Internet-Verlauf: ARPANET - Paket

ARPA-Computernetzwerkdiagramm für Juni 1967. Ein leerer Kreis - ein Computer mit gemeinsamem Zugriff, ein Kreis mit einem Strich - ein Terminal für einen Benutzer


Gegen Ende des Jahres 1966 startete Robert Taylor mit Geldern von ARPA ein Projekt, um viele Computer zu einem einzigen System zu verbinden, inspiriert von der Idee des „ intergalaktischen Netzwerks “ von Joseph Carl Robert Liklider .

Taylor übertrug die Verantwortung für die Ausführung des Projekts auf die fähigen Hände von Larry Roberts . Im folgenden Jahr traf Roberts mehrere kritische Entscheidungen, die sich später in der technischen Architektur und Kultur von ARPANET und seinen Anhängern wiederholen werden, in einigen Fällen sogar für mehrere Jahrzehnte. Die erste wichtige Entscheidung, obwohl nicht in der Chronologie, bestand darin, den Mechanismus für das Weiterleiten von Nachrichten von einem Computer zu einem anderen zu bestimmen.

Das Problem

Wenn Computer A eine Nachricht an Computer B senden möchte, wie kann diese Nachricht von einem zum anderen gefunden werden? Theoretisch ist es möglich, jedem Knoten des Kommunikationsnetzwerks die Kommunikation mit allen anderen zu ermöglichen, indem jeder Knoten mit physischen Kabeln miteinander verbunden wird. Um mit B zu kommunizieren, sendet Computer A einfach eine Nachricht über das ausgehende Kabel, das ihn mit B verbindet. Dieses Netzwerk wird als vollständig verbunden bezeichnet. Für jede signifikante Netzwerkgröße wird dieser Ansatz jedoch schnell unpraktisch, da die Anzahl der Verbindungen mit dem Quadrat der Anzahl der Knoten zunimmt (genauer gesagt als (n ² - n) / 2).

Daher ist ein bestimmtes Verfahren zum Erstellen einer Nachrichtenroute erforderlich, das die Nachricht beim Eintreffen an einem Zwischenknoten weiter an das Ziel senden würde. In den frühen 1960er Jahren waren zwei grundlegende Ansätze zur Lösung dieses Problems bekannt. Die erste ist die Methode zum Umschalten von Nachrichten durch "Speichern und Übertragen". Dieser Ansatz wurde vom Telegraphensystem verwendet. Wenn eine Nachricht an einem Zwischenknoten ankam, wurde sie dort vorübergehend gespeichert (normalerweise in Form eines Papierbandes), bis es möglich wurde, sie weiter zum Ziel oder zu einem anderen Zwischenzentrum zu übertragen, das näher am Ziel liegt.

Dann erschien das Telefon und ein neuer Ansatz war erforderlich. Eine Verzögerung von mehreren Minuten nach jeder telefonischen Abgabe, die entschlüsselt und an das Ziel übertragen werden musste, würde ein Gesprächsgefühl mit einem Gesprächspartner auf dem Mars hervorrufen. Stattdessen verwendete das Telefon eine Leitungsvermittlung. Der Anrufer begann jeden Anruf mit einer speziellen Nachricht, in der angegeben wurde, wen er anrufen möchte. Zuerst sprachen sie mit dem Bediener und wählten dann eine Nummer, die von automatischen Geräten am Schalter verarbeitet wurde. Der Bediener oder das Gerät hat eine dedizierte elektrische Verbindung zwischen dem Anrufer und dem angerufenen Teilnehmer hergestellt. Bei Ferngesprächen kann dies mehrere Iterationen erfordern, die den Anruf über mehrere Switches verbinden. Nachdem die Verbindung hergestellt worden war, konnte das Gespräch selbst beginnen, und die Verbindung blieb bestehen, bis eine der Parteien sie durch Auflegen unterbrach.

Die digitale Kommunikation, die in ARPANET zum Verbinden von Computern verwendet wurde, die nach dem Time-Sharing- Schema arbeiteten, verwendete Funktionen sowohl des Telegraphen als auch des Telefons. Einerseits wurden Datennachrichten in separaten Paketen wie auf einem Telegraphen übertragen und nicht in Form von kontinuierlichen Gesprächen am Telefon. Diese Nachrichten können jedoch für verschiedene Zwecke unterschiedlich groß sein, von Konsolenbefehlen mit mehreren Zeichen Länge bis zu großen Dateien mit Daten, die von einem Computer auf einen anderen übertragen werden. Wenn sich die Dateien während des Transports verzögerten, beschwerte sich niemand darüber. Für die Remote-Interaktivität war jedoch eine schnelle Reaktion erforderlich, z. B. ein Anruf.

Ein wichtiger Unterschied zwischen Computer-Datennetzen einerseits und einem Telefon mit einem Telegraphen andererseits war die Empfindlichkeit gegenüber Fehlern in Daten, die von Maschinen verarbeitet wurden. 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 zweier Personen kaum ernsthaft stören. Wenn jedoch das Rauschen in der Leitung in dem an den Remotecomputer gesendeten Befehl ein einzelnes Bit von 0 auf 1 umschaltet, kann dies die Bedeutung des Befehls vollständig ändern. Daher musste jede Nachricht auf Fehler überprüft und erneut gesendet werden, wenn sie gefunden wurden. Solche Wiederholungen wären für große Nachrichten zu kostspielig, und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in ihnen war höher, da sie länger übertragen wurden.

Die Lösung für dieses Problem gelang dank zweier unabhängiger Ereignisse, die 1960 stattfanden. Die später auftretenden Ereignisse wurden jedoch zuerst von Larry Roberts und ARPA bemerkt.

Treffen

Im Herbst 1967 traf Roberts in Gatlinburg, Tennessee, hinter den bewaldeten Gipfeln der Great Smoky Mountains ein, um ein Dokument über die Pläne von ARPA zur Bereitstellung des Netzwerks zu liefern. Er hatte fast ein Jahr im Information Processing Technology Office (IPTO) gearbeitet, aber viele Details des Netzwerkdesigns waren noch recht vage, einschließlich der Lösung des Routing-Problems. Neben vagen Verweisen auf die Blöcke und ihre Größe war der einzige Hinweis in Roberts 'Arbeit eine kurze und ausweichende Bemerkung ganz am Ende: „Es scheint notwendig zu sein, eine regelmäßig genutzte Kommunikationsleitung beizubehalten, um Antworten von einem Zehntel bis einer Sekunde zu erhalten, die für interaktives Arbeiten erforderlich sind. "Dies ist in Bezug auf die Netzwerkressourcen sehr kostspielig. Wenn wir nicht schneller anrufen können, werden Nachrichtenumschaltung und -konzentration für die Netzwerkteilnehmer sehr wichtig." Offensichtlich hatte Roberts zu diesem Zeitpunkt noch nicht entschieden, ob er den Ansatz, den er 1965 bei Tom Marrill verfolgte, aufgeben sollte, dh Computer über ein DFÜ-Telefonnetz mit automatischer Wahl zu verbinden.

Zufälligerweise war eine andere Person auf demselben Symposium anwesend, mit einer viel besser durchdachten Idee zur Lösung des Problems des Routings in Datennetzen. Roger Scantbury überquerte den Atlantik und kam mit einem Bericht vom British National Physical Laboratory (NPL) an. Scantlebury zog Roberts nach seinem Vortrag beiseite und erzählte ihm von seiner Idee der Paketvermittlung . Diese Technologie wurde von seinem Leiter bei NPL, Donald Davis, entwickelt. In den USA sind Davis 'Erfolge und seine Geschichte kaum bekannt, obwohl die Davis-Gruppe von NPL im Herbst 1967 ARPA mit ihren Ideen mindestens ein Jahr voraus war.

Davis war, wie viele der frühen Pioniere elektronischer Computer, ausgebildeter Physiker. Er absolvierte das Imperial College in London im Jahr 1943 im Alter von 19 Jahren und wurde sofort zu einem geheimen Programm zur Entwicklung von Atomwaffen mit dem Codenamen Tube Alloys zugelassen . Dort leitete er eine Gruppe von Taschenrechnern, die mit mechanischen und elektrischen Taschenrechnern schnell numerische Lösungen für Probleme im Zusammenhang mit der Kernfusion herausgaben (ihr Führer war Emil Julius Klaus Fuchs , ein deutscher Expatriate-Physiker, der bereits begonnen hatte, die Geheimnisse der Atomwaffen an die UdSSR weiterzugeben ) Nach dem Krieg hörte er vom Mathematiker John Womersley von dem Projekt, das er in der NPL leitete - es war die Schaffung eines elektronischen Computers, der dieselben Berechnungen mit einer viel schnelleren Geschwindigkeit durchführen sollte. Der von Alan Turing entwickelte Computer wurde als ACE "Automatic Computing Machine" bezeichnet.

Davis griff diese Idee auf und stellte die NPL so schnell er konnte ein. Er trug zum detaillierten Design und zur Erstellung des ACE-Computers bei und war als Forschungsleiter in NPL weiterhin stark im Bereich Computer tätig. 1965 war er zufällig in den USA bei einem professionellen Treffen im Zusammenhang mit seiner Arbeit und nutzte diese Gelegenheit, um mehrere große computergestützte Standorte mit Zeitteilung zu besuchen, um zu sehen, worum es in der ganzen Aufregung ging. In der britischen Computerumgebung war die gemeinsame Nutzung von Zeit im amerikanischen Sinne der interaktiven gemeinsamen Nutzung von Computern zwischen mehreren Benutzern nicht bekannt. Stattdessen bedeutete ihre gemeinsame Nutzung der Zeit, die Computerlast auf mehrere Stapelverarbeitungsprogramme zu verteilen (so dass beispielsweise ein Programm funktioniert, während ein anderes gerade vom Band liest). Diese Option wird dann als Multiprogrammierung bezeichnet.

Davis 'Wanderungen führten ihn zum Project MAC am MIT, dem JOSS-Projekt 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 Teilen abzuhalten, um die britische Gemeinschaft über die neuen Technologien zu informieren, die sie in den USA kennengelernt hatten. Davis stimmte zu und beherbergte viele der wichtigsten Persönlichkeiten des amerikanischen Computerbereichs, darunter Fernando Jose Corbato ( Erfinder des "kompatiblen Time-Sharing-Systems" am MIT) und Larry Roberts selbst.

Während des Seminars (oder möglicherweise unmittelbar danach) war Davis von der Idee beeindruckt, dass die Philosophie des Time-Sharing auf die Kommunikationsleitungen von Computern und nicht nur auf die Computer selbst angewendet werden kann. Time-Sharing-Computer geben jedem Benutzer eine geringe Prozessorzeit und wechseln dann zu einem anderen, wodurch für jeden Benutzer die Illusion entsteht, einen eigenen interaktiven Computer zu haben. Ebenso kann durch Schneiden jeder Nachricht in Teile von Standardgröße, die Davis als "Pakete" bezeichnet, ein Kommunikationskanal von mehreren Computern oder Benutzern desselben Computers gemeinsam genutzt werden. Darüber hinaus würde dies alle Aspekte der Datenübertragung lösen, für die Telefon- und Telegraphenschalter schlecht angepasst waren. Ein Benutzer, der mit einem interaktiven Terminal arbeitet, kurze Befehle sendet und kurze Antworten empfängt, wird durch die Übertragung einer großen Datei nicht blockiert, da diese Übertragung in viele Pakete unterteilt wird. Jeder Schaden in solch großen Nachrichten wirkt sich auf ein einzelnes Paket aus, das leicht erneut übertragen werden kann, um die Nachricht zu vervollständigen.

Davis beschrieb seine Ideen in einer unveröffentlichten Arbeit aus dem Jahr 1966, "Ein Angebot für ein digitales Kommunikationsnetzwerk". Zu dieser Zeit standen die fortschrittlichsten Telefonnetzwerke kurz vor der Computerisierung von Switches, und Davis schlug vor, die Paketvermittlung in ein Telefonnetz der neuen Generation zu integrieren und ein einziges Breitband-Kommunikationsnetzwerk zu schaffen, das verschiedene Anforderungen verarbeiten kann, von einfachen Telefonanrufen bis hin zum Fernzugriff auf Computer. Bis dahin war Davis zum NPL-Manager befördert worden, und er bildete ein Team für digitale Kommunikation unter der Leitung von Scantlebury, um sein Projekt umzusetzen und eine funktionierende Demo zu erstellen.

Im Jahr vor der Gatlinburg-Konferenz erarbeitete das Scantlebury-Team alle Details zum Aufbau eines paketvermittelten Netzwerks. Ein Knoten könnte durch adaptives Routing ausfallen, das mit mehreren Pfaden zum Ziel arbeiten kann, und ein einzelnes Paket könnte durch erneutes Senden aufgelöst werden. Simulation und Analyse haben ergeben, dass die optimale Paketgröße 1000 Byte beträgt. Wenn Sie sie viel kleiner machen, sind die Leitungsdurchsatzkosten für die Metadaten im Header zu hoch und viel länger. Die Antwortzeit für interaktive Benutzer steigt aufgrund großer Nachrichten zu häufig an .


Scantleburys Arbeit enthielt Details wie das Paketformat ...


... und Analyse der Auswirkung von Paketgrößen auf die Netzwerklatenz.

In der Zwischenzeit führten die Durchsuchungen von Davis und Scantlebury zur Entdeckung detaillierter Forschungsarbeiten eines anderen Amerikaners, der einige Jahre zuvor auf eine ähnliche Idee gekommen war. Gleichzeitig dachte Paul Beran , ein Elektrotechniker der RAND Corporation, überhaupt nicht an die Bedürfnisse von Computerbenutzern mit Time-Sharing. RAND war eine Denkfabrik, die vom US-Verteidigungsministerium in Santa Monica, Kalifornien, finanziert wurde und nach dem Zweiten Weltkrieg gegründet wurde, um strategische Fragen für das Militär langfristig zu planen und zu analysieren. Berans Ziel war es, einen Atomkrieg zu verzögern, indem ein sehr zuverlässiges militärisches Kommunikationsnetz geschaffen wurde, das selbst einen groß angelegten Atomangriff überleben konnte. Ein solches Netzwerk würde einen Präventivschlag der UdSSR weniger attraktiv machen, da es sehr schwierig wäre, die Fähigkeit der Vereinigten Staaten zu zerstören, mehrere sensible Punkte als Reaktion darauf zu treffen. Zu diesem Zweck schlug Beran ein System vor, das Nachrichten in sogenannte Nachrichtenblöcke aufteilt, die unabhängig über ein Netzwerk von Kommunikationsknoten mit einer übermäßigen Anzahl von Verbindungen übertragen und dann am Endpunkt zusammengesetzt werden können.

ARPA hatte Zugriff auf Barans umfangreiche Berichte für RAND, aber da sie nicht mit interaktiven Computern verbunden waren, war ihre Bedeutung für ARPANET nicht offensichtlich. Roberts und Taylor wurden anscheinend nie bemerkt. Stattdessen präsentierte Scantlebury Roberts als Ergebnis eines zufälligen Treffens alles auf einem Silbertablett: einen durchdachten Schaltmechanismus, die Anwendbarkeit auf die Aufgabe, interaktive Computernetzwerke zu erstellen, Referenzmaterialien von RAND und sogar den Namen „Paket“. Die Arbeit von NPL überzeugte Roberts auch davon, dass es höhere Geschwindigkeiten erfordern würde, um eine gute Bandbreite zu erhalten, und aktualisierte seine Pläne auf 50-kbit / s-Verbindungen. Um ARPANET zu erstellen, wurde der grundlegende Teil des Routing-Problems gelöst.

Es stimmt, es gibt eine andere Version der Idee der Paketvermittlung. Roberts behauptete später, dass er dank der Arbeit seines Kollegen Len Kleinrock, der dieses Konzept angeblich bereits 1962 in seiner Doktorarbeit über Kommunikationsnetze beschrieben hatte, 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 nicht waren

Wie wir sehen können, waren bis zu zwei Teams ARPA bei der Entwicklung der Paketvermittlung voraus, eine Technologie, die sich als so effektiv herausstellte, dass sie jetzt 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 von Forschungszentren mit eigenen Computern, eine Kultur "freier" Moral, die fast niemand betrachtete, und Berge von Geld. Taylors erste Anfrage von 1966 nach Mitteln zur Schaffung von ARPANET kündigte eine Zahl von 1 Million US-Dollar an, und Roberts gab ab 1969 jedes Jahr so ​​viel für die Schaffung und den Betrieb dieses Netzwerks aus. Gleichzeitig war dieses Geld eine Kleinigkeit für ARPA, so dass keiner seiner Chefs sich Sorgen darüber machte, was Roberts mit ihnen machte, während es zumindest irgendwie auf die Bedürfnisse der nationalen Verteidigung zugeschnitten werden konnte.

Baran bei RAND hatte weder die Fähigkeit noch die Autorität, etwas zu tun. Seine Arbeit war rein forschend und analytisch und konnte auf Wunsch zur Verteidigung eingesetzt werden. 1965 empfahl RAND tatsächlich sein Luftwaffensystem und sie stimmten der Realisierbarkeit des Projekts zu. Die Umsetzung fiel jedoch auf die Schultern der Verteidigungskommunikationsagentur, und dort waren sie mit digitaler Kommunikation nicht besonders vertraut. Beran überzeugte die RAND-Behörden, dass es besser wäre, dieses Angebot anzunehmen, als ihn es trotzdem realisieren zu lassen und den Ruf der verteilten digitalen Kommunikation zu ruinieren.

Davis, als Chef der NPL, hatte viel mehr Macht als Baran, aber ein begrenzteres Budget als die ARPA, und er hatte kein vorgefertigtes soziales und technisches Netzwerk von Forschungscomputern. In den späten 1960er Jahren gelang es ihm, einen Prototyp eines lokalen paketvermittelten Netzwerks (es gab nur einen Knoten, aber viele Terminals) in der NPL mit einem bescheidenen Budget von 120.000 GBP über drei Jahre zu erstellen. ARPANET gab jedes Jahr etwa die Hälfte dieses Betrags für den Betrieb und die Wartung jedes der vielen Netzwerkknoten aus, ausgenommen die anfänglichen Investitionen in Hardware und Software. Die Organisation, die in der Lage war, ein großes britisches paketvermitteltes Netzwerk aufzubauen, war die britische Post, die im Land Telekommunikationsnetze mit Ausnahme von Direktwerbung betrieb. Davis gelang es, einige einflussreiche Beamte für seine Ideen zu einem nationalen digitalen Netzwerk zu interessieren, aber er konnte die Bewegungsrichtung eines so großen Systems nicht ändern.

Liklider, der Glück und Planung verband, fand ein wunderschönes Gewächshaus, in dem sein intergalaktisches Netzwerk gedeihen konnte. Gleichzeitig kann nicht behauptet werden, dass alles außer der Paketvermittlung auf Geld beruhte. Die Rolle und Umsetzung der Idee spielte ebenfalls eine Rolle. Darüber hinaus wurde der Geist von ARPANET auch durch mehrere andere wichtige Entscheidungen in der Entwurfsphase bestimmt. Daher werden wir weiter untersuchen, wie die Verantwortung zwischen den Computern, die Nachrichten gesendet und empfangen haben, und dem Netzwerk, über das sie diese Nachrichten gesendet haben, verteilt wurde.

Was noch zu lesen

• Janet Abbate, Das Internet erfinden (1999)
• Katie Hafner und Matthew Lyon, wo Zauberer lange aufbleiben (1996)
• Leonard Kleinrock, "Eine frühe Geschichte des Internets", IEEE Communications Magazine (August 2010)
• Arthur Norberg und Julie O'Neill, Transforming Computer Technology: Informationsverarbeitung für das Pentagon, 1962-1986 (1996)
• M. Mitchell Waldrop, Die Traummaschine: JCR Licklider und die Revolution, die das Rechnen persönlich machte (2001)