Коли ви надсилаєте електронний лист або завантажуєте веб-сторінку, ви не надсилаєте один величезний файл по всьому світу. Ви надсилаєте фрагментований безлад. Це працює завдяки Мережі комутації пакетів, цифровій інфраструктурі, яка розбиває дані на менші фрагменти, які називаються пакетами. Ці частини проходять через серію комутаторів, направляються до місця призначення, а потім збираються назад комп’ютером-одержувачем. Цей процес відомий як store-and-forward.
Якщо Інтернет або ваша локальна мережа недоступні, швидше за все, ви маєте справу зі збоєм саме цього механізму.
Чому комутація пакетів є кращою за комутацію каналів
У традиційних мережах використовується комутація каналів. Уявіть собі виділену телефонну лінію. Відкривається один фізичний шлях з фіксованою пропускною здатністю, і дані послідовно передаються по цій лінії до кінця розмови. Шлях залишається відкритим, незалежно від того, хто в даний момент говорить.
Комутація пакетів працює інакше. Для цього не потрібен один виділений шлях. Натомість він направляє пакети кількома доступними маршрутами. Кожен комутатор приймає рішення на основі поточної продуктивності мережі. Якщо один шлях перевантажений або пошкоджений, пакети просто перенаправляються.
Цей дизайн має дві основні переваги:
* Оптимізація використання пропускної здатності каналу.
* Підвищена відмовостійкість.
Але є і мінус. Комутація пакетів є складною. Це вимагає значної обчислювальної потужності та великого обсягу оперативної пам’яті для керування рішеннями щодо маршрутизації. Це також може спричинити затримки. Пакети можуть надійти не в порядку, а деякі можуть бути повністю втрачені. Через цю складність комутація пакетів є кращою для передачі невеликих файлів. Комутація каналів все ще використовується для великих передач у реальному часі, де затримка важливіша за ефективність.
Анатомія пакета даних
Мережа комутації пакетів складається з двох основних компонентів: ядра та краю.
Ядро складається з маршрутизаторів і систем керування, з’єднаних високошвидкісними каналами зв’язку. Периферійний пристрій – це місце, де знаходиться ваш пристрій. Ваша хост-система — ваш ПК, телефон або планшет — надсилає та отримує ці пакети.
Зв’язок через ядро базується на протоколах. Це процедури, які відправники та одержувачі використовують для ефективного спілкування. Сукупність усіх протоколів називається стеком протоколів.
Кожен пакет, що проходить через ядро, є дейтаграмою. Він складається з двох частин:
1. Заголовок : керуюча інформація, включаючи адреси відправника та одержувача.
2. Корисне навантаження : фактичні дані, що передаються.
Іноді ці пакети ще більше розбиваються на менші одиниці. Це називається фрагментацією пакетів. Це трапляється, коли дані занадто великі, щоб певне мережеве з’єднання могло обробити їх одночасно.
Безканальні та канально-орієнтовані мережі
Не всі пакетні мережі працюють однаково. Зазвичай вони поділяються на дві категорії: без підключення та орієнтовані на підключення.
Безканальні мережі, також звані дейтаграмними мережами, працюють описаним вище чином. Дані розбиваються на частини, до них прикріплюються заголовки, і кожна дейтаграма знаходить власний оптимальний маршрут від джерела до місця призначення. Попереднє налаштування не потрібне.
Каналоорієнтовані мережі імітують комутацію каналів. Вони встановлюють виділений маршрут між відправником та одержувачем до початку передачі будь-яких даних. Цей підхід отримує переваги комутації каналів, залишаючись у цифровій мережі. Він більш структурований, але менш гнучкий.
Історія поділу даних
Ідея не виникла із сучасним Інтернетом. Вона почалася з Пола Барана, інженера RAND. На початку 1960-х років ВПС США поставили йому страшне питання: як комп’ютерна мережа зв’язку могла б пережити ядерну атаку?
Баран запропонував «маршрутизацію за принципом гарячої картоплі». Ідея полягала в тому, щоб розбити великі одиниці даних на дрібніші блоки. Він опублікував свою теорію в серії досліджень у період з 1960 по 1962 рік. Пізніше він розширив її в 11-томному аналізі під назвою On Distributed Communications (Про розподілений зв’язок), опублікованому в серпні 1964 року.
Уряд та приватні корпорації проігнорували його. Вони ще не були зацікавлені у розподіленому зв’язку.
Незалежно від Барана, Дональд Девіс, вчений комп’ютерник з Національної фізичної лабораторії Великобританії, прийшов до тієї ж концепції. Він почав будувати мережу для перевірки цієї ідеї. Баран називав свої одиниці блоками повідомлень. Девіс назвав їх “пакетами”.
Термін прижився завдяки Лоуренсу Робертсу. Робертс був менеджером ARPA (тепер DARPA). У жовтні 1967 року на симпозіумі в Гатлінбурзі, штат Теннессі, він дізнався про роботу Девіса. Робертс прийняв термін пакетна комутація для ARPANET. Цей проект зрештою еволюціонував до Інтернету, який ми знаємо сьогодні.
«Тому пакетна комутація переважна передачі щодо невеликих файлів, тоді як комутація каналів все ще використовується для більших передач.»
Спадщина тих ранніх інженерів все ще є у вкладках вашого браузера. Щоразу, коли ви транслюєте відео або завантажуєте файл, ви покладаєтеся на логіку передачі з проміжним зберіганням, яку вигадали Баран і Девіс для виживання після кінця світу. Або принаймні для того, щоб ваш Netflix не зависав, коли сервер перевантажений.
Холодна війна пакетної комутації
Ранні дні ARPANET було визначено тихою революцією. Компанія Bolt Beranek and Newman, відома як BBN, збудувала інфраструктуру всього за один рік. Вони взяли абстрактні концепції Пола Барана та Дональда Девіса та змусили їх працювати. Перший успішний тест відбувся у жовтні 1969 року. Він був ефектним. Він поєднав чотири вузли: Каліфорнійський університет у Лос-Анджелесі (UCLA), Інститут досліджень у Стенфорді (SRI), Каліфорнійський університет у Санта-Барбарі (UCSB) та Ютаський університет. До 1975 року їхня кількість зросла до 57.
Проте громадський інтерес був слабким. Коли ARPANET був представлений на Міжнародній конференції з комп’ютерного зв’язку у жовтні 1972 року, реакція була розчаровує. Американська телекомунікаційна індустрія не бачила у цьому сенсу. Дехто ставився до цього вороже. Інші просто не виявляли інтересу.
BBN та Роберт Кан побачили можливість. Вони започаткували Telenet, комерційну мережу пакетної комутації. Ідея була простою. Якщо великі телекомунікаційні компанії не збудують її, це зробить приватна компанія.
Глобальний скептицизм та національні проекти
США не були єдиними, хто експериментував із пакетною комутацією. Інші країни діяли швидше. У листопаді 1973 року французька поштова служба анонсувала TRANSPAC. За нею пішла Trans-Canada Telephone System із DATAPAC у жовтні 1974 року. Японська NTT також мала свої плани.
Більшість провайдерів залишалися осторонь. Вони спостерігали. Вони чекали. Вони хотіли побачити, чи впадуть ці ранні сіті чи виживуть.
Поки уряди будували власні ізольовані системи, дослідники вдосконалювали базову технологію. Колін Девіс завершив мережу Mark II у 1973 році. Вона вплинула на Велику Британію і більшу частину Європи. Луї Пузен завершив CYCLADES того ж року.
«Мережа Пузена CYCLADES поклала відповідальність за виправлення помилок на хости, а не на ядро мережі.»
Це зрушення було критично важливим. Він децентралізував управління. Він поклав тягар надійності на самі комп’ютери, а чи не на інфраструктуру.
Стандартизація хаосу
П’ять країн очолили цей процес: Канада, Франція, Японія, Великобританія та США. Вони зіткнулися із проблемою фрагментації. Кожна мережа використовувала свої правила. Вони не могли взаємодіяти один з одним.
Переговори розпочалися 1975 року. Метою став стандартний інтерфейс хост-мережа. Результатом стала рекомендація CCITT X.25. Прийнята у березні 1976 року, вона об’єднала ці розрізнені системи. Вона ознаменувала зростання взаємозалежних громадських сервісних мереж.
Незабаром за нею пішов X.75. Він стандартизував спосіб з’єднання міжнародних мереж. Це був попередник глобальної мережі, якою ми користуємось сьогодні. Але цього було замало.
Прорив TCP/IP
До 1979 року Боб Кан очолив Управління з обробки інформації DARPA. Міністерство оборони США мало кілька мереж пакетної комутації. Жодна з них не була сумісна. Це було стратегічне слабке місце.
Кан вирішив цю проблему. Він наполягав на впровадженні TCP/IP. Цей стандарт протоколу було запропоновано у статті 1974 року, написаній разом із Вінтоном Серфом. Він був розроблений для з’єднання несумісних мереж.
DARPA прийняла його. За ним пішли інші дослідні лабораторії. Зрештою його почали використовувати у громадському секторі. TCP/IP став основою Інтернету.
Це було неминучим. То був вибір. Вибір зроблений у той час, коли на це ніхто не звертав уваги.
