Quando invii un’e-mail o carichi una pagina web, non stai inviando un unico, enorme file in tutto il mondo. Stai inviando un pasticcio frammentato. Funziona grazie alla rete a commutazione di pacchetto, un’infrastruttura digitale che suddivide i dati in blocchi più piccoli chiamati pacchetti. Questi blocchi viaggiano attraverso una serie di scambi, vengono instradati verso la loro destinazione e vengono quindi riassemblati dal computer ricevente. Questo processo è noto come store-and-forward.
Se Internet o la tua rete locale non funzionano, probabilmente hai a che fare con un errore in questo esatto meccanismo.
Perché la commutazione di pacchetto batte la commutazione di circuito
Le reti tradizionali utilizzano la commutazione di circuito. Pensatela come una linea telefonica dedicata. Viene aperto un singolo percorso fisico con larghezza di banda fissa e i dati fluiscono in sequenza lungo quella linea fino al termine della conversazione. Mantiene il percorso aperto indipendentemente dal fatto che qualcuno stia parlando.
La commutazione dei pacchetti è diversa. Non si preoccupa di un singolo percorso dedicato. Invece, dirige i pacchetti lungo più percorsi disponibili. Ogni switch prende una decisione in base all’attuale efficienza della rete. Se un percorso è congestionato o interrotto, i pacchetti vengono semplicemente reindirizzati.
Questo design offre due vantaggi principali:
* Capacità del canale ottimizzata.
* Migliorata tolleranza agli errori.
Ma c’è un problema. Il cambio di pacchetto è complicato. Richiede una potenza di elaborazione significativa e grandi quantità di RAM per gestire le decisioni di routing. Può anche introdurre ritardi. I pacchetti potrebbero arrivare fuori ordine o alcuni potrebbero essere completamente persi. A causa di questa complessità, per i file di piccole dimensioni è preferibile la commutazione di pacchetto. La commutazione di circuito viene ancora utilizzata per trasferimenti di grandi dimensioni in tempo reale in cui la latenza conta più dell’efficienza.
L’anatomia di un pacchetto di dati
Una rete a commutazione di pacchetto ha due componenti principali: core ed edge.
Il nucleo è costituito da router e sistemi di controllo collegati tramite canali a larghezza di banda elevata. Il confine è dove risiede il tuo dispositivo. Il tuo sistema host, ovvero il tuo PC, telefono o tablet, invia e riceve questi pacchetti.
La comunicazione all’interno del core si basa sui protocolli. Queste sono procedure che mittenti e destinatari utilizzano per parlare in modo efficace. L’insieme collettivo di protocolli è chiamato stack di protocolli.
Ogni pacchetto che attraversa il core è un datagramma. Ha due parti:
1. Intestazione : informazioni di controllo, inclusi gli indirizzi del mittente e del destinatario.
2. Payload : i dati effettivi forniti.
A volte questi pacchetti vengono ulteriormente suddivisi in unità più piccole. Questa è la frammentazione dei pacchetti. Succede quando i dati sono troppo grandi per essere gestiti in una sola volta da un collegamento di rete specifico.
Reti senza connessione e reti orientate alla connessione
Non tutte le reti a pacchetto funzionano allo stesso modo. Generalmente rientrano in due categorie: senza connessione e orientati alla connessione.
Le reti senza connessione, chiamate anche reti di datagrammi, funzionano come descritto sopra. I dati vengono partizionati, le intestazioni vengono allegate e ogni datagramma trova il proprio percorso migliore dall’origine alla destinazione. Non è necessario alcun accordo preventivo.
Le reti orientate alla connessione imitano la commutazione di circuito. Stabiliscono un percorso dedicato tra il mittente e il destinatario prima che i dati vengano trasferiti. Questo approccio ottiene i vantaggi della commutazione di circuito rimanendo su una rete digitale. È più strutturato ma meno flessibile.
La storia della scomposizione dei dati
L’idea non è nata con la moderna Internet. Tutto è iniziato con Paul Baran, un ingegnere della RAND Corporation. All’inizio degli anni ’60, l’aeronautica americana gli pose una domanda agghiacciante: come avrebbe potuto una rete di comunicazioni informatiche sopravvivere a un attacco nucleare?
Baran ha proposto il “percorso della patata bollente”. L’idea era di suddividere grandi unità di dati in blocchi più piccoli. Pubblicò la sua teoria in una serie di studi tra il 1960 e il 1962. Successivamente la espanse in un’analisi in 11 volumi intitolata On Distributed Communications nell’agosto 1964.
Il governo e le società private lo ignorarono. Non erano ancora interessati alle comunicazioni distribuite.
Indipendentemente, Donald Davies, uno scienziato informatico del National Physical Laboratory del Regno Unito, è arrivato allo stesso concetto. Ha iniziato a costruire una rete per testare l’idea. Baran chiamava le sue unità “blocchi di messaggi”. Davies li chiamava “pacchetti”.
Il termine è rimasto bloccato a causa di Lawrence Roberts. Roberts era un manager dell’ARPA (ora DARPA). Nell’ottobre del 1967, ad un simposio a Gatlinburg, nel Tennessee, venne a conoscenza del lavoro di Davies. Roberts ha adottato il termine commutazione di pacchetto per ARPANET. Quel progetto alla fine si sarebbe evoluto nell’Internet che conosciamo oggi.
“La commutazione di pacchetto è quindi preferibile per la trasmissione di file relativamente piccoli, mentre la commutazione di circuito viene ancora utilizzata per trasferimenti più grandi.”
L’eredità di quei primi ingegneri è ancora nelle schede del tuo browser. Ogni volta che riproduci in streaming un video o scarichi un file, fai affidamento sulla logica store-and-forward che Baran e Davies hanno immaginato per sopravvivere alla fine del mondo. O almeno, per evitare il buffering di Netflix quando il server è occupato.
La guerra fredda della commutazione di pacchetto
Gli albori di ARPANET furono caratterizzati da una rivoluzione silenziosa. Bolt Beranek e Newman, noto come BBN, costruirono l’infrastruttura in appena un anno. Hanno preso i concetti astratti di Paul Baran e Donald Davies e li hanno fatti funzionare. Il primo test riuscito avvenne nell’ottobre del 1969. Non fu appariscente. Collegava quattro nodi: UCLA, Stanford Research Institute, UCSB e l’Università dello Utah. Nel 1975 quel numero era cresciuto fino a 57.
L’interesse del pubblico, tuttavia, era tiepido. Quando ARPANET fu presentato alla Conferenza internazionale sulle comunicazioni informatiche nell’ottobre 1972, la reazione fu deludente. L’industria delle comunicazioni statunitense non ha colto il punto. Alcuni erano ostili. Ad altri semplicemente non importava.
La Bbn e Robert Kahn videro un’apertura. Fondarono Telenet, una rete commerciale a commutazione di pacchetto. L’idea era semplice. Se non lo costruissero le grandi telecomunicazioni, lo farebbe una compagnia privata.
Scetticismo globale e progetti nazionali
Gli Stati Uniti non sono stati i soli a sperimentare la commutazione di pacchetto. Altri paesi si sono mossi più velocemente. Nel novembre 1973, il servizio postale francese annunciò TRANSPAC. Il sistema telefonico transcanadese seguì con DATAPAC nell’ottobre 1974. Anche la giapponese NTT aveva dei piani.
La maggior parte dei fornitori è rimasta in disparte. Hanno guardato. Hanno aspettato. Volevano vedere se queste prime reti si sarebbero bloccate o sarebbero sopravvissute.
Mentre i governi costruivano i propri sistemi isolati, i ricercatori stavano perfezionando la tecnologia di base. Colin Davies completò la rete Mark II nel 1973. Influenzò il Regno Unito e gran parte dell’Europa. Louis Pouzin terminò CYCLADES quello stesso anno.
“La rete CYCLADES di Pouzin ha reso gli host, anziché i nuclei della rete, responsabili della correzione degli errori.”
Questo cambiamento è stato fondamentale. Ha decentralizzato il controllo. Ha messo l’onere dell’affidabilità sui computer stessi, non sull’infrastruttura.
Standardizzare il caos
Cinque nazioni hanno guidato la carica: Canada, Francia, Giappone, Regno Unito e Stati Uniti. Hanno dovuto affrontare un problema di frammentazione. Ogni rete utilizzava regole diverse. Non potevano parlare tra loro.
I colloqui iniziarono nel 1975. L’obiettivo era un’interfaccia host-rete standard. Il risultato è stata la raccomandazione X.25 del CCITT. Adottato nel marzo 1976, ha unificato questi sistemi disparati. Ha segnato l’ascesa delle reti di servizio pubblico interconnesse.
X.75 seguì poco dopo. Ha standardizzato il modo in cui le reti internazionali si collegavano. Questo è stato il precursore del web globale che usiamo oggi. Ma non era abbastanza.
La svolta TCP/IP
Nel 1979, Bob Kahn era a capo dell’ufficio per le tecniche di elaborazione delle informazioni della DARPA. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti disponeva di più reti a commutazione di pacchetto. Nessuno era compatibile. Questa era una debolezza strategica.
Kahn lo ha risolto. Ha spinto per il TCP/IP. Questo standard di protocollo era stato immaginato in un articolo del 1974 scritto con Vincent Cerf. È stato progettato per connettere reti incompatibili.
La DARPA lo ha adottato. Seguirono altri laboratori di ricerca. Alla fine il pubblico lo usò. TCP/IP è diventato il fondamento di Internet.
Non era inevitabile. È stata una scelta. Una scelta fatta quando nessun altro guardava.
