Chaosnet: Mạng cục bộ tiên phong từ MIT và kiến trúc Lisp Machine

Chaosnet là một mạng cục bộ (LAN), hay nói cách khác là một hệ thống truyền thông giữa một nhóm máy tính nằm trong phạm vi một đến hai km với nhau. Tên gọi Chaosnet ám chỉ việc thiếu vắng một yếu tố kiểm soát tập trung trong mạng này.

Được phát triển lần đầu vào năm 1975 bởi Phòng thí nghiệm Trí tuệ Nhân tạo của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Chaosnet ban đầu đóng vai trò là phương tiện truyền thông nội bộ cho hệ thống Lisp Machine. Kể từ đó, nó đã được sử dụng để kết nối nhiều loại máy tính khác nhau tại MIT và một số trường đại học cũng như phòng thí nghiệm nghiên cứu khác.

Bối cảnh và Mục tiêu thiết kế

Hệ thống Lisp Machine là một hệ thống đa bộ xử lý trong đó mỗi người dùng hoạt động được cấp một "máy tính cá nhân" bao gồm một bộ xử lý quy mô vừa phải, một lượng bộ nhớ phù hợp và một đĩa hoán đổi (swapping disk). Tuy nhiên, các tệp tin được lưu trữ trong một hệ thống tệp tập trung được truy cập thông qua Chaosnet.

Hệ thống tệp dùng chung này duy trì các lợi ích truyền thống của hệ thống chia sẻ thời gian (time-sharing), như giao tiếp giữa người dùng, chia sẻ chương trình và sao lưu cũng như bảo trì tập trung. Đồng thời, bằng cách cấp cho mỗi người dùng một bộ xử lý riêng, hệ thống Lisp Machine có khả năng thực thi các chương trình Lisp khổng lồ hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống chia sẻ thời gian, với thời gian phản hồi tương tác nhanh chóng.

Vì Chaosnet thay thế đĩa tệp trong hệ thống truyền thống, nó phải nhanh (về cả độ trễ và thông lượng), đáng tin cậy (đây là lý do không có kiểm soát tập trung) và cho phép kết nối vài chục máy tính. Mục tiêu chính của Chaosnet là sự đơn giản và hiệu suất cao.

Kiến trúc Phần cứng: Ether và Transceiver

Chaosnet bao gồm hai phần - phần cứng và phần mềm - được thiết kế để bổ trợ cho nhau. Phần cứng cung cấp cấu trúc truy cập đa điểm với phát hiện sóng mang (carrier-sense multiple-access) rất giống với Ethernet của PARC. Các nút mạng cạnh tranh nhau để truy cập vào một cáp, hay còn gọi là "ether", để truyền các gói tin đến các nút khác.

Môi trường truyền dẫn của Chaosnet được gọi là ether. Về mặt vật lý, đây là một cáp đồng trục bán cứng loại 1/2 inch giảm suy hao thấp dùng cho TV cáp, với trở kháng 75-ohm ở cả hai đầu. Tại mỗi nút mạng, một bộ thu phát (transceiver) được gắn vào cáp. Một cáp phẳng dài 10 mét kết nối bộ thu phát này với giao diện được gắn vào bus I/O của máy tính.

Một nút mạng bao gồm bộ thu phát, giao diện và một máy tính thực thi một phần mềm gọi là Chương trình Điều khiển Mạng (Network Control Program - NCP).

Cơ chế Tránh Xung đột và Token ảo

Chaosnet không có bộ điều khiển tập trung; khi một nút mạng có tin nhắn để truyền, giao diện của nó sẽ chiếm ether và truyền một gói tin. Nếu hai giao diện quyết định truyền cùng lúc, sự truyền sẽ bị nhiễu - đây được gọi là xung đột (collision).

Để giải quyết vấn đề này, Chaosnet sử dụng một kỹ thuật tránh xung đột mới lạ:

1. Carrier Sense: Giao diện không bao giờ bắt đầu truyền trừ khi ether được coi là rảnh (trạng thái thấp trong một khoảng thời gian).
2. Kỹ thuật chia thời gian (Time-division): Mỗi giao diện được cấp một "khe thời gian" hoặc lượt theo địa chỉ của nó. Nó chỉ được phép bắt đầu truyền trong lượt của mình. Các lượt được cách nhau đủ xa để nếu một giao diện bắt đầu truyền, mọi giao diện khác sẽ nhận thấy ether bận trước khi lượt của chúng đến.

Cơ chế này có thể được hình dung như một "token ảo" di chuyển dọc theo cáp. Token không được đại diện bởi bất kỳ sự truyền vật lý nào trên cáp (để tránh các vấn đề về độ tin cậy nếu token bị mất). Thay vào đó, mỗi giao diện chứa một bộ đếm khe thời gian theo dõi vị trí của token. Mỗi khi một gói tin được truyền, các bộ đếm này được đồng bộ hóa lại.

Giao thức Phần mềm và Định tuyến

Mục đích của giao thức phần mềm cơ bản là cho phép truyền thông tốc độ cao giữa các quy trình trên các máy tính khác nhau mà không có lỗi truyền không được phát hiện. Tốc độ truyền tệp thực tế có thể so sánh với một ổ băng từ rẻ tiền (khoảng 30.000 ký tự mỗi giây).

Chaosnet cung cấp một kết nối giữa hai quy trình người dùng - một kênh truyền gói tin toàn duplex đáng tin cậy. Mạng đảm bảo không làm hỏng, mất, trùng lặp hoặc sắp xếp lại các gói tin; trong trường hợp lỗi nghiêm trọng, nó có thể ngắt kết nối hoàn toàn.

Về định tuyến, mỗi nút (máy chủ) trên mạng được xác định bởi một địa chỉ 16-bit. Địa chỉ này bao gồm hai trường: 8 bit quan trọng nhất xác định một mạng con (subnet), và 8 bit ít quan trọng nhất xác định một máy chủ trong mạng con đó. Các gói tin có thể được chuyển tiếp qua nhiều mạng con thông qua các "cầu nối" (bridges) - thường là các máy tính PDP-11 có nhiều giao diện mạng.

Di sản

Chaosnet là một ví dụ điển hình của kỷ nguyên sơ khai trong mạng máy tính, nơi các kỹ sư tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất cho các tác vụ cụ thể (như chạy Lisp) thay vì cố gắng tạo ra một giải pháp chung chung cho mọi tình huống. Sự đơn giản trong thiết kế, kết hợp với các cơ chế tránh xung đột phần cứng thông minh, đã khiến nó trở thành một mạng cục bộ mạnh mẽ và đáng tin cậy trong môi trường nghiên cứu của những năm 1970 và 1980.