J’ai aimé lire des articles de magazines sur le 50e anniversaire d’Ethernet, dont un dans le L’Institut. Inventé par les informaticiens Robert Metcalfe et David Boggs, Ethernet a eu un impact extraordinaire. Metcalfe, membre de l’IEEE, a reçu la médaille d’honneur de l’IEEE 1996 ainsi que le prix Turing 2022 de l’Association for Computing Machinery pour son travail. Mais il y a bien plus dans cette histoire qui n’est pas largement connue.
Au cours des années 1980 et au début des années 1990, j’ai dirigé le groupe de développement avancé des réseaux de Digital Equipment Corp. dans le Massachusetts. J’ai été un témoin direct de ce qui constituait une période de grandes opportunités pour les technologies LAN et d’une concurrence intense entre les efforts de normalisation.
DEC, Intel et Xerox s’apprêtaient à tirer profit du lancement d’Ethernet dans les années 1970. Mais au cours des années 1980, d’autres technologies LAN sont apparues comme concurrentes. Les principaux concurrents comprenaient le token ring, promu par IBM, et le token bus. (Aujourd’hui, Ethernet et les deux technologies basées sur des jetons font partie de la famille de normes IEEE 802.)
Tous ces réseaux locaux ont certains éléments de base en commun. L’une d’elles est l’adresse MAC (Media Access Control) de 48 bits, un numéro unique attribué lors du processus de fabrication du port réseau d’un ordinateur. Les adresses MAC sont utilisées uniquement à l’intérieur du réseau local, mais elles sont essentielles à son fonctionnement. Et généralement, outre les ordinateurs à usage général du réseau, ils disposent d’au moins un ordinateur spécialisé : un routeur, dont la tâche principale est d’envoyer des données vers Internet et de les recevoir depuis Internet au nom de tous les autres ordinateurs. sur le réseau local.
Dans un modèle conceptuel de réseau vieux de plusieurs décennies, le réseau local lui-même (les câbles et le matériel de bas niveau) est appelé couche 2, ou couche de liaison de données. Les routeurs traitent généralement un autre type d’adresse : une adresse réseau qui est utilisée à la fois au sein du réseau local et à l’extérieur de celui-ci. De nombreux lecteurs ont probablement entendu les termes protocole Internet et adresse IP. À quelques exceptions près, l’adresse IP (une adresse réseau) dans un paquet de données est suffisante pour garantir que le paquet peut être transmis n’importe où sur Internet par une séquence d’autres routeurs exploités par des fournisseurs de services et des opérateurs. Les routeurs et les opérations qu’ils effectuent sont appelés couche 3 ou couche réseau.
Dans un réseau local en anneau à jeton, des fils de cuivre à paire torsadée blindés connectent chaque ordinateur à ses voisins en amont et en aval dans une structure en anneau sans fin. Chaque ordinateur transfère les données de son voisin en amont vers son voisin en aval, mais ne peut envoyer ses propres données au réseau qu’après avoir reçu un court paquet de données (un jeton) du voisin en amont. S’il n’a aucune donnée à transmettre, il transmet simplement le jeton à son voisin en aval, et ainsi de suite.
Dans un réseau local à bus de jeton, un câble coaxial connecte tous les ordinateurs du réseau, mais le câblage ne contrôle pas l’ordre dans lequel les ordinateurs transmettent le jeton. Les ordinateurs s’accordent sur l’ordre dans lequel ils transmettent le jeton, formant ainsi un anneau virtuel sans fin autour duquel circulent les données et les jetons.
Ethernet, quant à lui, était devenu synonyme de connexions par câble coaxial utilisant une méthode appelée Carrier sense accès multiple avec détection de collision pour gérer les transmissions. Dans la méthode CSMA/CD, les ordinateurs qui souhaitent transmettre un paquet de données écoutent d’abord si un autre ordinateur est en train de transmettre. Sinon, l’ordinateur envoie son paquet tout en écoutant pour déterminer si ce paquet entre en collision avec celui d’un autre ordinateur. Des collisions peuvent survenir car la propagation du signal entre ordinateurs n’est pas instantanée. En cas de collision, l’ordinateur émetteur renvoie son paquet avec un délai qui comporte à la fois une composante aléatoire et une composante croissante exponentielle qui dépend du nombre de collisions.
La nécessité de détecter les collisions implique des compromis entre le débit de données, la longueur physique et la taille minimale des paquets. Augmenter le débit de données d’un ordre de grandeur signifie soit réduire la longueur physique, soit augmenter la taille minimale du paquet d’à peu près le même facteur. Les concepteurs d’Ethernet avaient judicieusement choisi un compromis idéal : 10 mégabits par seconde et une longueur de 1 500 mètres.
Une menace de la fibre
Pendant ce temps, une coalition d’entreprises, dont mon employeur, DEC, développait une nouvelle norme ANSI LAN : la Fiber Distributed Data Interface. L’approche FDDI utilisait une variante du protocole de bus à jetons pour transmettre des données sur fibre optique, promettant des vitesses de 100 Mb/s, bien plus rapides que les 10 Mb/s d’Ethernet.
Une avalanche de publications techniques ont publié des analyses des débits et des latences des technologies LAN concurrentes sous diverses charges de travail. Compte tenu des résultats et des exigences de performances réseau beaucoup plus élevées attendues de la part de processeurs plus rapides, de RAM et de stockage non volatile, les performances limitées d’Ethernet constituaient un problème sérieux.
FDDI semblait être un meilleur choix pour créer des réseaux locaux à vitesse plus élevée qu’Ethernet, même si FDDI utilisait des composants coûteux et une technologie complexe, en particulier pour la récupération des pannes. Mais tous les protocoles d’accès aux médias partagés présentaient une ou plusieurs fonctionnalités peu attrayantes ou des limitations de performances, en raison de la complexité impliquée dans le partage d’un fil ou d’une fibre optique.
Une solution émerge
Je pensais qu’une meilleure approche que FDDI ou une version plus rapide d’Ethernet serait de développer une technologie LAN effectuant une commutation de stockage et de retransmission.
Un soir de 1983, juste avant de quitter le travail pour rentrer chez moi, j’ai visité le bureau de Mark Kempf, ingénieur principal et membre de mon équipe. Mark, l’un des meilleurs ingénieurs avec qui j’ai jamais travaillé, avait conçu le serveur de terminaux DECServer 100, populaire et rentable, qui utilisait le protocole de transport local (LAT) créé par Bruce Mann du groupe d’architecture d’entreprise de DEC. Les serveurs de terminaux connectent des groupes de terminaux stupides, dotés uniquement de ports série RS-232, à des systèmes informatiques dotés de ports Ethernet.
J’ai parlé à Mark de mon idée d’utiliser la commutation store-and-forward pour augmenter les performances du réseau local.
Le lendemain matin, il a eu l’idée d’un pont d’apprentissage (également connu sous le nom de commutateur de couche 2 ou simplement de commutateur). Le pont se connecterait à deux réseaux locaux Ethernet. En écoutant tout le trafic sur chaque réseau local, l’appareil apprendrait les adresses MAC des ordinateurs sur les deux Ethernets (en se souvenant quel ordinateur se trouvait sur quel Ethernet), puis transmettrait sélectivement les paquets appropriés entre les réseaux locaux en fonction de l’adresse MAC de destination. Les ordinateurs des deux réseaux n’avaient pas besoin de savoir quel chemin leurs données prendraient sur le réseau local étendu ; pour eux, le pont était invisible.
Le pont devrait recevoir et traiter quelque 30 000 paquets par seconde (15 000 pp/s par Ethernet) et décider s’il doit transférer chacun d’entre eux. Même si l’exigence de 30 000 pp/s était proche de la limite de ce qui pouvait être réalisé avec la meilleure technologie de microprocesseur de l’époque, le Motorola 68000, Mark était convaincu qu’il pourrait construire un pont à deux Ethernet en utilisant uniquement des composants disponibles dans le commerce, notamment un moteur matériel spécialisé qu’il concevrait à l’aide de dispositifs de logique de tableau programmable (PAL) et de RAM statique dédiée pour rechercher les adresses MAC 48 bits.
Les contributions de Mark n’ont pas été largement reconnues. Une exception est le manuel Algorithmique de réseau par Georges Varghese.
Dans un réseau mal configuré, doté de ponts connectant les Ethernets en boucle, les paquets pourraient circuler indéfiniment. Nous étions convaincus que nous pouvions trouver un moyen d’éviter cela. À la rigueur, un produit pourrait être expédié sans le dispositif de sécurité. Et il est clair qu’un appareil à deux ports n’était qu’un point de départ. Des périphériques à ports multiples pourraient suivre, même s’ils nécessiteraient des composants personnalisés.
J’ai porté notre idée à trois niveaux de gestion, en cherchant l’approbation pour construire un prototype du pont d’apprentissage envisagé par Mark. Avant la fin de la journée, nous avons eu le feu vert, étant entendu qu’un produit suivrait si le prototype réussissait.
Développer le pont
Mon supérieur immédiat chez DEC, Tony Lauck, a mis plusieurs ingénieurs et architectes au défi de résoudre le problème du bouclage de paquets dans des réseaux mal configurés. En quelques jours, nous avions plusieurs solutions potentielles. Radia Perlman, une architecte du groupe de Tony, a clairement proposé le gagnant : le protocole Spanning Tree.
Dans l’approche de Perlman, les ponts se détectent, sélectionnent un pont racine selon des critères spécifiés, puis calculent un arbre couvrant minimum. Un MST est une structure mathématique qui, dans ce cas, décrit comment connecter efficacement les réseaux locaux et les ponts sans boucles. Le MST était ensuite utilisé pour placer tout pont dont la présence créerait une boucle en mode sauvegarde. Comme avantage secondaire, il permettait une récupération automatisée en cas de panne de pont.
Un LANBridge 100 démonté, commercialisé par Digital Equipment Corp. en 1986. Alan Kirby
Mark a conçu le matériel et le code de bas niveau sensible au timing, tandis que l’ingénieur logiciel Bob Shelly a écrit le reste des programmes. Et en 1986, DEC a introduit la technologie sous le nom de LANBridge 100, code produit DEBET-AA.
Peu de temps après, DEC a développé DEBET-RC, une version prenant en charge une portée de fibre optique de 3 kilomètres entre les ponts. Les manuels de certains DEBET-RC peuvent être trouvés sur le site Web Bitsavers.
L’idée de Mark n’a pas remplacé Ethernet, et c’est ce qui fait son génie. En permettant la commutation de stockage et de retransmission entre les Ethernets coaxiaux CSMA/CD existants, les ponts ont permis des mises à niveau faciles des réseaux locaux existants. Étant donné qu’aucune collision ne se propagerait au-delà du pont, la connexion de deux Ethernets avec un pont doublerait immédiatement la limite de longueur d’un seul câble Ethernet. Plus important encore, placer les ordinateurs qui communiquent beaucoup entre eux sur le même câble Ethernet isolerait ce trafic vers ce câble, tandis que le pont permettrait toujours la communication avec les ordinateurs sur d’autres câbles Ethernet.
Cela a réduit le trafic sur les deux câbles, augmentant ainsi la capacité tout en réduisant la fréquence des collisions. Poussé à ses limites, cela signifiait finalement donner à chaque ordinateur son propre câble Ethernet, avec un pont multiport les reliant tous.
C’est ce qui a conduit à une migration progressive du CSMA/CD sur câble coaxial vers les liaisons cuivre et fibre désormais omniprésentes entre les ordinateurs individuels et un port de commutateur dédié.
La vitesse des liaisons n’est plus limitée par les contraintes de détection de collision. Au fil du temps, ce changement a complètement transformé la façon dont les gens perçoivent Ethernet.
Un pont pourrait même avoir des ports pour différents types de LAN si les en-têtes de paquets associés étaient suffisamment similaires.
Notre équipe a ensuite développé GIGAswitch, un périphérique multiport prenant en charge à la fois Ethernet et FDDI.
L’existence de ponts aux performances de plus en plus élevées a coupé le souffle à ceux qui développaient de nouveaux protocoles d’accès LAN multimédia partagés. FDDI a ensuite disparu du marché face à des versions Ethernet plus rapides.
Bien entendu, la technologie des ponts n’a pas été sans controverse. Certains ingénieurs continuent de croire que la commutation de couche 2 est une mauvaise idée et que tout ce dont vous avez besoin, ce sont des routeurs de couche 3 plus rapides pour transférer des paquets entre les réseaux locaux. À l’époque, cependant, l’IP n’avait pas gagné au niveau du réseau et DECNet, le SNA d’IBM et d’autres protocoles réseau se battaient pour la domination. La commutation au niveau de la couche 2 fonctionnerait avec n’importe quel protocole réseau.
Mark a reçu un brevet américain pour l’appareil en 1986. DEC a proposé d’en accorder une licence sans frais, permettant à toute entreprise d’utiliser la technologie.
Cela a conduit à un effort de normalisation IEEE. Les entreprises de réseautage établies et les startups ont adopté et commencé à travailler pour améliorer la technologie de commutation. D’autres améliorations, notamment les ASIC spécifiques aux commutateurs, les réseaux locaux virtuels et le développement de supports physiques et électroniques associés plus rapides et moins coûteux, ont régulièrement contribué à la longévité et à la popularité d’Ethernet.
La valeur durable d’Ethernet ne réside pas dans CSMA/CD ou dans son support coaxial d’origine, mais dans le service facilement compréhensible et fonctionnel qu’il fournit aux concepteurs de protocoles.
Les commutateurs présents aujourd’hui dans de nombreux réseaux domestiques sont directement issus de l’innovation. Et les centres de données modernes disposent de nombreux commutateurs avec des ports individuels fonctionnant entre 40 et 800 gigabits par seconde. Le marché des commutateurs pour centres de données représente à lui seul plus de 10 milliards de dollars de revenus annuels.
Lauck, mon responsable DEC, a dit un jour que la valeur d’une architecture peut être mesurée par le nombre de générations technologiques sur lesquelles elle est utile. À cet égard, Ethernet a connu un énorme succès. La même chose peut être dite de la commutation de couche 2.
Personne ne sait ce qui serait arrivé à Ethernet si Mark n’avait pas inventé le pont d’apprentissage. Peut-être que quelqu’un d’autre aurait eu l’idée. Mais il est également possible qu’Ethernet ait progressivement disparu.
Pour moi, Mark a sauvé Ethernet.