Schema van het ARPA-computernetwerk van juni 1967. Een lege cirkel – een computer met gedeelde toegang, een cirkel met een lijn – een terminal voor één gebruiker.
Andere artikelen in de serie:
- De geschiedenis van relais
- De geschiedenis van elektronische computers
- De geschiedenis van de transistor
- De geschiedenis van het internet
Aan het einde van 1966. Met geld van ARPA werd een project gelanceerd om meerdere computers in één systeem te verbinden, geïnspireerd door het idee van "» .
De verantwoordelijkheid voor de uitvoering van het project werd door Taylor overgedragen aan de bekwame handen van . In het daaropvolgende jaar nam Roberts een aantal cruciale beslissingen die later zouden doorwerken in de technische architectuur en cultuur van ARPANET en haar opvolgers, in sommige gevallen zelfs gedurende enkele decennia. De belangrijkste beslissing, hoewel niet in chronologische volgorde, was de definitie van een mechanisme voor het routeren van berichten van de ene computer naar de andere.
Probleem
Als computer A een bericht naar computer B wil sturen, hoe vindt dat bericht dan de weg van de ene naar de andere? In theorie zou je elk knooppunt in het netwerk kunnen toestaan om met alle andere te communiceren door fysieke kabels tussen elk knooppunt te verbinden. Voor communicatie met B zou computer A het bericht gewoon via de uitgaande kabel versturen die hem met B verbindt. Een dergelijk netwerk wordt een volledig verbonden netwerk genoemd. Echter, bij enige significante netwerkgrootte wordt deze aanpak snel onpraktisch, omdat het aantal verbindingen toeneemt als het kwadraat van het aantal knooppunten (om precies te zijn, als (n2 - n) / 2).
Daarom is er een manier nodig om een route voor het bericht te construeren, waardoor het bericht bij aankomst op een tussenliggende knooppunt verder naar de bestemming wordt gestuurd. Begin jaren 60 waren er twee basisbenaderingen bekend om dit probleem op te lossen. De eerste was de methode van berichtcommutatie via 'opslag en doorgeven'. Deze benadering werd gebruik in het telegraaf systeem. Wanneer een bericht op een tussenliggende knooppunt aankwam, werd het daar tijdelijk opgeslagen (meestal in de vorm van papieren tape) totdat het mogelijk werd om het verder naar de bestemming te verzenden, of naar een andere tussenliggende locatie die dichter bij de bestemming lag.
Later the telephone emerged, requiring a new approach. A delay of several minutes after each utterance made over the phone, which needed to be deciphered and transmitted to the destination, would feel like conversing with someone on Mars. Instead, the telephone used circuit switching. The caller began each call by sending a special message indicating who they wanted to call. Initially, this was done by conversing with an operator, then by dialing a number processed by automatic equipment on the switch. The operator or equipment established a dedicated electrical connection between the caller and the called party. For long-distance calls, several iterations might be necessary to connect the call through multiple switches. Once the connection was established, the conversation could begin and was maintained until one party hung up.
De digitale communicatie die in ARPANET werd besloten te gebruiken om computers te verbinden, werkte volgens het , gebruikte kenmerken van zowel de telegraaf als de telefoon. Aan de ene kant werden databerichten in afzonderlijke pakketten verzonden, zoals bij de telegraaf, en niet in de vorm van continue gesprekken zoals bij de telefoon. Deze berichten konden echter van verschillende groottes zijn voor verschillende doeleinden, van consolecommando's van enkele symbolen tot grote bestanden met gegevens die van de ene computer naar de andere werden verzonden. Als bestanden onderweg vertraagd waren, klaagde niemand daarover. Maar afstandinteractiviteit vereiste een snelle reactie, zoals bij een telefoongesprek.
Een belangrijk verschil tussen computernetwerken aan de ene kant en telefoon en telegraaf aan de andere kant, was de gevoeligheid voor fouten in de gegevens die door machines werden verwerkt. Het veranderen of verliezen van één teken tijdens het verzenden van een telegram, of het wegvallen van een deel van een woord in een telefoongesprek, zou waarschijnlijk de communicatie tussen twee mensen niet ernstig verstoren. Maar als ruis op de lijn een enkele bit van 0 naar 1 veranderde in een commando dat naar een externe computer werd verzonden, kon dit de betekenis van het commando volledig veranderen. Daarom moest elk bericht op fouten worden gecontroleerd en opnieuw worden verzonden in geval van ontdekking. Dergelijke herhalingen zouden te kostbaar zijn voor grote berichten, en de kans op fouten daarin was groter, omdat ze langer werden verzonden.
De oplossing voor dit probleem kwam door twee onafhankelijke gebeurtenissen die zich in 1960 voordeed, maar de later ontstane gebeurtenis werd als eerste opgemerkt door Larry Roberts en ARPA.
Bijeenkomst
In de herfst van 1967 arriveerde Roberts in Gatlinburg, Tennessee, tussen de boomrijke toppen van de Great Smoky Mountains, om een document te overhandigen dat de plannen van ARPA voor de uitrol van het netwerk beschrijft. Hij werkte al bijna een jaar bij het Information Processing Technology Office (IPTO), maar veel details van het netwerkproject waren nog steeds behoorlijk vaag, inclusief de oplossing van het routeringsprobleem. Behalve de vage verwijzingen naar blokken en hun afmetingen, was de enige verwijzing naar dit onderwerp in Roberts' werk een korte en ontwijkende opmerking aan het einde: "Het lijkt noodzakelijk om de periodiek gebruikte communicatielijn te behouden om reacties te ontvangen binnen de tijd van één tiende tot één seconde, die nodig is voor interactieve bediening. Dit is vrij kostbaar in termen van netresources, en tenzij we sneller kunnen bellen, zullen berichtenswitching en concentratie zeer belangrijk worden voor de netwerkdeelnemers." Het was duidelijk dat Roberts op dat moment nog niet had besloten of hij het in 1965 door hem samen met Tom Marryll gebruikte model van het verbinden van computers via het netwerk van de telefoon met automatische inbelopties zou afschrijven.
Toevallig was er op hetzelfde symposium ook een andere persoon aanwezig, met een veel beter doordachte oplossing voor het probleem van routering in datanetwerken. Roger Scantlebury stak de Atlantische Oceaan over, afkomstig van het British National Physical Laboratory (NPL), met een presentatie. Scantlebury nam Roberts na zijn lezing apart en vertelde hem over zijn idee. . Deze technologie was ontwikkeld door zijn leidinggevende bij NPL, Donald Davies. In de Verenigde Staten is het werk en de geschiedenis van Davies slecht bekend, hoewel de groep van Davies in het najaar van 1967 minstens een jaar voorlag op ARPA met hun ideeën.
Davies was, net als veel vroege pioniers van elektronische computers, opgeleid als fysicus. Hij studeerde in 1943 af aan het Imperial College in Londen op 19-jarige leeftijd en werd onmiddellijk opgenomen in een geheim programma voor de ontwikkeling van nucleaire wapens, met de codenaam . Daar leidde hij een groep rekenaars die mechanische en elektrische rekenmachines gebruikten om snel numerieke oplossingen te bieden voor problemen met nucleaire fusie (zijn leidinggevende was , een Duitse fysicus in ballingschap die tegen die tijd al geheimen van nucleaire wapens aan de USSR begon te verhullen). Na de oorlog hoorde hij van de wiskundige John Womersley over een project dat hij leidde bij NPL - het creëren van een elektronische computer die al diezelfde berekeningen veel sneller zou moeten uitvoeren. werd ACE genoemd, wat staat voor 'Automatische Computermachine'.
Davis greep het idee en nam zo snel als mogelijk een positie aan bij NPL. Terwijl hij bijdroeg aan het gedetailleerde project en de creatie van de ACE-computer, bleef hij diep betrokken bij het veld van rekenmachines als leidinggevende onderzoeker bij NPL. In 1965 was hij toevallig in de VS voor een professionele bijeenkomst gerelateerd aan zijn werk en maakte hij gebruik van deze gelegenheid om enkele grote computerbases met tijdsdeling te bezoeken, om te kijken waar de hele ophef om draaide. In de Britse computeromgeving was tijdsdeling in de Amerikaanse zin van interactieve gedeelde toegang tot de computer door meerdere gebruikers niet bekend. In plaats daarvan betekende tijdsdeling voor hen het verdelen van de computerbelasting tussen meerdere batchverwerkingsprogramma's (zodat bijvoorbeeld één programma kon lopen terwijl een ander bezig was met lezen van een tape). Dit type werd later multitasking genoemd.
Davis' avonturen leidden hem naar Project MAC bij MIT, het JOSS-project van de RAND Corporation in Californië, en naar het Dartmouth time-sharing systeem in New Hampshire. Op de weg terug stelde een van zijn collega's voor om een seminar over gedeeld gebruik te organiseren, om de Britse gemeenschap te informeren over de nieuwe technologieën die ze in de VS hadden geleerd. Davis stemde toe en ontving vele belangrijke figuren uit het Amerikaanse computergebied, waaronder (de bedenker van het 'compatibele tijdsysteem' bij MIT) en Larry Roberts zelf.
Tijdens het seminar (of misschien direct daarna) werd Davis getroffen door het idee dat de filosofie van tijdsdeling ook toepasbaar is op computercommunicatielijnen, en niet alleen op de computers zelf. Computers met tijdslicing bieden elke gebruiker een klein segment van de processortijd en schakelen vervolgens over naar een andere, waardoor elke gebruiker de illusie krijgt dat hij zijn eigen interactieve computer heeft. Op dezelfde manier kan één communicatielijn worden gedeeld tussen meerdere computers of gebruikers van één computer door elk bericht in stukjes van standaardgrootte te snijden, die Davis 'pakketten' noemde. Bovendien zou dit alle aspecten van gegevensoverdracht oplossen waarvoor telefoon- en telegraafschakelaars slecht waren aangepast. Een gebruiker die met een interactieve terminal werkt, korte commando's verzendt en korte antwoorden ontvangt, wordt niet geblokkeerd door de overdracht van een groot bestand, omdat deze overdracht zal worden opgedeeld in meerdere pakketten. Eventuele beschadigingen in dergelijke grote berichten zullen alleen het individuele pakket treffen, dat gemakkelijk opnieuw kan worden verzonden om het bericht te voltooien.
Davis beschreef zijn ideeën in een ongepubliceerd werk uit 1966, 'Voorstel voor een digitale communicatienetwerk'. Op dat moment stonden de meest geavanceerde telefoonnetwerken op het punt om de schakeling van de switches computergebaseerd te maken, en Davis stelde voor om pakketschakeling in te bouwen in de nieuwe generatie telefoonnetwerken, waarmee een uniforme breedbandcommunicatienetwerk zou worden gecreëerd die verschillende behoeften ondersteunt, van eenvoudige telefoongesprekken tot externe toegang tot computers. Tegen die tijd was Davis gepromoveerd tot directeur van NPL, en hij vormde een team voor digitale communicatie onder leiding van Scantlebury om zijn project te realiseren en een werkende demonstratieversie te creëren.
In het jaar voorafgaand aan de conferentie in Gatlinburg heeft het Scantlebury-team alle details uitgewerkt voor het opzetten van een pakketgeschakelde netwerk. Het falen van één knooppunt kon worden opgevangen door adaptieve routering, die in staat was om met meerdere paden naar de bestemming te werken, en het falen van een enkel pakket kon worden opgelost door dit opnieuw te verzenden. Simulaties en analyses gaven aan dat de optimale pakketgrootte 1000 bytes zou zijn – als het veel kleiner werd gemaakt, zouden de kosten voor de netwerkbandbreedte vanwege metadata in de header te hoog zijn, en als het veel groter werd, zou de reactietijd voor interactieve gebruikers te vaak toenemen door de grote berichten.
Het werk van Scantlebury omvatte details zoals het pakketformaat…
…en de analyse van de invloed van pakketgroottes op netwerkvertragingen.
Ondertussen leidden de zoektocht van Davis en Scantlebury tot de onthulling van gedetailleerd onderzoek dat door een andere Amerikaan was gedaan, die enkele jaren vóór hen met een vergelijkbaar idee was gekomen. Maar daarbij , was een elektronicus van RAND Corporation helemaal niet bezig met de behoeften van computergebruikers met tijdsdeling. RAND was een denktank die op verzoek van het ministerie van Defensie van de VS in Santa Monica, Californië, was opgericht na de Tweede Wereldoorlog voor lange termijn planning en analyse van strategische problemen voor militaire doeleinden. Het doel van Baran was om nucleaire oorlog te voorkomen door een zeer betrouwbare militaire communicatie netwerk te creëren die zelfs een grootschalige nucleaire aanval zou kunnen doorstaan. Zo'n netwerk zou een preemptieve aanval van de USSR minder aantrekkelijk maken, aangezien het zeer moeilijk zou zijn om de mogelijkheid van de VS om op verschillende gevoelige punten te reageren te vernietigen. Hiervoor stelde Baran een systeem voor dat berichten opsplitste in wat hij berichtblokken noemde die onafhankelijk over een netwerk van knooppunten met redundante verbindingen konden worden verzonden en daarna op de eindbestemming weer samen konden worden gevoegd.
ARPA had access to substantial reports from Baran for RAND, but since they were not related to interactive computers, their importance for ARPANET was not obvious. Roberts and Taylor apparently overlooked them. Instead, as a result of one chance meeting, Scantlebury presented everything to Roberts on a silver platter: a well-thought-out switching mechanism, applicability to the task of creating interactive computer networks, reference materials from RAND, and even the name 'packet'. NPL's work also convinced Roberts that organizing good bandwidth would require higher speeds, so he updated his plans to communication lines of 50 Kbit/s. The fundamental part of the routing problem was solved to create ARPANET.
However, there is another version of the emergence of the packet switching idea. Roberts later claimed that he already had similar thoughts in his head, thanks to the work of his colleague, Len Kleinrock, who allegedly described this concept back in 1962 in his doctoral dissertation on communication networks. However, extracting such an idea from this work is incredibly difficult, and I could not find any other confirmations of this version.
Networks that didn't exist
As we can see, two teams outpaced ARPA in developing packet switching, a technology so effective that it now underpins virtually all communications. So why did ARPANET become the first significant network to use it?
It all comes down to organizational nuances. ARPA did not have official permission to create a communication network, but there were already numerous research centers with their computers, a culture of 'free' morals that was practically unmonitored, and mountains of money. Taylor's initial 1966 request for funds to create ARPANET stated a figure of $1 million, and Roberts continued to spend that amount annually from 1969 onwards to create and operate this network. For ARPA, such money was a pittance, so none of his superiors were concerned about what Roberts was doing with it, as long as it could somehow be related to national defense needs.
Beran had neither the capabilities nor the authority at RAND to do anything. His work was purely research and analytical, and it could be applied to defense if desired. In 1965, RAND indeed recommended his Air Force system, and they agreed on the viability of the project. However, its implementation fell to the Defense Communications Agency, which did not have much expertise in digital communication. Beran convinced management at RAND that it was better to take the proposal than to allow it to be implemented poorly and ruin the reputation of distributed digital communication.
Davis, as the head of NPL, had far greater power than Beran, but a more limited budget than ARPA, and he did not have a ready-made social and technical network of research computers. He managed to create a prototype local area network with packet switching (there was only one node, but many terminals) at NPL in the late 1960s, on a modest budget of £120,000 over three years. ARPANET spent about half that amount annually on operation and maintenance at each of the numerous nodes, excluding initial investments in hardware and software. The organization capable of creating a large-scale British packet-switched network was the British Post Office, which managed telecommunications networks in the country, besides postal communication. Davis managed to interest several influential officials with his ideas for a national-scale unified digital network, but changing the course of such a massive system was beyond his power.
Licklider, combining luck and planning, found a splendid greenhouse where his intergalactic network could flourish. However, it cannot be claimed that everything besides packet switching depended on money. The execution of the idea also played a role. Moreover, the spirit of ARPANET was defined by several other important decisions at the design stage. Therefore, we will further explore how the responsibility was distributed between the computers sending and receiving messages and the network through which they sent those messages.
Wat nog meer te lezen
- Janet Abbate, Inventing the Internet (1999)
- Katie Hafner en Matthew Lyon, Where Wizards Stay Up Late (1996)
- Leonard Kleinrock, “An Early History of the Internet,” IEEE Communications Magazine (August 2010)
- Arthur Norberg en Julie O’Neill, Transforming Computer Technology: Information Processing for the Pentagon, 1962-1986 (1996)
- M. Mitchell Waldrop, The Dream Machine: J.C.R. Licklider and the Revolution That Made Computing Personal (2001)
Bron: habr.com
