home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Telecom / 1996-04-telecom-walnutcreek.iso / george.gilder.essays / metcalfs.law.and.legacy < prev    next >
Text File  |  1994-12-20  |  33KB  |  661 lines

  1.  
  2. Reply-To: gaj@pcs.win.net (Gordon Jacobson)
  3. Date: Sun, 31 Oct 1993 02:39:22
  4. Subject: George Gilder's fourth article
  5. From: gaj@pcs.win.net (Gordon Jacobson)
  6.  
  7.  
  8.      Following yesterday's upload of "Issaquah Miracle," here is
  9. the fourth article in George Gilder's series.  This is the
  10. third of four articles I would like to upload to comp.dcom.telecom.
  11. I contacted the author and Forbes and as the preface below indicates
  12. obtained permission to post on the Internet. Please note that the
  13. preface must be included when cross posting this article to another
  14. newsgroup.
  15.  
  16.        This series of articles by George Gilder provide some interesting
  17. technological and cultural background that helps prepare readers to better
  18. understand and place in proper perspective the events relative to the
  19. National Data Super Highway, which are unfolding almost daily in the
  20. national press.
  21.  
  22.         The following was received directly from Forbes ASAP on
  23. Wednesday October 27, 1993.
  24.  
  25.  
  26.            The following article, METCALF'S LAW AND LEGACY, was first
  27.       published in Forbes ASAP, September 13, 1993.  It is a portion of
  28.       George Gilder's book, Telecosm, which will be published next year
  29.       by Simon & Schuster, as a sequel to Microcosm, published in 1989
  30.       and Life After Television published by Norton in 1992.  Subsequent
  31.       chapters of Telecosm will be serialized in Forbes ASAP.
  32.  
  33.  
  34.                      METCALF'S LAW AND LEGACY
  35.  
  36.                                BY
  37.                                 
  38.                           GEORGE GILDER
  39.  
  40.      
  41.      The world of networks breaks into two polar paradigms.  Most
  42. familiar is the Public Switched Telephone Network.  From the
  43. tiniest transistor flip-flop on a modem chip through labyrinthine
  44. layers of rising complexity on up to a 4ESS supercomputer switch
  45. linking 107,520 telephone trunk lines (itself consisting of
  46. millions of interconnected transistors), the public network is a
  47. vast, deterministic web of wires and switches.  Once you are
  48. connected in the public network, your message is guaranteed to
  49. get through.
  50.      
  51.      In the public network, bandwidth constantly expands as you
  52. rise in the hierarchy.  At the bottom are the twisted-pair copper
  53. wires of your telephone that function at four kilohertz
  54. (thousands of cycles per second).  At the top are fiber-optic
  55. trunk lines that function at rates close to the 2.9-gigahertz
  56. speeds of the electronic transistors that feed the glass wires.
  57. In The Geodesic Network, writer Peter Huber has described the
  58. five tiers of the telephone switching system as a structure with
  59. "the solidity, permanence and inflexibility of the Great Pyramid
  60. of Cheops, which on paper it resembled."  Although the pyramid
  61. has suffered erosion and change in recent years, it remains
  62. mostly in place today: the public network pyramid.
  63.      
  64.      That is one network paradigm.  The other paradigm is Robert
  65. Metcalfe's.  It germinated in his mind in 1970 as he read a paper
  66. by Norman Abramson of the University of Hawaii given at a
  67. computer conference that year.  Abramson told of another
  68. paradigm.  He called it Aloha.  With Aloha, there were no
  69. guarantees.
  70.      
  71.      AlohaNet was a packet radio system used for data
  72. communications among the Hawaiian Islands.  Packets are
  73. collections of bits led by a header, which is a smaller
  74. collection of bits, bearing an address; they proceed through a
  75. communications system rather like envelopes through a postal
  76. system.  The key feature of AlohaNet was that anyone could send
  77. packets to anyone else at any time.  You just began transmitting.
  78. If you didn't get an acknowledgment back, you knew the message
  79. had failed to get through.  Presumably your packets had collided
  80. with others.  In Metcalfe's words, "They were lost in the ether."
  81. At that point, you would simply wait a random period (to avoid a
  82. repeat collision as both parties returned to the channel at
  83. once).  Then you would retransmit your message.
  84.      
  85.      To Metcalfe, AlohaNet seemed a beautifully simple network.
  86. But Abramson showed that, because of collisions and other
  87. problems, it could exploit only 17 percent of its potential
  88. capacity.  A student of computer science searching for thesis
  89. ideas, Metcalfe believed that by using a form of advanced
  90. mathematics called queuing theory he could drastically improve
  91. the performance of AlohaNet without damaging its essential
  92. elegance and simplicity.  What Metcalfe, then a graduate student
  93. at Harvard, eventually discovered would bring such networks up
  94. toward 90 percent of capacity and make the Aloha concept a
  95. serious threat to the entire structure of the public network
  96. pyramid.
  97.      
  98.      Metcalfe's discovery is known as Ethernet.  Twenty years
  99. later, Ethernet is the world's dominant local area network and,
  100. at 47, Metcalfe is known and celebrated as its inventor.  He was
  101. also founder in 1981 of 3Com Corp. of Santa Clara, Calif., the
  102. leading producer of Ethernet adapter cards and a major
  103. communications products company.  In this era of networking, he
  104. is the author of what I will call Metcalfe's law of the telecosm,
  105. showing the magic of interconnections: connect any number, "n,"
  106. of machines - whether computers, phones or even cars - and you
  107. get "n" squared potential value.  Think of phones without
  108. networks or cars without roads.  Conversely, imagine the benefits
  109. of linking up tens of millions of computers and sense the
  110. exponential power of the telecosm.
  111.      
  112.      Indeed, the power of the telecosm reproduces on a larger
  113. scale - by interconnecting computers - the exponential yield of
  114. the microcosm, a law describing the near magical effect of
  115. interconnecting transistors on chips of silicon: As increasing
  116. numbers of transistors are packed ever closer together, the
  117. transistors run faster, cooler, cheaper and better.  Metcalfe's
  118. law suggests that a similar spiral of gains is available in the
  119. telecosm of computer communications.
  120.      
  121.      Already the world economy is beginning to reap these gains.
  122. Ethernet now links more than half of the world's 40 million
  123. networked computers, extending Metcalfe's paradigm and his law.
  124. Indeed, the law would suggest that in addition to his some $20
  125. million of personal net worth from 3Com, Metcalfe's concept has
  126. fostered scores of billions of dollars in global wealth.  Led by
  127. Novell Inc., with an equity capitalization of more than $8
  128. billion, the top 15 publicly traded computer networking companies
  129. have a total market value of some $22 billion.  Add to that sum
  130. the productivity value derived from the world's 100 million
  131. computers as they are increasingly linked in networks, and you
  132. may sense the power of the Metcalfe paradigm.
  133.      
  134.      Today, 20 years after Metcalfe conceived it at Xerox's Palo
  135. Alto Research Center, Ethernet is still gathering momentum,
  136. gaining market share and generating innovations.  Between 1989
  137. and 1993, the percentage of America's computers on LANs rose from
  138. less than 10 to more than 60, and most of these gains were in
  139. Ethernets.
  140.  
  141.  
  142.  
  143. Ether Moves to Cable
  144.  
  145.      
  146.      The telecosm's powers could end up saving the American
  147. economy from itself.  In an era when the new payroll taxes and
  148. regulations of Clintonomics could end up driving millions of mind
  149. workers back into their homes, Digital Equipment Corp. is now
  150. extending Ethernet's range from its current two-mile limit to
  151. some 70 miles.  Called Channelworks, the DEC system can run
  152. Ethernet on the some 50 million miles of cable television coax.
  153. This will enable potential scores of millions of telecommuters to
  154. access their familiar office LAN, tap their company E-mail and
  155. their corporate databases, and generally make themselves feel at
  156. work while at home.  Deployed at a profit and extended to
  157. customers at a flat monthly rate, Ethernet in the neighborhood
  158. could become a massive growth business for the cable industry
  159. over the next decade.
  160.      
  161.      As Ethernet spreads and faces the challenge of remote work
  162. teams using digital images, simulations, maps, computer-assisted
  163. design schematics, visualizations, high-fidelity sounds and other
  164. exotic forms of data, the system is constantly adapting.  From
  165. 3Com spin-offs Grand Junction Networks and LAN Media Corp.  to
  166. smart hubmaker David Systems, from Kalpana to Synernetics, from
  167. National Semiconductor to Hewlett Packard, from Cabletron to
  168. SynOptics, from AT&T even to Token Ring leader IBM, scores of
  169. companies are pushing Ethernet into new functions and performance
  170. levels.  It is emerging in full-duplex, multimedia, fast, fiber-
  171. optic, shielded, unshielded, twisted, thin, thick, hubbed,
  172. collapsed, vertebrate, invertebrate, baseband, broadband, pair,
  173. quartet, coaxial and wireless versions.  It now can run at 2.9,
  174. 10, 20 and 100 megabits per second.  It has moved from 2.9
  175. megabits per second to 100 megabits per second and from a few
  176. hundred to several million users in some 10 years.  At its
  177. present pace of progress, Ethernet will someday run isochronous
  178. (real-time) gigabits per second on linguine.
  179.  
  180.  
  181.  
  182. Aloha ATM, Gushing Cash
  183.  
  184.      
  185.      So why is its boyish-looking inventor - over Metcalfe's
  186. anguished protests, think of Ted Kennedy some 10 years ago -
  187. giving up on his baby just as it enters its roaring 20s?  Why is
  188. he ready to abandon his basic paradigm in favor of a return to
  189. the public network vision of massive, intelligent switching
  190. systems?  Why is he now talking of Ethernet as a "legacy LAN"?
  191.      
  192.      Discoursing this summer from a deck chair on his yacht (a
  193. converted lobster boat) as he breezed down from his Maine retreat
  194. to a dock on the Charles River for his 25th MIT reunion, Metcalfe
  195. has the air of an elder statesman.  Though humbly grateful for
  196. the benisons of Ethernet, he has seen the future in a poll of
  197. experts prophesying the universal triumph of a powerful new
  198. switching system called asynchronous transfer mode (ATM).  "I
  199. have found," Metcalfe solemnly intones, "an amazing consensus
  200. among both telephone industry and computer networking experts
  201. that ATM is the future of LANs."  Aloha, ATM.
  202.      
  203.      Metcalfe is not alone among Ethernet pioneers flocking back
  204. to Ma Bell's pyramid of switches.  Also leaving Ethernet behind
  205. is his onetime nemesis, Leonard Kleinrock of UCLA, a leading guru
  206. of gigabit networks who helped define the mathematical limits of
  207. Ethernet, and is given credit (or is it blame?) for naming its
  208. Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection protocol
  209. (CSMA/CD).  Preparing to defect to ATM is Ronald Schmidt, the
  210. brilliantly ebullient technical director of SynOptics, who
  211. created the latest Ethernet rage - sending the signals over
  212. telephone wire under the 10baseT standard (10 megabits of
  213. baseband data over twisted pair).
  214.      
  215.      There has not been such a stampede to a new standard since
  216. the global rush to ISDN (Integrated Services Digital Network) in
  217. the early 1980s.  Offering digital phone lines at 144 kilobits
  218. per second, ISDN is just now coming on-line in time to be aced by
  219. the megabits per second of Ethernet over cable.
  220.      
  221.      In a prophetic memo launching the concept in 1973, Metcalfe
  222. foreshadowed the secret of Ethernet's success.  He wrote: "While
  223. we may end up using coaxial cable trees to carry our broadcast
  224. transmissions, it seems wise to talk in terms of an ether, rather
  225. than `the cable'....  Who knows what other media will prove
  226. better than cable for a broadcast network: maybe radio or
  227. telephone circuits, or power wiring, or frequency-multiplexed
  228. cable TV or microwave environments, or even combinations thereof.
  229. The essential feature of our medium - the ether - is that it
  230. carries transmissions, propagates bits to all stations."  In
  231. other words, it is the stations, rather than the network, that
  232. have to sort out and "switch" the messages.
  233.      
  234.      The word Ethernet may be capitalized to signify the official
  235. standard of CSMA/CD.  Or it may be lowercased to suggest a medium
  236. without switches, routers and other intelligence.  In either
  237. case, the word "ether" conveys the essence of the ethernet.  An
  238. ether is a passive, omnipresent, homogeneous medium.  Long
  239. believed essential for the propagation of electromagnetic waves,
  240. the literal existence of an ether was disproven in the late 19th
  241. century by the famous experiments of Albert Michelson and Edward
  242. Morley.  But the concept of a figurative ether - a dumb medium of
  243. propagation - survives in modern communications.
  244.      
  245.      The enduring magic of ethernets stems from the law of the
  246. microcosm, favoring distributed terminals over centralized
  247. hierarchies, peer networks of PCs over mainframe pyramids.  The
  248. microcosm's relentless price/performance gains on chips have
  249. endowed Metcalfe's peer-to-peer scheme with ever more powerful
  250. peers, at ever lower prices.  Medium-independent from the outset,
  251. the Metcalfe systems do not require central switching.  In an
  252. ethernet system the intelligence is entirely in the terminals,
  253. not in the network itself, and most of the bandwidth is local
  254. (where some 80 percent of traffic resides).
  255.      
  256.      Although this ATM is expected to gush jackpots of cash for
  257. gaggles of network companies and investors, it is unrelated to
  258. its acronymic twin, automatic teller machines.  Think of ATM
  259. rather as an automated postal center that takes messages (of any
  260. size or addressing scheme), chops them up, puts them into
  261. standardized little envelopes and figures the best routes to
  262. their destinations in billionths of a second.  The magic of ATM
  263. comes from restricting its services to those uniform envelopes
  264. (called cells) of 53 bytes apiece (including a five-byte address)
  265. and creating for each envelope what is called a virtual circuit
  266. through the network.  These features make it unnecessary for
  267. intermediate switches in the network to check the address; the
  268. cell flashes through the system on a precomputed course.
  269.      
  270.      A compromise defined by phone companies as the longest
  271. packet size that can handle voice in real time, 53-byte cells are
  272. also short enough to be entirely routed and switched in cheap
  273. hardware; i.e., microchips.  This means that the ATM postal
  274. center can function at speeds of up to 155 megabits per second or
  275. even higher.  Perhaps most attractive of all, ATM can handle
  276. multimedia data, such as digital movies or teleconferences, with
  277. voice, text and video that must arrive together at the same time
  278. in perfect sync.  As the world moves toward multimedia, the
  279. industry is flocking toward ATM, the innovation that can make it
  280. possible.
  281.  
  282.  
  283.  
  284. Ethernet: A Legacy LAN?
  285.  
  286.      
  287.      By contrast, Ethernet seems old and slow: the vacuum tube of
  288. computer communications.  Think of it, crudely, as a system where
  289. all the messages are cast into the ocean and picked up by
  290. terminals on the beach which scan the tides for letters addressed
  291. to them.  Obviously, this system would work only if the beach
  292. terminals could suck up and filter tremendous quantities of sea
  293. water.  The magic of ethernet comes from the ever growing power
  294. of computer terminals.  The microcosm supplies sufficiently
  295. powerful filtering chips - chiefly digital signal processors
  296. improving their powers some tenfold every two years - to sort
  297. mail and messages in the vasty deep.  This is quite a trick.  To
  298. the experts, it seems unlikely to prevail for long against the
  299. fabulously swift switching of ATM.
  300.      
  301.      True, there is some confusion about just how, where and when
  302. this miracle cure will arrive.  The industry's leading
  303. intellectual, Robert Lucky of Bellcore - a paragon of long-
  304. distance networks - predicts that ATM will come first in local
  305. area networks, while Metcalfe, of local area network fame, thinks
  306. it will come first in wide area networks.  James Chiddix of Time-
  307. Warner Cable is probably right in predicting digital cable pay-
  308. per-view as the first big ATM customer, using it for broadcasting
  309. films in his 500-channel digital cable TV project in Orlando.
  310. But most experts agree that one way or another ATM will blow away
  311. Ethernet during the next decade or so.
  312.      
  313.      Nonetheless, as usual, conventional wisdom is wrong.
  314. Ethernet is quietly preparing for a new era of hegemony in the
  315. marketplace for computer connections.
  316.      
  317.      The reason Ethernet prevailed in the first place is that, in
  318. the words of Ronald Schmidt, "it was incredibly simple and
  319. elegant and robust."  In other words, it is cheap and simple for
  320. the user.  Customers can preserve their installed base of
  321. equipment while the network companies innovate with new
  322. transmission media.  When the network moves to new kinds of
  323. copper wires or from one mode of fiber optics to another,
  324. Ethernet still looks essentially the same to the computers
  325. attached to it.  Most of the processing - connecting the user to
  326. the network, sensing a carrier frequency on the wire and
  327. detecting collisions - can be done on one Ethernet controller
  328. chip that costs a few dollars.
  329.      
  330.      As Metcalfe described the conception of this technology in
  331. 1981, "I explored the advantages of moving the transceiver down
  332. out of the ceiling onto the adapter board in the host computer.
  333. I had seen many actual Ethernet installations in which our brick
  334. transceivers were not up in the ceiling tapping into the ether
  335. cable, as they were supposed to be...but instead were on floors
  336. behind computers, dropped in the centers of neatly coiled
  337. transceiver cables....  We were discovering that the people
  338. buying personal computers and workstations in those days were not
  339. generally the same kind of people who were allowed to remove
  340. ceiling tiles and string cables through conduits....  The
  341. personal computer revolution was taking place in organizations
  342. from the bottom up....  It was time for Ethernet to be re-
  343. invented for bottom-up proliferation among the personal computer
  344. work group revolutionaries."
  345.      
  346.      Using "silicon compiler" design tools to radically reduce
  347. the time to market, Seeq Technology created an Ethernet chip for
  348. PCs in time for a single-board version of the interface unit.
  349. Putting the transceiver on the adapter board eliminated a special
  350. transceiver cable and drastically simplified the system.  There
  351. is no bulky connection between the coding device preparing
  352. information for the network and the transceiver sending or
  353. receiving the signals on the net.  All this processing is done in
  354. the computer, on one printed circuit board, now reduced to the
  355. size of a credit card.  While its rival from IBM - Token Ring -
  356. requires a mostly proprietary array of token-passing managers,
  357. clocking assignments and other complexities, Ethernet is an open
  358. system.  Relative to the alternatives, it offers the possibility
  359. of something near plug-and-play.  So advantaged, Ethernet has
  360. overcome IBM's Token Ring, 20 million nodes to 8 million in
  361. installed base.
  362.      
  363.      But this does not persuade Ethernet pioneers Bob Metcalfe,
  364. Leonard Kleinrock and Ronald Schmidt.  Because ATM can handle all
  365. kinds of data fast, Metcalfe sees it as the "grand unifier"
  366. bringing together WANs and LANs and effecting a convergence of
  367. television, telephony and computing in turbulent multimedia bit
  368. streams bursting into our lives early next century.  "And of all
  369. the variations of multimedia," he writes in Infoworld - Metcalfe
  370. is now its publisher - "the one that will drive ATM is personal
  371. computer video conferencing - interactive, two-way, real-time,
  372. integrated digital voice, video and data."  Although Ethernet
  373. will persist as a "legacy LAN," he says, it cannot compete with
  374. ATM in these crucial new roles.  Schmidt makes the same essential
  375. case, stressing the need for switch-based architectures in a
  376. world of exotic new media.
  377.  
  378.  
  379.  
  380. Kleinrock's Formula
  381.  
  382.      
  383.      Why the pessimism on Ethernet?  Bringing mathematics to bear
  384. on the argument, Kleinrock declares that the collision-detecting
  385. functions of Ethernet bog down with large bandwidths, short
  386. packets and long distances.  Thus, the system must fail with the
  387. onset of fiber highways across the land.  The oceans of Ethernet
  388. will simply grow too large to allow efficient detection of
  389. collisions in its depths.  With large bandwidths, more packets
  390. can be pumped into the wire or glass before a collision is
  391. detected; by that time, most of the transmission is finished.
  392. When the distances get too long, collisions can occur far from
  393. the transmitting computer and take longer to be detected.  The
  394. shorter the packets, the worse these problems become.
  395.      
  396.      As Kleinrock computes these factors, the efficiency of
  397. Ethernet is roughly a function (a), computed as five times the
  398. length of the line in kilometers times the capacity of the system
  399. in megabits per second, divided by the packet size in bits.  When
  400. a exceeds a certain level (Kleinrock sets it at 0.05), Ethernet's
  401. efficiency plummets.
  402.      
  403.      With ATM packet sizes needed for voice traffic - or even at
  404. the minimum Ethernet packet size of 72 bytes - any Ethernet with
  405. a capacity much higher than 10 megabits per second exceeds this
  406. tipping point.  Therefore, high-speed Ethernets must either use
  407. packets too long for voice or shrink in extent to far less than
  408. three kilometers.  This is what Howard Charney's Grand Junction
  409. and its rival LAN Media propose with Fast Ethernet.  Noticing
  410. that 10baseT hubs have reduced the length of Ethernet connections
  411. by a factor of 10, Ron Crane, founder of LAN Media, suggests that
  412. this change allows acceleration of the system by an equal amount:
  413. to 100 megabits per second.
  414.      
  415.      But this seems a one-time fix that fails to address the
  416. multigigabit world of fiber optics.  At some point, Kleinrock,
  417. Schmidt and Metcalfe agree, ad hoc fixes will begin to fail and
  418. ATM (or possibly some other system) will begin to prevail.  Using
  419. Kleinrock's formula, that point is here today, with 100-megabit-
  420. per-second Ethernet lines.
  421.      
  422.      As an increasing share of network traffic takes the form of
  423. pictures, sounds, simulations, three-dimensional visualizations,
  424. collaborative work sessions, video teleconferences and high-
  425. resolution medical images, the Ethernet model already seems to be
  426. foundering, according to many expert projections.  The triumph of
  427. ATM, so it would seem, is just a matter of time.
  428.      
  429.      Time, however, is precisely what is absent from all these
  430. projections.  Ethernet is a system based on the intelligence of
  431. terminals; ATM is a system based on the intelligence of switches
  432. and networks.  All the arguments for ATM miss the law of the
  433. microcosm: the near annual doubling of chip densities, the
  434. spiraling increase of computer power surging on the fringes of
  435. all networks as transistor sizes plummet over the next decade.
  436.  
  437.  
  438.  
  439. The Power of Exponents
  440.  
  441.      
  442.      Amazingly, most technology prophets fail to come to terms
  443. with the power of exponents.  You double anything annually for
  444. long - whether deforestation in ecological nightmares or
  445. transistors on silicon in the awesome routine of microchip
  446. progress - and you soon can ignite a sudden moment of
  447. metamorphosis: a denuded world or a silicon brain.
  448.      
  449.      Shortly after the year 2000, semiconductor companies will
  450. begin manufacturing microchips with more than a billion
  451. transistors on them - first as memories, and soon after as
  452. processors.  A billion transistors could accommodate the central
  453. processing units of 1,000 Sun workstations or 16 Cray
  454. supercomputers.  This means roughly a millionfold rise in the
  455. cost-effectiveness of computing hardware over the next decade or
  456. so.
  457.      
  458.      Intelligence in terminals is a substitute for intelligence
  459. in networks; switching and routing functions migrate from the
  460. center of the web to the increasingly powerful computers on its
  461. fringe.  Looming intelligence on the edge of the network will
  462. relieve all the current problems attributed to ethernets and will
  463. render the neatly calculated optimizations of ATM irrelevant.
  464.      
  465.      Meanwhile, the law of the telecosm is launching a similar
  466. spiral of performance in transmission media, ultimately
  467. increasing their bandwidth, also by a factor of millions.
  468. Bandwidth is a replacement for switches.  If you can put enough
  469. detailed addressing, routing, prioritization and other
  470. information on the packets, you don't have to worry about
  471. channeling the data through ATM switches.  The emergence of dumb,
  472. passive all-optical networks with bandwidths some ten-
  473. thousandfold larger than existing fiber optics will obviate much
  474. of the pressure on switches.  Combining microcosm and telecosm in
  475. explosive convergence makes it nothing short of ridiculous to
  476. expect a system optimized for 1995 chip densities and fiber
  477. capacities to remain optimal in 2013, when Metcalfe foresees the
  478. final triumph of ATM, or even in 2001.
  479.      
  480.      Of course, ATM will be useful in various applications before
  481. then.  Sun and SynOptics envisage putting ATM ports in future
  482. workstations where ISDN ports mostly languish today.  AT&T, MCI,
  483. Sprint and Wiltel will incorporate ATM switches in their long-
  484. distance networks.  Time-Warner may indeed use them for
  485. distributing movies.  In general, however, companies that rely on
  486. an apparent trend toward centralized switches will be
  487. disappointed.
  488.      
  489.      Cable firms will do better by sticking to the ethernet
  490. paradigm of dumb bandwidth that has made them the envy of all in
  491. the emerging era of digital video.  IBM and other computer firms
  492. with powerful ethernet and fiber technologies should not rush to
  493. adopt the public network paradigm.  Telephone companies in
  494. particular should maintain an acute interest in their ongoing
  495. experiments with all-optical networks and other passive optical
  496. technologies.  Any near-term successes of ATM, afflicted with the
  497. many glitches and growing pains of any new technology, are likely
  498. to come too slowly to deflect the continuing onrush of ethernets.
  499.      
  500.      Ethernet prevails because it is dumb.  In the old world of
  501. dumb terminals - whether phones, IBM displays or boob tubes - a
  502. network had to be smart.  There was time even to put human
  503. operators into the loop, and a need to concentrate programming at
  504. one central location.  But in the emerging world of
  505. supercomputers in your pocket or living room, networks will have
  506. to be dumb bandwidth pipes.  What the coming array of desktop
  507. supercomputers and cheap massively parallel servers will need is
  508. passive dark fiber, mostly unlit by switching intelligence.  Dark
  509. fiber can allow for the huge variety of data forms and functions,
  510. protocols and modulation schemes that is emerging in the new era
  511. of convergence between phones and computers.
  512.      
  513.      Ethernet is the protocol for a dumb pipe, a passive ether.
  514. That is why it fits so well on a cable TV line and why it will
  515. fit even into the multigigabit world of a multimedia future.
  516.  
  517.  
  518.  
  519. The Return of Aloha
  520.  
  521.      
  522.      The dumb networks of the fibersphere will be ethernets.
  523. These all-optical links that have been made possible by the
  524. creation of erbium-doped amplifiers and other passive devices
  525. give access to the full 25,000-gigahertz bandwidth of fiber
  526. optics (see "Into the Fibersphere," December 7, 1992).  In these
  527. networks, fiber changes from a substitute for copper to a
  528. substitute for air.  Just as the microcosm put entire computer
  529. systems on single slivers of silicon, the telecosm will put
  530. entire communications systems on seamless webs of silica.
  531. Terminals will tune into the infrared colors of the fibersphere
  532. like radios tuning into the frequencies of AM or FM.
  533.      
  534.      As chips and fiber are hugely expanding their performance
  535. and bandwidth, information traffic is rapidly migrating from the
  536. wires to the air.  Although many experts contend that the radio
  537. frequencies in the air - the electromagnetic spectrum - are
  538. running out, communications systems now use only a tiny sliver of
  539. spectrum, well under one percent of the usable span.  As shown by
  540. Cellular Vision's success in sending cable TV signals over the
  541. air at 28 gigahertz, it is now possible to move up the spectrum
  542. into the vast domains of microwaves; other experiments show that
  543. network traffic in these portions of the spectrum can be
  544. accommodated with error rates of less than one in a billion,
  545. enough to avoid extensive error correcting.
  546.      
  547.      At the same time, the replacement of today's 30-mile cells
  548. with tomorrow's closely packed microcells means an exponential
  549. rise in available spectrum and an exponential reduction in power
  550. usage.  The replacement of analog systems with digital systems
  551. using code division multiple access (CDMA) will allow the reuse
  552. of all frequencies in every cell, thus further expanding
  553. available spectrum (see "New Rules of Wireless," March 29, 1993).
  554. A company called ArrayCom in Santa Clara, Calif., is developing a
  555. new system, called spatial division multiple access (SDMA), based
  556. on smart antennas that can follow an individual communicator as
  557. it moves through a cell.  This technology would allow the use of
  558. all the available spectrum by each "phone."
  559.  
  560.  
  561.  
  562. Back to the Real "Ether" Net
  563.  
  564.      
  565.      Inspired by a radio network, ethernet is well adapted for
  566. this new world of wireless.  The increasing movement of data
  567. communications into the air - the real ether - will give new life
  568. to Metcalfe's media-independent system.  Cellular systems already
  569. operate with protocols similar to CSMA/CD.  As microcells fill up
  570. with digital wireless traffic, all networks will increasingly
  571. resemble the most popular computer networks.  In the ether, links
  572. will resemble ethernets far more than ATMs.
  573.      
  574.      The coming age of bandwidth abundance in glass and in air
  575. converges with an era of supercomputer powers in the sand of
  576. microchips.  We should build our systems of the future - the
  577. cathedrals of the Information Age - on this foundation of sand.
  578. It will not disappoint us.
  579.      
  580.      Whether in glass or in air, the basic protection of Ethernet
  581. is not smarts but statistics.  Ethernet is a probabilistic
  582. system.  This fact has caused endless confusion.  Because a
  583. probabilistic system cannot guarantee delivery of data on a
  584. specific schedule, or at all, many experts have concluded that
  585. Ethernet is unsuited for critical functions, or for isochronous
  586. data inherent in multimedia - with voice and video that must
  587. arrive in real time.  When and whether anything arrives is a
  588. stochastic matter.
  589.      
  590.      Nonetheless, if there is enough bandwidth for the
  591. application, ethernets work just as reliably and well as their
  592. deterministic rivals, even for advanced video traffic.  As
  593. Kleinrock observes, for many image applications, very long
  594. packets can be as effective as very short ones.  The long packets
  595. become a virtual circuit connection, somewhat like a phone call.
  596. It is likely that perhaps 80 percent of all multimedia will be
  597. sent in burst mode, with a store-and-forward protocol, rather
  598. than isochronously in real time.  Broadband ethernets will be
  599. better for burst mode than ATM's short packets.
  600.      
  601.      In any case, the combination of intelligence at the
  602. terminals and statistics in the network is more robust than the
  603. mechanistic reliability of Token Rings or ATM switches.  As
  604. Metcalfe points out in explaining the triumph of his vision over
  605. Token Ring, Ethernet is a simple system that is stabilized by its
  606. own failures.  The CSMA/CD algorithm uses collision detection in
  607. a negative feedback loop that delays retransmission in
  608. exponential proportion to the number of collisions, which is a
  609. reliable index of the level of traffic.  Thus thriving on a worst-
  610. case assumption of frequent failure, Ethernet has outpaced all
  611. rivals that guarantee perfect performance and depend on it.
  612.  
  613.  
  614.  
  615. Metcalfe's Law: Transcending His Own Doubts
  616.  
  617.      
  618.      Now, in ATM, Ethernet is faced with a new paragon of
  619. determinism offering high speeds and rigorous guarantees, a new
  620. version of the public network paradigm, a new pyramid of
  621. switching power.  But Metcalfe's law and legacy may well win
  622. again, in spite of his own defection.
  623.      
  624.      As Metcalfe explains, "Ethernet works in practice but not in
  625. theory."  The same could be said of all the devices of the
  626. microcosm and telecosm.  Both of the supreme sciences that
  627. sustain computer and communications technology - quantum theory
  628. and information theory - are based on probabilistic rather than
  629. deterministic models.  They offer the underpinnings for an age of
  630. individual freedom and entrepreneurial creativity.
  631.      
  632.      Humankind's constant search for deterministic assurance
  633. defies the ascendant science of the era, which finds nature
  634. itself as probabilistic.  To Einstein's disappointment, God
  635. apparently does throw dice.  But chance is the measure of human
  636. ignorance and the mark of divine knowledge.  Chance thus is the
  637. paradoxical root of both fate and freedom.
  638.      
  639.      Nations and networks can win by shunning determinism and
  640. finding stability in a constant shuffle of collisions and
  641. contentions in ever expanding arenas of liberty.
  642.      
  643.      Because of an acceptance of setbacks, capitalist markets are
  644. more robust than socialist systems that plan for perfection.  In
  645. the same way, successful people and companies have more failures
  646. than failures do.  The successes use their faults and collisions
  647. as sources of new knowledge.  Companies that try to banish chance
  648. by relying on market research and focus groups do less well than
  649. companies that freely make mistakes and learn from them.
  650.      
  651.      Because of an ability to absorb shocks, stochastic systems
  652. in general are more stable than deterministic ones.  Listening to
  653. the technology, we find that ethernets resonate to the deepest
  654. hymns and harmonies of our age.
  655.  
  656.  
  657.                            #####
  658.  
  659.  
  660.  
  661.