízení. Váš hostitelský systém – váš počítač, telefon nebo tablet – tyto pakety odesílá a přijímá.
Komunikace přes jádro závisí na protokolech. Toto jsou postupy, které odesílatelé a příjemci používají k efektivní komunikaci. Soubor všech protokolů se nazývá zásobník protokolů.
Každý paket procházející jádrem je datagram. Skládá se ze dvou částí:
1. Záhlaví : Kontrolní informace včetně adres odesílatele a příjemce.
2. Payload : Skutečná přenášená data.
Někdy jsou tyto balíčky rozděleny ještě dále na menší jednotky. Tomu se říká fragmentace paketů. K tomu dochází, když jsou data příliš velká pro konkrétní síťové spojení, aby je mohla najednou zpracovat.
Bezkanálové a kanálově orientované sítě
Ne všechny paketové sítě fungují stejně. Obecně spadají do dvou kategorií: bez připojení a orientované na připojení.
Bezkanálové sítě, nazývané také datagramové sítě, fungují výše popsaným způsobem. Data jsou rozebrána, jsou připojena záhlaví a každý datagram si najde svou vlastní optimální cestu od zdroje k cíli. Není vyžadováno žádné předběžné nastavení.
Sítě založené na kanálech simulují přepínání okruhů. Vytvoří vyhrazenou cestu mezi odesílatelem a příjemcem před přenosem jakýchkoli dat. Tento přístup přináší výhody přepínání okruhů při setrvání v digitální síti. Je strukturovanější, ale méně flexibilní.
Historie sdílení dat
Nápad nepochází z moderního internetu. Začalo to Paulem Baranem, inženýrem z RAND Corporation. Na začátku 60. let mu americké letectvo položilo skličující otázku: Jak mohla počítačová komunikační síť přežít jaderný útok?
Baran navrhl „směrování horkých brambor“. Cílem bylo rozdělit velké datové jednotky na menší jednotky. Svou teorii publikoval v řadě studií v letech 1960 až 1962. Později ji rozšířil v 11svazkové analýze nazvané On Distributed Communications, publikované v srpnu 1964.
Vláda a soukromé korporace ho ignorovaly. Ještě je nezajímala distribuovaná komunikace.
Nezávisle na Baranovi přišel se stejným konceptem Donald Davis, počítačový vědec z UK National Physical Laboratory. Začal budovat síť, aby tuto myšlenku otestoval. Baran nazval své jednotky „bloky zpráv“. Davis jim říkal „balíčky“.
Termín zakořenil díky Lawrence Robertsovi. Roberts byl manažerem ve společnosti ARPA (nyní DARPA). V říjnu 1967 se na sympoziu v Gatlinburgu v Tennessee dozvěděl o Davisově díle. Roberts přijal termín přepínání paketů pro ARPANET. Tento projekt se nakonec vyvinul v internet, který známe dnes.
“Přepínání paketů je proto preferováno pro přenos relativně malých souborů, zatímco přepínání okruhů se stále používá pro větší přenosy.”
Odkaz těchto prvních inženýrů je stále přítomen na kartách vašeho prohlížeče. Pokaždé, když streamujete video nebo stahujete soubor, spoléháte na logiku ukládání a předávání, kterou vynalezli Baran a Davis, aby přežili konec světa. Nebo alespoň zabránit zamrznutí vašeho Netflixu, když je server přetížen.
Studená válka přepínání paketů
Počátky ARPANETu byly definovány tichou revolucí. Bolt Beranek a Newman, známý jako BBN, vybudovali infrastrukturu za pouhý rok. Vzali abstraktní koncepty Paula Barana a Donalda Davise a nechali je fungovat. První úspěšný test proběhl v říjnu 1969. Nebyl nijak okázalý. Spojila čtyři uzly: Kalifornskou univerzitu v Los Angeles (UCLA), Stanfordský výzkumný institut (SRI), Kalifornskou univerzitu v Santa Barbaře (UCSB) a Utahskou univerzitu. Do roku 1975 se jejich počet zvýšil na 57.
Zájem veřejnosti byl však slabý. Když byl ARPANET představen na International Computer Communications Conference v říjnu 1972, odezva byla zklamáním. Americký telekomunikační průmysl v tom neviděl žádný smysl. Někteří se k tomu stavěli nepřátelsky. Ostatní prostě neměli zájem.
BBN a Robert Kahn viděli příležitost. Založili Telenet, komerční síť pro přepínání paketů. Myšlenka byla jednoduchá. Pokud to nepostaví velké telekomunikační společnosti, postaví to soukromá společnost.
Globální skepticismus a národní projekty
USA nebyly samy, kdo experimentoval s přepojováním paketů. Ostatní země jednaly rychleji. V listopadu 1973 francouzská pošta oznámila TRANSPAC. V říjnu 1974 ji následoval Trans-Canada Telephone System s DATAPAC. Své plány měla i japonská NTT.
Většina poskytovatelů zůstala stranou. Dívali se. Čekali. Chtěli zjistit, zda se tyto rané sítě zhroutí nebo přežijí.
Zatímco vlády budovaly své vlastní izolované systémy, výzkumníci zdokonalovali základní technologii. Colin Davis dokončil síť Mark II v roce 1973. Ovlivnila Británii a velkou část Evropy. Louis Pouzin ve stejném roce dokončil CYCLADES.
“Pouzinova síť CYCLADES položila odpovědnost za opravu chyb na hostitele spíše než na jádro sítě.”
Tento posun byl kritický. Decentralizoval kontrolu. Kladl břemeno spolehlivosti spíše na samotné počítače než na infrastrukturu.
Standardizace chaosu
Pět zemí se v tomto procesu postavilo do čela: Kanada, Francie, Japonsko, Spojené království a USA. Potýkali se s problémem fragmentace. Každá síť používala svá vlastní pravidla. Nemohli spolu komunikovat.
Jednání začala v roce 1975. Cílem bylo standardní rozhraní hostitel-síť. Výsledkem bylo doporučení CCITT X.25. Byl přijat v březnu 1976 a spojil tyto nesourodé systémy dohromady. Znamenalo to vzestup propojených sítí veřejných služeb.
Brzy jej následovala X.75. Standardizoval způsob propojení mezinárodních sítí. Byl to předchůdce globální sítě, kterou dnes používáme. Ale to nestačilo.
Průlom TCP/IP
V roce 1979 vedl Bob Kahn oddělení pro zpracování informací DARPA. Americké ministerstvo obrany mělo několik sítí pro přepínání paketů. Žádný z nich nebyl kompatibilní. To bylo strategické slabé místo.
Kahn tento problém vyřešil. Trval na zavedení TCP/IP. Tento protokolový standard byl navržen v roce 1974 v dokumentu napsaném Vintonem Cerfem. Byl navržen pro připojení nekompatibilních sítí.
DARPA to přijala. Následovaly další výzkumné laboratoře. Nakonec byl použit ve veřejném sektoru. TCP/IP se stal základem internetu.
Nebylo to nevyhnutelné. Byla to volba. Volba učiněná v době, kdy nikdo nevěnoval pozornost.
