Schema des Computer-Netzwerks ARPA vom Juni 1967. Leerer Kreis – Computer mit geteiltem Zugang, Kreis mit Linie – Terminal für einen Benutzer
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Bis Ende 1966 finanzierte ARPA ein Projekt zur Vernetzung mehrerer Computer in ein einheitliches System, inspiriert von der Idee „» .
Die Verantwortung für die Umsetzung des Projekts übergab Taylor in fähige Hände . Im folgenden Jahr triff Roberts mehrere kritische Entscheidungen, die sich später in der technischen Architektur und Kultur von ARPANET und ihren Nachfolgern auswirken sollten, in einigen Fällen sogar über mehrere Jahrzehnte hinweg. Die erste Entscheidung nach ihrer Bedeutung, auch wenn nicht chronologisch, war die Festlegung des Mechanismus zur Weiterleitung von Nachrichten von einem Computer zu einem anderen.
Das Problem
Wenn Computer A eine Nachricht an Computer B senden möchte, wie findet diese Nachricht dann den Weg von einem zum anderen? Theoretisch könnte man es jedem Knoten im Netzwerk erlauben, mit allen anderen zu kommunizieren, indem man jeden Knoten physisch durch Kabel miteinander verbindet. Um sich mit B zu verbinden, sendet Computer A die Nachricht einfach über das ausgehende Kabel, das ihn mit B verbindet. Solch ein Netzwerk nennt man vollvermascht. Bei einer nennenswerten Netzgröße wird dieser Ansatz jedoch schnell unpraktisch, da die Anzahl der Verbindungen proportional zum Quadrat der Anzahl der Knoten wächst (genauer gesagt, wie (n² - n) / 2).
Daher ist eine Methode erforderlich, um die Route der Nachricht zu bestimmen, die beim Eintreffen der Nachricht an einem Zwischenknoten an diesen weitergeleitet wird, um das Ziel zu erreichen. Anfang der 1960er Jahre waren zwei grundlegende Ansätze zur Lösung dieses Problems bekannt. Der erste Ansatz war die Nachrichtenvermittlung durch "Speicherung und Weiterleitung". Dieser Ansatz wurde von der Telegraphenanlage verwendet. Wenn eine Nachricht an einem Zwischenknoten eintraf, wurde sie dort vorübergehend gespeichert (normalerweise auf Papierbänder), bis die Möglichkeit bestand, sie weiter zum Ziel oder zu einem anderen, näher zum Ziel gelegenen Zwischenzentrum zu übertragen.
Dann kam das Telefon, und es benötigte einen neuen Ansatz. Eine mehrminütige Verzögerung nach jedem gesagten Wort am Telefon, das entschlüsselt und an den Bestimmungsort übermittelt werden musste, hätte das Gefühl vermittelt, mit jemandem zu sprechen, der sich auf dem Mars befindet. Stattdessen nutzte das Telefon die Leitungsvermittlung. Der Anrufer begann jeden Anruf mit dem Senden einer speziellen Nachricht, die angab, wen er anrufen wollte. Zunächst geschah dies, indem man mit einem Betreiber sprach, später durch die Eingabe einer Nummer, die automatisch von der Ausrüstung des Vermittlungssystems verarbeitet wurde. Der Betreiber oder die Ausrüstung stellte eine dedizierte elektrische Verbindung zwischen dem Anrufer und dem angerufenen Teilnehmer her. Bei Ferngesprächen könnte es mehrere Iterationen erforden, um den Anruf über mehrere Vermittler zu verbinden. Nach der Verbindungsherstellung konnte das eigentliche Gespräch beginnen, und die Verbindung blieb bestehen, bis eine der Parteien sie durch Auflegen der Hörer unterbrach.
Die digitale Kommunikation, die für ARPANET beschlossen wurde, um Computer zu verbinden, arbeitete nach einem Schema , nutzte sowohl die Eigenschaften des Telegraphen als auch des Telefons. Einerseits wurden Datenmessage in separaten Paketen übertragen, ähnlich wie beim Telegraphen, anstatt in Form kontinuierlicher Gespräche wie beim Telefon. Diese Nachrichten konnten jedoch unterschiedliche Größen für verschiedene Zwecke haben, von kurzen Konsolenbefehlen bis hin zu großen Dateien, die von einem Computer zum anderen übertragen wurden. Wenn Dateien unterwegs verzögert wurden, beschwerte sich niemand darüber. Aber entfernte Interaktivität erforderte eine schnelle Reaktion, ähnlich wie bei einem Telefonanruf.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Computernetzwerken auf der einen Seite und Telefon und Telegraph auf der anderen Seite war die Empfindlichkeit gegenüber Fehlern in den Daten, die von Maschinen verarbeitet werden. Eine Änderung oder ein Verlust eines Symbols in einer Telegrammübertragung oder das Verschwinden eines Wortteils in einem Telefongespräch hätte kaum die Kommunikation zwischen zwei Personen ernsthaft gestört. Doch wenn Rauschen in der Leitung ein einzelnes Bit von 0 auf 1 in einem Befehl umschaltete, der an einen entfernten Computer gesendet wurde, konnte dies die Bedeutung des Befehls völlig verändern. Daher musste jede Nachricht auf Fehler überprüft und im Falle ihrer Entdeckung erneut gesendet werden. Solche Wiederholungen wären bei großen Nachrichten zu kostspielig, und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in ihnen war höher, da sie länger übermittelt wurden.
Die Lösung dieses Problems kam durch zwei unabhängige Ereignisse im Jahr 1960, jedoch wurde das später eingetretene zuerst von Larry Roberts und ARPA bemerkt.
Treffen
Im Herbst 1967 kam Roberts nach Gatlinburg, Tennessee, wegen der bewaldeten Gipfel der Great Smoky Mountains, um ein Dokument zu überbringen, das die Pläne der ARPA für den Aufbau eines Netzwerks skizzierte. Er arbeitete bereits seit fast einem Jahr im Büro für Informationsverarbeitungstechnologie (Information Processing Technology Office, IPTO), aber viele Einzelheiten des Netzwerkprojekts waren noch unklar, einschließlich der Lösung des Routing-Problems. Abgesehen von vagen Erwähnungen von Blöcken und deren Größen war der einzige Hinweis auf das Netzwerk in Roberts’ Arbeit eine kurze und ausweichende Bemerkung am Ende: „Es scheint erforderlich, eine regelmäßig genutzte Verbindung zu halten, um Rückmeldungen innerhalb eines Zeitrahmens von einer Zehntel bis einer Sekunde zu erhalten, die für interaktive Arbeit notwendig sind. Dies ist in Bezug auf die Netzwerkressourcen sehr kostspielig, und wenn wir nicht in der Lage sind, schneller zu kommunizieren, werden die Nachrichtenvermittlung und die Konzentration für die Netzwerkteilnehmer sehr wichtig sein.“ Offenbar hatte Roberts zu diesem Zeitpunkt noch nicht entschieden, ob er von dem Ansatz, den er 1965 zusammen mit Tom Marill aufwies, d.h. die Verbindung von Computern über das öffentliche Telefonnetz mittels automatischer Wählverfahren, abweichen sollte.
Auf demselben Symposium war auch eine andere Person anwesend, die eine viel besser durchdachte Idee zur Lösung des Routing-Problems in Datennetzwerken hatte. Roger Scantlebury überquerte den Atlantik, um von der British National Physical Laboratory (NPL) zu berichten. Scantlebury zog Roberts nach seinem Vortrag zur Seite und erzählte ihm von seiner Idee. . Diese Technologie wurde von seinem Vorgesetzten bei NPL, Donald Davies, entwickelt. In den USA sind Davies' Errungenschaften und seine Geschichte kaum bekannt, obwohl die Gruppe von Davies im Herbst 1967 ARPA mit ihren Ideen mindestens um ein Jahr voraus war.
Davies war, wie viele frühe Pioniere der elektronischen Computer, von Ausbildung Physiker. Er schloss 1943 im Alter von 19 Jahren das Imperial College London ab und wurde sofort in ein geheimes Programm zur Entwicklung von Atomwaffen unter dem Codenamen aufgenommen. Dort leitete er eine Gruppe von Rechenkräften, die mechanische und elektrische Rechner nutzten, um schnell numerische Lösungen für Aufgaben im Zusammenhang mit der Kernfusion zu liefern (unter seiner Leitung stand) , ein deutscher Physiker im Exil, der bis zu diesem Zeitpunkt bereits begonnen hatte, Geheimnisse der Atomwaffen an die Sowjetunion zu übermitteln). Nach dem Krieg erfuhr er von dem Projekt, das der Mathematiker John Womersley am NPL leitete – es bestand darin, einen elektronischen Computer zu entwickeln, der die gleichen Berechnungen mit viel höherer Geschwindigkeit durchführen sollte. wurde ACE, „Automatische Rechenmaschine“, genannt.
Davis war von dieser Idee fasziniert und trat so schnell wie möglich NPL bei. Er brachte seine Ideen in ein detailliertes Projekt ein und war am Aufbau des ACE-Computers beteiligt. Dabei blieb er eng mit dem Bereich der Rechenmaschinen verbunden und übernahm die Leitung der Forschungsarbeiten bei NPL. 1965 befand er sich beruflich in den USA und nutzte diese Gelegenheit, um mehrere bedeutende Computerstandorte zu besuchen, die eine zeitlich geteilte Nutzung anboten, um herauszufinden, worum es dabei ging. In der britischen Computerlandschaft war das Konzept der zeitlichen Teilung, wie es in den USA als interaktive, gemeinschaftliche Nutzung durch mehrere Benutzer verstanden wurde, nicht bekannt. Stattdessen bedeutete es einfach, die Computerlast zwischen mehreren Batch-Programmen zu verteilen (so konnte beispielsweise ein Programm arbeiten, während ein anderes mit dem Lesen von Daten von einem Band beschäftigt war). Diese Möglichkeit wurde später als Multi-Programming bezeichnet.
Die Reisen von Davis führten ihn zu 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 eines seiner Kollegen vor, ein Seminar über das gemeinsame Nutzen zu veranstalten, um der britischen Gemeinschaft von den neuen Technologien zu berichten, die sie in den USA kennengelernt hatten. Davis stimmte zu und empfing viele prominente Persönlichkeiten des amerikanischen Computing, darunter (den Erfinder des 'Time-Sharing Systems' am MIT) und Larry Roberts selbst.
Während des Seminars (oder möglicherweise sofort danach) wurde Davis von der Idee verblüfft, dass das Konzept der Zeitteilung auch auf Kommunikationsleitungen zwischen Computern angewendet werden kann, und nicht nur auf die Computer selbst. Zeitgeteilte Computer geben jedem Benutzer einen kleinen Anteil an Rechenzeit und wechseln dann zu einem anderen, wodurch jeder Benutzer den Eindruck hat, einen eigenen interaktiven Computer zu besitzen. Ebenso kann ein Kommunikationskanal durch das Zerlegen jeder Nachricht in standardisierte Größenstücke, die Davis "Pakete" nannte, zwischen mehreren 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 eingibt und kurze Antworten erhält, wird nicht durch die Übertragung einer großen Datei blockiert, da diese Übertragung in viele Pakete aufgeteilt wird. Jegliche Beschädigung solcher großer Nachrichten betrifft nur ein einzelnes Paket, das leicht erneut übermittelt werden kann, um die Nachricht zu vervollständigen.
Davis skizzierte seine Ideen in einer unveröffentlichten Arbeit aus dem Jahr 1966 mit dem Titel „Vorschlag für ein digitales Kommunikationsnetz“. Zu diesem Zeitpunkt standen die fortschrittlichsten Telefonsysteme kurz davor, die Vermittlungstechnik zu automatisieren. Davis schlug vor, die Paketvermittlung in ein neues Telefonnetz zu integrieren, um ein einheitliches Breitbandkommunikationsnetz zu schaffen, das verschiedene Anforderungen erfüllen konnte – von einfachen Telefongesprächen bis hin zum Remote-Zugriff auf Computer. Zu diesem Zeitpunkt war Davis zum Leiter der NPL befördert worden und hatte eine Gruppe für digitale Kommunikation unter der Leitung von Scantlebury gegründet, um sein Projekt zu realisieren und eine funktionierende Demoversion zu entwickeln.
Im Jahr vor der Konferenz in Gatlinburg arbeitete das Team von Scantlbury an allen Aspekten der Erstellung eines paketvermittelnden Netzwerks. Der Ausfall eines Knotens konnte durch adaptive Routing-Technologien, die mehrere Pfade zum Ziel nutzen, kompensiert werden, während der Verlust eines einzelnen Pakets durch dessen erneuten Versand behoben werden konnte. Simulationen und Analysen wiesen darauf hin, dass eine optimale Paketgröße von 1000 Bytes zu empfehlen ist – bei einer zu geringen Größe wären die Kosten für die Bandbreite durch die Metadaten im Header zu hoch, und bei einer zu großen Größe würde die Reaktionszeit für interaktive Nutzer aufgrund der umfangreichen Nachrichten häufig ansteigen.
Die Arbeiten von Scantlbury beinhalteten Details wie das Paketformat…
…und die Analyse des Einflusses der Paketgrößen auf die Netzwerkverzögerungen.
Währenddessen führten die Nachforschungen von Davis und Scantlbury zur Enthüllung umfangreicher Forschungsarbeiten eines anderen Amerikaners, der einige Jahre zuvor auf ähnliche Ideen gekommen war. Aber dabei , ein Elektroingenieur der RAND Corporation, dachte überhaupt nicht an die Bedürfnisse von Computernutzern mit Zeitaufteilung. RAND war ein analytisches Zentrum, das mit Geldern des US-Verteidigungsministeriums in Santa Monica, Kalifornien, gegründet wurde, um nach dem Zweiten Weltkrieg langfristige Planungen und strategische Analysen für militärische Zwecke durchzuführen. Barans Ziel war es, einen nuklearen Krieg abzuwenden, indem er ein äußerst zuverlässiges Militärkommunikationsnetzwerk entwarf, das sogar einen großangelegten nuklearen Angriff überstehen könnte. Ein solches Netzwerk würde einen präventiven Schlag seitens 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 zerlegte, was er als Nachrichtenblöcke bezeichnete, die unabhängig über ein Netzwerk von Knotenpunkten mit redundanten Verbindungen übertragen und dann am Endpunkt wieder zusammengesetzt werden konnten.
ARPA hatte Zugang zu umfangreichen Berichten von Baran für RAND, jedoch war ihre Bedeutung für ARPANET nicht offensichtlich, da sie nicht mit interaktiven Computern in Verbindung standen. Roberts und Taylor schienen sie daher nicht wahrgenommen zu haben. Stattdessen präsentierte Scantlebury alles bei einem zufälligen Treffen Roberts auf einem Silbertablett: ein gut durchdachtes Schaltmechanismus, die Anwendbarkeit für die Schaffung interaktiver Computernetzwerke, Referenzmaterialien von RAND und sogar den Begriff „Paket“. Die Arbeiten des NPL überzeugten Roberts ebenfalls davon, dass für die Organisation einer guten Bandbreite höhere Geschwindigkeiten erforderlich sein würden, weshalb er seine Pläne auf Verbindungslinien mit 50 Kbit/s aktualisierte. Damit war ein grundlegender Teil des Routing-Problems für die Schaffung des ARPANET gelöst.
Es gibt allerdings auch eine andere Version zur Entstehung der Idee der Paketvermittlung. Roberts behauptete später, dass er bereits ähnliche Gedanken hatte, inspiriert durch die Arbeit seines Kollegen Len Kleinrock, der angeblich dieses Konzept bereits 1962 in seiner Doktorarbeit über Kommunikationsnetze beschrieben hatte. Allerdings ist es unglaublich schwierig, eine solche Idee aus dieser Arbeit herauszulesen, und ich konnte darüber hinaus keine weiteren Bestätigungen für diese Version finden.
Netze, die es nicht gab
Wie wir sehen, haben gleich zwei Teams ARPA in der Entwicklung der Paketvermittlungstechnologie überholt, die sich als so effektiv herausstellte, dass sie jetzt der Grundpfeiler fast aller Kommunikationssysteme ist. Warum wurde ARPANET dann das erste bedeutende Netzwerk, das diese Technologie nutzte?
Alles hängt von organisatorischen Feinheiten ab. Die ARPA hatte keine offizielle Genehmigung zur Schaffung eines Kommunikationsnetzwerks, jedoch gab es eine Vielzahl bereits bestehender Forschungszentren mit ihren eigenen Computern, eine Kultur des "freien" Geistes, der praktisch niemanden interessierte, und jede Menge Geld. Der ursprüngliche Antrag von Taylor aus dem Jahr 1966 auf Mittel zur Gründung des ARPANET nannte einen Betrag von 1 Million Dollar, und Roberts gab jedes Jahr ab 1969 weiterhin ähnliche Summen aus, um dieses Netzwerk zu schaffen und zu betreiben. Für die ARPA waren solche Summen jedoch Peanuts, weshalb sich keiner seiner Vorgesetzten darum sorgte, was Roberts damit anstellte, solange es irgendwie in den Dienst der nationalen Verteidigung gestellt werden konnte.
Behrans Position bei RAND bot weder Möglichkeiten noch Autorität, um Maßnahmen zu ergreifen. Seine Arbeit war rein forschungs- und analytisch geprägt, konnte aber theoretisch auf die Verteidigung angewendet werden. Im Jahr 1965 empfahl RAND tatsächlich sein System der Luftwaffe, und diese stimmten der Machbarkeit des Projekts zu. Doch die Umsetzung fiel in die Hände der Agentur für Verteidigungs- kommunikation, wo es an Fachkenntnissen in digitaler Kommunikation mangelte. Behran überzeugte die Leitung bei RAND, dass es besser sei, den Vorschlag zurückzuziehen als ihn unterdurchschnittlich umzusetzen und so den Ruf der verteilten digitalen Kommunikation zu gefährden.
Davis hatte als Leiter der NPL deutlich mehr Macht als Béran, aber ein eingeschränkteres Budget als die ARPA und verfügte nicht über ein bereitstehendes Netzwerk von Forschungsrechnern. Es gelang ihm, Ende der 1960er Jahre mit einem bescheidenen Budget von 120.000 £ innerhalb von drei Jahren einen Prototyp eines lokalen Netzwerks mit Paketvermittlung in der NPL zu schaffen (es gab nur einen Knoten, aber zahlreiche Terminals). Die ARPANET gab jährlich ungefähr die Hälfte dieses Betrags für Betrieb und Wartung an jedem der zahlreichen Netzwerk-Knoten aus, ohne die ursprünglichen Investitionen in Hardware und Software einzurechnen. Die Organisation, die ein groß angelegtes britisches Netzwerk mit Paketvermittlung hätte aufbauen können, war die British Post, die die Telekommunikationsnetze im Land verwaltete, abgesehen von der reinen Postkommunikation. Davis gelang es, einige einflussreiche Beamte von seinen Ideen für ein integriertes nationales digitales Netzwerk zu überzeugen, doch die Richtung einer solch riesigen Infrastruktur zu ändern, lag nicht in seiner Macht.
Der Linkleiter fand, indem er Glück und Planung kombinierte, ein wunderbares Gewächshaus, in dem sein intergalaktisches Netzwerk erblühen konnte. Dabei kann man nicht behaupten, dass alles außer der Paketvermittlung auf Geld basierte. Auch die Umsetzung der Idee spielte eine Rolle. Darüber hinaus prägten einige wichtige Entscheidungen in der Planungsphase den Geist von ARPANET. Daher werden wir uns nun ansehen, wie die Verantwortlichkeit zwischen den Computern, die Nachrichten sendeten und empfingen, sowie dem Netzwerk, über das diese Nachrichten gesendet wurden, verteilt war.
Weitere Lektüre
- Janet Abbate, Die Erfindung des Internets (1999)
- Katie Hafner und Matthew Lyon, Wo die Zauberer wach bleiben (1996)
- Leonard Kleinrock, "An Early History of the Internet," IEEE Communications Magazine (August 2010)
- Arthur Norberg und Julie O’Neill, Computertechnologie transformieren: Informationsverarbeitung für das Pentagon, 1962-1986 (1996)
- M. Mitchell Waldrop, Die Traummaschine: J.C.R. Licklider und die Revolution, die das Rechnen persönlich machte (2001)
Quelle: habr.com
