Das Schema des ARPA-Computernetzwerks vom Juni 1967. Leerer Kreis – Computer mit geteiltem Zugang, Kreis mit Linie – Einzelbenutzerterminal
Weitere Artikel der Reihe:
- Die Geschichte des Relais
- Die Geschichte der elektronischen Computer
- Die Geschichte des Transistors
- Die Geschichte des Internets
Bis Ende 1966 finanziert von ARPA startete er das Projekt zur Verbindung vieler Computer zu einem einheitlichen System, inspiriert von der Idee der "» .
Die Verantwortung für die Umsetzung des Projekts übertrug Taylor in fähige Hände . Im darauffolgenden Jahr traf Roberts mehrere kritisch wichtige Entscheidungen, die sich später in der technischen Architektur und Kultur von ARPANET und seinen Nachfolgern niederschlagen sollten, in einigen Fällen sogar über mehrere Jahrzehnte hinweg. Die erste Entscheidung nach ihrer Wichtigkeit, auch wenn nicht nach Chronologie, war die Festlegung eines Mechanismus zur Nachrichtenrouting von einem Computer zum anderen.
Problem
Wenn Computer A eine Nachricht an Computer B senden möchte, wie findet diese Nachricht den Weg von einem zum anderen? Theoretisch könnte man jedem Knoten im Netzwerk erlauben, mit allen anderen zu kommunizieren, indem man jeden Knoten mit physikalischen Kabeln verbindet. Um mit B zu kommunizieren, sendet Computer A einfach die Nachricht über das Ausgangskabel, das ihn mit B verbindet. Ein solches Netzwerk nennt man vollvernetzt. Bei beliebiger Netzgröße wird dieser Ansatz jedoch schnell unpraktisch, da die Anzahl der Verbindungen mit dem Quadrat der Anzahl der Knoten wächst (genauer gesagt mit (n² - n) / 2).
Daher ist eine Methode erforderlich, um einen Nachrichtenweg zu konstruieren, der die Nachricht bei Ankunft an einem Zwischenknoten weiter an das Ziel sendet. Zu Beginn der 1960er Jahre waren zwei grundlegende Ansätze zur Lösung dieses Problems bekannt. Der erste – die Methode der Nachrichtenvermittlung durch "Speichern und Übertragen". Dieser Ansatz wurde von der Telegraphensystem verwendet. Wenn eine Nachricht an einem Zwischenknoten ankam, wurde sie dort vorübergehend gespeichert (in der Regel in Form von Papierbändern), bis die Möglichkeit bestand, sie weiter an das Ziel oder zu einem weiteren Zwischenzentrum näher am Ziel zu übertragen.
Dann kam das Telefon, und es war ein neuer Ansatz erforderlich. Eine Verzögerung von mehreren Minuten nach jedem telefonisch getätigten Statement, das entschlüsselt und an den Bestimmungsort übertragen werden musste, hätte das Gefühl gegeben, mit jemandem zu sprechen, der sich auf dem Mars befindet. Stattdessen verwendete das Telefon die Kanalumschaltung. Der Anrufer begann jeden Anruf mit dem Senden einer speziellen Nachricht, die angab, wen er anrufen wollte. Zunächst wurde dies durch ein Gespräch mit dem Betreiber erledigt, dann durch das Wählen der Nummer, die von automatischer Ausrüstung im Vermittlungsgerät verarbeitet wurde. Der Betreiber oder die Ausrüstung stellten eine dedizierte elektrische Verbindung zwischen dem Anrufer und dem angerufenen Teilnehmer her. Bei Ferngesprächen konnten dafür mehrere Iterationen erforderlich sein, um den Anruf über mehrere Vermittlungen zu verbinden. Nach der Herstellung der Verbindung konnte das Gespräch beginnen, und die Verbindung blieb bestehen, bis eine der Parteien sie unterbrach, indem sie den Hörer auflegte.
Die digitale Kommunikation, die in ARPANET beschlossen wurde, um Computer zu verbinden, die nach dem Schema , nutzte die Eigenschaften sowohl des Telegraphen als auch des Telefons. Einerseits wurden Nachrichtendaten in separaten Paketen übertragen, wie beim Telegraphen, und nicht in Form kontinuierlicher Gespräche am Telefon. Diese Nachrichten konnten jedoch unterschiedliche Größen für verschiedene Zwecke haben, von Konsolenbefehlen mit wenigen Zeichen bis hin zu großen Datenfiles, die von einem Computer zu einem anderen übertragen wurden. Wenn Dateien auf dem Weg verzögert wurden, beschwerte sich niemand darüber. Aber entfernte Interaktivität würde eine schnelle Reaktion erfordern, wie bei einem Telefonanruf.
Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen Datennetzwerken einerseits und Telefon und Telegraph andererseits war die Empfindlichkeit gegenüber Fehlern in den von Maschinen verarbeiteten Daten. Eine Änderung oder der Verlust eines einzigen Zeichens in einer Telegrammübertragung oder das Entfallen eines Teils eines Wortes in einem Telefonat hätten die Kommunikation zwischen zwei Personen kaum ernsthaft stören können. Aber wenn Rauschen in der Leitung ein einzelnes Bit von 0 auf 1 in einem Befehl, der an einen entfernten Computer gesendet wurde, umschaltete, könnte das die Bedeutung des Befehls völlig verändern. Daher musste jede Nachricht auf Fehler überprüft und im Falle von Fehlern erneut gesendet werden. Solche Wiederholungen wären für große Nachrichten zu kostspielig gewesen, und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern war darin höher, da sie länger übermittelt wurden.
Die Lösung dieses Problems kam durch zwei unabhängige Ereignisse, die 1960 stattfanden, wobei das später auftretende zuerst von Larry Roberts und der ARPA wahrgenommen wurde.
Treffen
Im Herbst 1967 kam Roberts nach Gatlinburg, Tennessee, zu den bewaldeten Gipfeln der Great Smoky Mountains, um ein Dokument zu überbringen, das die Pläne der ARPA für den Ausbau des Netzwerks erläuterte. Er hatte bereits fast ein Jahr im Büro für Informationstechnologie (Information Processing Technology Office, IPTO) gearbeitet, aber viele Details des Netzwerkprojekts waren noch ziemlich unklar, einschließlich der Lösung des Routing-Problems. Abgesehen von vagen Erwähnungen von Blöcken und deren Größen war der einzige Hinweis darauf in Roberts' Arbeit eine kurze und ausweichende Bemerkung am Ende: „Es scheint erforderlich zu sein, eine regelmäßig genutzte Kommunikationsleitung für Rückmeldungen innerhalb des Zeitrahmens von einem Zehntel bis einer Sekunde, die für interaktive Arbeiten erforderlich sind, zu behalten. Dies ist sehr ressourcenaufwendig für das Netzwerk, und sofern wir nicht die Möglichkeit haben, schneller zu telefonieren, werden die Nachrichtenvermittlung und die Konzentration für die Teilnehmer des Netzwerks sehr wichtig sein.“ Offensichtlich hatte Roberts bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht entschieden, ob er auf den Ansatz verzichten wollte, den er 1965 zusammen mit Tom Marryll verwendet hatte, also die Verbindung von Computern über das leitungsvermittelte Telefonnetz durch Wahlwiederholung.
Zufällig war auch eine andere Person auf demselben Symposium anwesend, mit einer deutlich besser durchdachten Idee zur Lösung des Routing-Problems in Datennetzen. Roger Scantlebury überquerte den Atlantik und kam von der British National Physical Laboratory (NPL) mit einem Vortrag. Scantlebury zog Roberts nach seinem Vortrag beiseite und erzählte ihm von seiner Idee. . Diese Technologie wurde von seinem Vorgesetzten bei NPL, Donald Davies, entwickelt. In den USA sind Davises Errungenschaften und Geschichte weitgehend unbekannt, obwohl die Gruppe von Davies im Herbst 1967 bei NPL mindestens ein Jahr vor ARPA mit ihren Ideen voraus war.
Davies war, wie viele frühe Pioniere der elektronischen Computer, ausgebildeter Physiker. Er schloss 1943 mit 19 Jahren das Imperial College in London ab und wurde sofort in ein geheimes Programm zur Entwicklung von Kernwaffen unter dem Codenamen eingestellt. Dort leitete er eine Gruppe von Rechenkraftwerkern, die mechanische und elektrische Rechner zur schnellen Berechnung von Lösungen für Aufgaben im Zusammenhang mit der Kernfusion einsetzten (unter seiner Leitung stand , ein deutscher Physiker im Exil, der zu diesem Zeitpunkt bereits begonnen hatte, Geheimnisse der Kernwaffen an die UdSSR weiterzugeben). Nach dem Krieg hörte er vom Mathematiker John Womersley von einem Projekt, das dieser bei NPL leitete – es war die Schaffung eines elektronischen Computers, der dieselben Berechnungen mit viel höherer Geschwindigkeit durchführen sollte. wurde ACE, „automatische Rechenmaschine“, genannt.
Davis griff diese Idee auf und meldete sich bei NPL an, so schnell er konnte. Indem er zu einem detaillierten Projekt und der Entwicklung des ACE-Computers beitrug, blieb er tief in das Feld der Rechenmaschinen als Forschungsleiter bei NPL involviert. 1965 war er zufällig beruflich in den USA und nutzte die Gelegenheit, mehrere bedeutende Standorte für zeitgeteilte Computer zu besuchen, um herauszufinden, was es mit dem ganzen Aufsehen auf sich hatte. In der britischen Computerumgebung war zeitliches Teilen im amerikanischen Sinn der interaktiven gemeinsamen Nutzung von Computern durch mehrere Benutzer nicht bekannt. Stattdessen bedeutete für sie zeitliches Teilen die Verteilung der Computerlast zwischen mehreren Programmen zur Batchverarbeitung von Daten (damit eine Programmlaufzeit hat, während ein anderes mit dem Lesen von Magnetband beschäftigt ist). Diese Variante wurde später als Multitasking bezeichnet.
Davis' Reisen führten ihn zum Project MAC am MIT, zum JOSS-Projekt der RAND Corporation in Kalifornien und zum Dartmouth Time-Sharing System in New Hampshire. Auf dem Heimweg schlug einer seiner Kollegen vor, ein Seminar zur gemeinsamen Nutzung abzuhalten, um der britischen Gemeinschaft von den neuen Technologien zu berichten, die sie in den USA kennengelernt hatten. Davis stimmte zu und empfing viele der bedeutendsten Persönlichkeiten der amerikanischen Computerbranche, darunter (den Entwickler des "Compatible Time-Sharing System" am MIT) und Larry Roberts persönlich.
Während des Seminars (oder vielleicht sofort danach) wurde Davis von der Idee beeindruckt, dass die Philosophie der Zeitteilung auch auf Computerverbindungen und nicht nur auf die Computer selbst angewendet werden kann. Computer mit Zeitteilung geben jedem Benutzer einen kleinen Zeitabschnitt der Prozessorzeit und schalten dann zu einem anderen Benutzer, wodurch jeder Benutzer die Illusion erhält, seinen eigenen interaktiven Computer zu haben. Ebenso kann, indem jede Nachricht in Stücke standardmäßiger Größe aufgeteilt wird, die Davis "Pakete" nannte, ein Kommunikationskanal zwischen vielen Computern oder Benutzern eines Computers aufgeteilt werden. Darüber hinaus würde dies alle Aspekte der Datenübertragung lösen, für die Telefon- und Telegraphenschalter schlecht geeignet waren. Ein Benutzer, der mit einem interaktiven Terminal arbeitet, kurze Befehle sendet und kurze Antworten erhält, wird nicht durch die Übertragung einer großen Datei blockiert, da diese Übertragung in viele Pakete aufgeteilt wird. Jede Beschädigung in solchen großen Nachrichten würde nur das einzelne Paket betreffen, das leicht erneut übertragen werden kann, um die Nachricht zu vervollständigen.
Davis beschrieb seine Ideen in einem unveröffentlichten Papier aus dem Jahr 1966 mit dem Titel "Vorschlag für ein digitales Kommunikationsnetzwerk". Zu diesem Zeitpunkt standen die fortschrittlichsten Telefonnetzwerke kurz vor der Computerisierung ihrer Schalter, und Davis schlug vor, die Paketvermittlung in das zukünftige Telefonnetz zu integrieren und ein einheitliches Breitbandkommunikationsnetz zu schaffen, das verschiedene Anforderungen bedienen kann, von einfachen Telefonanrufen bis hin zum Remote-Zugriff auf Computer. Zu diesem Zeitpunkt wurde Davis zum Leiter von NPL befördert, und er stellte eine Gruppe für digitale Kommunikation unter der Leitung von Scantlebury zusammen, um sein Projekt umzusetzen und eine funktionierende Demonstrationsversion zu erstellen.
Im Jahr vor der Konferenz in Gatlinburg hat das Team von Scantlbury an allen Details des Aufbaus eines paketvermittelten Netzwerks gearbeitet. Der Ausfall eines Knotens konnte durch adaptive Routingmechanismen, die mehrere Wege zum Ziel unterstützen, überbrückt werden, während der Verlust eines einzelnen Pakets durch dessen erneuten Versand behoben werden konnte. Simulationen und Analysen zeigten, dass die optimale Paketgröße 1000 Byte betragen würde – wenn man sie zu stark verkleinert, würden die Kosten der Bandbreitennutzung für Metadaten im Header zu hoch sein; wäre sie zu groß, würde die Antwortzeit für interaktive Benutzer aufgrund der großen Nachrichten häufig zu stark ansteigen.
Die Arbeit von Scantlbury umfasste Details wie das Paketformat…
…und die Analyse des Einflusses der Paketgrößen auf die Latenzen im Netzwerk.
Währenddessen führten die Recherchen von Davis und Scantlbury zur Entdeckung ausführlicher Forschungsarbeiten, die von einem anderen Amerikaner durchgeführt wurden, der einige Jahre zuvor zu einer ähnlichen Idee gekommen war. Doch dabei , ein Elektrotechnikingenieur der RAND Corporation, hatte überhaupt nicht an die Bedürfnisse der Computerbenutzer mit Zeitteilung gedacht. RAND war ein Forschungszentrum, das mit Mitteln des US-Verteidigungsministeriums in Santa Monica, Kalifornien, betrieben wurde und nach dem Zweiten Weltkrieg gegründet wurde, um langfristige Planungen und Analysen strategischer Probleme für militärische Belange durchzuführen. Barans Ziel war es, einen Atomkrieg abzuwenden, indem er ein sehr zuverlässiges militärisches Kommunikationsnetz schuf, das sogar einen großangelegten nuklearen Angriff überstehen könnte. Ein solches Netz würde einen Präventivschlag von Seiten der Sowjetunion weniger attraktiv machen, da es sehr schwierig wäre, die Fähigkeit der USA zu zerstören, auf mehrere empfindliche Punkte zu reagieren. Dazu schlug Baran ein System vor, das Nachrichten in das unterteilte, was er Nachrichteneinheiten nannte, die unabhängig über ein Netzwerk von Knoten mit redundanten Verbindungen übertragen werden könnten und dann am Zielort wieder zusammengesetzt werden würden.
ARPA hatte Zugang zu umfangreichen Berichten von Behrens für RAND, doch da diese nicht mit interaktiven Computern verbunden waren, war ihre Bedeutung für ARPANET nicht offensichtlich. Roberts und Taylor schienen sie daher nicht bemerkt zu haben. Stattdessen brachte Scantlebury bei einem zufälligen Treffen alles direkt für Roberts auf den Punkt: ein gut durchdachtes Schaltmechanismus, die Anwendbarkeit auf die Erstellung interaktiver Computernetzwerke, Referenzmaterialien von RAND und sogar der Begriff „Packet“. Die Arbeit von NPL überzeugte Roberts zudem davon, dass für eine gute Bandbreite höhere Geschwindigkeiten erforderlich seien, weshalb er seine Pläne auf Kommunikationsleitungen mit 50 Kbit/s aktualisierte. Für die Schaffung von ARPANET wurde der grundlegende Teil des Routing-Problems gelöst.
Es gibt jedoch auch eine andere Version der Entstehung der Idee der Paketvermittlung. Roberts behauptete später, bereits ähnliche Gedanken gehabt zu haben, angeregt durch die Arbeit seines Kollegen Len Kleinrock, der angeblich dieses Konzept bereits 1962 in seiner Doktorarbeit über Kommunikationsnetze beschrieb. Allerdings ist es unglaublich schwierig, aus dieser Arbeit eine solche Idee herauszulesen, und zudem konnte ich keine weiteren Bestätigungen für diese Version finden.
Netze, die es nicht gab
Wie wir sehen, haben zwei Teams ARPA bei der Entwicklung der Paketvermittlung überholt, eine Technologie, die sich als so effektiv herausstellte, dass sie heute die Grundlage fast aller Kommunikationssysteme bildet. Warum wurde ARPANET jedoch das erste bedeutende Netzwerk, das sie nutzte?
Es liegt an den organisatorischen Feinheiten. ARPA hatte keine offizielle Genehmigung zur Schaffung eines Kommunikationsnetzes, jedoch gab es bereits eine Vielzahl bestehender Forschungszentren mit ihren Computern, eine Kultur „freier“ Sitten, auf die praktisch niemand achtete, und riesige Geldmittel. Taylors ursprüngliche Anfrage aus dem Jahr 1966 um Mittel zur Schaffung von ARPANET nannte eine Summe von 1 Million Dollar, und Roberts gab jährlich seit 1969 weiterhin ähnliche Beträge aus, um dieses Netzwerk aufzubauen und zu betreiben. Für ARPA waren solche Summen unbedeutend, weshalb sich niemand seiner Vorgesetzten Sorgen machte, was Roberts damit tat, solange es irgendwie mit den Bedürfnissen der nationalen Verteidigung in Verbindung gebracht werden konnte.
Bei Baran gab es bei RAND weder Möglichkeiten noch Autorität, um etwas zu tun. Seine Arbeit war rein forschungs- und analytisch und könnte bei Bedarf auf die Verteidigung angewandt werden. 1965 empfahl RAND tatsächlich sein Luftwaffen-System, und diese stimmten der Lebensfähigkeit des Projekts zu. Aber seine Umsetzung fiel in die Hände der Verteidigungskommunikationsbehörde, die sich mit digitaler Kommunikation nicht wirklich auskannte. Baran überzeugte die Führungskräfte bei RAND, dass es besser wäre, dieses Angebot zurückzuziehen, als es irgendwie umsetzen zu lassen und den Ruf der verteilten digitalen Kommunikation zu ruinieren.
Davis hatte als Leiter des NPL viel mehr Macht als Baran, aber ein begrenzteres Budget als ARPA und er hatte kein fertiges soziales und technisches Netzwerk aus Forschungskomputern. Es gelang ihm, einen Prototyp eines lokalen Netzwerks mit Paketvermittlung zu erstellen (es gab nur einen Knoten, aber viele Terminals) im NPL Ende der 1960er Jahre, mit einem bescheidenen Budget von 120.000 Pfund über drei Jahre. ARPANET gab jährlich etwa die Hälfte dieses Betrags für den Betrieb und die Wartung jedes der zahlreichen Netzwerk-Knoten aus, abgesehen von den anfänglichen Investitionen in Hardware und Software. Die Organisation, die in der Lage war, ein großflächiges britisches Netzwerk mit Paketvermittlung zu schaffen, war die britische Post, die die Telekommunikationsnetze des Landes verwaltete, abgesehen vom eigentlichen Postdienst. Davis schaffte es, mehrere einflussreiche Beamte mit seinen Ideen zu einem nationalen digitalen Netzwerk zu gewinnen, aber die Richtung einer so großen Systemveränderung zu beeinflussen, lag nicht in seiner Macht.
Licklider fand durch Kombination von Glück und Planung ein hervorragendes Gewächshaus, in dem sein intergalaktisches Netzwerk gedeihen konnte. Dabei kann nicht behauptet werden, dass alles außer der Paketvermittlung Geld kostete. Auch die Umsetzung der Idee spielte eine Rolle. Darüber hinaus wurde der Geist von ARPANET durch einige andere wichtige Entscheidungen in der Entwurfsphase geprägt. Daher werden wir im Folgenden untersuchen, wie die Verantwortung zwischen den Computern, die Nachrichten sendeten und empfingen, und dem Netzwerk, über das sie diese Nachrichten versendeten, aufgeteilt wurde.
Was man sonst noch lesen sollte
- Janet Abbate, Das Internet erfinden (1999)
- Katie Hafner und Matthew Lyon, Wo Zauberer bis spät in die Nacht wach bleiben (1996)
- Leonard Kleinrock, „Eine frühe Geschichte des Internets“, IEEE Communications Magazine (August 2010)
- Arthur Norberg und Julie O’Neill, Computertechnologie wandeln: Informationsverarbeitung für das Pentagon, 1962-1986 (1996)
- M. Mitchell Waldrop, Die Traummaschine: J.C.R. Licklider und die Revolution, die das Computing persönlich machte (2001)
Quelle: habr.com
