Schéma počítačové sítě ARPA v červnu 1967. Prázdný kruh – počítač se sdíleným přístupem, kruh s čárkou – terminál pro jednoho uživatele
Další články cyklu:
- Historie relé
- Historie elektronických počítačů
- Historie tranzistoru
- Historie internetu
Na konci roku 1966 s penězi ARPA zahájil projekt propojení mnoha počítačů do jedné systému, inspirován myšlenkou „» .
Odpovědnost za realizaci projektu Taylor předal do zručných rukou . V následujícím roce Roberts přijal několik kriticky důležitých rozhodnutí, která se později odrazila v technické architektuře a kultuře ARPANETu a jejích následovníků, v některých případech – dokonce na celé desetiletí. Prvním rozhodnutím podle důležitosti, i když nechronologicky, bylo určení mechanismu směrování zpráv od jednoho počítače k druhému.
Problém
Pokud počítač A chce poslat zprávu počítači B, jak najde cesta od jednoho k druhému? Teoreticky by bylo možné umožnit každému uzlu sítě komunikovat se všemi ostatními, propojením fyzickými kabely každý uzel se všemi ostatními. Pro komunikaci s B by počítač A jednoduše poslal zprávu po odchozím kabelu, který ho spojuje s B. Taková síť se nazývá plně propojená. Avšak při jakékoli významné velikosti sítě se takový přístup rychle stává nepraktickým, protože počet spojení roste, jako druhá mocnina počtu uzlů (přesněji, jako (n2 — n) / 2).
Proto je zapotřebí nějaký způsob, jak vybudovat trasu zprávy, která by po příjezdu zprávy na mezilehlý uzel poslala dál k cíli. Na počátku 60. let byly známy dva základní přístupy k řešení tohoto úkolu. První – metoda přepínání zpráv prostřednictvím „uchovávání a předání“. Tento přístup se používal v telegrafním systému. Když zpráva dorazila na mezilehlý uzel, byla tam dočasně uložena (obvykle ve formě papírového pásku), dokud se nenaskytla možnost ji dále odeslat k cíli nebo k dalšímu mezilehlému centru nacházejícímu se blíž k cíli.
Poté se objevil telefon, a bylo potřeba zavést nový přístup. Zpoždění několika minut po každém vyřčeném slově, které bylo nutné přepsat a předat na místo určení, by dalo pocit, že mluvíte s někým, kdo je na Marsu. Místo toho telefon používal přepínání okruhů. Volající začínal každý hovor posláním speciální zprávy, která označovala, komu chce zavolat. Zpočátku to probíhalo tak, že se mluvilo s operátorem, a poté se vytočil číslo, které zpracovávalo automatické zařízení na ústředně. Operátor nebo zařízení navázali vyhrazené elektrické spojení mezi volajícím a volaným účastníkem. V případě meziměstských hovorů to mohlo vyžadovat několik iterací, které spojovaly hovor přes několik ústředen. Poté, co bylo spojení navázáno, mohl začít samotný rozhovor, a spojení zůstalo aktivní, dokud jedna ze stran nezavěsila.
Digitální komunikaci, kterou se rozhodlo použít ARPANET pro spojení počítačů, pracující na základě , využívala rysy jak telegrafu, tak telefonu. Z jedné strany byly zprávy s daty odesílány v samostatných paketech, jako na telegrafu, a nikoli jako nekonečné rozhovory na telefonu. Tyto zprávy však mohly mít různou velikost pro různé účely, od příkazů v konzoli o délce několika znaků až po velké soubory s daty, které byly přenášeny z jednoho počítače na druhý. Pokud byly soubory zpožděny na cestě, nikdo si na to nestěžoval. Ale vzdálená interaktivita by vyžadovala rychlou odezvu, jako při telefonním hovoru.
Jedním z klíčových rozdílů mezi počítačovými datovými sítěmi a telefony s telegrafem byla citlivost na chyby v datech zpracovávaných stroji. Změna nebo ztráta jednoho znaku během přenosu v telegramech, či ztráta části slova v telefonním rozhovoru pravděpodobně nemohly vážně narušit komunikaci mezi dvěma lidmi. Ale pokud šum na lince přepnul jediný bit z 0 na 1 v příkazu posílaném na vzdálený počítač, mohlo to zcela změnit smysl příkazu. Proto bylo nutné každé zprávě zkontrolovat chyby a v případě jejich zjištění ji znovu odeslat. Takové opakování by bylo příliš nákladné pro velké zprávy, a pravděpodobnost vzniku chyb v nich byla vyšší, protože byly přenášeny déle.
Řešení tohoto problému přišlo díky dvěma nezávislým událostem, které se staly v roce 1960; ovšem ta, která se objevila později, byla nejprve zaznamenána Larrym Robertsem a ARPA.
Setkání
Na podzim roku 1967 dorazil Roberts do Gatlinburgu v Tennessee, obklopeného zalesněnými vrcholky Velké Smoky, aby doručil dokument popisující plány ARPA na nasazení sítě. Již téměř rok pracoval v Úřadu technologií zpracování informací (Information Processing Technology Office, IPTO), ale mnoho podrobností o projektu sítě bylo stále velmi nejasných, včetně řešení problému směrování. Kromě nejasných zmínek o blocích a jejich velikostech byla jedinou referencí na to v Robertsově práci stručná a vyhýbavá poznámka na samém konci: „Zdá se, že je nezbytné držet pravidelně používanou komunikační linku pro odpovědi v časovém rozmezí od jedné desáté do jedné sekundy, což je potřeba pro interaktivní práci. To je velmi nákladné z pohledu síťových zdrojů a pokud se nám nepodaří zrychlit volání, směrování zpráv a koncentrace se stanou pro účastníky sítě velmi důležitými.“ Je zřejmé, že v té době Roberts ještě nerozhodl, zda se vzdát metody, kterou použil ve spolupráci s Tomem Marriellem v roce 1965, tedy připojení počítačů prostřednictvím veřejné telefonní sítě pomocí automatického vytáčení.
Na stejném symposium byl přítomen i jiný člověk s mnohem lépe promyšleným řešením problému s routováním v datových sítích. Roger Scantlebury překročil Atlantik a dorazil z Britské národní fyzikální laboratoře British National Physical Laboratory (NPL) se svým příspěvkem. Scantlebury si po jeho výstupu odvedl Robertse na bok a vyprávěl mu o své myšlence. . Tuto technologii vyvinul jeho vedoucí v NPL, Donald Davies. V USA jsou dosažené výsledky a historie Daviese špatně známé, ačkoli na podzim roku 1967 byla skupina Daviese v NPL alespoň o rok napřed před ARPA se svými nápady.
Davies, jako mnozí raní pionýři elektronických počítačů, měl vzdělání fyzika. V roce 1943, ve věku 19 let, absolvoval Imperiální školu v Londýně a byl ihned přijat do tajného programu vývoje jaderných zbraní s krycím názvem . Tam vedl tým výpočtářů, kteří používali mechanické a elektrické kalkulačky pro rychlé získávání číselných řešení úloh spojených s jadernou fúzí (byl pod vedením , německý fyzik-expatriant, který již v té době začal předávat tajemství jaderných zbraní SSSR). Po válce se od matematika Johna Womersleyho dozvěděl o projektu, který vedl v NPL – šlo o vytvoření elektronického počítače, který měl provádět totožné výpočty mnohem rychleji. byl nazván ACE, "automated computing engine".
Davis se chopil této myšlenky a připojil se k NPL co nejrychleji. Přispěl k podrobnému projektu a vytvoření počítače ACE, zůstal hluboce zapojen do oblasti výpočetních strojů jako vedoucí výzkumu v NPL. V roce 1965 se stalo, že byl v USA na odborné schůzce související se svou prací a využil této příležitosti, aby navštívil několik významných základních stanic počítačů s časovým dělením, aby zjistil, o co jde. V britském prostředí výpočetní techniky nebylo časové dělení v americkém smyslu interaktivního sdílení počítače více uživateli známé. Místo toho mělo časové dělení za cíl rozložit zátěž počítače mezi několika programy pro dávkové zpracování dat (takže například jeden program běžel, zatímco druhý byl zaneprázdněn čtením z pásky). Tento způsob byl později nazván multiprogramováním.
Davisovy cesty ho zavedly k projektu MAC na MIT, projektu JOSS od RAND Corporation v Kalifornii a k Dartmouthově systému časového dělení v New Hampshire. Po cestě domů navrhl jeden z jeho kolegů uspořádat seminář o sdíleném používání, aby britské komunitě přiblížil nové technologie, které se dozvěděli v USA. Davis souhlasil a přivítal mnoho významných postav americké výpočetní oblasti, včetně (tvůrce "kompatibilního systému časového dělení" na MIT) a samotného Larryho Robertse.
Během semináře (nebo možná hned poté) Davise oslovila myšlenka, že filozofii časového sdílení lze aplikovat i na počítačové komunikační linky, a ne jen na samotné počítače. Počítače s časovým sdílením poskytují každému uživateli malý úsek procesorového času a pak přepnou na jiného, což vytváří iluzi, že má každý uživatel svůj vlastní interaktivní počítač. Podobně lze rozdělením každé zprávy na kusy standardní velikosti, které Davis nazval 'pakety', sdílet jeden komunikační kanál mezi mnoha počítači nebo uživateli jednoho počítače. Co více, to by vyřešilo všechny aspekty přenosu dat, pro které byly telefonní a telegrafní přepínače nevhodné. Uživatel pracující s interaktivním terminálem, který posílá krátké příkazy a dostává krátké odpovědi, nebude blokován přenosem velkého souboru, protože tento přenos bude rozdělen na mnoho paketů. Jakékoliv poškození v takových velkých zprávách se dotkne pouze jednoho paketu, který lze snadno znovu poslat k dokončení zprávy.
Davis popsal své myšlenky v nezveřejněné práci z roku 1966, 'Návrh pro digitální síť komunikace'. V té době byly nejmodernější telefonní sítě na pokraji digitalizace přepínačů a Davis navrhl integrovat přepínání paketů do telefonní sítě nové generace, čímž vytvořil jednotnou širokopásmovou komunikační síť schopnou obsluhovat různé požadavky, od jednoduchých telefonních hovorů po vzdálený přístup k počítačům. Do té doby byl Davis povýšen na vedoucího NPL a sestavil skupinu pro digitální komunikaci vedenou Scantleburym, aby realizoval jeho projekt a vytvořil funkční demonstrační verzi.
V roce předcházejícím konferenci v Gatlinburgu tým Skantlbery vypracoval všechny detaily pro vytvoření sítě s přepínáním paketů. Selhání jednoho uzlu bylo možné překonat pomocí adaptivního směrování, které mohlo pracovat s více cestami k cíli, a selhání jednotlivého paketu bylo možné vyřešit jeho opětovným odesláním. Simulace a analýzy ukázaly, že optimální velikost paketu bude 1000 bytů – pokud by byl příliš malý, náklady na šířku pásma pro metadata v hlavičce by byly příliš vysoké, a pokud by byl příliš velký, doba odezvy pro interaktivní uživatele by se příliš často prodlužovala kvůli velkým zprávám.
Práce Skantlbery obsahovala takové detaily jako formát paketu…
…a analýzu vlivu velikosti paketu na zpoždění v síti.
Mezitím pátrání po Davisovi a Skantlbery vedlo k odhalení podrobných výzkumných prací, které provedl jiný Američan, který přišel na podobnou myšlenku několik let před nimi. Ale přitom , elektrický inženýr z RAND Corporation, vůbec nezvažoval potřeby uživatelů počítačů s časovým dělením. RAND byl analytický centrum, které pracovalo za peníze ministerstva obrany USA v Santa Monice v Kalifornii, založené po druhé světové válce pro dlouhodobé plánování a analýzu strategických problémů pro vojenské potřeby. Cílem Barana bylo oddálit jadernou válku vytvořením velmi spolehlivé vojenské komunikační sítě, která by dokázala přežít i rozsáhlý jaderný útok. Taková síť by učinila preventivní úder ze strany SSSR méně atraktivním, neboť by bylo velmi obtížné zničit schopnost USA zasáhnout několik citlivých bodů. K tomu Baran navrhl systém, který rozdělil zprávy na to, čemu říkal bloky zpráv, které by mohly být nezávisle přenášeny po síti uzlů s redundantním počtem spojení a poté shromážděny na konečném bodě.
ARPA mělo přístup k rozsáhlým zprávám Behrana pro RAND, avšak protože nebyly spojeny s interaktivními počítači, jejich význam pro ARPANET nebyl zřejmý. Roberts a Taylor si jich zřejmě nevšimli. Místo toho, na základě jedné náhodné schůzky, Skantlbery všechno prezentoval Robertsovi na stříbrném podnosu: dobře promyšlený mechanismus spínání, použitelnost pro úkol vytváření interaktivních počítačových sítí, reference od RAND a dokonce i název „packet“. Práce NPL také přesvědčila Robertse, že pro zajištění dobré propustnosti budou potřeba vyšší rychlosti, a proto aktualizoval své plány na komunikační linky s rychlostí 50 Kbit/s. Pro vytvoření ARPANET byla zásadní část problému směrování vyřešena.
Pravda, existuje i jiná verze vzniku myšlenky spínání paketů. Roberts později tvrdil, že už měl podobné myšlenky díky práci svého kolegy, Lena Kleinrocka, který údajně popsal tento koncept již v roce 1962 ve své doktorandské práci o komunikačních sítích. Nicméně z této práce je neuvěřitelně obtížné tuto myšlenku vyvodit a kromě toho jsem nenašel žádná další potvrzení této verze.
Sítě, které neexistovaly
Jak vidíme, celé dvě týmy předběhly ARPA v otázce vývoje spínání paketů, technologie, která se ukázala jako tak efektivní, že nyní leží v základu prakticky všech komunikací. Proč tedy ARPANET byla první významná síť, která ji použila?
Všechny tyto otázky souvisejí s organizačními nuancemi. ARPA neměla oficiální povolení k vytvoření komunikační sítě, avšak existovalo mnoho již existujících výzkumných center se svými počítači, kultura „volných“ mravů, nad kterou prakticky nikdo nedohlížel, a hromady peněz. Původní žádost Taylora z roku 1966 o finanční prostředky na vytvoření ARPANET uvedla částku 1 milion dolarů, a Roberts pokračoval v utrácení podobné částky každý rok od roku 1969 a dále na vytvoření a provoz této sítě. Pro ARPA byly tyto peníze drobné, a tak nikdo z jeho nadřízených neměl obavy o to, co Roberts s nimi dělá, pokud to šlo nějak přitáhnout k potřebám národní obrany.
Behran v RAND neměl ani možnosti, ani autoritu něco podniknout. Jeho práce byla čistě výzkumná a analytická, a mohla být v případě potřeby použita pro obranu. V roce 1965 skutečně RAND doporučil jeho systém pro letectvo, a ti souhlasili s životaschopností projektu. Ale jeho realizace spadla na bedra agentury obranných komunikací, která se příliš nerozptylovala s digitálními komunikačními systémy. Behran přesvědčil vedení v RAND, že je lepší tento návrh převzít, než ho nechat realizovat nějakým způsobem a poškodit tak pověst distribuovaných digitálních komunikací.
Davis, jako vedoucí NPL, měl mnohem větší moc než Behran, ale omezenější rozpočet než ARPA, a neměl připravenou sociální a technickou síť výzkumných počítačů. Podařilo se mu vytvořit prototyp lokální sítě s paketovým přepínáním (byl tam jen jeden uzel, ale hodně terminálů) v NPL na konci 60. let s skromným rozpočtem 120 000 liber za tři roky. ARPANET utrácel přibližně polovinu této částky ročně na provoz a údržbu na každém z mnoha uzlů sítě, kromě počátečních investic do hardwaru a softwaru. Organizací schopnou vytvořit velkoformátovou britskou síť s paketovým přepínáním byla britská pošta, která spravovala telekomunikační sítě v zemi, kromě samotné poštovní komunikace. Davis dokázal zaujmout několik vlivných úředníků svými myšlenkami na sjednocenou digitální síť národního měřítka, ale změnit směr tak obrovského systému nebylo v jeho silách.
Lickliderovi se, kombinací štěstí a plánování, podařilo najít vynikající skleník, kde by mohla kvést jeho mezigalaktická síť. Není však možné tvrdit, že kromě paketového přepínání šlo všechno jen o peníze. Důležitou roli hrálo také provedení myšlenky. Navíc, ducha ARPANETu určily i další důležité rozhodnutí během návrhu. Proto se nyní podíváme na to, jak byla odpovědnost rozdělena mezi počítače, které posílaly a přijímaly zprávy, a sítí, přes kterou tyto zprávy odesílaly.
Co si ještě přečíst
- Janet Abbate, Vynález internetu (1999)
- Katie Hafner a Matthew Lyon, Kde čarodějové nespí (1996)
- Leonard Kleinrock, “Raná historie internetu,” IEEE Communications Magazine (srpen 2010)
- Arthur Norberg a Julie O’Neill, Transformace počítačové technologie: Zpracování informací pro Pentagon, 1962-1986 (1996)
- M. Mitchell Waldrop, The Dream Machine: J.C.R. Licklider a revoluce, která učinila počítače osobními (2001)
Zdroj: habr.com
