Digital Equipment Corp. のエンジニアはどのようにしてイーサネットを救ったのか

私は Ethernet の 50 周年に関する雑誌記事を楽しく読んできました。 研究所。 コンピューター科学者のロバート メトカーフ氏とデビッド ボッグス氏によって発明されたイーサネットは、非常に大きな影響力を持っています。 IEEE フェローのメトカーフ氏は、その功績により 1996 年に IEEE 名誉勲章を受賞し、2022 年にはコンピューター機械協会からチューリング賞を受賞しました。 しかし、この話にはあまり知られていない続きがあります。

1980 年代から 1990 年代初頭にかけて、私はマサチューセッツ州にある Digital Equipment Corp. のネットワーク先進開発グループを率いていました。 私は、LAN テクノロジにとって大きなチャンスがあり、標準化の取り組み間の熾烈な競争があった時期を直接目撃しました。

DEC、インテル、ゼロックスは、1970 年代のイーサネットの立ち上げから利益を得る準備を整えていました。 しかし、1980 年代には、他の LAN テクノロジーが競合他社として登場しました。 主な候補には、IBM が推進するトークン リングとトークン バスが含まれていました。 (現在、イーサネットと両方のトークンベースのテクノロジーは、IEEE 802 標準ファミリーの一部です。)

これらすべての LAN には、共通する基本的な部分がいくつかあります。 1 つは 48 ビットのメディア アクセス コントロール (MAC) アドレスで、コンピューターのネットワーク ポートの製造プロセス中に割り当てられる固有の番号です。 MAC アドレスは LAN 内でのみ使用されますが、LAN の動作にとって重要です。 そして通常、ネットワーク上の汎用コンピュータとともに、少なくとも 1 台の専用コンピュータ、つまりルーターが存在します。ルーターの主な仕事は、他のすべてのコンピュータに代わってインターネットにデータを送受信することです。 LAN上で。

数十年前のネットワークの概念モデルでは、LAN 自体 (ワイヤーと低レベルのハードウェア) はレイヤー 2、つまりデータ リンク層と呼ばれていました。 ルーターはほとんどの場合、別の種類のアドレス、つまり LAN 内と LAN の外の両方で使用されるネットワーク アドレスを処理します。 多くの読者がこの用語を聞いたことがあるでしょう インターネットプロトコル そして IPアドレス。 一部の例外を除き、データ パケット内の IP アドレス (ネットワーク アドレス) は、サービス プロバイダーや通信事業者が運用する一連の他のルーターによってインターネット上のどこにでもパケットを確実に配信できるようにするのに十分です。 ルーターとルーターが実行する操作は、レイヤー 3、またはネットワーク層と呼ばれます。

トークン リング LAN では、シールドされたツイストペア銅線が、エンドレス リング構造で各コンピュータを上流および下流の隣接コンピュータに接続します。 各コンピュータは、上流の隣接コンピュータから下流のコンピュータにデータを転送しますが、上流の隣接コンピュータから短いデータ パケット (トークン) を受信した後でのみ、自身のデータをネットワークに送信できます。 送信するデータがない場合は、下流の隣接ノードにトークンを渡すだけです。

トークン バス LAN では、同軸ケーブルでネットワークのすべてのコンピューターが接続されますが、配線はコンピューターがトークンを渡す順序を制御しません。 コンピュータはトークンを渡す順序に同意し、データとトークンが循環する無限の仮想リングを形成します。

一方、イーサネットは、と呼ばれる方法を使用する同軸ケーブル接続の代名詞となっていました。 衝突検出付きキャリアセンスマルチアクセス 送信管理用。 CSMA/CD 方式では、データ パケットを送信したいコンピュータは、まず別のコンピュータが送信しているかどうかをリッスンします。 そうでない場合、コンピュータは、そのパケットが別のコンピュータからのパケットと衝突するかどうかを確認するためにリッスンしながらパケットを送信します。 コンピューター間の信号の伝播は瞬時ではないため、衝突が発生する可能性があります。 衝突が発生した場合、送信側コンピューターは、ランダムな成分と、衝突の数に応じて指数関数的に増加する成分の両方を含む遅延を伴ってパケットを再送信します。

衝突を検出する必要性には、データ レート、物理長、最小パケット サイズの間のトレードオフが関係します。 データ レートを 1 桁増やすということは、物理的な長さを減らすか、最小パケット サイズをほぼ同じ倍率で増やすことを意味します。 イーサネットの設計者は、トレードオフの中からスイート スポット、つまり 10 メガビット/秒と 1,500 メートルの長さを賢明に選択しました。

繊維の脅威

一方、私の雇用主である DEC を含む企業連合は、新しい ANSI LAN 標準であるファイバー分散データ インターフェイスを開発していました。 FDDI アプローチでは、トークン バス プロトコルのバリエーションを使用して光ファイバー経由でデータを送信し、イーサネットの 10 Mb/s よりもはるかに速い 100 Mb/s の速度を約束しました。

さまざまなワークロード下での競合する LAN テクノロジーのスループットと遅延の分析が、大量の技術出版物で発表されました。 この結果と、より高速なプロセッサ、RAM、および不揮発性ストレージから予想されるはるかに大きなネットワーク パフォーマンスの要求を考慮すると、イーサネットのパフォーマンスの制限は深刻な問題でした。

FDDI は、特に障害回復のために高価なコンポーネントと複雑なテクノロジーを使用していましたが、高速 LAN を構築するにはイーサネットよりも優れた選択肢であるように見えました。 しかし、有線または光ファイバーの共有に伴う複雑さのおかげで、すべての共有メディア アクセス プロトコルには 1 つ以上の魅力のない機能やパフォーマンスの制限がありました。

解決策が見えてくる

私は、FDDI やイーサネットの高速バージョンよりも優れたアプローチは、ストア アンド フォワード スイッチングを実行する LAN テクノロジを開発することだと考えました。

1983 年のある晩、仕事を終えて帰宅する直前、私は主任エンジニアでありチームのメンバーでもあるマーク ケンプのオフィスを訪れました。 私がこれまで一緒に仕事をした中で最高のエンジニアの 1 人である Mark は、DEC の企業アーキテクチャ グループの Bruce Mann が作成したローカル エリア トランスポート (LAT) プロトコルを使用する、人気があり収益性の高い DECServer 100 ターミナル サーバーを設計していました。 ターミナル サーバーは、RS-232 シリアル ポートのみを備えたダム端末のグループをイーサネット ポートを備えたコンピュータ システムに接続します。

私はマークに、ストア アンド フォワード スイッチングを使用して LAN のパフォーマンスを向上させるというアイデアについて話しました。

翌朝、彼はラーニング ブリッジ (レイヤー 2 スイッチ、または単にスイッチとも呼ばれます) のアイデアを持ってきました。 ブリッジは 2 つのイーサネット LAN に接続します。 各 LAN 上のすべてのトラフィックをリッスンすることで、デバイスは両方のイーサネット上のコンピュータの MAC アドレスを学習し (どのコンピュータがどのイーサネット上にあったかを記憶します)、宛先 MAC アドレスに基づいて LAN 間で適切なパケットを選択的に転送します。 2 つのネットワーク上のコンピュータは、拡張 LAN 上でデータがどのパスを通るかを知る必要はありませんでした。 彼らにとって、橋は見えませんでした。

ブリッジは、1 秒あたり約 30,000 パケット (イーサネットあたり 15,000 pp/s) を受信して処理し、それぞれを転送するかどうかを決定する必要があります。 30,000 pp/s の要件は、当時最高のマイクロプロセッサ テクノロジである Motorola 68000 を使用して実行できる限界に近かったものの、Mark は、彼は、プログラマブル アレイ ロジック (PAL) デバイスと 48 ビット MAC アドレスを検索する専用のスタティック RAM を使用して、特殊なハードウェア エンジンを設計しました。

マークの貢献は広く知られていません。 唯一の例外は教科書です ネットワークアルゴリズム ジョージ・ヴァルギーズ著。

ネットワークの構成が間違っている場合 (イーサネットをループ状に接続するブリッジがあるネットワーク) では、パケットが永久に循環する可能性があります。 私たちはそれを防ぐ方法を見つけられると確信していました。 緊急の場合、製品は安全機能なしで出荷される可能性があります。 そして明らかに、2 ポート デバイスは出発点にすぎません。 複数ポートのデバイスもこれに続く可能性がありますが、カスタム コンポーネントが必要になります。

私はこのアイデアを 3 つのレベルの管理層に持ち込み、マークが思い描いていたラーニング ブリッジのプロトタイプを構築するための承認を求めました。 その日が終わる前に、プロトタイプが成功すれば製品が生まれるという理解でゴーサインが出ました。

橋の開発

DEC での私の直属のマネージャーである Tony Lauck は、構成が間違っているネットワークにおけるパケット ループの問題を解決するよう数人のエンジニアやアーキテクトに挑戦しました。 数日以内に、考えられる解決策がいくつか見つかりました。 トニーのグループのアーキテクトであるラディア パールマンは、明確な勝者であるスパニング ツリー プロトコルを提供しました。

Perlman のアプローチでは、ブリッジが相互に検出し、指定された基準に従ってルート ブリッジを選択し、最小スパニング ツリーを計算します。 MST は数学的構造であり、この場合、ループを発生させずに LAN とブリッジを効率的に接続する方法を記述します。 次に、MST を使用して、その存在によってループが発生するブリッジをバックアップ モードに設定しました。 副次的な利点として、ブリッジ障害が発生した場合の自動回復機能が提供されました。

1986 年に Digital Equipment Corp. から発売された LANBridge 100 の分解図。 アラン・カービー

マークはハードウェアとタイミングに敏感な低レベル コードを設計し、ソフトウェア エンジニアのボブ シェリーが残りのプログラムを作成しました。 そして 1986 年に、DEC はこのテクノロジーを LANBridge 100 (製品コード DEBET-AA) として導入しました。

その後間もなく、DEC は橋間の 3 キロメートルの光ファイバー スパンをサポートするバージョンである DEBET-RC を開発しました。 一部の DEBET-RC のマニュアルは、Bitsavers Web サイトで見つけることができます。

マークのアイデアはイーサネットに取って代わるものではありませんでした。それがイーサネットの素晴らしさでした。 既存の CSMA/CD 同軸ベースのイーサネット間のストア アンド フォワード スイッチングを可能にすることで、ブリッジによって既存の LAN を簡単にアップグレードできるようになりました。 いかなる衝突もブリッジを超えて伝播しないため、2 つのイーサネットをブリッジに接続すると、1 本のイーサネット ケーブルだけの長さ制限が直ちに 2 倍になります。 さらに重要なことは、相互に頻繁に通信するコンピュータを同じイーサネット ケーブル上に配置すると、そのトラフィックがそのケーブルに分離される一方で、ブリッジによって他のイーサネット ケーブル上のコンピュータとの通信が可能になるということです。

これにより、両方のケーブルのトラフィックが減少し、衝突の頻度が減りながら容量が増加しました。 限界まで行くと、最終的には各コンピュータに独自のイーサネット ケーブルを提供し、すべてのコンピュータをマルチポート ブリッジで接続することになりました。

これが、同軸ケーブルを介した CSMA/CD から、個々のコンピュータと専用のスイッチ ポート間の、現在広く普及している銅線および光ファイバ リンクへの段階的な移行につながりました。

リンクの速度は、衝突検出の制約によって制限されなくなりました。 時間が経つにつれて、この変化は人々のイーサネットに対する考え方を完全に変えました。

関連するパケット ヘッダーが十分に類似していれば、ブリッジに異なる LAN タイプのポートを持たせることもできます。

私たちのチームはその後、イーサネットと FDDI の両方をサポートするマルチポート デバイスである GIGAswitch を開発しました。

パフォーマンスがますます向上するブリッジの存在は、新しい共有メディア LAN アクセス プロトコルを開発する人々の追い風を吹き飛ばしました。 FDDI はその後、より高速なイーサネット バージョンに直面して市場から姿を消しました。

もちろん、ブリッジ技術には論争がなかったわけではありません。 一部のエンジニアは、レイヤー 2 スイッチングは悪い考えであり、必要なのは LAN 間でパケットを転送するためにより高速なレイヤー 3 ルーターだけであると信じ続けています。 しかし、当時、ネットワーク レベルでは IP はまだ勝利しておらず、DECNet、IBM の SNA、およびその他のネットワーク プロトコルが覇権を争っていました。 レイヤ 2 でのスイッチングは、どのネットワーク プロトコルでも機能します。

マークは 1986 年にこのデバイスに関する米国特許を取得しました。DEC は、このテクノロジーをあらゆる企業に使用できるように、無償でライセンスを提供すると申し出ました。

これが IEEE の標準化の取り組みにつながりました。 既存のネットワーク企業や新興企業がスイッチング技術を採用し、改善に取り組み始めました。 スイッチ固有の ASIC、仮想 LAN、より高速で安価な物理メディアと関連電子機器の開発などのその他の機能強化は、イーサネットの寿命と人気に着実に貢献しました。

イーサネットの永続的な価値は、CSMA/CD やそのオリジナルの同軸メディアにあるのではなく、イーサネットがプロトコル設計者に提供する、理解しやすく機能的なサービスにあります。

今日の多くのホーム ネットワークのスイッチは、このイノベーションの直接の子孫です。 また、最新のデータセンターには、40 ～ 800 ギガビット/秒で動作する個々のポートを備えた多数のスイッチがあります。 データセンター スイッチ市場だけでも、年間収益が 100 億米ドルを超えています。

私の DEC マネージャーである Lauck はかつて、アーキテクチャの価値は、それが役立つテクノロジーの世代数によって測定できると述べました。 この点から見ると、イーサネットは大きな成功を収めています。 レイヤ 2 スイッチングについても同じことが言えます。

マークがラーニング ブリッジを発明していなかったら、イーサネットに何が起こっていたかは誰にもわかりません。 おそらく他の誰かがそのアイデアを思いついたでしょう。 しかし、イーサネットが徐々に衰退していった可能性もあります。

私にとって、マークはイーサネットを救ってくれました。