Switching (Vermittlung)

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Ebenso wichtig wie die Struktur der Verbindungen zwischen den einzelnen Mainframes, also die Topologie des Netzes, war die Frage nach der Art der Vermittlung. Eine mögliche Art der Vermittlung im Netzwerk war die Leitungsvermittlung (circuit-switching). Beim Circuit-Switching bleibt eine feste Verbindung während der gesamten Dauer der Übertragung zwischen den Kommunikationspartnern bestehen.

Das ist vergleichbar mit einem Telefongespräch. Erst wenn einer der Gesprächspartner auflegt, wird die Verbindung abgebrochen.

Es kann auch eine Verbindungskette über eine oder mehrere Vermittlungsstationen geschaltet werden. Die Kette darf jedoch an keiner Stelle unterbrochen werden, sonst bricht auch die Übertragung ab.

Wenn sich nun mehrere Mainframes Streckenabschnitte der Verbindungsleitungen teilen müssen, weil ein "komplett vermaschtes" Netz aus Kostengründen nicht möglich ist, kann es zu Wartezeiten kommen, wenn der gemeinsam genutzte Streckenabschnitt bereits von einem anderen Mainframe zur Datenübertragung verwendet wird und die Leitung somit besetzt ist.

Dieses Problem kann durch eine andere Art der Vermittlung, der Nachrichtenvermittlung (message-switching), verringert werden.

Beim Message-Switching wird die zu übertragene Nachricht nur zur ersten Vermittlungsstation gesendet. Der Streckenabschnitt bis dorthin ist dann besetzt, alle folgenden Streckenabschnitte sind aber noch frei und können von anderen Teilnehmern weiter verwendet werden.

Ist die Nachricht bei der ersten Vermittlungsstation angekommen, wird sie dort zwischengespeichert und kurze Zeit später zur zweiten Vermittlungsstation weitergeleitet.

Jetzt ist nur der Streckenabschnitt zwischen der ersten und zweiten Vermittlungsstation besetzt, während der vorherige Streckenabschnitt wieder frei ist, ebenso wie die nachfolgenden Streckenabschnitte.

Das Speichern (engl. "Store") und Weiterleiten (engl. "Forward") wird solange fortgesetzt, bis die Nachricht ihr Ziel erreicht hat. Ein solches Netz wird deshalb auch als "Store-and-Forward" -Netzwerk bezeichnet.

Jede der zu übertragenen Nachrichten enthält beim Message-Switching im Gegensatz zum Circuit-Switching aber nicht nur die reinen Nutzdaten, also die eigentlichen Informationen, die versendet werden sollen, sondern zusätzlich auch noch die Empfängeradresse.

Das ist beim Circuit-Switching nicht nötig, denn es besteht ja schon eine Verbindung über die gesamte Leitung mit allen Streckenabschnitten bis hin zum Empfänger, sodass die Nachricht auch nur dort ankommen kann.

Beim Message-Switching kommt die Nachricht dagegen nur bei der nächsten Vermittlungsstation an. Von dort aus könnte sie zu unterschiedlichen Empfängern weitergeleitet werden. Die Nachricht muss also auch noch die Empfängeradresse enthalten, damit sie auch zum richtigen Empfänger weitergeleitet wird.

Zur Entwicklung des Netzwerkes zog Roberts auch den Computerwissenschaftler Leonhard Kleinrock vom MIT hinzu.

Kleinrock beschrieb bereits 1961 in seiner Dissertation ("Information Flow in Large Communication Nets") am MIT mit Hilfe einer Verknüpfung von Warteschlangentheorie, Wahrscheinlichkeitstheorie und Informationstheorie die mathematischen Grundlagen zur Berechnung von Verzögerungen bei der Übertragung von Nachrichten in einem Computernetz und beschäftigte sich mit Fragen nach den Grenzen der Belastungsfähigkeit des Netzes.

Bei seinen Überlegungen sollte in einem Time-Sharing-System nicht nur die Rechenzeit des einzigen im Rechner vorhandenen Prozessors in kleine Bereiche (Zeitscheiben) aufgeteilt, sondern auch die gesendeten und empfangenen Nachrichten der Nutzer in kleine Nachrichtenblöcke zerteilt werden. So könnten Nachrichten unterschiedlicher Größe gleichmäßiger und fließender im Netz übertragen werden.

Damit schuf Kleinrock die theoretische Grundlage zur Entwicklung einer weiteren Art der Vermittlung, der Paketvermittlung (packet-switching), die später überall im Netzwerk verwendet wurde, zu dieser Zeit in der Praxis jedoch noch nicht anwendbar war.

Auch die Bezeichnung "Packet-Switching" entstand erst später. Kleinrock selber sprach von "time slicing" und "distributed control in data networks".

Auf dem jährlich stattfindenden Treffen der von der ARPA finanzierten Forschungsgruppen, die auch Principal Investigators genannt wurden, stellte Lawrence G. Roberts im Frühjahr 1967 dann seinen ersten von Robert Taylor in Auftrag gegebenen Netzwerkplan vor, die Computer der Principal Investigators miteinander zu verbinden.

Neben den Fragen nach der Topologie des Netzes und der Art der Vermittlung, bedeutete die Vernetzung der Mainframes für die Principal Investigators auch einen erheblichen Aufwand, da die Software zur Steuerung des Datenaustausches erst an die unterschiedlichen Betriebssysteme ihrer jeweiligen Mainframes angepasst und dort integriert werden musste.

Für dieses Problem hatte Wesley Clark, der bereits an der Konstruktion des TX-2-Computers am Lincoln Lab mitwirkte und jetzt als Professor an der Washington University in St. Louis, einem Principal Investigator beschäftigt war, einen Lösungsvorschlag.

An jedem Mainframe sollte ein Minicomputer angeschlossen werden. Alle Minicomputer sollten baugleich und somit untereinander kompatibel sein und dann miteinander verbunden werden.

Das hatte den Vorteil, dass die Principal Investigators die Kommunikationsprobleme zu den fremden, untereinander nicht kompatiblen Mainframes umgehen konnten und nur noch für die Kommunikation zwischen ihrem eigenen Mainframe und ihrem Minicomputer eine individuelle Anpassung der Software vornehmen mussten.

Roberts übernahm den Vorschlag von Wesley Clark und stellte den verbesserten Netzwerkplan unter der Bezeichnung "Message Switching Network Proposal" auf einer weiteren Konferenz, die ebenfalls im Jahre 1967 stattfand, einem größeren Fachpublikum vor.

Darin bezeichnete er die Minicomputer als "IMP" (Interface Message Processor), die auf der einen Seite mit dem Mainframe des Time-Sharing-Systems des jeweiligen Principal Investigators verbunden waren und auf der anderen Seite mit den Wählleitungen des öffentlichen Telefonnetzes. Als Art der Vermittlung sollte, wie aus der Bezeichnung seines Netzwerkplans schon hervorging, Message-Switching verwendet werden.

Innerhalb des gesamten Netzwerkes bildeten die kompatiblen, miteinander verbundenen IMP´s ein eigenes, untergeordnetes Netzwerk (Subnetz), an das die verschiedenen, nicht kompatiblen Time-Sharing-Systeme der Principal Investigators angeschlossen werden konnten.