🥇Histoire d'Internet : ARPANET — paquet

Histoire d'Internet : ARPANET - paquet
Schéma du réseau informatique ARPA en juin 1967. Cercle vide - ordinateur avec accès partagé, cercle avec une ligne - terminal pour un seul utilisateur

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À la fin de 1966 Robert Taylor avec des fonds de l'ARPA a lancé un projet de liaison de plusieurs ordinateurs en un seul système, inspiré par l'idée de «réseau intergalactique» Joseph Carl Robnett Licklider.

La responsabilité de l'exécution du projet a été confiée par Taylor à de bonnes mains Larry Roberts. L'année suivante, Roberts a pris plusieurs décisions critiques qui résonneront par la suite dans l'architecture technique et la culture d'ARPANET et de ses successeurs, parfois même pendant plusieurs décennies. La première décision en importance, bien que non chronologiquement, était de définir le mécanisme de routage des messages d'un ordinateur à l'autre.

Le problème

Si l'ordinateur A veut envoyer un message à l'ordinateur B, comment ce message peut-il trouver son chemin d'un à l'autre ? En théorie, on pourrait permettre à chaque nœud du réseau de communiquer avec tous les autres, en reliant physiquement chaque nœud à chaque autre nœud par des câbles. Pour communiquer avec B, l'ordinateur A enverrait simplement le message par le câble sortant qui le relie à B. Ce type de réseau est appelé réseau entièrement connecté. Cependant, à toute taille significative du réseau, cette approche devient rapidement impraticable, car le nombre de connexions augmente comme le carré du nombre de nœuds (pour être précis, comme (n2 - n) / 2).

Il est donc nécessaire d'avoir un moyen de construire un itinéraire pour le message, qui, à son arrivée sur un nœud intermédiaire, l'enverrait plus loin vers sa destination. Au début des années 1960, deux approches de base étaient connues pour résoudre ce problème. La première - la méthode de commutation des messages par « stockage et transmission ». Cette approche était utilisée par le système télégraphique. Lorsque le message arrivait à un nœud intermédiaire, il y était temporairement stocké (généralement sous forme de bande papier) jusqu'à ce qu'il soit possible de le transmettre ensuite à sa destination, ou à un autre centre intermédiaire plus proche de la destination.

Puis est arrivé le téléphone, nécessitant une nouvelle approche. Un délai de quelques minutes après chaque déclaration faite par téléphone, qui devait être déchiffrée et transmise à destination, donnerait l'impression de converser avec une personne se trouvant sur Mars. Au lieu de cela, le téléphone a utilisé la commutation de circuits. L'appelant débutait chaque appel par l'envoi d'un message particulier, désignant à qui il souhaitait parler. Au début, cela se faisait en discutant avec un opérateur, puis en composant un numéro, traité par un matériel automatique sur le commutateur. L'opérateur ou l'équipement établissaient une connexion électrique dédiée entre l'appelant et le destinataire. Pour les appels interurbains, cela pouvait nécessiter plusieurs itérations, reliant l'appel à travers plusieurs commutateurs. Une fois la connexion établie, la conversation pouvait commencer, et la connexion était maintenue tant qu'une des parties ne la coupait pas en raccrochant.

La communication numérique, qu'il a été décidé d'utiliser dans ARPANET pour connecter les ordinateurs, fonctionnait selon le schéma de partage de temps, utilisant les caractéristiques tant du télégraphe que du téléphone. D'une part, les messages de données étaient transmis dans des paquets distincts, comme sur le télégraphe, et non sous forme de conversations continues au téléphone. Cependant, ces messages pouvaient varier en taille selon les besoins, allant de commandes de console de quelques caractères à de grands fichiers de données transmis d'un ordinateur à un autre. Si des fichiers prenaient du temps à arriver, personne ne s'en plaignait. Mais l'interactivité à distance nécessitait une réaction rapide, comme lors d'un appel téléphonique.

Une différence importante entre les réseaux de données d'une part et le téléphone avec le télégraphe d'autre part était la sensibilité aux erreurs dans les données traitées par les machines. Un changement ou une perte lors de la transmission d'un symbole dans un télégramme, ou la perte d'un mot dans une conversation téléphonique, ne pouvait guère perturber la communication entre deux personnes. Mais si le bruit sur la ligne alternait un seul bit de 0 à 1 dans une commande envoyée à un ordinateur distant, cela pouvait complètement changer le sens de la commande. C'est pourquoi chaque message devait être vérifié pour détecter les erreurs et renvoyé en cas de détection. De telles répétitions seraient trop coûteuses pour de grands messages, et la probabilité d'erreurs était plus élevée dans ceux-ci car ils étaient transmis plus longtemps.

La solution à ce problème est venue grâce à deux événements indépendants survenus en 1960, mais celui qui est apparu plus tard a été d'abord remarqué par Larry Roberts et l'ARPA.

Réunion

À l'automne 1967, Roberts est arrivé à Gatlinburg, Tennessee, en raison des sommets boisés des Great Smoky Mountains, pour livrer un document décrivant les plans de l'ARPA pour le déploiement du réseau. Il travaillait déjà depuis presque un an au bureau des technologies de traitement de l'information (Information Processing Technology Office, IPTO), mais de nombreux détails du projet de réseau étaient encore très flous, y compris la solution au problème de routage. En dehors de mentions vagues des blocs et de leurs tailles, la seule référence à cela dans le travail de Roberts était une brève et ambiguë remarque à la toute fin : « Il semble nécessaire de maintenir une ligne de communication utilisée périodiquement pour obtenir des réponses dans un délai allant d'une dixième à une seconde, nécessaire pour un travail interactif. Cela est très coûteux en termes de ressources réseau, et à moins que nous n'obtenions la capacité de téléphoner plus rapidement, la commutation de messages et la concentration deviendront très importantes pour les participants au réseau. » Il est évident qu'à ce moment-là, Roberts n'avait pas encore décidé s'il fallait abandonner l'approche qu'il avait utilisée conjointement avec Tom Marryll en 1965, c'est-à-dire relier des ordinateurs par le biais d'un réseau téléphonique commuté par ligne automatique.

Par coïncidence, un autre homme était également présent à ce même symposium, avec une idée bien mieux élaborée pour résoudre le problème de la routage dans les réseaux de données. Roger Scantlebury a traversé l'Atlantique depuis le Laboratoire national de physique britannique (British National Physical Laboratory, NPL) pour présenter son rapport. Scantlebury a pris Roberts à part après sa présentation et lui a parlé de son idée. de commutation de paquets. Cette technologie a été développée par son supérieur au NPL, Donald Davies. Aux États-Unis, les réalisations et l'histoire de Davies sont peu connues, bien qu'à l'automne 1967, le groupe de Davies au NPL ait été, au moins d'un an, en avance sur ARPA avec ses idées.

Davies, comme de nombreux premiers pionniers des ordinateurs électroniques, était formé en physique. Il a obtenu son diplôme du Imperial College de Londres en 1943 à l'âge de 19 ans, et a été immédiatement recruté dans un programme secret de développement d'armes nucléaires nommé Tube Alloys. Là, il dirigeait une équipe de calculateurs utilisant des calculatrices mécaniques et électriques pour fournir rapidement des solutions numériques aux problèmes liés à la fusion nucléaire (son supérieur était Emil Julius Klaus Fuchs, un physicien allemand expatrié qui, à l'époque, avait déjà commencé à transmettre des secrets nucléaires à l'URSS). Après la guerre, il a entendu parler d'un projet dirigé par le mathématicien John Womersley au NPL – il s'agissait de créer un ordinateur électronique capable d'effectuer les mêmes calculs à une vitesse beaucoup plus grande. L'ordinateur développé par Alan Turing a été nommé ACE, "machine de calcul automatique".

Davis a adhéré à cette idée et a rejoint le NPL aussi rapidement qu'il le pouvait. En contribuant à un projet détaillé et à la création de l'ordinateur ACE, il est resté profondément impliqué dans le domaine des machines de calcul en tant que responsable de la recherche au NPL. En 1965, il se trouvait aux États-Unis pour une réunion professionnelle liée à son travail et a profité de cette occasion pour visiter plusieurs grands sites informatiques dédiés au temps partagé afin de comprendre de quoi il s'agissait. Dans le milieu informatique britannique, le temps partagé au sens américain de l'utilisation interactive conjointe d'un ordinateur par plusieurs utilisateurs n'était pas connu. Pour eux, le temps partagé signifiait la répartition de la charge de travail de l'ordinateur entre plusieurs programmes de traitement par lots (ce qui signifiait, par exemple, qu'un programme pouvait fonctionner pendant qu'un autre était occupé à lire des données sur bande). Cette variante sera ensuite appelée multiprogrammation.

Les péripéties de Davis l'ont amené au Project MAC au MIT, au projet JOSS de la RAND Corporation en Californie, et au système de partage de temps de Dartmouth dans le New Hampshire. Sur le chemin du retour, un de ses collègues a suggéré d'organiser un séminaire sur le partage collaboratif pour informer la communauté britannique sur les nouvelles technologies qu'ils avaient découvertes aux États-Unis. Davis a accepté et a accueilli chez lui plusieurs figures importantes du domaine informatique américain, y compris Fernando José Corbato (le créateur du « système de partage de temps compatible » au MIT) et le célèbre Larry Roberts.

Lors du séminaire (ou peut-être juste après), une idée a frappé Davis : la philosophie de la division du temps pouvait également être appliquée aux lignes de communication des ordinateurs, et pas seulement aux ordinateurs eux-mêmes. Les ordinateurs à temps partagé fournissent à chaque utilisateur un court laps de temps processeur, puis passent à un autre, créant pour chaque utilisateur l'illusion d'avoir son propre ordinateur interactif. De la même manière, en découpant chaque message en morceaux de taille standard, que Davis a appelés « paquets », un canal de communication peut être partagé entre plusieurs ordinateurs ou utilisateurs d'un même ordinateur. De plus, cela résoudrait tous les aspects de la transmission de données pour lesquels les commutateurs téléphoniques et télégraphiques étaient mal adaptés. L'utilisateur travaillant avec un terminal interactif, envoyant de courtes commandes et recevant de courtes réponses, ne sera pas bloqué par la transmission d'un gros fichier, car cette transmission sera divisée en de nombreux paquets. Toute détérioration dans de tels messages volumineux affectera un seul paquet, qui peut facilement être retransmis pour compléter le message.

Davis a décrit ses idées dans un document non publié de 1966 intitulé « Proposition pour un réseau de communication numérique ». À ce moment-là, les réseaux téléphoniques les plus avancés étaient sur le point d’informatiser les commutateurs, et Davis a proposé d'intégrer la commutation de paquets dans le réseau téléphonique de nouvelle génération, créant ainsi un réseau de communication à large bande capable de traiter diverses demandes, des simples appels téléphoniques à l'accès à distance aux ordinateurs. À ce stade, Davis avait été promu directeur de NPL, et il avait formé un groupe de communication numérique dirigé par Scantlebury pour réaliser son projet et créer une version démonstration fonctionnelle.

Au cours de l'année précédant la conférence de Gatlinburg, l'équipe de Scantlbury a travaillé sur tous les détails de la création d'un réseau à commutation de paquets. La défaillance d'un nœud pouvait être surmontée grâce au routage adaptatif, capable de fonctionner avec plusieurs chemins vers la destination, et la perte d'un paquet individuel pouvait être résolue par sa retransmission. La simulation et l'analyse indiquaient qu'une taille de paquet optimale serait de 1000 octets – si elle était trop petite, les coûts de bande passante des lignes pour les métadonnées dans l'en-tête seraient trop élevés, trop grande – et le temps de réponse pour les utilisateurs interactifs augmenterait trop souvent à cause de grands messages.

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Le travail de Scantlbury contenait des détails tels que le format du paquet…

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…et l'analyse de l'impact des tailles de paquet sur les délais dans le réseau.

Pendant ce temps, les recherches de Davis et de Scantlbury ont conduit à la découverte de travaux de recherche détaillés menés par un autre Américain, qui avait eu une idée similaire quelques années avant eux. Mais en même temps, Paul Baran, ingénieur électricien de la RAND Corporation, ne pensait pas du tout aux besoins des utilisateurs d'ordinateurs à temps partagé. RAND était un think tank financé par le ministère de la Défense des États-Unis à Santa Monica, en Californie, créé après la Seconde Guerre mondiale pour la planification à long terme et l'analyse des problèmes stratégiques pour les besoins militaires. L'objectif de Baran était de repousser la guerre nucléaire en créant un réseau de communication militaire très fiable, capable de survivre même à une attaque nucléaire à grande échelle. Un tel réseau rendrait une frappe préventive de l'URSS moins attrayante, car il serait très difficile de détruire la capacité des États-Unis à riposter contre plusieurs points sensibles. Pour cela, Baran proposa un système qui segmente les messages en ce qu'il appelait des blocs de messages, qui pourraient être transmis indépendamment à travers un réseau de nœuds de communication avec une redondance de connexions, puis regroupés à la destination finale.

ARPA avait accès à de volumineux rapports de Baran pour RAND, mais comme ils n'étaient pas liés aux ordinateurs interactifs, leur importance pour ARPANET n'était pas évidente. Apparemment, Roberts et Taylor ne les ont pas remarqués. À la place, lors d'une rencontre fortuite, Scantlebury a tout présenté à Roberts sur un plateau : un mécanisme de commutation bien conçu, son applicabilité à la tâche de création de réseaux informatiques interactifs, des documents de référence de RAND, et même le terme « paquet ». Le travail de NPL a également convaincu Roberts qu'une bande passante adéquate nécessiterait des vitesses plus élevées, c'est pourquoi il a mis à jour ses plans pour des lignes de communication de 50 Kbit/s. Ainsi, la partie fondamentale du problème de routage a été résolue pour la création d'ARPANET.

En vérité, il existe une autre version de l'origine de l'idée de la commutation de paquets. Roberts a plus tard affirmé qu'il avait déjà eu de telles pensées, grâce au travail de son collègue, Len Kleinrock, qui aurait décrite ce concept dès 1962 dans sa thèse de doctorat sur les réseaux de communication. Cependant, il est incroyablement difficile d'extraire une telle idée de ce travail, et de plus, je n'ai trouvé aucune autre confirmation de cette version.

Des réseaux qui n'existaient pas

Comme nous le voyons, deux équipes ont devancé l'ARPA dans le développement de la commutation de paquets, une technologie si efficace qu'elle est désormais à la base de pratiquement toutes les communications. Pourquoi ARPANET est-elle devenue le premier réseau significatif à l'utiliser ?

Tout est une question de subtilités organisationnelles. L'ARPA n'avait pas d'autorisation officielle pour créer un réseau de communication, mais il y avait un grand nombre de centres de recherche déjà établis avec leurs propres ordinateurs, une culture de « libertés » où presque personne ne veillait, et des montagnes d'argent. La demande initiale de Taylor en 1966 pour des fonds pour créer ARPANET s'élevait à 1 million de dollars, et Roberts a continué à dépenser cette somme chaque année à partir de 1969 pour créer et faire fonctionner ce réseau. Pour l'ARPA, cette somme était insignifiante, donc aucun de ses supérieurs ne s'inquiétait de ce que Roberts en faisait tant que cela pouvait être d'une manière ou d'une autre lié aux besoins de la défense nationale.

Chez Béran, RAND n'avait ni les moyens ni l'autorité pour agir. Son travail était purement de recherche et d'analyse, et pouvait être appliqué à la défense si l'on le souhaitait. En 1965, RAND a effectivement recommandé son système aux forces aériennes, qui ont reconnu la viabilité du projet. Mais sa mise en œuvre a reposé sur les épaules de l'agence de communications de défense, qui n'était pas particulièrement familiarisée avec la communication numérique. Béran a convaincu la direction de RAND qu'il valait mieux retirer cette proposition que de la voir mise en œuvre de manière désordonnée, ce qui aurait pu nuire à la réputation de la communication numérique distribuée.

Davis, en tant que responsable de NPL, avait un bien plus grand pouvoir que Béran, mais un budget plus limité que celui d'ARPA, et il ne disposait pas d'un réseau social et technique de chercheurs en informatique déjà établi. Il a réussi à créer un prototype de réseau local à commutation de paquets (il n'y avait qu'un seul nœud, mais de nombreux terminaux) à NPL à la fin des années 1960, avec un modeste budget de 120 000 £ sur trois ans. ARPANET dépensait environ la moitié de ce montant chaque année pour le fonctionnement et l'entretien de chacun des nombreux nœuds du réseau, sans compter les investissements initiaux dans le matériel et les logiciels. L'organisation capable de créer un réseau britannique à grande échelle à commutation de paquets était la poste britannique, qui gérait les réseaux de télécommunications dans le pays, en dehors de la messagerie directe. Davis a réussi à capter l'intérêt de plusieurs fonctionnaires influents avec ses idées sur un réseau numérique national unifié, mais changer la direction d'un système aussi vaste n'était pas de son pouvoir.

Licklider, en combinant chance et planification, a trouvé une belle serre où son réseau intergalactique pourrait s'épanouir. Il ne faut pas dire que tout, sauf la commutation de paquets, reposait uniquement sur l'argent. L'exécution de l'idée a également joué un rôle. De plus, l'esprit d'ARPANET a été façonné par plusieurs autres décisions importantes au stade de la conception. Nous allons donc examiner comment la responsabilité était répartie entre les ordinateurs qui envoyaient et recevaient des messages et le réseau par lequel ces messages étaient transmis.

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Réunion

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