Wanneer u een e-mail verzendt of een webpagina laadt, verzendt u geen enkel groot bestand over de hele wereld. Je stuurt een gefragmenteerde puinhoop. Het werkt dankzij het pakketgeschakelde netwerk, een digitale infrastructuur die gegevens opsplitst in kleinere stukjes die pakketten worden genoemd. Deze brokken reizen door een reeks schakelaars, worden naar hun bestemming gerouteerd en worden vervolgens weer in elkaar gezet door de ontvangende computer. Dit proces staat bekend als store-and-forward.
Als het internet of uw lokale netwerk niet beschikbaar is, heeft u waarschijnlijk te maken met een storing in dit exacte mechanisme.
Waarom pakketschakeling beter is dan circuitschakeling
Traditionele netwerken maken gebruik van circuitschakeling. Zie het als een speciale telefoonlijn. Er wordt één enkel fysiek pad geopend met een vaste bandbreedte, en de gegevens stromen opeenvolgend langs die lijn totdat het gesprek eindigt. Het houdt het pad open, ongeacht of iemand praat.
Pakketschakeling is anders. Het maakt niet uit of er één specifiek pad is. In plaats daarvan stuurt het pakketten langs meerdere beschikbare routes. Elke switch neemt een beslissing op basis van de huidige netwerkefficiëntie. Als een pad verstopt of kapot is, worden de pakketten eenvoudigweg omgeleid.
Dit ontwerp biedt twee grote voordelen:
* Geoptimaliseerde kanaalcapaciteit.
* Verbeterde fouttolerantie.
Maar er is een addertje onder het gras. Pakketschakeling is ingewikkeld. Het vereist aanzienlijke verwerkingskracht en grote hoeveelheden RAM om de routeringsbeslissingen te beheren. Het kan ook vertragingen met zich meebrengen. Pakketten kunnen in de verkeerde volgorde aankomen, of sommige kunnen geheel verloren gaan. Vanwege deze complexiteit wordt voor kleine bestanden de voorkeur gegeven aan pakketschakeling. Circuitschakeling wordt nog steeds gebruikt voor grote, realtime overdrachten waarbij latentie belangrijker is dan efficiëntie.
De anatomie van een datapakket
Een pakketgeschakeld netwerk bestaat uit twee hoofdcomponenten: kernen en randen.
De kern bestaat uit routers en besturingssystemen die met elkaar zijn verbonden door kanalen met hoge bandbreedte. De rand is waar uw apparaat leeft. Uw hostsysteem (uw pc, telefoon of tablet) verzendt en ontvangt deze pakketten.
Communicatie in de kern is afhankelijk van protocollen. Dit zijn procedures die zenders en ontvangers gebruiken om effectief te praten. De collectieve set protocollen wordt een protocolstapel genoemd.
Elk pakket dat de kern passeert, is een datagram. Het bestaat uit twee delen:
1. Header : controle-informatie, inclusief afzender- en ontvangeradressen.
2. Payload : de daadwerkelijke gegevens die worden geleverd.
Soms worden deze pakketten nog verder opgesplitst in kleinere eenheden. Dit is pakketfragmentatie. Dit gebeurt wanneer de gegevens te groot zijn om door een specifieke netwerklink in één keer te worden verwerkt.
Verbindingsloze versus verbindingsgerichte netwerken
Niet alle pakketnetwerken werken op dezelfde manier. Ze vallen over het algemeen in twee categorieën: verbindingsloos en verbindingsgericht.
Verbindingsloze netwerken, ook wel datagramnetwerken genoemd, werken zoals hierboven beschreven. Gegevens worden gepartitioneerd, headers worden toegevoegd en elk datagram vindt zijn eigen beste route van bron naar bestemming. Er is geen voorafgaande afspraak nodig.
Verbindingsgerichte netwerken bootsen circuitschakeling na. Ze zetten een speciale route op tussen de zender en de ontvanger voordat er gegevens worden overgedragen. Deze aanpak biedt de voordelen van circuitschakeling terwijl u op een digitaal netwerk blijft. Het is meer gestructureerd, maar minder flexibel.
De geschiedenis van het opsplitsen van gegevens
Het idee begon niet met het moderne internet. Het begon met Paul Baran, een ingenieur bij RAND Corporation. Begin jaren zestig stelde de Amerikaanse luchtmacht hem een huiveringwekkende vraag: hoe kon een computercommunicatienetwerk een nucleaire aanval overleven?
Baran stelde een ‘hot-potato-routing’ voor. Het idee was om grote gegevenseenheden in kleinere blokken op te delen. Hij publiceerde zijn theorie in een reeks onderzoeken tussen 1960 en 1962. Later breidde hij deze uit tot een elfdelige analyse met de titel On Distributed Communications in augustus 1964.
De overheid en particuliere bedrijven negeerden hem. Ze waren nog niet geïnteresseerd in gedistribueerde communicatie.
Onafhankelijk daarvan kwam Donald Davies, een computerwetenschapper bij het Britse National Physical Laboratory, tot hetzelfde concept. Hij begon een netwerk op te bouwen om het idee te testen. Baran noemde zijn eenheden ‘berichtblokken’. Davies noemde ze ‘pakketten’.
De term bleef hangen vanwege Lawrence Roberts. Roberts was manager bij ARPA (nu DARPA). In oktober 1967 hoorde hij op een symposium in Gatlinburg, Tennessee over het werk van Davies. Roberts adopteerde de term packet-switching voor ARPANET. Dat project zou uiteindelijk uitgroeien tot het internet dat we nu kennen.
“Pakketschakeling heeft daarom de voorkeur voor het verzenden van relatief kleine bestanden, terwijl circuitschakeling nog steeds wordt gebruikt voor grotere overdrachten.”
De erfenis van die vroege ingenieurs staat nog steeds op uw browsertabbladen. Elke keer dat je een video streamt of een bestand downloadt, vertrouw je op de store-and-forward-logica die Baran en Davies bedachten om het einde van de wereld te overleven. Of in ieder geval om te voorkomen dat Netflix gaat bufferen als de server bezet is.
De Koude Oorlog van pakketwisseling
De begindagen van ARPANET werden bepaald door een stille revolutie. Bolt Beranek en Newman, beter bekend als BBN, bouwden de infrastructuur in slechts een jaar tijd. Ze namen de abstracte concepten van Paul Baran en Donald Davies en lieten deze werken. De eerste succesvolle test vond plaats in oktober 1969. Het was niet opzichtig. Het verbond vier knooppunten: UCLA, Stanford Research Institute, UCSB en de Universiteit van Utah. In 1975 was dat aantal gegroeid tot 57.
De publieke belangstelling was echter lauw. Toen ARPANET in oktober 1972 werd gepresenteerd op de Internationale Conferentie over Computercommunicatie, was de reactie teleurstellend. De Amerikaanse communicatie-industrie zag het nut niet in. Sommigen waren vijandig. Anderen kon het gewoon niets schelen.
BBN en Robert Kahn zagen een opening. Ze richtten Telenet op, een commercieel pakketgeschakeld netwerk. Het idee was eenvoudig. Als de grote telecombedrijven het niet zouden bouwen, zou een particulier bedrijf dat wel doen.
Mondiaal scepticisme en nationale projecten
De VS waren niet de enige die experimenteerden met pakketschakeling. Andere landen gingen sneller vooruit. In november 1973 kondigde de Franse postdienst TRANSPAC aan. Het Trans-Canada Telephone System volgde samen met DATAPAC in oktober 1974. Ook de Japanse NTT had plannen.
De meeste aanbieders bleven aan de zijlijn staan. Ze keken. Ze wachtten. Ze wilden zien of deze vroege netwerken zouden crashen of overleven.
Terwijl overheden hun eigen geïsoleerde systemen bouwden, verfijnden onderzoekers de kerntechnologie. Colin Davies voltooide het Mark II-netwerk in 1973. Het beïnvloedde het Verenigd Koninkrijk en een groot deel van Europa. Louis Pouzin voltooide datzelfde jaar CYCLADEN.
“Het CYCLADES-netwerk van Pouzin heeft hosts, in plaats van netwerkkernen, verantwoordelijk gemaakt voor foutcorrectie.”
Deze verschuiving was van cruciaal belang. Het decentraliseerde de controle. Het legde de last van de betrouwbaarheid op de computers zelf, niet op de infrastructuur.
De chaos standaardiseren
Vijf landen voerden de leiding: Canada, Frankrijk, Japan, Groot-Brittannië en de VS. Ze werden geconfronteerd met een fragmentatieprobleem. Elk netwerk gebruikte verschillende regels. Ze konden niet met elkaar praten.
De gesprekken begonnen in 1975. Het doel was een standaard host-netwerkinterface. Het resultaat was CCITT-aanbeveling X.25. Het werd in maart 1976 aangenomen en verenigde deze ongelijksoortige systemen. Het markeerde de opkomst van onderling verbonden openbare dienstnetwerken.
X.75 volgde kort daarna. Het standaardiseerde hoe internationale netwerken met elkaar verbonden waren. Dit was de voorloper van het mondiale web dat we vandaag de dag gebruiken. Maar het was niet genoeg.
De TCP/IP-doorbraak
In 1979 leidde Bob Kahn het Information Processing Techniques Office van DARPA. Het Amerikaanse ministerie van Defensie beschikte over meerdere pakketgeschakelde netwerken. Geen enkele was compatibel. Dit was een strategische zwakte.
Kahn heeft het opgelost. Hij drong aan op TCP/IP. Deze protocolstandaard was voorgesteld in een artikel uit 1974, geschreven samen met Vincent Cerf. Het is ontworpen om incompatibele netwerken met elkaar te verbinden.
DARPA heeft het overgenomen. Andere onderzoekslaboratoria volgden. Het publiek maakte er uiteindelijk gebruik van. TCP/IP werd de basis van het internet.
Het was niet onvermijdelijk. Het was een keuze. Een keuze gemaakt toen niemand anders keek.
