home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Current Shareware 1994 January / SHAR194.ISO / textfile / metcalfe.zip / METGG.DOC
Text File  |  1993-10-29  |  33KB  |  647 lines

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