Wysyłając wiadomość e-mail lub ładując stronę internetową, nie wysyłasz jednego ogromnego pliku na cały świat. Wysyłasz fragmentaryczny bałagan. Działa dzięki Packet Switching Network – infrastrukturze cyfrowej, która dzieli dane na mniejsze części zwane pakietami. Części te przechodzą przez szereg przełączników, są kierowane do miejsca przeznaczenia, a następnie ponownie składane przez komputer odbierający. Proces ten nazywany jest przechowywaniem i przesyłaniem dalej.
Jeśli Internet lub Twoja sieć lokalna jest niedostępna, najprawdopodobniej masz do czynienia z awarią tego konkretnego mechanizmu.
Dlaczego przełączanie pakietów jest lepsze od przełączania obwodów
Tradycyjne sieci wykorzystują przełączanie obwodów. Wyobraź sobie dedykowaną linię telefoniczną. Otwarta jest jedna ścieżka fizyczna o stałej przepustowości i po tej linii dane są przesyłane sekwencyjnie aż do zakończenia rozmowy. Ścieżka pozostaje otwarta, niezależnie od tego, czy ktoś w tej chwili zabiera głos.
Przełączanie pakietów działa inaczej. Nie potrzebuje jednej dedykowanej ścieżki. Zamiast tego kieruje pakiety wieloma dostępnymi trasami. Każdy przełącznik podejmuje decyzję na podstawie bieżącej wydajności sieci. Jeśli jedna ścieżka jest przeciążona lub uszkodzona, pakiety są po prostu przekierowywane.
Ten projekt ma dwie główne zalety:
* Optymalizacja wykorzystania przepustowości kanału.
* Zwiększona tolerancja na błędy.
Ale jest też minus. Przełączanie pakietów jest złożone. Zarządzanie decyzjami dotyczącymi routingu wymaga znacznej mocy obliczeniowej i dużej ilości pamięci RAM. Może to również powodować opóźnienia. Pakiety mogą docierać w niewłaściwej kolejności, a niektóre mogą zostać całkowicie utracone. Ze względu na tę złożoność w przypadku przesyłania małych plików preferowane jest przełączanie pakietów. Przełączanie obwodów jest nadal stosowane w dużych transmisjach w czasie rzeczywistym, gdzie opóźnienie jest ważniejsze niż wydajność.
Anatomia pakietu danych
Sieć z komutacją pakietów składa się z dwóch głównych elementów: rdzenia i krawędzi.
Rdzeń składa się z routerów i systemów sterowania połączonych łączami o dużej przepustowości. Urządzenie peryferyjne to miejsce, w którym znajduje się Twoje urządzenie. Twój system hosta — komputer, telefon lub tablet — wysyła i odbiera te pakiety.
Komunikacja poprzez jądro opiera się na protokołach. Są to procedury stosowane przez nadawcę i odbiorcę w celu skutecznej komunikacji. Zbiór wszystkich protokołów nazywany jest stosem protokołów.
Każdy pakiet przechodzący przez jądro jest datagramem. Składa się z dwóch części:
1. Nagłówek : Informacje kontrolne, w tym adresy nadawcy i odbiorcy.
2. Ładunek : Rzeczywiste przesyłane dane.
Czasami pakiety te są jeszcze bardziej podzielone na mniejsze jednostki. Nazywa się to fragmentacją pakietów. Dzieje się tak, gdy dane są zbyt duże, aby dane łącze sieciowe mogło je przetworzyć jednocześnie.
Sieci bezkanałowe i zorientowane na kanały
Nie wszystkie sieci pakietowe działają tak samo. Ogólnie można je podzielić na dwie kategorie: bezpołączeniowe i zorientowane na połączenie.
Sieci bezkanałowe, zwane także sieciami datagramowymi, działają w sposób opisany powyżej. Dane są dzielone, dołączane są nagłówki, a każdy datagram znajduje własną optymalną trasę od źródła do miejsca docelowego. Nie jest wymagana wstępna konfiguracja.
Sieci oparte na kanałach symulują przełączanie obwodów. Przed przesłaniem jakichkolwiek danych wyznaczają dedykowaną trasę między nadawcą a odbiorcą. Podejście to zyskuje korzyści wynikające z przełączania obwodów, pozostając w sieci cyfrowej. Jest bardziej zorganizowany, ale mniej elastyczny.
Historia udostępniania danych
Pomysł nie zrodził się we współczesnym Internecie. Zaczęło się od Paula Barana, inżyniera w RAND Corporation. Na początku lat sześćdziesiątych Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych zadały mu zniechęcające pytanie: W jaki sposób komputerowa sieć komunikacyjna może przetrwać atak nuklearny?
Baran zaproponował „trasowanie gorących ziemniaków”. Pomysł polegał na podzieleniu dużych jednostek danych na mniejsze jednostki. Opublikował swoją teorię w serii badań prowadzonych w latach 1960–1962. Później rozwinął ją w 11-tomowej analizie zatytułowanej O komunikacji rozproszonej, opublikowanej w sierpniu 1964 r.
Rząd i prywatne korporacje zignorowały go. Nie byli jeszcze zainteresowani komunikacją rozproszoną.
Niezależnie od Barana na tę samą koncepcję wpadł Donald Davis, informatyk z brytyjskiego National Physical Laboratory. Zaczął budować sieć, aby przetestować ten pomysł. Baran nazwał swoje jednostki „blokami wiadomości”. Davis nazwał je „pakietami”.
Termin zakorzenił się dzięki Lawrence’owi Robertsowi. Roberts był menadżerem w ARPA (obecnie DARPA). W październiku 1967 roku na sympozjum w Gatlinburgu w stanie Tennessee poznał twórczość Davisa. Roberts przyjął termin „przełączanie pakietów” dla określenia ARPANET. Projekt ten ostatecznie przekształcił się w Internet, jaki znamy dzisiaj.
„Dlatego w przypadku przesyłania stosunkowo małych plików preferowane jest przełączanie pakietów, podczas gdy w przypadku większych transferów nadal stosuje się przełączanie obwodów”.
Dziedzictwo tych wczesnych inżynierów jest nadal obecne na kartach Twojej przeglądarki. Za każdym razem, gdy przesyłasz strumieniowo wideo lub pobierasz plik, polegasz na logice przechowywania i przesyłania, którą wymyślili Baran i Davis, aby przetrwać koniec świata. Lub przynajmniej, aby zapobiec zawieszaniu się serwisu Netflix, gdy serwer jest przeciążony.
Zimna wojna o przełączanie pakietów
Początki ARPANETu charakteryzowały się cichą rewolucją. Bolt Beranek i Newman, znani jako BBN, zbudowali infrastrukturę w zaledwie rok. Wzięli abstrakcyjne koncepcje Paula Barana i Donalda Davisa i sprawili, że zadziałały. Pierwszy udany test odbył się w październiku 1969 roku. Nie był efektowny. Połączył cztery węzły: Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles (UCLA), Instytut Badawczy Stanforda (SRI), Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara (UCSB) i Uniwersytet Utah. Do 1975 roku ich liczba wzrosła do 57.
Jednak zainteresowanie opinii publicznej było słabe. Kiedy w październiku 1972 roku na Międzynarodowej Konferencji Komunikacji Komputerowej zaprezentowano ARPANET, reakcja była rozczarowująca. Amerykański przemysł telekomunikacyjny nie widział w tym żadnego sensu. Niektórzy byli temu wrogo nastawieni. Inni po prostu nie byli zainteresowani.
BBN i Robert Kahn dostrzegli szansę. Założyli Telenet, komercyjną sieć komutacji pakietów. Pomysł był prosty. Jeśli nie zbudują go duże firmy telekomunikacyjne, zrobi to prywatna firma.
Globalny sceptycyzm i projekty krajowe
Stany Zjednoczone nie były osamotnione w eksperymentach z przełączaniem pakietów. Inne kraje zadziałały szybciej. W listopadzie 1973 roku francuska poczta ogłosiła TRANSPAC. Następnie w październiku 1974 r. pojawił się transkanadyjski system telefoniczny z DATAPAC. Japoński NTT również miał swoje własne plany.
Większość dostawców pozostawała na uboczu. Patrzyli. Czekali. Chcieli sprawdzić, czy te wczesne sieci upadną lub przetrwają.
Podczas gdy rządy budowały własne izolowane systemy, badacze udoskonalili leżącą u ich podstaw technologię. Colin Davis ukończył budowę sieci Mark II w 1973 roku. Miała ona wpływ na Wielką Brytanię i większą część Europy. W tym samym roku Louis Pouzin ukończył CYCLADES.
„Sieć CYCLADES firmy Pouzin umieściła odpowiedzialność za korekcję błędów na hostach, a nie na rdzeniu sieci”.
Ta zmiana była krytyczna. Zdecentralizował kontrolę. Nałożyło to ciężar niezawodności na same komputery, a nie na infrastrukturę.
Standaryzacja chaosu
Pięć krajów objęło wiodącą rolę w tym procesie: Kanada, Francja, Japonia, Wielka Brytania i USA. Stanęli przed problemem fragmentacji. Każda sieć stosowała własne zasady. Nie mogli ze sobą współdziałać.
Negocjacje rozpoczęły się w 1975 roku. Celem był standardowy interfejs sieci hosta. W rezultacie powstało Zalecenie CCITT X.25. Przyjęty w marcu 1976 r., połączył te odmienne systemy. Oznaczało to rozwój wzajemnie połączonych sieci usług publicznych.
Wkrótce potem pojawił się X.75. Ujednoliciło sposób łączenia sieci międzynarodowych. Był prekursorem globalnej sieci, z której korzystamy dzisiaj. Ale to nie wystarczyło.
Przełom w protokole TCP/IP
W 1979 roku Bob Kahn stał na czele Biura Przetwarzania Informacji DARPA. Departament Obrony Stanów Zjednoczonych miał kilka sieci komutacji pakietów. Żaden z nich nie był kompatybilny. To był strategiczny słaby punkt.
Kahn rozwiązał ten problem. Nalegał na wprowadzenie protokołu TCP/IP. Ten standard protokołu został zaproponowany w artykule z 1974 roku napisanym wspólnie z Vintonem Cerfem. Został zaprojektowany do łączenia niekompatybilnych sieci.
DARPA to zaakceptowała. W ich ślady poszły inne laboratoria badawcze. Ostatecznie zastosowano go w sektorze publicznym. Protokół TCP/IP stał się podstawą Internetu.
To nie było nieuniknione. To był wybór. Wybór dokonany w czasie, gdy nikt nie zwracał na to uwagi.
