ARPA-Computernetzwerkdiagramm für Juni 1967. Ein leerer Kreis ist ein Computer mit gemeinsamem Zugriff, ein Kreis mit einer Linie ist ein Terminal für einen Benutzer
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Bis Ende 1966 Mit ARPA-Geldern startete er ein Projekt, um viele Computer in einem einzigen System zu verbinden, inspiriert von der Idee „» .
Taylor übergab die Verantwortung für die Durchführung des Projekts in kompetente Hände . Im darauffolgenden Jahr traf Roberts mehrere wichtige Entscheidungen, die sich in der gesamten technischen Architektur und Kultur von ARPANET und seinen Nachfolgern widerspiegelten, in einigen Fällen sogar über Jahrzehnte hinweg. Die erste wichtige Entscheidung, wenn auch nicht chronologisch, war die Festlegung eines Mechanismus zum Weiterleiten von Nachrichten von einem Computer zu einem anderen.
Problem
Wenn Computer A eine Nachricht an Computer B senden möchte, wie kann diese Nachricht dann von einem zum anderen gelangen? Theoretisch könnten Sie jedem Knoten in einem Kommunikationsnetzwerk erlauben, mit jedem anderen Knoten zu kommunizieren, indem Sie jeden Knoten mit jedem Knoten über physische Kabel verbinden. Um mit B zu kommunizieren, sendet Computer A einfach eine Nachricht über das ausgehende Kabel, das ihn mit B verbindet. Ein solches Netzwerk wird Mesh-Netzwerk genannt. Bei jeder größeren Netzwerkgröße wird dieser Ansatz jedoch schnell unpraktisch, da die Anzahl der Verbindungen mit dem Quadrat der Anzahl der Knoten zunimmt (genauer gesagt (n2 – n)/2).
Daher ist eine Möglichkeit zum Aufbau einer Nachrichtenroute erforderlich, die die Nachricht bei Ankunft am Zwischenknoten weiter an das Ziel sendet. Anfang der 1960er Jahre gab es zwei grundsätzliche Lösungsansätze für dieses Problem. Die erste ist die Store-and-Forward-Methode der Nachrichtenvermittlung. Dieser Ansatz wurde vom Telegraphensystem verwendet. Wenn eine Nachricht an einem Zwischenknoten ankam, wurde sie dort vorübergehend gespeichert (normalerweise in Form eines Papierbandes), bis sie weiter zum Ziel oder zu einem anderen Zwischenzentrum, das näher am Ziel liegt, übertragen werden konnte.
Dann kam das Telefon und ein neuer Ansatz war erforderlich. Eine Verzögerung von mehreren Minuten nach jeder telefonischen Äußerung, die entschlüsselt und an ihr Ziel übermittelt werden musste, würde das Gefühl eines Gesprächs mit einem Gesprächspartner auf dem Mars vermitteln. Stattdessen nutzte das Telefon eine Leitungsvermittlung. Der Anrufer begann jeden Anruf mit dem Senden einer speziellen Nachricht, in der er angab, wen er anrufen wollte. Dies taten sie zunächst, indem sie mit der Vermittlung sprachen und dann eine Nummer wählten, die von automatischen Geräten in der Telefonzentrale verarbeitet wurde. Der Betreiber oder das Gerät stellte eine dedizierte elektrische Verbindung zwischen dem Anrufer und dem angerufenen Teilnehmer her. Bei Ferngesprächen kann dies mehrere Iterationen erfordern, um den Anruf über mehrere Switches zu verbinden. Sobald die Verbindung hergestellt war, konnte das Gespräch selbst beginnen und die Verbindung blieb bestehen, bis einer der Gesprächspartner sie durch Auflegen unterbrach.
Digitale Kommunikation, die im ARPANET zur Verbindung von nach dem Schema arbeitenden Computern eingesetzt werden soll , nutzte Funktionen sowohl des Telegrafen als auch des Telefons. Einerseits wurden Datennachrichten wie beim Telegrafen in separaten Paketen übertragen und nicht als kontinuierliche Gespräche am Telefon. Diese Nachrichten können jedoch für unterschiedliche Zwecke unterschiedlich groß sein, von Konsolenbefehlen mit mehreren Zeichen Länge bis hin zu großen Datendateien, die von einem Computer auf einen anderen übertragen werden. Wenn sich Dateien beim Transport verzögerten, beschwerte sich niemand darüber. Aber die Remote-Interaktivität erforderte eine schnelle Reaktion, etwa einen Anruf.
Ein wichtiger Unterschied zwischen Computerdatennetzen einerseits und Telefon und Telegraf andererseits war die Empfindlichkeit gegenüber Fehlern in den von den Maschinen verarbeiteten Daten. Eine Änderung oder ein Verlust während der Übertragung eines Zeichens in einem Telegramm oder das Verschwinden eines Teils eines Wortes in einem Telefongespräch könnte die Kommunikation zwischen zwei Personen kaum ernsthaft stören. Wenn jedoch Rauschen auf der Leitung in einem an einen Remote-Computer gesendeten Befehl ein einzelnes Bit von 0 auf 1 ändert, kann dies die Bedeutung des Befehls völlig verändern. Daher musste jede Nachricht auf Fehler überprüft und gegebenenfalls erneut gesendet werden. Solche Wiederholungen wären für große Nachrichten zu teuer und führten eher zu Fehlern, da die Übertragung länger dauerte.
Die Lösung dieses Problems erfolgte durch zwei unabhängige Ereignisse im Jahr 1960, doch das spätere Ereignis wurde zuerst von Larry Roberts und ARPA bemerkt.
Meeting
Im Herbst 1967 traf Roberts von jenseits der bewaldeten Gipfel der Great Smoky Mountains in Gatlinburg, Tennessee, ein, um ein Dokument zu überbringen, in dem die Netzwerkpläne der ARPA beschrieben wurden. Er arbeitete seit fast einem Jahr im Information Processing Technology Office (IPTO), doch viele Details des Netzwerkprojekts waren noch sehr vage, einschließlich der Lösung des Routing-Problems. Abgesehen von vagen Hinweisen auf Blöcke und deren Größen war der einzige Hinweis darauf in Roberts‘ Werk eine kurze und ausweichende Bemerkung ganz am Ende: „Es scheint notwendig, eine zeitweise genutzte Kommunikationslinie aufrechtzuerhalten, um Antworten im Zehntel zu Eins zu erhalten.“ zweites Mal für den interaktiven Betrieb erforderlich. Dies ist im Hinblick auf die Netzwerkressourcen sehr kostspielig, und wenn wir Anrufe nicht schneller tätigen können, werden Nachrichtenvermittlung und -konzentration für Netzwerkteilnehmer sehr wichtig.“ Offensichtlich hatte sich Roberts zu diesem Zeitpunkt noch nicht entschieden, ob er den Ansatz aufgeben sollte, den er 1965 mit Tom Marrill verwendet hatte, nämlich die Verbindung von Computern über das Wähltelefonnetz mittels automatischer Wahl.
Zufälligerweise war auf dem gleichen Symposium eine andere Person mit einer viel besseren Idee zur Lösung des Problems des Routings in Datennetzen anwesend. Roger Scantlebury überquerte den Atlantik und kam mit einem Bericht vom britischen National Physical Laboratory (NPL). Scantlebury nahm Roberts nach seinem Bericht beiseite und erzählte ihm von seiner Idee. . Diese Technologie wurde von seinem Chef bei NPL, Donald Davis, entwickelt. In den Vereinigten Staaten sind Davis' Leistungen und seine Geschichte kaum bekannt, obwohl Davis' Gruppe bei NPL im Herbst 1967 mit ihren Ideen der ARPA mindestens ein Jahr voraus war.
Davis war, wie viele frühe Pioniere des elektronischen Rechnens, ausgebildeter Physiker. Er schloss 1943 im Alter von 19 Jahren sein Studium am Imperial College London ab und wurde sofort für ein geheimes Atomwaffenprogramm mit dem Codenamen rekrutiert . Dort leitete er ein Team menschlicher Rechner, die mithilfe mechanischer und elektrischer Rechner schnell numerische Lösungen für Probleme im Zusammenhang mit der Kernfusion erstellten (sein Vorgesetzter war , ein im Ausland lebender deutscher Physiker, der zu diesem Zeitpunkt bereits damit begonnen hatte, die Geheimnisse der Atomwaffen an die UdSSR weiterzugeben). Nach dem Krieg hörte er vom Mathematiker John Womersley von einem Projekt, das er am NPL leitete – es ging um die Entwicklung eines elektronischen Computers, der dieselben Berechnungen mit viel höherer Geschwindigkeit durchführen sollte. namens ACE, „Automatic Computing Engine“.
Davis war von der Idee begeistert und unterschrieb so schnell er konnte bei NPL. Nachdem er zum detaillierten Design und zur Konstruktion des ACE-Computers beigetragen hatte, blieb er als Forschungsleiter am NPL intensiv im Bereich der Informatik tätig. Im Jahr 1965 war er zufällig in den USA zu einem beruflichen Treffen im Zusammenhang mit seiner Arbeit und nutzte die Gelegenheit, mehrere große Time-Sharing-Computerseiten zu besuchen, um zu sehen, worum es bei der ganzen Aufregung ging. Im britischen Computerumfeld war Time Sharing im amerikanischen Sinne der interaktiven gemeinsamen Nutzung eines Computers durch mehrere Benutzer unbekannt. Stattdessen bedeutete Time-Sharing, die Arbeitslast des Computers auf mehrere Stapelverarbeitungsprogramme zu verteilen (so dass beispielsweise ein Programm arbeitete, während ein anderes damit beschäftigt war, Kassetten zu lesen). Dann wird diese Option Multiprogramming genannt.
Davis' Streifzüge führten ihn zum Projekt MAC am MIT, zum JOSS-Projekt bei der RAND Corporation in Kalifornien und zum Dartmouth Time Sharing System in New Hampshire. Auf dem Heimweg schlug einer seiner Kollegen vor, einen Workshop zum Thema Teilen abzuhalten, um die britische Gemeinschaft über die neuen Technologien aufzuklären, die sie in den USA kennengelernt hatte. Davis stimmte zu und empfing viele der führenden Persönlichkeiten der amerikanischen Computerbranche, darunter (Schöpfer des „Interoperable Time Sharing System“ am MIT) und Larry Roberts selbst.
Während des Seminars (oder vielleicht auch unmittelbar danach) kam Davis auf die Idee, dass die Time-Sharing-Philosophie auf Computerkommunikationsleitungen und nicht nur auf die Computer selbst angewendet werden könnte. Time-Sharing-Computer geben jedem Benutzer einen kleinen Teil der CPU-Zeit und wechseln dann zu einem anderen, wodurch jeder Benutzer die Illusion erhält, über einen eigenen interaktiven Computer zu verfügen. Ebenso kann durch das Zerlegen jeder Nachricht in Stücke von Standardgröße, die Davis „Pakete“ nannte, ein einzelner Kommunikationskanal von vielen Computern oder Benutzern eines einzelnen Computers gemeinsam genutzt werden. Darüber hinaus würde es alle Aspekte der Datenübertragung lösen, für die Telefon- und Telegrafenschalter ungeeignet waren. Ein Benutzer, der ein interaktives Terminal bedient, das kurze Befehle sendet und kurze Antworten empfängt, wird durch eine große Dateiübertragung nicht blockiert, da die Übertragung in viele Pakete aufgeteilt wird. Jede Beschädigung solch großer Nachrichten wirkt sich auf ein einzelnes Paket aus, das problemlos erneut übertragen werden kann, um die Nachricht zu vervollständigen.
Davis beschrieb seine Ideen in einem unveröffentlichten Artikel aus dem Jahr 1966 mit dem Titel „Vorschlag für ein digitales Kommunikationsnetzwerk“. Zu dieser Zeit standen die fortschrittlichsten Telefonnetze kurz davor, Vermittlungen zu automatisieren, und Davis schlug vor, die Paketvermittlung in das Telefonnetz der nächsten Generation einzubetten und so ein einziges Breitband-Kommunikationsnetz zu schaffen, das eine Vielzahl von Anforderungen bedienen konnte, von einfachen Telefonanrufen bis hin zu Ferngesprächen Zugang zu Computern. Zu diesem Zeitpunkt war Davis zum Manager von NPL befördert worden und gründete unter Scantlebury eine Gruppe für digitale Kommunikation, um sein Projekt umzusetzen und eine funktionierende Demo zu erstellen.
Im Jahr vor der Gatlinburg-Konferenz erarbeitete das Team von Scantlebury alle Details zur Schaffung eines paketvermittelten Netzwerks. Ein Ausfall eines einzelnen Knotens könnte durch adaptives Routing überstanden werden, das mehrere Pfade zu einem Ziel verarbeiten könnte, und ein Ausfall eines einzelnen Pakets könnte durch erneutes Senden behoben werden. Simulationen und Analysen ergaben, dass die optimale Paketgröße 1000 Bytes wäre – wenn man sie viel kleiner macht, dann wird der Bandbreitenverbrauch der Zeilen für Metadaten im Header zu viel, viel mehr – und die Antwortzeit für interaktive Benutzer wird sich erhöhen zu oft aufgrund großer Nachrichten.
Scantleburys Arbeit umfasste Details wie das Paketformat ...
...und Analyse des Einflusses von Paketgrößen auf die Netzwerklatenz.
Unterdessen führten Davis und Scantlebury bei ihrer Suche zur Entdeckung detaillierter Forschungsarbeiten eines anderen Amerikaners, der mehrere Jahre vor ihnen auf eine ähnliche Idee gekommen war. Aber zur selben Zeit , ein Elektroingenieur bei der RAND Corporation, hatte überhaupt nicht über die Bedürfnisse von Time-Sharing-Computerbenutzern nachgedacht. RAND war eine vom Verteidigungsministerium finanzierte Denkfabrik in Santa Monica, Kalifornien, die nach dem Zweiten Weltkrieg gegründet wurde, um dem Militär langfristige Planung und Analyse strategischer Probleme zu ermöglichen. Barans Ziel war es, einen Atomkrieg zu verzögern, indem er ein äußerst zuverlässiges militärisches Kommunikationsnetz schuf, das selbst einem groß angelegten Atomangriff standhalten konnte. Ein solches Netzwerk würde einen Präventivschlag der UdSSR weniger attraktiv machen, da es sehr schwierig wäre, die Fähigkeit der USA zu zerstören, als Reaktion darauf mehrere sensible Punkte anzugreifen. Zu diesem Zweck schlug Baran ein System vor, das Nachrichten in sogenannte Nachrichtenblöcke aufteilt, die unabhängig über ein Netzwerk redundanter Knoten übertragen und dann am Endpunkt zusammengesetzt werden können.
ARPA hatte Zugriff auf Barans umfangreiche Berichte für RAND, aber da diese nichts mit interaktiven Computern zu tun hatten, war ihre Bedeutung für das ARPANET nicht offensichtlich. Roberts und Taylor haben sie offenbar nie bemerkt. Stattdessen reichte Scantlebury Roberts als Ergebnis eines zufälligen Treffens alles auf einem Silbertablett: einen gut konzipierten Schaltmechanismus, Anwendbarkeit auf das Problem der Schaffung interaktiver Computernetzwerke, Referenzmaterialien von RAND und sogar den Namen „Paket“. Die Arbeit von NPL überzeugte Roberts auch davon, dass höhere Geschwindigkeiten erforderlich wären, um eine gute Kapazität bereitzustellen, weshalb er seine Pläne auf 50-Kbit/s-Verbindungen erweiterte. Um das ARPANET zu schaffen, wurde ein grundlegender Teil des Routing-Problems gelöst.
Es gibt zwar eine andere Version des Ursprungs der Idee der Paketvermittlung. Roberts behauptete später, dass er dank der Arbeit seines Kollegen Len Kleinrock, der das Konzept angeblich bereits 1962 in seiner Doktorarbeit über Kommunikationsnetzwerke beschrieb, bereits ähnliche Gedanken im Kopf hatte. Es ist jedoch unglaublich schwierig, eine solche Idee aus dieser Arbeit zu extrahieren, und außerdem konnte ich keine anderen Beweise für diese Version finden.
Netzwerke, die es nie gab
Wie wir sehen können, waren zwei Teams der ARPA bei der Entwicklung der Paketvermittlung voraus, einer Technologie, die sich als so effektiv erwiesen hat, dass sie mittlerweile fast der gesamten Kommunikation zugrunde liegt. Warum war ARPANET das erste bedeutende Netzwerk, das es nutzte?
Es geht um organisatorische Feinheiten. ARPA hatte keine offizielle Erlaubnis, ein Kommunikationsnetzwerk aufzubauen, aber es gab eine große Anzahl bestehender Forschungszentren mit eigenen Computern, einer praktisch unbeaufsichtigten Kultur der „freien“ Moral und Bergen von Geld. Taylors ursprünglicher Antrag von 1966 auf Finanzierung für die Schaffung des ARPANET sah 1 Million US-Dollar vor, und Roberts gab ab 1969 jedes Jahr so viel aus, um das Netzwerk zum Laufen zu bringen. Gleichzeitig waren solche Gelder für ARPA Kleingeld, sodass sich keiner seiner Chefs Gedanken darüber machte, was Roberts damit machte, solange es irgendwie mit den Bedürfnissen der Landesverteidigung verknüpft werden konnte.
Baran bei RAND hatte weder die Macht noch die Autorität, etwas zu tun. Seine Arbeit war rein explorativ und analytisch und konnte bei Bedarf auf die Verteidigung angewendet werden. Im Jahr 1965 empfahl RAND sein System tatsächlich der Luftwaffe, die zustimmte, dass das Projekt realisierbar sei. Die Umsetzung fiel jedoch auf die Schultern der Defense Communications Agency, und diese hatte kein besonderes Verständnis für digitale Kommunikation. Baran überzeugte seine Vorgesetzten bei RAND, dass es besser wäre, diesen Vorschlag zurückzuziehen, als seine Umsetzung trotzdem zuzulassen und den Ruf der verteilten digitalen Kommunikation zu ruinieren.
Davis hatte als Leiter von NPL viel mehr Macht als Baran, aber ein knapperes Budget als ARPA, und er verfügte nicht über ein fertiges soziales und technisches Netzwerk von Forschungscomputern. Ende der 1960er Jahre gelang es ihm, am NPL mit einem bescheidenen Budget von 120 £ über drei Jahre einen Prototyp eines lokalen paketvermittelten Netzwerks zu schaffen (es gab nur einen Knoten, aber viele Terminals). ARPANET gab jährlich etwa die Hälfte dieses Betrags für Betrieb und Wartung auf jedem der vielen Knoten des Netzwerks aus, anfängliche Investitionen in Hardware und Software ausgenommen. Die Organisation, die in der Lage war, ein großes britisches Paketvermittlungsnetz aufzubauen, war das britische Postamt, das mit Ausnahme des Postdienstes selbst die Telekommunikationsnetze im Land verwaltete. Davis gelang es, mehrere einflussreiche Beamte mit seinen Ideen für ein einheitliches digitales Netzwerk auf nationaler Ebene zu interessieren, aber es gelang ihm nicht, die Richtung eines so riesigen Systems zu ändern.
Durch eine Kombination aus Glück und Planung fand Licklider das perfekte Gewächshaus, in dem sein intergalaktisches Netzwerk gedeihen konnte. Gleichzeitig kann man nicht sagen, dass alles außer der Paketvermittlung eine Frage des Geldes war. Auch die Umsetzung der Idee spielte eine Rolle. Darüber hinaus prägten mehrere andere wichtige Designentscheidungen den Geist von ARPANET. Daher werden wir uns als nächstes ansehen, wie die Verantwortung zwischen den Computern, die Nachrichten gesendet und empfangen haben, und dem Netzwerk, über das sie diese Nachrichten gesendet haben, verteilt war.
Was gibt es sonst noch zu lesen?
- Janet Abbate, Die Erfindung des Internets (1999)
- Katie Hafner und Matthew Lyon, Where Wizards Stay Up Late (1996)
- Leonard Kleinrock, „An Early History of the Internet“, IEEE Communications Magazine (August 2010)
- Arthur Norberg und Julie O'Neill, Transforming Computer Technology: Information Processing for the Pentagon, 1962-1986 (1996)
- M. Mitchell Waldrop, Die Traummaschine: JCR Licklider und die Revolution, die das Rechnen persönlich machte (2001)
Source: habr.com