Когда вы отправляете электронное письмо или загружаете веб-страницу, вы не отправляете один огромный файл через весь мир. Вы отправляете фрагментированный беспорядок. Это работает благодаря пакетно-коммутационной сети — цифровой инфраструктуре, которая разбивает данные на более мелкие части, называемые пакетами. Эти части проходят через серию коммутаторов, маршрутизируются к месту назначения, а затем собираются обратно принимающим компьютером. Этот процесс известен как «store-and-forward» (передача с промежуточным хранением).
Если Интернет или ваша локальная сеть недоступны, скорее всего, вы имеете дело с отказом именно этого механизма.
Почему пакетная коммутация превосходит коммутацию каналов
Традиционные сети используют коммутацию каналов. Представьте себе выделенную телефонную линию. Открывается один физический путь с фиксированной пропускной способностью, и данные последовательно передаются по этой линии до конца разговора. Путь остается открытым независимо от того, говорит ли кто-либо в данный момент.
Пакетная коммутация работает иначе. Ей не нужен один выделенный путь. Вместо этого она направляет пакеты по нескольким доступным маршрутам. Каждый коммутатор принимает решение на основе текущей эффективности сети. Если один путь перегружен или поврежден, пакеты просто перенаправляются.
Этот дизайн предлагает два основных преимущества:
* Оптимизация использования пропускной способности каналов.
* Повышенная отказоустойчивость.
Но есть и обратная сторона. Пакетная коммутация сложна. Она требует значительных вычислительных мощностей и большого объема оперативной памяти для управления решениями о маршрутизации. Она также может вызывать задержки. Пакеты могут прибыть не по порядку, а некоторые могут быть полностью потеряны. Из-за этой сложности пакетная коммутация предпочтительна для передачи небольших файлов. Коммутация каналов все еще используется для крупных передач в реальном времени, где задержка важнее эффективности.
Анатомия пакета данных
Пакетно-коммутационная сеть состоит из двух основных компонентов: ядра и периферии.
Ядро состоит из маршрутизаторов и систем управления, соединенных каналами с высокой пропускной способностью. Периферия — это место, где находится ваше устройство. Ваша хост-система — ваш ПК, телефон или планшет — отправляет и получает эти пакеты.
Коммуникация через ядро опирается на протоколы. Это процедуры, которые отправители и получатели используют для эффективного взаимодействия. Совокупность всех протоколов называется стеком протоколов.
Каждый пакет, проходящий через ядро, является дейтаграммой. Она состоит из двух частей:
1. Заголовок : управляющая информация, включая адреса отправителя и получателя.
2. Полезная нагрузка : фактические передаваемые данные.
Иногда эти пакеты разделяются еще дальше на более мелкие единицы. Это называется фрагментацией пакетов. Это происходит, когда данные слишком велики для того, чтобы конкретный сетевой канал мог обработать их за один раз.
Безканальные и каналоориентированные сети
Не все пакетные сети работают одинаково. Они в целом делятся на две категории: безканальные (connectionless) и каналоориентированные (connection-oriented).
Безканальные сети, также называемые дейтаграммными сетями, работают описанным выше образом. Данные разбиваются на части, к ним прикрепляются заголовки, и каждая дейтаграмма находит свой собственный оптимальный маршрут от источника к месту назначения. Предварительная настройка не требуется.
Каналоориентированные сети имитируют коммутацию каналов. Они устанавливают выделенный маршрут между отправителем и получателем до начала передачи каких-либо данных. Этот подход получает преимущества коммутации каналов, оставаясь в цифровой сети. Он более структурирован, но менее гибок.
История разделения данных
Идея не возникла с современным Интернетом. Она началась с Пола Бара́на, инженера корпорации RAND. В начале 1960-х годов ВВС США задали ему пугающий вопрос: как компьютерная сеть связи могла бы пережить ядерную атаку?
Баран предложил «маршрутизацию по принципу горячего картофеля». Идея заключалась в том, чтобы разбить крупные единицы данных на более мелкие блоки. Он опубликовал свою теорию в серии исследований в период с 1960 по 1962 год. Позже он расширил ее в 11-томном анализе под названием On Distributed Communications («О распределенной связи»), опубликованном в августе 1964 года.
Правительство и частные корпорации проигнорировали его. Они еще не были заинтересованы в распределенной связи.
Независимо от Бара́на, Дональд Дэвис, ученый-компьютерщик из Национальной физической лаборатории Великобритании, пришел к той же концепции. Он начал строить сеть для проверки этой идеи. Баран называл свои единицы «блоками сообщений». Дэвис назвал их «пакетами».
Термин прижился благодаря Лоуренсу Робертсу. Робертс был менеджером в ARPA (теперь DARPA). В октябре 1967 года на симпозиуме в Гатлинбурге, штат Теннесси, он узнал о работе Дэвиса. Робертс принял термин пакетная коммутация для ARPANET. Этот проект в конечном итоге эволюционировал в Интернет, который мы знаем сегодня.
«Поэтому пакетная коммутация предпочтительна для передачи относительно небольших файлов, тогда как коммутация каналов все еще используется для более крупных передач.»
Наследие тех ранних инженеров все еще присутствует во вкладках вашего браузера. Каждый раз, когда вы транслируете видео или загружаете файл, вы полагаетесь на логику передачи с промежуточным хранением, которую придумали Баран и Дэвис для выживания после конца света. Или, по крайней мере, для того, чтобы ваш Netflix не зависал, когда сервер перегружен.
Холодная война пакетной коммутации
Ранние дни ARPANET были определены тихой революцией. Компания Bolt Beranek and Newman, известная как BBN, построила инфраструктуру всего за один год. Они взяли абстрактные концепции Пола Барана и Дональда Дэвиса и заставили их работать. Первый успешный тест состоялся в октябре 1969 года. Он не был эффектным. Он соединил четыре узла: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA), Институт исследований в Стэнфорде (SRI), Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB) и Ютаский университет. К 1975 году их число выросло до 57.
Однако общественный интерес был слабым. Когда ARPANET был представлен на Международной конференции по компьютерной связи в октябре 1972 года, реакция была разочаровывающей. Американская телекоммуникационная индустрия не видела в этом смысла. Некоторые относились к этому враждебно. Другие просто не проявляли интереса.
BBN и Роберт Кан увидели возможность. Они основали Telenet, коммерческую сеть пакетной коммутации. Идея была проста. Если крупные телекоммуникационные компании не построят её, это сделает частная компания.
Глобальный скептицизм и национальные проекты
США не были единственными, кто экспериментировал с пакетной коммутацией. Другие страны действовали быстрее. В ноябре 1973 года французская почтовая служба анонсировала TRANSPAC. За ней последовала Trans-Canada Telephone System с DATAPAC в октябре 1974 года. У японской NTT также были свои планы.
Большинство провайдеров оставались в стороне. Они наблюдали. Они ждали. Они хотели увидеть, рухнут ли эти ранние сети или выживут.
Пока правительства строили свои собственные изолированные системы, исследователи совершенствовали базовую технологию. Колин Дэвис завершил сеть Mark II в 1973 году. Она оказала влияние на Великобританию и большую часть Европы. Луи Пузен завершил CYCLADES в том же году.
«Сеть Пузена CYCLADES возложила ответственность за исправление ошибок на хосты, а не на ядро сети.»
Этот сдвиг был критически важным. Он децентрализовал управление. Он возложил бремя надежности на сами компьютеры, а не на инфраструктуру.
Стандартизация хаоса
Пять стран возглавили этот процесс: Канада, Франция, Япония, Великобритания и США. Они столкнулись с проблемой фрагментации. Каждая сеть использовала свои собственные правила. Они не могли взаимодействовать друг с другом.
Переговоры начались в 1975 году. Целью стал стандартный интерфейс хост-сеть. Результатом стала рекомендация CCITT X.25. Принятая в марте 1976 года, она объединила эти разрозненные системы. Она ознаменовала рост взаимосвязанных публичных сервисных сетей.
Вскоре за ней последовал X.75. Он стандартизировал способ соединения международных сетей. Это был предшественник глобальной сети, которой мы пользуемся сегодня. Но этого было недостаточно.
Прорыв TCP/IP
К 1979 году Боб Кан возглавил Управление по обработке информации DARPA. Министерство обороны США имело несколько сетей пакетной коммутации. Ни одна из них не была совместима. Это было стратегическим слабым местом.
Кан решил эту проблему. Он настоял на внедрении TCP/IP. Этот стандарт протокола был предложен в статье 1974 года, написанной совместно с Винтоном Серфом. Он был разработан для соединения несовместимых сетей.
DARPA приняла его. За ним последовали другие исследовательские лаборатории. В конечном итоге его начали использовать в общественном секторе. TCP/IP стал основой Интернета.
Это не было неизбежным. Это был выбор. Выбор, сделанный в то время, когда на это никто не обращал внимания.
