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電気通信において、パケット交換とは、データを固定形式の短いメッセージ（パケット）にグループ化し、電気通信ネットワーク上で送信する方式です。パケットはヘッダーとペイロードで構成されます。ヘッダーはパケットを宛先に誘導し、宛先ではペイロードが抽出され、オペレーティングシステム、アプリケーションソフトウェア、または上位層プロトコルによって使用されます。パケット交換は、世界中のコンピュータネットワークにおけるデータ通信の主要な基盤となっています。
1960年代初頭、アメリカのエンジニア、ポール・バランは、米国国防総省の資金提供を受けたランド研究所の研究プログラムの一環として、分散適応型メッセージブロックスイッチングと呼ばれる概念を開発した。彼の提案は、低コストのハードウェアを使用して分散ネットワーク全体にメッセージブロックをルーティングすることで、音声メッセージの通信に耐障害性と効率性を備えた方法を提供することだった。彼のアイデアは、ベルシステムにおける電気通信の開発に代表される、当時確立されていたネットワーク帯域幅の事前割り当ての原則に反するものだった。この新しい概念は、1965年に国立物理研究所でイギリスのコンピュータ科学者ドナルド・デイヴィスが独自に研究を始めるまで、ネットワーク実装者の間でほとんど受け入れられなかった。デイヴィスは、高速コンピュータネットワークでソフトウェアスイッチを使用してデータ通信を行う概念を開発し、「パケットスイッチング」という用語を作り出した。彼の研究は、その後の10年間で数多くのパケットスイッチングネットワークに影響を与え、米国ではARPANET 、フランスではCYCLADESネットワークの設計にこの概念が取り入れられた。 ARPANETとCYCLADESは、現代のインターネットの主要な前身となるネットワークであった。
パケット交換の簡単な定義は次のとおりです。
アドレス指定パケットによるデータのルーティングと転送により、チャネルはパケットの送信中のみ使用され、送信が完了するとチャネルは他のトラフィックの転送に利用可能になる。[ 2 ] [ 3 ]
パケット交換では、固定フォーマットの短いメッセージのシーケンス（パケット）として実現される可変ビットレートのデータストリームを、統計的多重化または動的帯域幅割り当て技術を使用して必要に応じて伝送リソースを割り当てるコンピュータネットワーク上で配信できます。パケットは、スイッチやルータなどのネットワークハードウェアを通過する際に、受信、バッファリング、キューイング、再送信（保存および転送）され、リンク容量とネットワークのトラフィック負荷に応じて、遅延とスループットが変動します。パケットは通常、中間ネットワークノードによって先入れ先出しバッファリングを使用して非同期に転送されますが、公平なキューイング、トラフィックシェーピング、または差別化または保証されたサービス品質（重み付き公平キューイングやリーキーバケットなど）のために、何らかのスケジューリング規則に従って転送される場合もあります。パケットベースの通信は、中間転送ノード（スイッチとルータ）の有無にかかわらず実装できます。共有物理媒体（無線や10BASE5など）の場合、パケットは多重アクセス方式に従って配信される場合があります。
パケット交換方式は、もう一つの主要なネットワーク方式である回線交換方式とは対照的です。回線交換方式では、各通信セッションに専用のネットワーク帯域幅が事前に割り当てられ、各セッションのビットレートとノード間の遅延は一定です。携帯電話サービスなどの課金サービスの場合、回線交換方式はデータ転送がない場合でも接続時間単位ごとに料金が発生するのに対し、パケット交換方式は文字、パケット、メッセージなどの送信情報単位ごとに料金が発生するのが特徴です。
パケットスイッチは、入力ポート、出力ポート、ルーティングプロセッサ、スイッチングファブリックの4つのコンポーネントで構成されています。[ 4 ]
小さなデータブロックを切り替えるという概念は、1960年代初頭に米国ランド研究所のポール・バランと、 1965年に英国国立物理研究所（NPL）のドナルド・デイビスによってそれぞれ独立に発明された。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
1950年代後半、米空軍は半自動地上環境（SAGE）レーダー防衛システム用の広域ネットワークを構築した。このネットワークの脆弱性を認識した空軍は、核攻撃に耐え、反撃を可能にするシステムを求め、それによって敵による先制攻撃の優位性の魅力を低下させようとした（相互確証破壊を参照）。1960年代初頭、バランは空軍の構想を支援するために分散適応型メッセージブロック交換の概念を発明した。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]この概念は、1961年の夏にブリーフィングB-265として初めて空軍に提示され、[ 15 ]その後1962年にRANDレポートP-2626として、[ 5 ]そして最終的に1964年にレポートRM 3420として発表された。 [ 6 ]これらのレポートは、大規模で分散型の生存可能な通信ネットワークの一般的なアーキテクチャについて説明している。この提案は、3 つの重要なアイデアで構成されていました。任意の 2 点間に複数のパスを持つ分散型ネットワークの使用、ユーザー メッセージをメッセージ ブロックに分割すること、およびこれらのメッセージをストア アンド フォワードスイッチングによって配信することです。[ 12 ] [ 16 ]バランのネットワーク設計は、低コストの電子機器であるハードウェア スイッチを使用して音声メッセージを高速デジタル通信することに重点を置いていました。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
オックスフォード大学初の計算機科学教授となったクリストファー・ストラッチーは、 1959年2月に英国でタイムシェアリングの特許を出願した。 [ 20 ] [ 21 ]同年6月、パリで開催されたユネスコ情報処理会議で「大型高速コンピュータにおけるタイムシェアリング」という論文を発表し、その概念をJCRリクリダーに伝えた。[ 22 ] [ 23 ]リクリダー（ジョン・マッカーシーと共に）はタイムシェアリングの開発に大きく貢献した。1965年にリクリダーと遠隔コンピュータとのタイムシェアリングについて話し合った後、[ 24 ] [ 25 ]デイヴィスは独自に同様のデータ通信の概念を発明した。[ 26 ]彼の洞察は、高速通信を実現するために、固定フォーマットの短いメッセージを高速データ伝送速度で使用することであった。[ 27 ]彼は、インターフェースコンピュータと通信プロトコルを含む階層型高速コンピュータネットワークの設計を開発した。[ 28 ] [ 29 ] [ 14 ]彼はパケット交換という用語を作り出し、英国で商用の全国データネットワークを構築することを提案した。[ 30 ] [ 31 ]彼は1966年にその提案について講演を行い、その後、国防省（MoD）の人物が彼にバランの研究について伝えた。[ 32 ]
デイビスのチームのメンバーであるロジャー・スカントルベリーは、1967年10月のオペレーティングシステム原理シンポジウム（SOSP）で彼らの研究を発表し（バランの研究にも言及した）。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]会議で、スカントルベリーはARPANETで使用するパケット交換を提案し、ラリー・ロバーツにメッセージ交換の方が経済的に有利であることを説得した。[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]デイビスは、パケットサイズを1024ビットにするなど、バランと同じパラメータを最初のネットワーク設計にいくつか選択していた。パケットの順列 (動的に更新される経路の優先順位による) とデータグラムの損失 (高速な送信元が低速な宛先に送信する場合に避けられない) に対処するために、彼は「ネットワークのすべてのユーザーが何らかのエラー制御を自身で提供する」と仮定し[ 33 ] 、エンドツーエンドの原則として知られるようになったものを発明した。デイビスは、NPL のニーズを満たし、パケット交換の実現可能性を証明するために、研究所にローカルエリア ネットワークを構築すべきだと提案した。1969年初頭のパイロット実験の後[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]、NPLデータ通信ネットワークは1970 年にサービスを開始した[ 48 ]。デイビスはパケット交換に関する一連の講演を行うために日本に招待された[ 49 ] 。NPL チームは、英国全土にデータ通信を提供する規模のネットワークでデータグラムと輻輳に関するシミュレーション作業を行った。 [ 47 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]
ラリー・ロバーツはARPANET構築のための提案依頼書で重要な決定を下した。[ 54 ]ロバーツは1967年2月にバランと会ったが、ネットワークについては話し合わなかった。[ 55 ] [ 56 ]彼はフランク・ウェスターヴェルトにネットワークのメッセージサイズと内容の問題を検討し、「文字とブロックの送信、エラーチェックと再送信、コンピュータとユーザーの識別に関する規約」を含むコンピュータ間通信プロトコルに関するポジションペーパーを書くよう依頼した。[ 57 ]ロバーツは、ホストコンピュータを直接接続するという当初の設計を修正し、ウェズリー・クラークのインターフェースメッセージプロセッサ（IMP）を使用してメッセージ交換ネットワークを作成するというアイデアを取り入れ、SOSPで発表した。[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]ロバーツは迅速な決定で知られていた。[ 62 ] SOSPの直後、彼はネットワーク上でのデータ通信を可能にするために、パケット交換に関するデイビスの概念と設計を取り入れ、[ 40 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]バランから意見を求めた。[ 66 ]
ロバーツと同時代のMITのレオナルド・クラインロックは、1961年から1962年にかけて博士論文のためにメッセージ交換の分野における待ち行列理論の応用を研究し、1964年にそれを本として出版した。[ 67 ]デイビスは、1966年のパケット交換に関する論文で、クラインロックの手法を適用して、人間のユーザーにとって満足のいく応答時間という点で、「パケット交換システムの推定性能と明示された要件の間には十分な余裕がある」ことを示した。 [ 28 ]これは、コンピュータネットワークの実現可能性に関する重要な疑問に答えるものであった。[ 69 ]ラリー・ロバーツは1967年初頭に非公式にクラインロックをARPANETプロジェクトに招き入れた。[ 70 ]ロバーツとテイラーは応答時間の問題が重要であることを認識していたが、これを評価するためにクラインロックの方法を適用せず、リアルタイムコンピューティングを目的としないストアアンドフォワードシステムに基づいて設計を行った。[ 71 ] SOSPの後、そしてロバーツがパケット交換を使用するよう指示した後、[ 63 ]クラインロックはバランから意見を求め、バランとRANDをアドバイザーとして残すことを提案した。[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] ARPANETワーキンググループは、IMPのソフトウェアに関するレポートを作成する責任をクラインロックに割り当てた。[ 75 ] 1968年、ロバーツはクラインロックに、ARPANETのパケット交換のパフォーマンスを測定およびモデル化するためにUCLAにネットワーク測定センター（NMC）を設立する契約を与えた。 [ 72 ]
ボルト・ベラネク＆ニューマン（BBN）がネットワーク構築の契約を獲得した。主にボブ・カーンによって設計された[ 76 ] [ 77 ]このネットワークは、分散制御を備えた最初の広域パケット交換ネットワークであった[ 54 ] 。BBNの「IMPガイ」は、ルーティングアルゴリズム、フロー制御、ソフトウェア設計、ネットワーク制御など、ネットワークの内部動作の重要な側面を独自に開発した[ 78 ] [ 79 ]。UCLA NMCとBBNチームは、ネットワークの輻輳についても調査した[ 76 ] [ 80 ] 。UCLAのクラインロックの大学院生であるスティーブ・クロッカーが率いるネットワークワーキンググループは、ホスト間プロトコルであるネットワーク制御プログラムを開発し、バリー・ウェスラーがARPAのために承認した[ 81 ]。ただし、ウェスラーは、より奇抜な要素を削除するよう指示していた。[ 82 ] 1970年、クラインロックはメッセージ交換に関する以前の分析研究をARPANETのパケット交換に拡張した。[ 83 ]
ARPANETは、 1972年10月にワシントンで開催された国際コンピュータ通信会議（ICCC）で実証されました。 [ 84 ] [ 85 ]しかし、パケット交換ネットワークの設計に関する根本的な疑問が残っていました。[ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]
ロバーツは1970年代初頭に通信業界の専門家にパケット交換のアイデアを提示した。ARPANETが稼働する前は、ルーターのバッファがすぐに枯渇するだろうと彼らは主張した。ARPANETが稼働した後は、政府の補助金なしではパケット交換は経済的に成り立たないだろうと主張した。バランも同様の拒否に直面し、1960年代に軍にパケット交換ネットワークの構築を説得できなかった。[ 7 ]
CYCLADESネットワークは、インターネットワーキングを研究するために、1970 年代初頭にLouis Pouzinによって設計されました。[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]これは、Davies のエンドツーエンドの原則を初めて実装し、パケット交換ネットワーク上でデータの信頼性の高い配信をネットワーク自体のサービスではなく、ホストコンピュータに責任を持たせたものでした。[ 93 ]そのため、彼のチームは、ベストエフォートサービスを使用しながら、ユーザーアプリケーションに信頼性の高い仮想回線サービスを提供するという非常に複雑な問題に初めて取り組み、伝送制御プロトコル(TCP)の初期の貢献となりました。[ 94 ]
ボブ・メトカーフとゼロックスPARCの他の人々は、イーサネットとインターネットワーキングのためのPARCユニバーサルパケット（PUP）の構想を概説した。[ 95 ]
1974年5月、ヴィント・サーフとボブ・カーンは、ノード間でパケット交換を使用してリソースを共有するためのインターネットワーキングプロトコルである伝送制御プログラム（TCP）について説明した。[ 96 ]その後、 TCPの仕様は、1974年12月にヴィント・サーフ、ヨーゲン・ダラル、カール・サンシャインによって書かれたRFC 675（インターネット伝送制御プログラムの仕様）で公開された。 [ 97 ]
レミ・デプレらが開発したX.25プロトコルは、仮想回線の概念に基づいて構築された。1970年代半ばから後半、そして1980年代初頭にかけて、フランス、イギリス、日本、アメリカ、カナダの参加を得て開発されたX.25を使用した国内および国際的な公共データネットワークが出現した。インターネットワーキングを可能にするために、 X.75が補完された。[ 98 ]
1970年代後半、モノリシックな伝送制御プログラムは、インターネットプロトコル（IP）の上に伝送制御プロトコル（TCP）として階層化されました。多くのインターネットの先駆者たちは、これをインターネットプロトコルスイート、および1980年代に出現した関連するインターネットアーキテクチャとガバナンスへと発展させました。 [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]
レナード・クラインロックは1970年代にUCLAでARPANETのスループットと遅延を分析する理論的研究を行った。[ 83 ] [ 105 ] [ 106 ]クラインロックは何百もの研究論文を発表し、[ 107 ] [ 108 ]最終的にキューイング理論の理論とコンピュータネットワークへの応用に関する新しい研究分野を開拓した。[ 109 ] [ 110 ]学生のファルーク・カムーンとの階層ルーティングに関する研究は、インターネットの運用に不可欠となった。[ 111 ] [ 112 ]
パケット交換は、 1978年にハフマン符号化の意味で最適であることが示された。[ 113 ] [ 114 ]
1980年代から1990年代初頭にかけて、ネットワークエンジニアリングコミュニティは、プロトコル戦争として知られる競合するプロトコルスイートの実装をめぐって二分されました。インターネットプロトコルスイートとOSIモデルのどちらが最適で最も堅牢なコンピュータネットワークをもたらすかは不明でした。 [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]
相補型金属酸化膜半導体（CMOS）VLSI（超大規模集積回路）技術は、1980年代から1990年代にかけて高速ブロードバンドパケット交換の開発につながった。[ 118 ] [ 119 ] [ 120 ]
1978 年のIEEE 会議録のパケット交換に関する特別号で、ゲスト編集者の Bob Kahn は、「分析はネットワーク設計の問題に直接的な影響をほとんど与えていない」と書いた。[ 121 ] 1982 年にデータ通信の研究に対する LM Ericsson 賞のために Roberts が書いた「パケット交換の経済学」という論文では、SOSP に関する Davies の 1967 年の論文のみを参照し、Baran や Kleinrock の論文は参照していない。[ 122 ]同じ賞のために Kleinrock が書いた論文のタイトルは「パケット交換の原理」だった。[ 123 ] 1986 年の会議論文「ARPANET とコンピュータ ネットワーク」では、Baran の 1964 年の論文と 1966 年の自身の論文も引用しているが、ARPANET を扱った 1970 年代の Kleinrock の論文のみを参照している。[ 124 ]この論文は1995年にロバーツによってウェブ上で再公開された。[ 125 ]
ロバーツは1990年代後半に、1967年10月のSOSPの時点で既にパケット交換の概念を念頭に置いていた（ただし、まだ名前は付けられておらず、会議で発表された論文にも書かれておらず、多くの情報源はそれを「曖昧」と評している）と主張し始め、これは1961年から1962年にかけて博士論文の研究でそのような概念について書いていた旧友のクラインロックに由来すると主張した。[ 60 ] [ 38 ] [ 61 ] [ 126 ] [ 127 ] 1997年、ロバーツとクラインロックは、他の7人のインターネットの先駆者とともに、インターネット協会から出版された「インターネットの簡潔な歴史」を共著した。その中で、クラインロックは「1961年7月にパケット交換理論に関する最初の論文を発表し、1964年にその主題に関する最初の本を出版した」と説明されている。[ 128 ]インターネットの歴史に関する多くの情報源は、これらの主張を議論の余地のない事実として反映し始めた。これは、2001年にニューヨーク・タイムズ紙でケイティ・ハフナーが「父権争い」と呼んだものの対象となった。 [ 129 ]
クラインロックのパケット交換への貢献に関する意見の相違は、1990年代のある時期にUCLAコンピュータサイエンス学科のウェブサイトにあるクラインロックのプロフィールに掲載された記述をきっかけに激化した。そこでは、彼は「インターネット技術の発明者」と呼ばれていた。[ 130 ]このウェブページのクラインロックの業績に関する記述は、初期のインターネットのパイオニアたちの間で怒りを引き起こした。[ 131 ]優先権をめぐる論争は、ドナルド・デイヴィスが2001年に死後発表した論文で、クラインロックの1960年代初頭の研究はパケット交換とは関係ないと否定し、「彼がパケット交換の原理を理解していたという証拠は見つからない」と述べたことで、公の問題となった。デイヴィスはまた、ARPANETプロジェクトマネージャーのラリー・ロバーツがクラインロックを支持していると述べ、ロバーツのオンライン上の著作とクラインロックのUCLAウェブページのプロフィールは「非常に誤解を招く」と指摘した。[ 132 ] [ 133 ]ウォルター・アイザックソンは、クラインロックの主張が「他の多くのインターネットの先駆者たちの間で騒動を引き起こし、彼らは公然とクラインロックを攻撃し、メッセージをより小さな断片に分割するという彼の短い言及はパケット交換の提案には程遠いと述べた」と書いている。[ 131 ]
デイビスの論文は、ARPANET IMPの構築と設計に関わっていたボルト、ベラネク、ニューマン（BBN）のエンジニアとARPA関連の研究者との間で、ARPANETをオンラインにした功績は誰にあるのかという以前の論争を再燃させた。 [ 78 ] [ 79 ]この以前の論争は、BBNのウィル・クロウザーによって例証されている。彼は1990年の口述歴史の中で、ポール・バランのパケット交換設計（彼がホットポテトルーティングと呼んだもの）を、ARPAチームがそれを提唱していたにもかかわらず、「狂っている」無意味なものと評した。[ 134 ]この再燃した議論により、他の元BBN従業員も懸念を表明するようになり、アレックス・マッケンジーもその一人で、デイヴィスに続いてクラインロックの研究がパケット交換に関連しているという主張に異議を唱え、「1964年の著書全体を通して、パケット化の概念を示唆、分析、またはほのめかすものは何もありません」と述べた。[ 135 ]
元IPTO所長のボブ・テイラーもこの議論に加わり、「ARPANETの先駆者たちにインタビューした著者たちは、クラインロックとロバーツの主張が信じられていないことをよく知っている」と述べた。[ 136 ]ウォルター・アイザックソンは、「1990年代半ばまで、クラインロックはパケット交換のアイデアを考案したのはバランとデイビスだと考えていた」と指摘している。[ 131 ]
クラインロックの伝記ウェブページのその後のバージョンは、2009年にクラインロックによって著作権登録されました。[ 137 ]彼はその後数十年にわたって自分の立場を弁護するよう求められました。[ 138 ] 2019年にインターネット歴史誌に掲載された論文はクラインロックの見解を支持しました。 [ 139 ]著者はクラインロックとロバーツにインタビューしましたが、スカントルベリーにはインタビューしませんでした。[ 140 ] 2023年、クラインロックは1960年代初頭に発表した自分の研究はメッセージ交換に関するものであり、パケット交換について考えていたと主張しました。[ 141 ]一次資料と歴史家は、ARPANETやインターネットを含む現代のコンピュータネットワークで使用されるデジタルパケット交換の概念を独自に発明したとしてバランとデイヴィスを認めています。[ 8 ] [ 9 ] [ 40 ] [ 142 ] [ 143 ]
クラインロックは、1970年代に実施したパケット交換に関する画期的な応用数学研究で多くの賞を受賞しており、これは1960年代初頭の通信ネットワークにおけるメッセージ遅延の最適化に関する先駆的な研究の延長線上にあるものでした。 [ 83 ] [ 144 ]しかし、クラインロックが1960年代初頭の自身の研究がパケット交換の概念を生み出し、彼の研究がARPANETで使用されているパケット交換の概念の源泉であると主張したことは、このテーマに関する情報源に影響を与え、インターネットの歴史記述において方法論的な課題を生み出しました。[ 129 ] [ 131 ] [ 133 ] [ 138 ]歴史家のアンドリュー・L・ラッセルは、「『インターネットの歴史』には、方法論上の問題もある。それは、情報源に近すぎる傾向があるということだ。インターネットの先駆者の多くは存命で、活動的で、自分たちの功績を記述する歴史を形作ろうと熱望している。多くの博物館や歴史家も同様に、先駆者にインタビューし、彼らの物語を公表しようと熱望している」と述べている。[ 145 ]
パケット交換は、データグラムを使用するコネクションレス型パケット交換と、仮想回線を使用するコネクション指向型パケット交換に分類できます。コネクションレス型システムの例としては、イーサネット、IP、 UDP（ User Datagram Protocol）などがあります。コネクション指向型システムには、X.25、フレームリレー、 MPLS（ Multiprotocol Label Switching）、TCPなどがあります。
コネクションレスモードでは、各パケットには宛先アドレス、送信元アドレス、ポート番号がラベル付けされます。パケットのシーケンス番号がラベル付けされる場合もあります。この情報により、パケットが宛先に到達するまでの経路を事前に確立する必要がなくなりますが、パケットヘッダーに必要な情報が増えるため、ヘッダーのサイズが大きくなります。パケットは個別にルーティングされ、場合によっては異なる経路をたどるため、順不同で配信されます。宛先では、パケットのシーケンス番号に基づいて、元のメッセージが正しい順序で再構成される場合があります。このように、ネットワークはコネクションレス型のネットワーク層サービスのみを提供しますが、トランスポート層プロトコルによってバイトストリームを伝送する仮想回線がアプリケーションに提供されます。
コネクション指向伝送では、パケット転送前に通信パラメータを確立するためのセットアップフェーズが必要です。セットアップに使用されるシグナリングプロトコルにより、アプリケーションは要件を指定し、リンクパラメータを検出できます。サービスパラメータの許容値はネゴシエートされる場合があります。転送されるパケットには、アドレス情報の代わりに接続識別子が含まれる場合があり、パケットヘッダーは、このコードと、長さ、タイムスタンプ、シーケンス番号など、パケットごとに異なる情報のみを含める必要があるため、小さくすることができます。この場合、アドレス情報は、宛先への経路が発見され、接続が通過する各ネットワークノードのスイッチングテーブルにエントリが追加される接続セットアップフェーズ中にのみ、各ノードに転送されます。接続識別子を使用する場合、パケットのルーティングには、ノードがテーブルで接続識別子を検索する必要があります。
TCPなどのコネクション指向型トランスポート層プロトコルは、基盤となるコネクションレス型ネットワークを利用することで、コネクション指向型のサービスを提供します。この場合、エンドツーエンドの原則に基づき、ネットワーク自体ではなく、エンドノードがコネクション指向型の動作を担います。
電気通信ネットワークでは、パケット交換はチャネル容量の使用を最適化し、堅牢性を高めるために使用されます。[ 61 ]回線交換と比較して、パケット交換は非常に動的であり、明示的な予約ではなく使用状況に基づいてチャネル容量を割り当てます。これにより、帯域幅保証がなくなるという代償を伴いますが、使用されていない予約によって発生する無駄な容量を削減できます。実際には、 IP ネットワークでは一般的に輻輳制御を使用して、接続間で容量を動的にネゴシエートします。パケット交換は、障害発生時のネットワークの堅牢性も高めることができます。ノードが故障しても、パケットは障害を迂回してルーティングできるため、接続を中断する必要はありません。
パケット交換は、インターネットやほとんどのローカルエリアネットワークで使用されています。インターネットは、さまざまなリンク層技術を用いたインターネットプロトコルスイートによって実装されています。例えば、イーサネットやフレームリレーが一般的です。新しい携帯電話技術（GSM、LTEなど）もパケット交換を使用しています。パケット交換はコネクションレスネットワークと関連付けられています。なぜなら、これらのシステムでは、データ交換の前に通信当事者間で接続合意を確立する必要がないからです。
1976年の国際CCITT規格であるX.25は、フロー制御仮想回線のサービスをユーザーに提供するという点で、パケット交換の注目すべき使用例である。これらの仮想回線は、データ順序を保持しながら可変長のパケットを確実に伝送する。カナダのDATAPACはX.25をサポートする最初の公共ネットワークであり、フランスのTRANSPACがそれに続いた。[ 146 ]
非同期転送モード（ATM）は、もう一つの仮想回線技術です。X.25と異なる点は、小さな固定長のパケット（セル）を使用すること、そしてネットワークがユーザーにフロー制御を課さないことです。
MPLSやリソース予約プロトコル（RSVP）などの技術は、データグラムネットワーク上に仮想回線を作成します。MPLSとその前身、そしてATMは、「高速パケット」技術と呼ばれてきました。実際、MPLSは「セルなしのATM」と呼ばれています。[ 147 ]仮想回線は、堅牢なフェイルオーバーメカニズムを構築したり、遅延に敏感なアプリケーションに帯域幅を割り当てたりするのに特に役立ちます。
このパケット交換ネットワークのリストは、3つの重複する時代に分けられます。X.25の導入以前の初期の孤立したネットワーク、多くの郵便、電話、電信（PTT）会社が世界規模の公共データネットワークを提供したX.25時代、そして当初OSIモデルと競合した現代のインターネット時代です。
ドナルド・デイヴィスが1960年代後半に行ったデータ通信とコンピュータネットワーク設計に関する研究は、米国、ヨーロッパ、日本で広く知られるようになった。これは、その後の10年間に数多くのパケット交換ネットワークを生み出す「礎石」となった。（記事全文はこちら…）
歴史家は、ウェールズの科学者ドナルド・W・デイヴィスとアメリカのエンジニア、ポール・バランに重要な洞察を与えている。
ポール・バランは、デジタルネットワークの基盤となるパケット交換技術の共同発明者（ドナルド・デイヴィスと共に）として名高いエンジニアである。
1960 年の課題は、ネットワークの重要なサブセットが軍事攻撃に耐えられるようなネットワークを構築することでした。[Baran] は、「冗長なパスがあれば、ネットワークの信頼性は部品の信頼性よりも高くなる可能性がある」と気付いたとき、解決策を設計できると確信したと私たちに話しました。 1965年11月10日付の最初の草稿で、デイヴィスは自身の新しい通信サービスの今日の「キラーアプリ」を次のように予測していた。「最大のトラフィックは、人々が買い物などの日常的な目的でこの手段を使用した場合にのみ発生するだろう。あらゆる種類の商品の問い合わせや注文を行う人々がトラフィックの大部分を占めるだろう。我々が想定しているようなサービスの成長により、電話のビジネス利用は減少するかもしれない。」
基本的にすべての作業は 1961 年までに定義され、1962 年に詳細化され、正式な文書形式にまとめられました。ホットポテトルーティングのアイデアは 1960 年後半に遡ります。
カーンは次のように回想している。「...ポール・バランの貢献...ポールはほぼ完全に音声に関する考慮事項によって動機づけられていたと思います。彼が書いたものを見ると、彼は低コストの電子機器であるスイッチについて話していました。これらの場所に強力なコンピュータを置くという考えは、費用対効果が高いとはまだ思い浮かんでいませんでした。そのため、コンピュータスイッチの概念が欠けていました。プロトコルの概念全体が当時存在していませんでした。そして、コンピュータ間の通信という考えは、実際には二次的な関心事でした。」
コンピュータ通信よりもデジタル音声通信に重点を置いていた。
Paul Baran ... はルーティング手順と敵対的な環境における分散通信システムの生存性に焦点を当てましたが、現在私たちが理解しているような形でのリソース共有の必要性には重点を置きませんでした。実際、ソフトウェアスイッチの概念は彼の研究には存在しませんでした。
{{cite book}}: ISBN / 日付の不一致 (ヘルプ)。「1959年6月のユネスコ情報処理会議でC. Stracheyが発表した、タイムシェアリングコンピュータに関する最初の論文」。コンピュータ間のボトルネックを回避する方法という問題を解決するには、新たな洞察が必要だった。
ネットワークのすべてのユーザーは、何らかのエラー制御を自ら行うことになるだろう... 遠い将来のコンピュータの発展により、ある種のネットワークが音声とデジタルメッセージを効率的に伝送できるようになるかもしれない。
パケット交換ネットワークの詳細な設計研究を発表した。ロバーツがそれについて聞いたのは初めてだった。…ロバーツはまた、数年前にポール・バランがランド研究所で行った研究についても、スカントルベリーから初めて知った。
の提案は、そのようなリソース共有型コンピュータネットワークにおける通信をどのように実現できるかを示したからだ。
[Scantlebury氏の発言] 私たちは1967年のガトリンバーグACM論文でBaran氏の論文を参照しました。参考文献に記載されています。したがって、Baran氏の研究をLarry氏（ひいてはBBNのメンバー）に紹介したことは間違いありません。
ポール・バランの名前を聞いたことがなかったため、システムを機能させる方法について真剣に考えたことがなかったのだ。そして、それを教えてくれたのはイギリスの組織だった。...ラリー・ロバーツの論文は、ウェズリー・クラークの協力を得て構想されたARPANETの概念を初めて一般に公開したものであった。...今見ると、ロバーツの論文は、実に曖昧で、まあ、漠然としているように思える。
スカントルベリーとNPLグループの仲間たちは、その夜、ロバーツと夜通し起きて、技術的な詳細を共有したり、細かい点について議論したりして、楽しい時間を過ごした。
NPLグループは、この新しい技術を支持する多くのアメリカ人コンピュータ科学者に影響を与え、彼らはこの種のネットワークを指すのにデイヴィスの用語である「パケット交換」を採用した。ロバーツもまた、NPLの設計の特定の側面をいくつか採用した。
ネットワークは、私たちが説明するタイプのネットワークが存在しないため、既存の電信技術を使用して実装されています。現時点では、NPLの論文のアイデアは、米国で提案されているどのアイデアよりも進んでいるようです。
た。私のメモには、最初はラリーは懐疑的だったが、そこにいた他の何人かがロジャーに賛同し、最終的にラリーは数の多さに圧倒されたと書かれている。
Larry Roberts は、後に ARPAnet となるものの初期のアイデアに関する論文を発表しました。これはメッセージ全体をストアアンドフォワード方式で送信する方式に基づいていましたが、その会議の結果、NPL の研究により、Roberts はパケット交換が今後の方向性であると確信するようになりました。
このシステムは1969年初頭に初めて稼働した。
最初のパケット交換ネットワークは、英国の国立物理研究所で実装されました。1969 年に、ARPANET がすぐにそれに続きました。
レナード・クラインロック：ドナルド・デイヴィスは…ARPAより先にシングルノード・パケットスイッチを作った。
1967年のガトリンバーグ論文はARPAnetの開発に影響を与え、そうでなければ拡張性の低い技術で構築されていたかもしれない。... Daviesはパケット交換について講演するために日本に招かれた。
実現可能性調査は、キューイング理論を適用してネットワーク全体のパフォーマンスを調査する試みで継続されました。これは扱いにくいことが判明したため、すぐにシミュレーションに切り替えました。
彼は、ARPANET の基盤技術としてパケット交換方式を採用することを決定しました。これは、インターネットの機能の中核をなすものです。また、ネットワークの制御を複数のコンピュータに分散させるネットワークを構築することを決定したのもロバーツ博士でした。分散ネットワークは、今日のインターネットのもう一つの基盤となっています。
ロバーツはバランと少し面識があり、実際、前年の2月にランド研究所を訪れた際に彼と昼食を共にしたことがあった。しかし、ネットワークについて話し合った記憶は全くなかった。どうしてそんなことを見逃してしまったのだろうか？
1967年2月28日火曜日、私のカレンダーに正午12時にL・ロバーツ博士との面会予定が記されているのを見つけた。
すべてのホストコンピュータが直接相互接続するというロバーツの提案は支持されなかった。ウェズリー・クラークは、ネットワークをホストコンピュータに接続された同一の小型コンピュータで管理することをロバーツに提案した。このアイデアを受け入れたロバーツは、ネットワーク管理専用の小型コンピュータを「インターフェースメッセージプロセッサ」（IMP）と名付け、それが後に今日のルーターへと発展した。
W.クラークのメッセージ交換提案（テイラーが1967年4月24日にエンゲルバートに送った手紙に添付）が検討された。
メッセージ交換ネットワークが構成されます。
ロバーツはこのアイデアに賛同し、1967年後半にテネシー州ガトリンバーグで開催されたACM SIGOPSオペレーティングシステム原理シンポジウムで、やや曖昧な論文を発表した。
そして、ラリー・ロバーツがペンタゴン最速の男として知られていたのには理由があった。空港に着く頃には、決定は下されていた…。ペンタゴン最速の男は再びためらうことなく決断を下した。
1965年、デイヴィスは「パケット交換」と名付けた形で、コンピュータ通信の新しい概念を開拓した。…ARPAネットワーク（ArpaNet）の設計は、この技術を採用するために完全に変更された。
バランは[1960年代初頭に]「分散型適応メッセージブロックネットワーク」を提案した。ロバーツはバランをARPANET計画グループに招き、分散通信とパケット交換について助言させた。
ロバーツはバランをARPANET計画グループに招き、分散通信とパケット交換について助言させた。ロバーツはUCLAのレナード・クラインロックにネットワークの理論モデルを作成し、実際のパフォーマンスを分析する契約を与えた。
我々は、約 4 人の作業グループが近い将来、IMP を正確に定義するために集中的な努力をすることを提案する。このグループは、以前の会議のより大きなグループと時折交流する。暫定的に、この調査グループの中核は、Bhushan (MIT)、Kleinrock (UCLA)、Shapiro (SRI)、Westervelt (ミシガン大学) であり、Baran (Rand)、Boehm (Rand)、Culler (UCSB)、Roberts (ARPA) などの人々からなる傍観者グループが加わると考えている。
バラン: 1967 年 10 月 31 日火曜日、ARPA の (Elmer) Shapiro、(Barry) Boehm、(Len) Kleinrock、ARPA ネットワークの午前 9 時 30 分から午後 2 時までのメモを見ました。1967 年 11 月 13 日月曜日、次のメモを見ました: Larry Roberts は昼食 (時間) 頃です。Art Bushkin = 午後 1 時です。ここにいます。Larry Roberts IMP 委員会。1967 年 11 月 16 日木曜日、午後 7 時、Kleinrock、UCLA - IMP 会議を見ました。
カーンは主任設計者
ルーティング、フロー制御、ソフトウェア設計、ネットワーク制御など、ネットワークの内部動作の重要な側面は、フランク・ハート、ロバート・カーン、セヴェロ・オムスタイン、ウィリアム・クロウザー、デビッド・ウォルデンからなる BBN チームによって開発されました。
NPLデータネットワークの取り組みはARPANETの設計に根本的な影響をほとんど与えなかったようだ。標準ネットワークインターフェース、ルーティングアルゴリズム、スイッチングノードのソフトウェア構造といったNPLデータネットワーク設計の主要な側面は、ARPANETの設計者によってほとんど無視された。しかしながら、より根本的なものではない多くの点で、NPLデータネットワークがARPANETの設計と進化に影響を与えたことは疑いの余地がない。
しかし、ARPANET には欠点があった。真のデータグラム ネットワークではなく、エンドツーエンドのエラー訂正も提供していなかった。
サイクラデスはARPANETとは異なり、インターネットワーキングを容易にするために明確に設計されていました。例えば、さまざまなフォーマットやさまざまなサービスレベルに対応できました。
NPLネットワークとARPANETに加え、学術研究実験ネットワークであるCYCLADESも、コンピュータネットワーク技術の発展において重要な役割を果たした。
1970年代初頭、プーザン氏はフランス、イタリア、イギリスの拠点を結ぶ革新的なデータネットワークを構築した。そのシンプルさと効率性は、数十台だけでなく数百万台のマシンを接続できるネットワークへの道筋を示した。それはサーフ博士とカーン博士の想像力を掻き立て、彼らはその設計の一部を、現在インターネットを支えるプロトコルに取り入れた。
/IP インターネットに先行する 2 つの重要なパケット ネットワーク: ARPANET と CYCLADES。インターネットの設計者は、これらのシステム、特に CYCLADES から多大な影響を受けた...最初のエンドツーエンドの研究ネットワークは CYCLADES であり、フランスの IRIA の Louis Pouzin が BBN の Dave Walden と Alex McKenzie の支援を受けて設計し、1972 年から展開された。
オリジナルのARPANET設計では、データの完全性はIMPのストアアンドフォワード機能の一部となっていたが、Cycladesのエンドツーエンドプロトコルはネットワークのパケット交換操作を大幅に簡素化した。...そのアイデアは、Cycladesからいくつかの原則を採用し、ARPANETモデルを反転させて国際的な差異を最小限に抑えることだった。
著者らは、国際ネットワークプロトコルの初期段階の議論において有益なコメントをくれた多くの同僚、特に R. Metcalfe、R. Scantlebury、D. Walden、H. Zimmerman、断片化とアカウンティングの問題について建設的なコメントをくれた D. Davies と L. Pouzin、およびアソシエーションの作成と破棄についてコメントをくれた S. Crocker に感謝したい。
待ち行列プロセスとネットワーク内のフローの理論が用いられ、ネットワークの性能は一連の方程式で記述される。... 解析的手法はクラインロックらによって成功裏に用いられてきたが、重要な単純化の仮定を置いた場合に限られる。... クラインロックの研究において、解析的手法の結果とシミュレーションの結果が良好な一致を示していることは心強い。
は、UCLAのインターネット研究は主にスループットと遅延分析に関する理論的研究であると指摘した。この研究はL. Kleinrockが主導している。
クラインロックの影響については、Frank、Kahn、Kleinrock 1972、p. 265、Tanenbaum 1989、p. 631を参照のこと。
ネットワークルーティングのための階層型アドレス指定システムは、Fultzによって提案され、さらに詳細にはMcQuillanによって提案されている。最近の非常に包括的な分析は、KleinrockとKamounの論文に掲載されている。
階層的アプローチは、階層内のレベルを接続する要素であるセパレータを最適に配置することで、ルーティング テーブル サイズと更新メッセージの頻度の両方で大きな利益が得られることを示す理論的結果（例：[16]）によってさらに動機付けられています。 ... [16] KLEINROCK, L., AND KAMOUN, F. 大規模ネットワークの階層的ルーティング：パフォーマンス評価と最適化。Computer Networks (1977)。
その後、1966 年 6 月に、デイビスは 2 番目の内部文書「デジタル通信ネットワークの提案」を執筆し、その中で、ユーザーが送信したいメッセージの小さな部分である「パケット」という言葉を作り出し、また、ユーザー機器とパケット ネットワークの間に位置する「インターフェース コンピュータ」の概念も導入しました。
確かに彼は現在、それが常に彼の意図であったと主張している。
上記のパケット交換の成り立ちの説明は、最も広く受け入れられているものです。しかし、別のバージョンもあります。ロバーツは後年、ガトリンバーグシンポジウムの頃には、パケット交換の基本概念をすでに十分に理解しており、それらは通信ネットワークに関する博士論文研究の一環として、1962 年という早い時期にそれらについて書いていた旧友のレン・クラインロックに由来すると主張しました。しかし、クラインロックの著作からパケット交換に似たものを抽出するには、かなり目を凝らす必要があり、私がこれまでに出会った他の同時代の文献証拠は、クラインロック/ロバーツの説明を裏付けるものではありません。
{{citation}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)インターネットは実際には何千人もの人々の働きです」とバラン氏は語った。「そして、さまざまな人々が成し遂げたことに関するすべての物語は、すべてのピースがうまく組み合わさっています。この小さなケースだけが例外のようです。」
彼がパケット交換の原理を理解していたという証拠は見つかりません。
レナード・クラインロックとローレンス（ラリー）・ロバーツは、どちらもパケット交換の発明に直接関わっていませんでしたが…ランド研究所の上級コンピュータ科学者兼研究員であるウィリス・H・ウェア博士は、デイヴィス（および他の人々）が、パケット交換の発明に関する不適切な主張だと彼らが考えていたことに困惑していたと述べています。
{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)...あらゆる種類の突飛なアイデアがありましたが、そのほとんどは意味不明でした。誰かが提唱していた「ホットポテト」ルーティングというものがありましたが、それはまさに狂気の沙汰でした。
彼は 1960 年～ 1962 年の間、MIT の大学院生として、インターネットの基盤となる技術であるデータ ネットワークの数学理論を開発しました。その研究の中で、彼はメッセージのパケット化をモデル化し、パケット化によって得られる重要なパフォーマンス向上を解明しました。
。コンピュータと通信回線を相互接続する技術的な問題とは別に、コンピュータネットワークの概念は、理論的な観点から多くの場所で検討されてきた。特に注目すべきは、1960年代初頭にランド研究所のポール・バランらが行った「分散通信について」という研究である。また、1960年代半ばにイギリスの国立物理研究所のドナルド・デイヴィスらが行った研究も注目に値する。... ARPANETの開発に影響を与えたもう1つの初期の主要ネットワーク開発は、DW デイヴィスのリーダーシップの下、イギリスのミドルセックスにある国立物理研究所で行われた。