Robert Metcalfe a Ethernet

Počítačová síť založená na technologii Ethernetu dnes spojuje více než 100 milionů počítačů. Jeho duchovním otcem je charismatický Bob Metcalfe, spoluzakladatel společnosti 3Com a dnes i známý publicista, který ve svých sloupcích seznamuje širokou veřejnost s nejnovějšímu trendy nových technologií.

Dnes si již lze jen sotva představit počítač bez lokální sítě, umožňující propojení s dalším počítačem nebo tiskárnou. Připojená zařízení v lokální síti (LAN, Local Area Network) pracují v režimu bez navazování spojení a sdílejí jeden přenosový prostředek, ke kterému je umožněn mnohonásobný přístup. Taková počítačová síť se nejčastěji rozkládá v jediné místnosti, v několika místnostech, v jedné budově, případně v rámci několika sousedních budov nebo například v rámci areálu univerzity. Technologii založenou na Ethernetu, jednom z typů lokálních sítí, vyvinul Robert Metcalfe a jeho tým v Xerox PARC v první polovině 70. let minulého století. Ethernet prošel od té doby značným vývojem a klady této technologie, vyznačující se jednoduchostí protokolu, a tím i snadnou implementací a instalací, se osvědčila natolik, že se prosadila v 80 % všech LAN instalací.
Robert M. Metcalfe, otec Ethernetu, se narodil roku 1946 v New Yorku. První akademické tituly získal na Massachusettském technologickém institutu (MIT), když zde v roce 1969 absolvoval elektrické inženýrství a počítačovou vědu. Jako student se na MIT seznámil s rodícím se Arpanetem, počítačovou sítí propojující několik amerických univerzit, která tvořila jakýsi prazáklad dnešního internetu. Napsal dokonce i populárně-vědecký článek Scenarios for the Arpanet (Scénář pro Arpanet), v němž seznámil širší veřejnost s možnostmi, které tato rozlehlá počítačová síť přináší.

V postgraduálním studiu pokračoval Metcalfe na Harvardské univerzitě, ale zdejší konzervativní a poněkud snobská atmosféra mu příliš neseděla. Aniž by studium přerušil, přijal v roce 1972 nabídku Boba Taylora a začal pracovat v Palo Alto Research Center (PARC), v kalifornském výzkumném středisku společnosti Xerox Corporation. Zde, v srdci Silicon Valley, se už nemusel dohadovat, zda protokol má či nemá formální nedostatky, jak tomu bylo na Harvardu. Stojí za zmínku, že právě v PARCu spatřila světlo světa řada objevů a inovací digitální doby: byla zde vyvinuta například počítačová myš, osobní počítač Alto, wysiwyxg textový editor či laserová tiskárna.

V Xerox PARC byl mladý Metcalfe jmenován šéfem týmu, který dostal za úkol propojit mezi sebou počítače Alto a také periferní zařízení. Tyto počítače se sice nikdy nedostaly do prodeje, ale na jejich základě vznikla koncepce počítačů Xerox Star, které přinesly grafické rozhraní v podobě takzvaných oken. V mnoha směrech na tuto koncepci navázal revoluční Apple Lisa a pochopitelně také MS Windows.



----------------------
Základní informační zdroje:
The Legend of Bob Metcalfe - www.wired.com/wired/archive/6.11/metcalfe.html
3Com – Advance the Network - www.3com.com
Ethernet - www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ito_doc/ethernet.htm

Zrod Ethernetu
Metcalfovi, jenž měl s počítačovými sítěmi na svou dobu slušné praktické zkušenosti, se brzy podařilo najít jednoduché a efektivní řešení, založené na sběrnicové topologii a přístupové metodě CSMA/CD (viz rámeček). Tato vývojová „nultá“ verze lokálního síťového řešení pracovala s přenosovou rychlostí 2,94 Mb/s a používala koaxiální kabel o impedanci 70 ohmů, jenž ovšem mohl dosahovat délky až jeden kilometr. Když měl Bob Metcalfe v květnu 1973 shrnout výsledky týmu pro svého zaměstnavatele ve zprávě, v níž chtěl vhodně vystihnout základní princip, který jím vedená pracovní skupina hodlala použít pro nově vyvíjenou lokální síť, nazval toto řešení Alto Ethernet.

Název Ethernet vychází ze slova éter, z mylné fyzikální teorie, která vznikla v 19. století. Jako éter se označovala univerzální, všeprostupující hmotná substance, díky níž se údajně mohlo šířit elektromagnetické vlnění i ve vakuu. Dodejme, že existenci éteru vyvrátil Albert Einstein. Proč se Metcalfe v názvu inspiroval éterem? Pregnantně to vysvětluje odborník na síťové protokoly Jiří Peterka, který píše, že vědec tento název zvolil kvůli souvislosti se sběrnicovou topologií a všesměrovým vysíláním, kdy vysílání jednoho uzlu se šíří tak, že je mohou současně „slyšet“ všechny ostatní uzly.



Od pozdějších verzí Ethernetu se původní experimentální koncepce lišila v mnoha aspektech. Nicméně již v polovině 70. let minulého století, kdy tato raná verze vznikla, se ukázala být velmi životaschopnou, dokonce natolik, že Metcalfe touto inovací přilákal pozornost dalších dvou významných firem, jimiž byly DEC a Intel. Výzkumné týmy obou těchto společností se společně zapojily do vývojových prací na zdokonalení tohoto síťového řešení. To už byl Ethernet schopný dosáhnout rychlosti 10 Mb/s. Vylepšená verze, která vznikla díky úsilí nového týmu v roce 1980, je označována jako DIX (DEC, Intel, Xerox) Ethernet. Výrazným pozitivem vývoje byly jednak otevřenost standardů, jednak pečlivě hlídaná zpětná kompatibilita, která dokonce v řadě případů umožňuje využití existující kabeláže i pro výkonnější variantu.

Pro další vývoj Ethernetu bylo velmi důležité, že firmy DEC, Intel a Xerox se nakonec rozhodly neponechat si Ethernet pouze jako své proprietární řešení, ale předaly jeho specifikace a nechaly jej standardizovat. Volba standardizačního orgánu, který by se mohl také starat o další vývoj Ethernetu, padla vcelku jednoznačně na společnost IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers). Firmy DEC, Intel a Xerox po společné dohodě předložily návrh specifikací Ethernetu pracovní skupině IEEE 802 společnosti IEEE (konkrétně podskupině 802.3, která byla pro práci na Ethernetu záhy ustanovena). Reakce IEEE na předložený návrh byla pozitivní a předložené specifikace se posléze staly standardem IEEE - bohužel s jistými drobnými věcnými změnami, které nebyly tak úplně zanedbatelné a které odrážely poněkud odlišné představy a postoje lidí podílejících se na standardizaci Ethernetu v rámci IEEE. Původní autoři tyto odlišnosti do značné míry zapracovali do nové verze DIX Ethernetu označované jako Ethernet II. Touto úpravou ovšem původní vývojová větev Ethernetu skončila a DIX Ethernet se již dále nevyvíjel.



------------------------
Vývoj technologie Ethernet
Ethernet - původní varianta s přenosovou rychlostí 10 Mb/s. Definována pro koaxiální kabel, kroucenou dvojlinku a optické vlákno.
Fast Ethernet - rychlejší verze s přenosovou rychlostí 100 Mb/s definovaná standardem IEEE 802.3u. Převzala maximum prvků z původního Ethernetu (formát rámce, algoritmus CSMA/CD apod.), aby se usnadnil, urychlil a zlevnil vývoj. V současnosti ji lze považovat za základní verzi Ethernetu. Je k dispozici pro kroucenou dvojlinku a koaxiální kabel.
Gigabitový Ethernet - zvýšil přenosovou rychlost na 1 Gb/s. Opět recykloval co nejvíce prvků z původního Ethernetu, teoreticky i algoritmus CSMA/CD. V praxi je ale gigabitový Ethernet provozován pouze přepínaně s plným duplexem. Důležité je především použití stejného formátu rámce. Původně byl definován pouze pro optická vlákna (IEEE 802.3z), později byla doplněna i varianta pro kroucenou dvojlinku (IEEE 802.3ab).
Desetigigabitový Ethernet - představuje zatím poslední standardizovanou verzi. Jeho definice byla jako IEEE 802.3ae přijata v roce 2003. Přenosová rychlost činí 10 Gb/s, jako médium zatím slouží výlučně optická vlákna a opět používá stejný formát rámce. Algoritmus CSMA/CD byl definitivně opuštěn, tato verze pracuje vždy plně duplexně. V současnosti se vyvíjí jeho specifikace pro kroucenou dvojlinku.

Metcalfův zákon
Metcalfe pokračoval ve výzkumné práci v Xerox PARC, podílel se vývoji již zmíněného počítače Xerox Star, prvního osobního počítače s grafickým rozhraním a s takovými vymoženostmi, jako je dvoutlačítková myš, textový a grafický editor a – přirozeně –Ethernet. Vedle toho také školil americké armádní důstojníky. Učil je, jak používat Arpanet. Jakoby mimochodem si odskočil na Harvardskou univerzitu, kde na základě své analýzy rádiové sítě AlohaNet získal doktorát.
Kromě toho také formuloval pravidlo, které později vešlo ve známost jako Metcalfův zákon. Popisuje působení síťového efektu, platného v médiích i technologiích: užitečnost sítě roste se čtvercem počtu připojených uzlů (uživatelů nebo zařízení). Metcalfe vlastně definoval vztah mezi počtem uživatelů a přínosem technologií pro každého z nich. Pokud nové technologie používá mnoho lidí, jen tehdy jsou užitečné. Jinými slovy, čím více lidí používá váš produkt či službu, standard nebo software, tím je „síť“ cennější, pro uživatele užitečnější a tím více dalších uživatelů přitahuje. Užitek sítí je dán čtvercem počtu uživatelů a na křivce existuje inflexní bod, od kterého pak již roste užitek exponenciálně.


Větší obrázek.


3Com
Koncem 70. let byl již Metcalfe vyhledávanou osobností vědeckých konferencí. Tento věhlas mu umožnil získat kapitál a založit v roce 1979 v Santa Claře společnost 3Com (název je akronymem slov „Computers, Communication, Compatibility“). Ke spoluzakladatelům firmy, z níž vyrostl veleúspěšný technologický gigant, patřil například Howard Charney, současný viceprezident společnosti Cisco. Podle Metcalfových slov byla 3Com vizionářská firma, bez podrobně zpracovaného podnikatelského plánu, ale zato s obrovským invenčním potenciálem. Zrodila se v době, kdy nastal obrovský posun v informačních technologiích, čehož si její zakladatelé byli vědomi. A co víc, uvědomovali si, jakým směrem se tento posun v blízké budoucnosti bude ubírat. Kromě počítačových sítí spojujících velké počítače neexistovaly prakticky v té době jiné sítě. „Vlastně nebylo zas tak těžké na tomto poli nastartovat velký byznys,“ poznamenal k tomu později Howard Charney.
Společnost 3Com, jeden z největších výrobců a dodavatelů síťových produktů na světě, vyrábí a dodává síťové karty pro osobní počítače (síťové karty Earthlink jsou legendou v lokálních sítích), routery pro připojení sítí LAN a WAN či bezdrátové produkty včetně produktů pro IP telefonii. Stojí rovněž za připomenutí, že 3Com v roce 1997 pohltil společnost U. S. Robotics, největšího výrobce modemů, který ovládal 15 % světového trhnu s modemy.

InfoWorld
Ale v té době se Bob Metcalfe, jehož život je plný změn, zabýval již něčím zcela jiným. Ze společnosti 3Com, kde postupně vystřídal několik nejvyšších postů, odešel v roce 1990, aby se mohl nerušeně věnovat investování, přednáškové činnosti a publicistice. Rok strávil na britské Oxfordské univerzitě, po návratu do Spojených států se stal viceprezidentem IDG (International Data Group) a v prestižním časopise InfoWorld zavedl populární rubriku Z éteru (From the Ether). Současně publikoval v dalších významných periodikách, například v časopisech Forbes, Technology Review, Wired a v denících New York Times či Wall Street Journal. S jeho jménem je spjata řada společností zaměřených na nové technologie (např. Avistar či Nanosys). V roce 2002 byl prezidentem Camden Technology Conference, v současné době patří k hlavním organizátorům konferencí PopTech.
Dnes žije Bob Metcalfe ve státě Maine a v Bostonu. V roce 1995 byl zvolen do americké Akademie umění a věd. Z množství významných cen a čestných doktorátů, které obdržel, jmenujme alespoň Národní medaili za technologický přínos, kterou mu v roce 2005 udělil americký prezident George W. Bush.


Přístupová metoda CSMA/CD
Přístupová metoda reguluje přístup jednotlivých uzlů ke společně sdílenému médiu. Ethernet je založen na přístupové metodě označované zkratkou CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). CSMA/CD využívá "příposlechu nosné", to znamená, že jednotlivé stanice monitorují, zda právě neprobíhá nějaké vysílání - aby se nerušily navzájem. Na společném přenosovém médiu může vysílat vždy jen jedna stanice, setkají-li se na médiu signály více stanic, interferují, vznikne kolize a signál je znehodnocen. Autoři Ethernetu zvolili tzv. 1-perzistentní metodu CSMA (podle principu p-perzistentní metoda, kde p je výše zmíněná pravděpodobnost; persistent = angl. vytrvalý), která dává uzlu poměrně velkou šanci na vysílání (na uplatnění požadavku), avšak jen při menší zátěži (jednotky až desítky procent). Se vzrůstající zátěží úspěšnost metody klesá. Písmena CD ve jménu metody znamenají právě mechanismus detekce nastalých kolizí (Collision Detection). Rozpoznání vzniklých kolizí je komplikováno důležitostí správného rozpoznání kolizí všemi uzly a fyzikálními zákonitostmi, jako je například konečná rychlost šíření signálu. Tyto okolnosti jsou příčinou jistých pravidel pro chování uzlů a stavbu sítí Ethernet. Metoda CSMA/CD tak omezuje maximální velikost kolizní domény, tj. oblasti, kterou se mohou kolize volně šířit. Ta je pak dána dobou šíření signálu mezi nejvzdálenějšími konci vedení. Dojde-li totiž ke kolizi, musí být zajištěno, že ji zaznamenají všechny uzly v doméně, proto i uzel, který zaznamenal kolizi, nesmí ihned přestat vysílat, ale musí vysílat ještě po jistou dobu (tzv. jam signál, minimálně 32 bitů, které nelze zaměnit s hodnotou CRC předchozího vysílání).




-------------------------------
IEEE 802.3 CSMA/CD (Ethernet)
První standard Ethernetu vypracovaný organizací IEEE byl publikován v roce 1985 pod označením „IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification“. Zajímavostí jistě je, že samotné jméno „Ethernet“ si jako svou značku včas zaregistrovala firma Xerox. Z těchto příčin verze Ethernetu pocházející od IEEE formálně vůbec nenesou jméno Ethernet. Další vývoj Ethernetu se již odehrával výhradně na půdě organizace IEEE. Nikoli ale v tom smyslu, že by vlastní technická řešení byla vyvíjena právě zde - nové varianty, nová technická řešení apod. byla vyvíjena nejrůznějšími institucemi a firmami, které to z nějakého důvodu považovaly za účelné. Jakmile ale jejich řešení dospělo do stadia, kdy je možná standardizace, přicházeli s ním na půdu IEEE a teprve zde se rozhodovalo o akceptování a následné standardizaci. Tímto způsobem postupně vznikla celá řada standardů Ethernetu majících různé parametry, různá přenosová média a různé způsoby provozu. Kromě organizace IEEE se normalizací datové komunikace zabývá i mezinárodní normalizační úřad ISO (International Standards Organization), který vypracoval takzvaný referenční model OSI (Reference Model for Open System Interconection). Jeho základem je rozdělení všech činností při výměně dat do sedmi částí - vrstev, realizovaných technickými nebo programovými prostředky. Každá z vrstev zajišťuje funkce pro vyšší vrstvu a využívá služeb nižší vrstvy. Mezi jednotlivými vrstvami jsou (formou standardů a doporučení) definována rozhraní (mezivrstvové protokoly) a mezi prvky stejné vrstvy jsou definována pravidla komunikace (vrstvové protokoly). Dnes je Ethernet standardizován i normou ISO 8802/3.
Více informací: grouper.ieee.org/groups/802/3/