كيف أنقذ المهندسون في شركة Digital Equipment Corp. شبكة إيثرنت

لقد استمتعت بقراءة مقالات المجلات حول الذكرى الخمسين لـ Ethernet، بما في ذلك واحدة في المعهد. اخترعها علماء الكمبيوتر روبرت ميتكالف وديفيد بوجز، وكان لشبكة إيثرنت تأثير كبير للغاية. حصل ميتكالف، وهو زميل في IEEE، على وسام الشرف من IEEE لعام 1996 بالإضافة إلى جائزة تورينج لعام 2022 من جمعية آلات الحوسبة لعمله. لكن هناك المزيد في القصة غير معروف على نطاق واسع.

خلال الثمانينيات وأوائل التسعينيات، قمت بقيادة مجموعة التطوير المتقدم للشبكات التابعة لشركة Digital Equipment Corp في ماساتشوستس. لقد كنت شاهدًا مباشرًا على فترة كانت مليئة بالفرص العظيمة لتقنيات الشبكات المحلية (LAN) والمنافسة الشديدة بين جهود التقييس.

استعدت شركات DEC وIntel وXerox لتحقيق الربح من إطلاق شبكة Ethernet في السبعينيات. ولكن خلال الثمانينات ظهرت تقنيات LAN أخرى كمنافسين. وكان من بين المتنافسين الرئيسيين حلقة الرمز المميز، التي روجت لها شركة IBM، وحافلة الرمز المميز. (تعد شبكة Ethernet وكلتا التقنيات المعتمدة على الرمز المميز اليوم جزءًا من عائلة معايير IEEE 802.)

تشترك كل هذه الشبكات المحلية في بعض الأجزاء الأساسية. أحدهما هو عنوان التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) ذو 48 بت، وهو رقم فريد يتم تعيينه أثناء عملية تصنيع منفذ شبكة الكمبيوتر. يتم استخدام عناوين MAC داخل الشبكة المحلية فقط، ولكنها ضرورية لتشغيلها. وعادة ما يكون لديهم، إلى جانب أجهزة الكمبيوتر ذات الأغراض العامة الموجودة على الشبكة، جهاز كمبيوتر واحد على الأقل للأغراض الخاصة: جهاز توجيه، وظيفته الأساسية هي إرسال البيانات إلى الإنترنت واستلامها منها نيابة عن جميع أجهزة الكمبيوتر الأخرى على الشبكة المحلية.

في نموذج مفاهيمي للشبكات عمره عقود من الزمن، يُشار إلى الشبكة المحلية (LAN) نفسها (الأسلاك والأجهزة ذات المستوى المنخفض) بالطبقة الثانية، أو طبقة ارتباط البيانات. تتعامل أجهزة التوجيه في الغالب مع نوع آخر من العناوين: عنوان الشبكة الذي يتم استخدامه داخل الشبكة المحلية وخارجها. من المحتمل أن العديد من القراء قد سمعوا هذه المصطلحات بروتوكول إنترنت و عنوان IP. مع بعض الاستثناءات، يكون عنوان IP (عنوان الشبكة) الموجود في حزمة البيانات كافيًا لضمان إمكانية تسليم الحزمة في أي مكان على الإنترنت من خلال سلسلة من أجهزة التوجيه الأخرى التي يتم تشغيلها بواسطة موفري الخدمة وشركات النقل. يشار إلى أجهزة التوجيه والعمليات التي تقوم بها بالطبقة الثالثة، أو طبقة الشبكة.

في شبكة LAN الحلقية الرمزية، تقوم الأسلاك النحاسية المحمية بزوج ملتوي بتوصيل كل جهاز كمبيوتر بجيرانه من المنبع والمصب في بنية حلقية لا نهاية لها. يقوم كل كمبيوتر بإعادة توجيه البيانات من جاره الأعلى إلى الكمبيوتر التالي له، لكن يمكنه إرسال بياناته الخاصة إلى الشبكة فقط بعد أن يتلقى حزمة بيانات قصيرة – رمزًا مميزًا – من جاره الأعلى. إذا لم يكن لديه بيانات لنقلها، فإنه يقوم فقط بتمرير الرمز المميز إلى جاره في اتجاه المصب، وهكذا.

في شبكة LAN الناقلة للرمز المميز، يقوم الكبل المحوري بتوصيل جميع أجهزة الكمبيوتر الموجودة على الشبكة، لكن الأسلاك لا تتحكم في الترتيب الذي تمرر به أجهزة الكمبيوتر الرمز المميز. تتفق أجهزة الكمبيوتر على التسلسل الذي تمرر به الرمز المميز، وتشكل حلقة افتراضية لا نهاية لها تدور حولها البيانات والرموز المميزة.

وفي الوقت نفسه، أصبحت شبكة إيثرنت مرادفة لاتصالات الكابلات المحورية التي تستخدم طريقة تسمى الناقل استشعار الوصول المتعدد مع كشف الاصطدام لإدارة عمليات الإرسال. في طريقة CSMA/CD، تستمع أجهزة الكمبيوتر التي ترغب في إرسال حزمة بيانات أولاً لمعرفة ما إذا كان جهاز كمبيوتر آخر يقوم بالإرسال. إذا لم يكن الأمر كذلك، يرسل الكمبيوتر الحزمة الخاصة به أثناء الاستماع لتحديد ما إذا كانت تلك الحزمة تتصادم مع حزمة من كمبيوتر آخر. يمكن أن تحدث التصادمات لأن انتشار الإشارة بين أجهزة الكمبيوتر ليس فوريًا. في حالة حدوث تصادم، يقوم الكمبيوتر المرسل بإعادة إرسال الحزمة الخاصة به مع تأخير يحتوي على مكون عشوائي ومكون متزايد بشكل كبير يعتمد على عدد التصادمات.

تتضمن الحاجة إلى اكتشاف الاصطدامات مفاضلات بين معدل البيانات والطول الفعلي والحد الأدنى لحجم الحزمة. إن زيادة معدل البيانات بترتيب من حيث الحجم يعني إما تقليل الطول الفعلي أو زيادة الحد الأدنى لحجم الحزمة بنفس العامل تقريبًا. لقد اختار مصممو شبكة الإيثرنت بحكمة نقطة جيدة من بين المفاضلات: 10 ميجابت في الثانية وطول 1500 متر.

تهديد من الألياف

وفي الوقت نفسه، كان ائتلاف من الشركات – بما في ذلك صاحب العمل، DEC – يعمل على تطوير معيار ANSI LAN جديد: واجهة البيانات الموزعة بالألياف. استخدم نهج FDDI مجموعة متنوعة من بروتوكول الناقل المميز لنقل البيانات عبر الألياف الضوئية، وسرعات واعدة تبلغ 100 ميجا بايت / ثانية، وهي أسرع بكثير من سرعة إيثرنت البالغة 10 ميجا بايت / ثانية.

أصدر وابل من المنشورات الفنية تحليلات للإنتاجية وزمن الوصول لتقنيات الشبكات المحلية المتنافسة في ظل أعباء العمل المختلفة. نظرًا للنتائج ومتطلبات أداء الشبكة الأكبر بكثير المتوقعة من المعالجات الأسرع وذاكرة الوصول العشوائي ووحدات التخزين غير المتطايرة، كان أداء Ethernet المحدود يمثل مشكلة خطيرة.

بدا FDDI رهانًا أفضل لإنشاء شبكات LAN ذات سرعة أعلى من Ethernet، على الرغم من أن FDDI استخدم مكونات باهظة الثمن وتقنيات معقدة، خاصة لاستعادة الأخطاء. لكن جميع بروتوكولات الوصول إلى الوسائط المشتركة كانت تحتوي على واحدة أو أكثر من الميزات غير الجذابة أو قيود الأداء، وذلك بفضل التعقيد الذي تنطوي عليه مشاركة الأسلاك أو الألياف الضوئية.

يظهر حل

اعتقدت أن النهج الأفضل من FDDI أو إصدار أسرع من Ethernet هو تطوير تقنية LAN التي تؤدي عمليات التبديل بين التخزين وإعادة التوجيه.

في إحدى الأمسيات من عام 1983، قبل أن أغادر العمل وأعود إلى المنزل، قمت بزيارة مكتب مارك كيمبف، وهو مهندس رئيسي وعضو في فريقي. قام مارك، أحد أفضل المهندسين الذين عملت معهم على الإطلاق، بتصميم الخادم الطرفي DECServer 100 المشهور والمربح، والذي استخدم بروتوكول النقل المحلي (LAT) الذي أنشأه Bruce Mann من مجموعة الهندسة المعمارية لشركة DEC. تقوم الخوادم الطرفية بتوصيل مجموعات من المحطات الطرفية الغبية، مع منافذ RS-232 التسلسلية فقط، بأنظمة الكمبيوتر ذات منافذ Ethernet.

لقد أخبرت مارك عن فكرتي حول استخدام ميزة التبديل بين المتجر وإعادة التوجيه لزيادة أداء الشبكة المحلية (LAN).

في صباح اليوم التالي، جاء بفكرة جسر التعلم (المعروف أيضًا باسم مفتاح الطبقة الثانية أو ببساطة مفتاح التبديل). سيتصل الجسر بشبكتي Ethernet LAN. من خلال الاستماع إلى كل حركة المرور على كل شبكة LAN، سيتعرف الجهاز على عناوين MAC الخاصة بأجهزة الكمبيوتر الموجودة على كلا شبكتي Ethernet (يتذكر الكمبيوتر الذي كان متصلاً بشبكة Ethernet) ثم يعيد توجيه الحزم المناسبة بشكل انتقائي بين شبكات LAN بناءً على عنوان MAC الوجهة. لم تكن أجهزة الكمبيوتر الموجودة على الشبكتين بحاجة إلى معرفة المسار الذي ستتخذه بياناتها على الشبكة المحلية الموسعة؛ بالنسبة لهم، كان الجسر غير مرئي.

سيحتاج الجسر إلى استقبال ومعالجة حوالي 30000 حزمة في الثانية (15000 صفحة في الثانية لكل إيثرنت) وتحديد ما إذا كان سيتم إعادة توجيه كل حزمة أم لا. على الرغم من أن متطلبات 30000 نقطة في الثانية كانت قريبة من الحد الأقصى لما يمكن القيام به باستخدام أفضل تكنولوجيا المعالجات الدقيقة في ذلك الوقت، موتورولا 68000، كان مارك واثقًا من قدرته على بناء جسر ثنائي إيثرنت باستخدام المكونات الجاهزة فقط بما في ذلك محرك أجهزة متخصص سيصممه باستخدام أجهزة منطق المصفوفة القابلة للبرمجة (PAL) وذاكرة الوصول العشوائي الثابتة المخصصة للبحث عن عناوين MAC ذات 48 بت.

لم يتم الاعتراف بمساهمات مارك على نطاق واسع. الاستثناء الوحيد هو الكتاب المدرسي خوارزميات الشبكة بواسطة جورج فارغيز.

في شبكة تم تكوينها بشكل خاطئ – شبكة بها جسور تربط شبكات إيثرنت في حلقة – يمكن للحزم أن تدور إلى الأبد. شعرنا بالثقة في أننا نستطيع إيجاد طريقة لمنع ذلك. في حالة الضرورة، يمكن شحن المنتج بدون ميزة الأمان. ومن الواضح أن الجهاز ذو المنفذين كان مجرد نقطة البداية. يمكن أن تتبع الأجهزة متعددة المنافذ، على الرغم من أنها تتطلب مكونات مخصصة.

لقد نقلت فكرتنا إلى ثلاثة مستويات من الإدارة، بحثًا عن الموافقة لبناء نموذج أولي لجسر التعلم الذي تصوره مارك. قبل نهاية اليوم، حصلنا على الضوء الأخضر على أساس أن المنتج سيتبع إذا نجح النموذج الأولي.

تطوير الجسر

لقد تحدى مديري المباشر في DEC، توني لاوك، العديد من المهندسين والمعماريين لحل مشكلة تكرار الحزم في الشبكات التي تم تكوينها بشكل خاطئ. وفي غضون أيام قليلة، كان لدينا العديد من الحلول المحتملة. قدمت راديا بيرلمان، المهندسة المعمارية في مجموعة توني، الفائز الواضح: بروتوكول الشجرة الممتدة.

في منهج بيرلمان، تكتشف الجسور بعضها البعض، وتحدد جسرًا جذريًا وفقًا لمعايير محددة، ثم تحسب الحد الأدنى من الشجرة الممتدة. MST عبارة عن بنية رياضية تصف، في هذه الحالة، كيفية توصيل الشبكات المحلية والجسور بكفاءة بدون حلقات. تم بعد ذلك استخدام MST لوضع أي جسر سيؤدي وجوده إلى إنشاء حلقة في وضع النسخ الاحتياطي. وكميزة جانبية، فقد وفرت الاسترداد الآلي في حالة فشل الجسر.

الوحدة المنطقية لـ LANBridge 100 المفككة، والتي أصدرتها شركة Digital Equipment Corp. في عام 1986. آلان كيربي

صمم مارك الأجهزة والكود منخفض المستوى الحساس للتوقيت، بينما كتب مهندس البرمجيات بوب شيلي البرامج المتبقية. وفي عام 1986، قدمت DEC هذه التقنية باسم LANBridge 100، رمز المنتج DEBET-AA.

وبعد فترة وجيزة، قامت شركة DEC بتطوير DEBET-RC، وهو إصدار يدعم امتداد الألياف الضوئية بطول 3 كيلومترات بين الجسور. يمكن العثور على أدلة لبعض DEBET-RCs على موقع Bitsavers.

لم تحل فكرة مارك محل الإيثرنت، وكان هذا هو تألقها. من خلال السماح بالتبديل للتخزين وإعادة التوجيه بين شبكات Ethernet القائمة على CSMA/CD، سمحت الجسور بإجراء ترقيات سهلة لشبكات LAN الحالية. نظرًا لأن أي تصادم لن ينتشر خارج الجسر، فإن توصيل شبكتي إيثرنت بجسر سيؤدي على الفور إلى مضاعفة حد الطول لكابل إيثرنت واحد فقط. والأهم من ذلك، أن وضع أجهزة الكمبيوتر التي تتواصل بشكل كبير مع بعضها البعض على نفس كابل إيثرنت من شأنه أن يعزل حركة المرور إلى ذلك الكابل، في حين أن الجسر سيظل يسمح بالاتصال بأجهزة الكمبيوتر الموجودة على كابلات إيثرنت الأخرى.

أدى ذلك إلى تقليل حركة المرور على كلا الكابلين، مما أدى إلى زيادة السعة مع تقليل تكرار الاصطدامات. إذا أخذنا إلى الحد الأقصى، كان ذلك يعني في النهاية إعطاء كل كمبيوتر كابل إيثرنت خاصًا به، مع جسر متعدد المنافذ يربطهم جميعًا.

وهذا هو ما أدى إلى التحول التدريجي بعيدًا عن CSMA/CD عبر الكابل المحوري إلى وصلات النحاس والألياف الموجودة الآن في كل مكان بين أجهزة الكمبيوتر الفردية ومنفذ التبديل المخصص.

لم تعد سرعة الروابط مقيدة بقيود اكتشاف الاصطدام. وبمرور الوقت، غيّر هذا التغيير تمامًا طريقة تفكير الناس في شبكة إيثرنت.

يمكن أن يحتوي الجسر أيضًا على منافذ لأنواع مختلفة من شبكات LAN إذا كانت رؤوس الحزمة المرتبطة متشابهة بدرجة كافية.

قام فريقنا لاحقًا بتطوير GIGAswitch، وهو جهاز متعدد المنافذ يدعم كلاً من Ethernet وFDDI.

أدى وجود الجسور ذات الأداء العالي بشكل متزايد إلى إحباط أشرعة أولئك الذين قاموا بتطوير بروتوكولات الوصول إلى الشبكة المحلية (LAN) الجديدة للوسائط المشتركة. تلاشى FDDI لاحقًا من السوق في مواجهة إصدارات Ethernet الأسرع.

لم تكن تكنولوجيا الجسر خالية من الجدل بالطبع. لا يزال بعض المهندسين يعتقدون أن تبديل الطبقة الثانية فكرة سيئة وأن كل ما تحتاجه هو أجهزة توجيه أسرع من الطبقة الثالثة لنقل الحزم بين شبكات LAN. ومع ذلك، في ذلك الوقت، لم يكن بروتوكول الإنترنت (IP) قد فاز على مستوى الشبكة، وكانت DECNet وSNA الخاصة بشركة IBM وبروتوكولات الشبكة الأخرى تتقاتل من أجل الهيمنة. سيعمل التبديل في الطبقة الثانية مع أي بروتوكول شبكة.

حصل مارك على براءة اختراع أمريكية للجهاز في عام 1986. وعرضت شركة DEC ترخيصه على أساس مجاني، مما يسمح لأي شركة باستخدام هذه التكنولوجيا.

أدى ذلك إلى جهود توحيد IEEE. اعتمدت شركات الشبكات والشركات الناشئة القائمة وبدأت العمل على تحسين تكنولوجيا التبديل. ساهمت التحسينات الأخرى – بما في ذلك شرائح ASIC الخاصة بالمحولات، والشبكات المحلية الافتراضية، وتطوير وسائط مادية أسرع وأقل تكلفة والإلكترونيات المرتبطة بها – بشكل ثابت في طول عمر شبكة إيثرنت وشعبيتها.

لا تكمن القيمة الدائمة للإيثرنت في CSMA/CD أو وسائطها المحورية الأصلية ولكن في الخدمة الوظيفية وسهلة الفهم التي تقدمها لمصممي البروتوكول.

إن المحولات الموجودة في العديد من الشبكات المنزلية اليوم تنحدر مباشرة من الابتكار. وتحتوي مراكز البيانات الحديثة على العديد من المحولات ذات المنافذ الفردية التي تعمل بسرعة تتراوح بين 40 و800 جيجابت في الثانية. ويحقق سوق تبديل مراكز البيانات وحده إيرادات سنوية تزيد عن 10 مليارات دولار أمريكي.

ذات يوم، قال لاوك، مديري في DEC، إن قيمة الهندسة المعمارية يمكن قياسها بعدد أجيال التكنولوجيا التي تكون مفيدة فيها. وبهذا المقياس، حققت شبكة Ethernet نجاحًا هائلاً. ويمكن قول الشيء نفسه عن تبديل الطبقة الثانية.

لا أحد يعرف ما الذي كان سيحدث لشبكة إيثرنت لو لم يخترع مارك جسر التعلم. ربما كان شخص آخر قد طرح هذه الفكرة. ولكن من الممكن أيضًا أن تتلاشى شبكة Ethernet ببطء.

بالنسبة لي، أنقذ مارك إيثرنت.