Internet'i ajalugu: ARPANET — paket

ARPA arvutivõrgu skeem juuni 1967. Tühi ring – juurdepääsupunktiga arvuti, ring joontega – ühe kasutaja terminal

Teised tsükli artiklid:

• Rela ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod ehk relee tekkimine
  • Kaugréle
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks, relee
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendamine
  • Unustatud rälitsid kompuutritest
  • Elektriaeg
• Elektriliste kompuutrite ajalugu
  • Proloog
  • Kolloss
  • ENIAC
  • Elektriline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses tunde järgi
  • Sõjakooretest
  • Korduv leiutamine
• Interneti ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Interaktiivsuse avamine
  • Interaktiivsuse laiendamine
  • ARPANET — algus
  • ARPANET — pakett
  • ARPANET — alamvõrk
  • Arvuti kui sidevahend
  • Interneti ajalugu: võrguühendus

1966. aasta lõpuks Robert Taylor ARPA rahade eest käivitati paljude arvutite ühendamise projekt, saanud inspiratsiooni ideest "galaktilisest võrgust» Joseph Carl Robnett Lickliderist.

Taylor andis projekti täitmise vastutuse oskuslikesse kätesse Larry Robertsele. Järgmisel aastal tegi Roberts mitmeid kriitiliselt olulisi otsuseid, mis kajastuvad hiljem ARPANET-i ja selle järgsete tehnilises arhitektuuris ja kultuuris, mõnel juhul isegi aastakümneid. Esimene otsus, kuigi mitte kronoloogiliselt oluline, oli sõnumite marsruutimise mehhanismi määramine ühelt arvutilt teisele.

Probleem

Kui arvuti A soovib saata sõnumi arvutisse B, siis kuidas leiab see sõnum tee ühelt teisele? Teoorias võib lubada igal sidevõrgu sõlmel suhelda kõigi teistega, ühendades iga sõlme igaga füüsiliste kaablitega. Arvuti A saadab lihtsalt sõnumi välja incoming kaabli kaudu, mis ühendab teda arvutiga B. Sellist võrku nimetatakse täielikult ühendatud võrguks. Kuid igasuguste märkimisväärsete suurustega võrkude puhul muutub see lähenemine kiiresti praktiliseks, kuna ühenduste arv suureneb nagu sõlmede ruut (täpsemalt öeldes nagu (n2 — n) / 2).

Seetõttu on vajalik mingi meetod sõnumi marsruudi koostamiseks, mis saadab sõnumi sihtkohta saabudes edasi. 1960. aastate alguses oli teada kaks põhilist lähenemist selle probleemi lahendamiseks. Esiteks - sõnumite lülitamise meetod läbi 'salvestamise ja edastamise'. Seda lähenemist kasutas telegraafisüsteem. Kui sõnum saabus vahepunkti, salvestati see ajutiselt sinna (tavaliselt paberiribana), kuni tekkis võimalus see edastada edasi sihtkohta või mõnda teise vahepunkti, mis asus sihtkohale lähemal.

See telefon, mis ilmus hiljem, nõudis uut lähenemisviisi. Tunnid, mis kulusid iga telefoni kõne järgselt edasiandmiseks, oleksid tekitanud mulje, et räägid kellegagi, kes asub Marsil. Selle asemel kasutas telefon kanalite vahetust. Helistaja alustas kõne saatmisega eriteatega, mis näitas, kellele ta helistada soovib. Alguses tehti seda rääkides operaatoriga, hiljem juba numbri valimise teel, mida töötles automaatika kommutaatoris. Operaator või seadmed loodi pühendatud elektriline ühendus helistaja ja vastuvõtja vahel. Kui tegu oli kaugkõnega, võis selleks olla vajalik mitu sammu, mis ühendas kõne läbi erinevate kommutaatorite. Kui ühendus oli loodud, sai kõne alata ja see püsis kuni üks osapooltest lõpetas kõne, riputades ära telefoni.

Digitaalne side, mille kasutamise otsustati ARPANETis arvutite ühendamiseks, toimis järgmiselt ajajaotuse kaudu, kasutati nii telegraafi kui ka telefoni omadusi. Ühelt poolt edastati andmesõnumid eraldi pakettides, nagu telegraafis, mitte pidevate vestlustena telefonitsi. Küll aga võisid need sõnumid olla erineva suurusega erinevatel eesmärkidel, ulatudes mõne tähemärgi pikkustest konsoolikäskudest kuni suurte andmefailideni, mida edastatakse ühest arvutist teise. Kui failid tee peal viibisid, ei kaebanud keegi selle üle. Kuid kaugest interaktiivsusest oleks vajalik kiire reaktsioon, nagu telefonikõne puhul.

Üks oluline erinevus andmesidevõrkude ja telefonitelegraafi vahel oli süsteemide vigu tuvastamise tundlikkus. Kui telegraafi ühes sõnumis üks sümbol muutus või kadus, või kui telefoni vestluses sõna osa kadus, ei seganud see tõsiselt suhtlemist. Kuid müra juhtmes, mis vahetas ühe biti 0-lt 1-le käsus, mis saadeti kaugemale arvutile, võis põhjalikult muuta käsu tähendust. Seetõttu tuli iga sõnum kontrollida vigade osas ja vajadusel uuesti saata. Sellised kordused oleksid liiga kulukad suuremate sõnumite puhul, kuna need viibisid kauem edastamisel ja vigade tekkimise tõenäosus neis oli suurem.

Selle probleemi lahendus tuli tänu kahele sõltumatule sündmusele, mis juhtusid 1960. aastal; siiski märkis pärast toimunut esimesena Larry Robertsi ja ARPA.

Kohtumine

1967. aasta sügisel saabus Roberts Gatlinburgi, Tennessee osariiki, Suure Smoky Mountainsi metsaste tippude tõttu, et esitada dokument, mis käsitleb ARPA plaane võrgu väljaarendamiseks. Ta oli töötanud teabe töötlemise tehnoloogia büroos (Information Processing Technology Office, IPTO) peaaegu aasta, kuid paljud võrguprojekti detailid olid endiselt hägused, sealhulgas marsruutimise probleemi lahendamine. Peale häguste viidete plokkidele ja nende suurustele, oli ainsaks viiteks sellele Roberts'i töös lühike ja ebamugav märkuse lõpus: „Tundub vajalik säilitada perioodiliselt kasutatav sidekanal, et saada vastuseid ajavahemikus 0,1 kuni 1 sekund, mis on vajalik interaktiivseks tööks. See on suhteliselt ressursimahukas ja kui meil ei ole võimalust kiiresti helistada, siis muutuvad sõnumite vahetus ja keskendumine võrgu liikmete jaoks väga oluliseks.” On selge, et tol hetkel ei olnud Roberts veel otsustanud loobuda lähenemisviisist, mida ta kasutas koos Tom Marilliga 1965. aastal, see tähendab, arvutite ühendamisest läbi vahetatava telefoni võrgu automaatvalimisega.

Samal sümpoosiumil viibis ka teine inimene, kellel oli oluliselt paremini läbi mõeldud lahendus andmevõrkude marsruutimise probleemile. Roger Scantlebury tuli Atlandi üle ja saabus Suurbritannia rahvuslikust füüsikalaboratooriumist British National Physical Laboratory (NPL) ettekandega. Scantlebury viis Roberts'i kõrvale pärast tema ettekannet ja rääkis oma ideest. pakettide vahetus. Selle tehnoloogia töötas välja tema ülem NPL-s, Donald Davies. Ameerikas on Davis'e saavutused ja ajalugu halvasti tuntud, kuigi 1967. aasta sügisel Davis'e rühm NPL-s oli vähemalt aasta võrra ees ARPA-st oma ideedega.

Davis, nagu paljud varased elektrooniliste arvutite pioneerid, oli hariduselt füüsik. Ta lõpetas Londoni Imperiaalne Kolledž 1943. aastal 19-aastasena ja ta võeti kohe salajasse tuumarelvade arendamise programmi, koodnimetusega Tube Alloys. Seal juhtis ta meeskonda, kus töötasid numbrite arvutajad, kes kasutasid mehaanilisi ja elektrilisi kalkulaatoreid arvutuste kiireks lahendamiseks tuumasünteesi seotud ülesannetes (tema juhiks oli Emil Julius Klaus Fuchs, sakslane füüsik, kes oli juba hakanud edastama tuumarelvade saladusi Nõukogude Liitu). Pärast sõda kuulis matemaatik John Womersley projekti kohta, mida ta juhtis NPL-s – see oli elektroonilise arvuti loomine, mis pidanuks tegema samu arvutusi palju suurema kiirusena. Alani Turingi loodud arvuti kanti nimeks ACE, „automaatne arvutusmasin“.

Davis haaras kinni sellest ideest ja liitus NPL-iga nii kiiresti, kui suutis. Andes panuse ACE arvuti üksikasjalikku projektisse ja loomisse, jäi ta sügavalt seotud arvutiteaduse valdkonnaga, olles NPL-i uurimisjuht. 1965. aastal juhtus nii, et ta viibis Ameerikas ametlikul kohtumisel, mis oli seotud tema tööga, ning kasutas võimalust külastada mitmeid suurimaid arvutite jaotamise kohti, et näha, milles probleem seisneb. Suurbritannia arvutikeskkonnas ei tuntud ajajaotust Ameerika mõttes, kus mitu kasutajat saavad arvutit samaaegselt interaktiivselt kasutada. Selle asemel tähendas neil ajajaotus koormuse jaotamist arvuti vahel mitme andmetöötluse programmi vahel (et näiteks üks programm saaks töötada, samas kui teine kohtus lintkirjaga). Hiljem hakati seda varianti nimetama mitme programmi käitamiseks.

Davy seiklused viisid ta Project MAC-i MIT-s, JOSS projekti RAND Corporationis Californias ja Dartmouthi ajajaotussüsteemi New Hampshires. Tagasi koju jõudes pakkus üks tema kolleegidest korraldada ühiskasutusseminar, et tutvustada Briti kogukonnale uusi tehnoloogiaid, millest nad Ameerikas kuulsid. Davy nõustus ja võttis enda juurde mitmeid Ameerika arvutiteaduse valdkonna võtmeisikuid, sealhulgas Fernando José Corbato («aegade jagamise süsteemi» looja MIT-s) ja Larry Roberts ise.

Seminari käigus (või võib-olla kohe pärast seda) tabas Davise mõte, et ajajaotuse filosoofiat võiks rakendada ka arvutite sidekanalitele, mitte ainult arvutitele endile. Ajajaotusega arvutid annavad igale kasutajale väikese osa protsessori ajast, seejärel vahetuvad nad teise kasutaja peale, luues iga kasutaja jaoks illusiooni, et tal on oma interaktiivne arvuti. Samamoodi on võimalik, jagades iga sõnum standardmõõdus tükkideks, mida Davis nimetas „pakettideks“, jagada ühe sidekanali mitme arvuti või ühe arvuti erinevate kasutajate vahel. Veelgi enam, see lahendaks kõik andmeedastuse aspektid, mille jaoks telefonide ja telegraafide lülitid olid halvasti kohandatud. Interaktiivse terminaliga töötav kasutaja, kes saadab lühikesi käske ja saab lühikesi vastuseid, ei jää suurt faili edastades ummikusse, kuna see edastus jagatakse mitmeks paketiks. Igasugune kahjustus sellistes suurtes sõnumites mõjutab ainult ühte paketti, mis on lihtne uuesti edastada, et sõnum lõpetada.

Davis kirjeldas oma ideid 1966. aasta avaldamata töös "Pakkumine digitaalsete sidevõrkude jaoks". Sel ajal olid kõige arenenumad telefonivõrgud arvutitehnika kasutusele võtmisel ja Davis pakkus välja pakkimisvahetuse integreerimise uue põlvkonna telefonivõrku, luues ühtse lairibavõrgu, mis suudab teenindada erinevaid vajadusi, alates lihtsatest telefonikõnedest kuni kaugjuurdepääsuni arvutitele. Kuni selle ajani oli Davis edutatud NPL-i juhiks ja moodustanud Skantlbergi juhtimisel digitaalside grupi, et ellu viia oma projekt ja luua töötav demonstreeriv versioon.

Aastal, mis eelnes Gatlinburgi konverentsile, töötas Scantlberry meeskond läbi kõik pakettidega ühendatud võrgusüsteemi rajamise detailid. Ühe sõlme rikke oli võimalik taluda adaptiivse marsruutimise abil, mis suudab kasutada mitmeid teid sihtkohta; samas eraldi paketi rikke sai lahendada selle kordus saatmisega. Simulatsioon ja analüüs näitasid, et optimaalseks paketi suuruseks on 1000 baiti – kui see on liiga väike, siis on sideteenuste kulud pealkirja metainformatsiooni jaoks liiga suured; liiga suur – ja interaktiivsete kasutajate vastuse aeg pikendub liiga sageli suurte sõnumite tõttu.

Scantlberry töö sisaldas selliseid detaile nagu paketiformaat…

…ja vastupidavuse analüüs paketi suuruste mõju kohta viivitustele võrgus.

Samal ajal viisid Davise ja Scantlberry otsingud välja üksikasjalike teaduslike tööde avastamiseni, mille oli teinud teine ameeriklane, kes jõudis sarnasele ideele mõned aastad enne neid. Kuid sellega seoses Paul Baran, insener-elektrik RAND Corporation'ist ei olnud kunagi mõelnud arvutite ajajaotuse kasutajate vajadustele. RAND oli analüütiline keskus, mis töötas USA kaitseministeeriumi rahadega Santa Monicas, Californias, asutatud pärast Teist maailmasõda pikaajalise planeerimise ja strateegiliste probleemide analüüsimiseks sõjaliste vajaduste jaoks. Behrani eesmärk oli vältida tuumarelva sõda, luues äärmiselt usaldusväärse sõjalise sidetehnoloogia võrgu, mis suudaks taluda isegi laiaulatuslikku tuumaret. Selline võrk muudaks ennetava löögi Nõukogude Liidu poolt vähem atraktiivseks, kuna USA võime teha vastulöögi mitmesse tundlikku punkti oleks äärmiselt keeruline purustada. Selleks pakkus Behran välja süsteemi, mis jagas sõnumid osadeks, mida ta nimetas sõnumiblokkideks, mida oleks võimalik sõltumatult edastada sõlmpunkte ühendava võrgu kaudu, millel on üleliigsed ühendused, ja seejärel kokku koguda lõpp-punktis.

ARPA-l oli juurdepääs ulatuslikule Berani aruannete kogumile RAND-ilt, kuid kuna need ei olnud seotud interaktiivsete arvutitega, ei olnud nende tähtsus ARPANET-ile ilmne. Roberts ja Taylor ilmselt ei pannud neid tähele. Selle asemel andis Scantlebury kogu informatsiooni Robertsile juhuslikul kohtumisel: hästi läbimõeldud lülitusmehhanism, kohaldatavus interaktiivsete arvutivõrkude loomise ülesandele, viidatud materjalid RAND-ilt ja isegi nimi "pakett". NPL-i töö veenis ka Robertsi, et hea läbilaskevõime tagamiseks on vajalikud suuremad kiirused, seetõttu uuendas ta oma plaane 50 Kbit/s sidekanalitele. ARPANET-i loomise jaoks oli probleemide põhijoon, mis puudutas marsruutimist, lahendatud.

Tõepoolest, on olemas ka teine versioon pakettide vahetuse idee ilmumisest. Roberts väitis hiljem, et tal olid sarnased mõtted juba peas, tänu oma kolleegi, Lena Kleinrocki, tööle, kes väidetavalt kirjeldas seda kontseptsiooni juba 1962. aastal oma sidevõrkude doktoritöös. Kuid sellest tööst on äärmiselt keeruline sellist ideed välja tuua, ning ma ei suutnud leida ka muid tõendeid selle versiooni toetuseks.

Võrgud, mida ei olnud

Nagu näeme, oli kaks tiimi, kes olid ARPA-st eespool pakettide vahetuse arendamise küsimuses — tehnoloogia, mis osutus nii tõhusaks, et see on nüüdseks põhialus praktiliselt kõigis kommunikatsioonides. Miks sai ARPANET esimeseks oluliseks võrguks, mis seda kasutas?

Küsimus on organisatsioonilistes nüansse. ARPA-l ei olnud ametlikku luba sidevõrgu loomiseks, kuid oli palju olemasolevaid uurimiskeskusi oma arvutitega, "vabade" kommete kultuur, mille üle praktiliselt keegi ei valvanud, ja terve hulk raha. Taylori 1966. aasta algne taotlus ARPANET-i loomise rahastamiseks käsitles summat 1 miljon dollarit, ning Roberts jätkas iga aasta 1969. aastast alates sama palju kulutamist selle võrgu loomiseks ja töös hoidmiseks. Selle juures ei olnud ARPA jaoks need summad suured, mistõttu ei muretsenud keegi tema ülematest, mida Roberts nendega teeb, seni, kuni see oli mingil viisil seotud riigikaitse vajadustega.

Behrani RAND-is ei olnud ega ka volitusi, et midagi ette võtta. Tema töö oli puhtalt teaduslik ja analüütiline ning seda oleks olnud võimalik rakendada ka kaitsevaldkonnas. 1965. aastal soovitas RAND tõepoolest tema õhujõudude süsteemi ja nemad nõustusid projekti teostatavusega. Kuid selle elluviimine jäi kaitsekommunikatsioonide agentuuri õlule, kus digitaalsete sidevahenditega ei olnud just kõige paremini kursis. Behrani veenis RAND-i juhtkonda, et parem on see ettepanek tagasi võtta, kui lasta selle elluviimine käest ära ja kahjustada jagatud digitaalsete sidevahendite mainet.

Davisil oli NPL juhina palju suurem mõjuvõim kui Beranil, kuid piiratud eelarve, võrreldes ARPAga, ja tal ei olnud valmis sotsiaalset ja tehnilist võrgustikku teadusuuringute arvutite näol. Talle õnnestus 1960ndate lõpus luua NPL-is prototüüp kohaliku võrgu kohta paketipõhise vahetuse süsteemiga (seal oli vaid üks sõlmpunkt, kuid palju terminale) tagasihoidliku 120 000 naela eelarvega kolme aasta jooksul. ARPANET kulutas igal aastal umbes poole sellest summast igasuguste sõlmpunktide toimimise ja hoolduse jaoks, välja arvatud algsed investeeringud riistvarasse ja tarkvarasse. Suure mahuga Briti paketivõrgu loomiseks oli Briti Post, kes haldas riigi telekommunikatsioonivõrke, välja arvatud otsepostiteenus. Davisil õnnestus inspireerida mitut mõjukat ametnikku oma ideedega riikliku ulatusega ühendatud digivõrgu kohta, kuid ei olnud tema võimuses muuta sellise tohutu süsteemi suunda.

Lai Liiklader, kombineerides õnne ja planeerimist, leidis suurepärase kasvuhoone, kus võiks õitseda tema galaktidevaheline võrgu. Sellegipoolest ei saa väita, et kõik, välja arvatud pakettide edastamine, sõltus rahast. Oluline oli ka idee elluviimine. Veelgi enam, ARPANET'i vaimu määrasid mitmed teised olulised lahendused projekteerimise etapis. Seetõttu vaatame edasi, kuidas vastutus jagunes arvutite vahel, kes saatsid ja võtsid vastu sõnumeid, ning võrgu vahel, mille kaudu nad neid sõnumeid edastasid.

Mida veel lugeda

• Janet Abbate, Interneti leiutamine (1999)
• Katie Hafner ja Matthew Lyon, Kuhu nõiad ootavad ööd (1996)
• Leonard Kleinrock, "An Early History of the Internet," IEEE Communications Magazine (august 2010)
• Arthur Norberg ja Julie O’Neill, Arvutitööstuse muutmine: Teabe töötlemine Pentagonis, 1962-1986 (1996)
• M. Mitchell Waldrop, Unistus masinast: J.C.R. Licklider ja revolutsioon, mis tegi arvutamise isiklikuks (2001)

Allikas: habr.com