Ethernet 1973: jak notatka z Xerox PARC połączyła świat

Laboratorium kserokopiarek, które wynalazło przyszłość

Na początku lat 70. Xerox PARC (Palo Alto Research Center) było jednym z najbardziej niezwykłych miejsc w historii informatyki. To tam powstał komputer Xerox Alto z graficznym interfejsem i myszką, drukarka laserowa oraz programowanie obiektowe w języku Smalltalk. Był tylko jeden problem: Xerox chciał, żeby każdy pracownik miał na biurku własny komputer, a wszystkie te komputery miały drukować na jednej, bardzo drogiej drukarce laserowej.

Potrzebne było więc coś, czego wtedy praktycznie nie było: szybka sieć lokalna, która połączy setki maszyn w jednym budynku. Zadanie trafiło do młodego inżyniera Roberta (Boba) Metcalfe'a, który niedawno zajmował się podłączaniem MIT i Harvardu do sieci ARPANET, od której zaczął się internet.

Hawajskie radio i nieistniejący eter

Metcalfe zainspirował się projektem ALOHAnet z Uniwersytetu Hawajskiego. Norman Abramson połączył tam drogą radiową komputery rozsiane po wyspach. Każda stacja nadawała po prostu wtedy, kiedy chciała. Jeśli dwie nadały jednocześnie i ich pakiety się zderzyły, obie czekały losowy czas i próbowały ponownie. Metodę tę wymyślono raczej dla słabego ruchu radiowego, a przy większym obciążeniu ALOHAnet szybko się zatykał.

Metcalfe ją ulepszył. Zamiast radia użył kabla koncentrycznego, a stacje przed nadawaniem nasłuchiwały, czy medium jest wolne, i przerywały transmisję, gdy wykryły kolizję. Tak powstała metoda CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), na której przez kolejne dwie dekady opierał się Ethernet.

Nazwa też ma ciekawą historię. Pierwotnie sieć nazywała się Alto Aloha Network. Metcalfe zmienił ją na Ethernet, nawiązując do eteru światłonośnego, czyli hipotetycznego ośrodka, w którym według XIX-wiecznych fizyków miało rozchodzić się światło. Eksperyment Michelsona-Morleya dawno obalił istnienie eteru, ale Metcalfe'owi podobała się metafora: wspólne medium, które przenosi sygnał do wszystkich. Do tego nazwa nie wiązała sieci z żadnym konkretnym komputerem.

2,94 Mb/s, wampirze zaciski i gruby żółty kabel

Pierwszy Ethernet ruszył w PARC w 1973 roku z prędkością 2,94 Mb/s. Ta dziwna wartość wynikała z zegara komputera Alto. W 1976 roku Metcalfe i jego współpracownik David Boggs opublikowali w Communications of the ACM artykuł Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks, który do dziś jest klasyką informatyki.

Wczesne instalacje wyglądały zupełnie inaczej niż dzisiejsze biurowe sieci:

• Thick Ethernet (10BASE5) korzystał z grubego, sztywnego kabla koncentrycznego, zwykle żółtego, o średnicy około 1 cm, którego nie dało się wygiąć za rogiem biurka.
• Komputery podłączano przez tzw. wampirze zaciski (vampire taps), czyli metalowe kolce wbijane w kabel aż do żyły środkowej.
• Na kablu były oznaczenia co 2,5 metra, bo tylko w tych miejscach wolno było montować zaciski, żeby nie zakłócać sygnału.
• Jedna uszkodzona końcówka lub luźny terminator mógł unieruchomić cały segment sieci.

Dzisiejsi administratorzy, którzy narzekają na nieopisane kable w szafie rack, mogą tylko się cieszyć, że nie muszą szukać awarii w kilkudziesięciu metrach koncentryka nad sufitem podwieszanym.

Standard, który wygrał wojnę z IBM

Xerox nie potrafił zarobić na większości wynalazków z PARC, ale z Ethernetem postąpił mądrze. W 1979 roku Metcalfe odszedł z firmy i założył 3Com, a jednocześnie przekonał Xeroksa, DEC i Intela do wspólnej pracy nad otwartym standardem. W 1980 roku konsorcjum DIX opublikowało specyfikację Ethernetu 10 Mb/s, a w 1983 roku przyjęto ją jako standard IEEE 802.3.

Ethernet miał jednak poważnego rywala. IBM promował Token Ring, czyli sieć, w której stacje przekazywały sobie elektroniczny żeton i nadawać mogła tylko ta, która go aktualnie trzymała. Token Ring był przewidywalny, nie miał kolizji i stał za nim największy gracz w branży. Mimo to przegrał, bo:

1. Ethernet był otwarty i tańszy, więc karty sieciowe produkowały dziesiątki firm.
2. Standard 10BASE-T z 1990 roku przeniósł Ethernet na zwykłą skrętkę telefoniczną i złącza RJ-45, co radykalnie uprościło okablowanie.
3. Przełączniki (switche) wyeliminowały problem kolizji, który był największą słabością CSMA/CD.
4. Ethernet szybko przyspieszał: Fast Ethernet 100 Mb/s pojawił się w 1995 roku, a Token Ring utknął na 16 Mb/s.

To dobra lekcja także dla dzisiejszych firm: w IT zwykle wygrywa nie technologia doskonała, ale ta, która jest otwarta, tania i łatwa we wdrożeniu.

Od 3 Mb/s do 800 Gb/s – i co dalej

Mało która technologia z lat 70. przetrwała do dziś w tak dobrej formie. Ethernet przyspieszył mniej więcej 270 tysięcy razy, a format ramki pozostał zaskakująco podobny do pierwowzoru. Dzięki temu zgodność wsteczna jest ogromna: laptop z portem gigabitowym bez problemu dogada się ze switchem sprzed 20 lat.

Metcalfe zasłynął też tzw. prawem Metcalfe'a, według którego wartość sieci rośnie proporcjonalnie do kwadratu liczby podłączonych urządzeń. Nie wszystkie jego prognozy się sprawdziły. W 1995 roku przewidział, że internet załamie się w 1996 roku. Gdy do tego nie doszło, na konferencji w 1997 roku zmiksował wydruk swojego felietonu z wodą i dosłownie zjadł własne słowa. W 2023 roku otrzymał Nagrodę Turinga, najważniejsze wyróżnienie w informatyce, za wynalezienie i komercjalizację Ethernetu.

Dziś Ethernet to nie tylko biuro. Działa w centrach danych (400 i 800 Gb/s), w samochodach (Automotive Ethernet), w automatyce przemysłowej, a dzięki PoE zasila także kamery, telefony VoIP i punkty dostępowe Wi-Fi. Nawet sieć bezprzewodowa w Twoim biurze kończy się zwykle kablem ethernetowym wpiętym w switch.

Co historia Ethernetu mówi o sieci w Twojej firmie

Pięćdziesiąt lat rozwoju nie oznacza, że sieć działa sama. W małych i średnich firmach często spotykamy te same problemy:

• Stare okablowanie kategorii 5 i tanie, niezarządzalne switche, które ograniczają przepustowość do 100 Mb/s, choć cała reszta sprzętu obsługuje gigabit.
• Pętle w sieci po tym, jak ktoś wepnie kabel w dwa porty tego samego switcha. To współczesny odpowiednik luźnego terminatora na koncentryku.
• Brak segmentacji, przez co drukarki, kamery, komputery księgowości i goście z Wi-Fi siedzą w jednej sieci. Warto zabezpieczyć warstwę drugą, o czym piszemy w artykule o bezpieczeństwie przełączników sieciowych.
• Brak kopii konfiguracji switchy i routerów, przez co awaria jednego urządzenia oznacza godziny odtwarzania ustawień z pamięci.

Jeśli planujesz przeprowadzkę biura, nową serwerownię albo modernizację infrastruktury, warto zaprojektować sieć od początku: z porządnym okablowaniem, zarządzalnymi przełącznikami, VLAN-ami i miejscem na rozbudowę. Takie projekty realizujemy w ramach wdrożeń serwerów i infrastruktury dla firm z Wrocławia i okolic.