Wenn Sie eine E-Mail senden oder eine Webseite laden, senden Sie keine einzige, riesige Datei um die ganze Welt. Sie senden ein fragmentiertes Durcheinander. Es funktioniert aufgrund des paketvermittelten Netzwerks, einer digitalen Infrastruktur, die Daten in kleinere Blöcke, sogenannte Pakete, aufteilt. Diese Blöcke durchlaufen eine Reihe von Schaltern, werden an ihr Ziel weitergeleitet und dann vom empfangenden Computer wieder zusammengesetzt. Dieser Vorgang wird als Store-and-Forward bezeichnet.
Wenn das Internet oder Ihr lokales Netzwerk ausfällt, liegt wahrscheinlich ein Fehler in genau diesem Mechanismus vor.
Warum Paketvermittlung Leitungsvermittlung übertrifft
Herkömmliche Netzwerke verwenden Leitungsvermittlung. Stellen Sie sich das wie eine eigene Telefonleitung vor. Es wird ein einzelner physischer Pfad mit fester Bandbreite geöffnet, und die Daten fließen nacheinander über diese Leitung, bis die Konversation endet. Es hält den Weg offen, unabhängig davon, ob jemand spricht.
Paketvermittlung ist anders. Es kommt nicht auf einen einzigen dedizierten Pfad an. Stattdessen werden Pakete über mehrere verfügbare Routen weitergeleitet. Jeder Switch trifft eine Entscheidung basierend auf der aktuellen Netzwerkeffizienz. Wenn ein Pfad überlastet oder unterbrochen ist, werden die Pakete einfach umgeleitet.
Dieses Design bietet zwei wesentliche Vorteile:
* Optimierte Kanalkapazität.
* Verbesserte Fehlertoleranz.
Aber es gibt einen Haken. Paketvermittlung ist kompliziert. Für die Verwaltung der Routing-Entscheidungen sind erhebliche Rechenleistung und große Mengen RAM erforderlich. Es kann auch zu Verzögerungen kommen. Pakete kommen möglicherweise nicht in der richtigen Reihenfolge an, oder einige gehen möglicherweise vollständig verloren. Aufgrund dieser Komplexität wird Paketvermittlung für kleine Dateien bevorzugt. Circuit Switching wird immer noch für große Echtzeitübertragungen verwendet, bei denen die Latenz wichtiger ist als die Effizienz.
Die Anatomie eines Datenpakets
Ein paketvermitteltes Netzwerk besteht aus zwei Hauptkomponenten: Kernen und Kanten.
Der Kern besteht aus Routern und Steuerungssystemen, die über Kanäle mit hoher Bandbreite verbunden sind. Am Rand befindet sich Ihr Gerät. Ihr Hostsystem – Ihr PC, Telefon oder Tablet – sendet und empfängt diese Pakete.
Die Kommunikation im gesamten Kern basiert auf Protokollen. Dies sind Verfahren, die Sender und Empfänger nutzen, um effektiv zu kommunizieren. Der kollektive Satz von Protokollen wird als Protokollstapel bezeichnet.
Jedes Paket, das den Kern passiert, ist ein Datagramm. Es besteht aus zwei Teilen:
1. Header : Kontrollinformationen, einschließlich Absender- und Empfängeradressen.
2. Nutzlast : Die tatsächlich gelieferten Daten.
Manchmal werden diese Pakete noch weiter in kleinere Einheiten aufgeteilt. Das ist Paketfragmentierung. Dies geschieht, wenn die Datenmenge zu groß ist, als dass eine bestimmte Netzwerkverbindung sie auf einmal verarbeiten könnte.
Verbindungslose vs. verbindungsorientierte Netzwerke
Nicht alle Paketnetzwerke funktionieren auf die gleiche Weise. Sie lassen sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen: verbindungslos und verbindungsorientiert.
Verbindungslose Netzwerke, auch Datagramm-Netzwerke genannt, funktionieren wie oben beschrieben. Die Daten werden partitioniert, Header werden angehängt und jedes Datagramm findet seine eigene beste Route von der Quelle zum Ziel. Eine vorherige Absprache ist nicht erforderlich.
Verbindungsorientierte Netzwerke ahmen die Leitungsvermittlung nach. Sie richten eine dedizierte Route zwischen Sender und Empfänger ein, bevor Daten übertragen werden. Dieser Ansatz nutzt die Vorteile der Leitungsvermittlung und bleibt gleichzeitig in einem digitalen Netzwerk. Es ist strukturierter, aber weniger flexibel.
Die Geschichte der Aufschlüsselung von Daten
Die Idee begann nicht mit dem modernen Internet. Es begann mit Paul Baran, einem Ingenieur bei der RAND Corporation. In den frühen 1960er Jahren stellte ihm die US-Luftwaffe eine erschreckende Frage: Wie könnte ein Computerkommunikationsnetzwerk einen Atomangriff überleben?
Baran schlug ein „Hot-Potato-Routing“ vor. Die Idee bestand darin, große Dateneinheiten in kleinere Blöcke aufzuteilen. Zwischen 1960 und 1962 veröffentlichte er seine Theorie in einer Reihe von Studien. Später erweiterte er sie im August 1964 zu einer elfbändigen Analyse mit dem Titel „On Distributed Communications“.
Die Regierung und private Unternehmen ignorierten ihn. Sie hatten noch kein Interesse an verteilter Kommunikation.
Unabhängig davon kam Donald Davies, Informatiker am britischen National Physical Laboratory, zu demselben Konzept. Er begann mit dem Aufbau eines Netzwerks, um die Idee zu testen. Baran nannte seine Einheiten „Nachrichtenblöcke“. Davies nannte sie „Pakete“.
Der Begriff blieb wegen Lawrence Roberts hängen. Roberts war Manager bei ARPA (jetzt DARPA). Im Oktober 1967 erfuhr er auf einem Symposium in Gatlinburg, Tennessee, von Davies‘ Werk. Roberts übernahm den Begriff „Paketvermittlung“ für ARPANET. Aus diesem Projekt entwickelte sich schließlich das Internet, wie wir es heute kennen.
„Paketvermittlung wird daher bevorzugt für die Übertragung relativ kleiner Dateien verwendet, während Leitungsvermittlung immer noch für größere Übertragungen verwendet wird.“
Das Erbe dieser frühen Ingenieure ist immer noch in Ihren Browser-Registerkarten zu finden. Jedes Mal, wenn Sie ein Video streamen oder eine Datei herunterladen, verlassen Sie sich auf die Store-and-Forward-Logik, die sich Baran und Davies ausgedacht haben, um den Weltuntergang zu überleben. Oder zumindest, um zu verhindern, dass Ihr Netflix puffert, wenn der Server ausgelastet ist.
Der Kalte Krieg der Paketvermittlung
Die Anfänge von ARPANET waren von einer stillen Revolution geprägt. Bolt Beranek und Newman, bekannt als BBN, bauten die Infrastruktur in nur einem Jahr auf. Sie haben die abstrakten Konzepte von Paul Baran und Donald Davies übernommen und umgesetzt. Der erste erfolgreiche Test fand im Oktober 1969 statt. Er war nicht auffällig. Es verband vier Knotenpunkte: UCLA, Stanford Research Institute, UCSB und die University of Utah. Bis 1975 war diese Zahl auf 57 angewachsen.
Das öffentliche Interesse war jedoch verhalten. Als ARPANET im Oktober 1972 auf der International Conference on Computer Communications vorgestellt wurde, war die Reaktion enttäuschend. Die US-Kommunikationsindustrie hat den Sinn nicht erkannt. Einige waren feindselig. Anderen war es einfach egal.
BBN und Robert Kahn sahen eine Lücke. Sie gründeten Telenet, ein kommerzielles paketvermitteltes Netzwerk. Die Idee war einfach. Wenn die großen Telekommunikationsunternehmen es nicht bauen würden, würde es ein privates Unternehmen tun.
Globale Skepsis und nationale Projekte
Die USA waren nicht die Einzigen, die mit Paketvermittlung experimentierten. Andere Länder gingen schneller voran. Im November 1973 kündigte die französische Post TRANSPAC an. Im Oktober 1974 folgte mit DATAPAC das Trans-Canada Telephone System. Auch Japans NTT hatte Pläne.
Die meisten Anbieter blieben am Rande. Sie sahen zu. Sie warteten. Sie wollten sehen, ob diese frühen Netzwerke abstürzen oder überleben würden.
Während die Regierungen ihre eigenen isolierten Systeme bauten, verfeinerten die Forscher die Kerntechnologie. Colin Davies stellte das Mark II-Netzwerk 1973 fertig. Es beeinflusste Großbritannien und weite Teile Europas. Louis Pouzin beendete CYCLADES im selben Jahr.
„Pouzins CYCLADES-Netzwerk machte Hosts und nicht Netzwerkkerne für die Fehlerkorrektur verantwortlich.“
Dieser Wandel war entscheidend. Es dezentrale Kontrolle. Dadurch wird die Zuverlässigkeitslast den Computern selbst überlassen, nicht der Infrastruktur.
Das Chaos standardisieren
Fünf Nationen führten den Vorstoß an: Kanada, Frankreich, Japan, das Vereinigte Königreich und die USA. Sie standen vor einem Fragmentierungsproblem. Jedes Netzwerk verwendete unterschiedliche Regeln. Sie konnten nicht miteinander reden.
Die Gespräche begannen 1975. Das Ziel war eine standardisierte Host-Netzwerk-Schnittstelle. Das Ergebnis war die CCITT-Empfehlung X.25. Es wurde im März 1976 verabschiedet und vereinheitlichte diese unterschiedlichen Systeme. Es markierte den Aufstieg miteinander verbundener öffentlicher Dienstleistungsnetze.
X.75 folgte kurz darauf. Es standardisierte die Art und Weise, wie internationale Netzwerke miteinander verbunden waren. Dies war der Vorläufer des globalen Webs, das wir heute nutzen. Aber es war nicht genug.
Der TCP/IP-Durchbruch
1979 leitete Bob Kahn das Büro für Informationsverarbeitungstechniken der DARPA. Das US-Verteidigungsministerium verfügte über mehrere paketvermittelte Netzwerke. Keiner war kompatibel. Dies war eine strategische Schwäche.
Kahn hat es gelöst. Er drängte auf TCP/IP. Dieser Protokollstandard wurde 1974 in einer zusammen mit Vincent Cerf verfassten Arbeit vorgestellt. Es wurde entwickelt, um inkompatible Netzwerke zu verbinden.
DARPA hat es übernommen. Weitere Forschungslabore folgten. Die Öffentlichkeit nutzte es schließlich. TCP/IP wurde zur Grundlage des Internets.
Es war nicht unvermeidlich. Es war eine Wahl. Eine Entscheidung, die getroffen wurde, als niemand sonst hinsah.
