Новое поколение выбирает… новое поколение Internet!

Стремителен ветер, и небо высоко.
В лесу обезьяны вопят.

Ду Фу. "Поднявшись на высоту"

10 октября 1996 года, где-то за месяц до триумфальных выборов, президент Клинтон и вице-президент Гор выступили с инициативой создания Internet будущего поколения - Next Generation Internet (NGI). Основой этого шага стали научные и исследовательские программы, ведущиеся на протяжении последних лет федеральными ведомствами и агентствами США. Рабочая группа по глобальным сетям (LSN - Large Scale Networking Working Group) подкомитета по исследованиям и разработкам в вычислительной технике, информации и коммуникациях (CICR&D Subcommittee - Computing, Information and Communications R&D Subcommittee) подготовила документы, осуществляя таким образом координацию работ по NGI, проводимых разными исследовательскими, промышленными и правительственными учреждениями. С этими материалами вы сейчас и ознакомитесь.

Скажу сразу, больше всего мне понравилось предложение проводить более масштабные натуральные физические эксперименты. Например, построить в космическом пространстве ускоритель элементарных частиц. Как насчет того, чтобы создавать галактики, нажимая на клавиши вашей персоналки?

Видение Сети будущего

В уже близком 21 веке Internet должен обеспечить мощную и в то же время гибкую среду для деловой активности, образования, культуры, развлечений. Люди будут пользоваться Сетью для покупок, финансовых расчетов, учебы, работы, общения. И не важно, где человек находится: гораздо важнее, что персональная и общественная среда существования будет оставаться неизменной и комфортной. Будет гарантированно обеспечена безопасность частного бытия. Каждый сможет соотнести себя с определенным социальным слоем и успешно пребывать в нем. В результате того, что Сеть станет органичной частью общества, изменится экономика, у людей появятся неограниченные возможности выбора работы и жилья, образование станет неотъемлемой чертой жизни, каждый индивидуум сможет без труда занять в обществе оптимальное место.

Как это определено документами, подготовленными рабочей группой, всю программу построения NGI можно изобразить в виде пирамиды На текущий год для целей NGI из федерального бюджета выделено 100 млн. долларов. Известно, что проект ARPANET, на котором и отрабатывались решения для глобальных сетей, продолжался почти четверть века. То, что достигнуто сегодня, хорошо известно. А вот цели, которые преследует проект NGI (планы на 1997-2002 годы):

• создать высокоскоростную сеть;
• получить развитые технологии сетевого сервиса;
• разработать пользовательские приложения нового поколения.

Вот, собственно, и все. Успех любого исследовательского проекта не может быть гарантирован. Поэтому документы подготовленные рабочей группой LSN включают определения метрик, которые в некоторой степени помогают формализовать процесс разработки и понять, в каком направлении идет движение. Рассмотрим более подробно цели проекта NGI и способы их достижения.

Высокоскоростная сеть

Планируется, что NGI включит в себя не менее ста узлов, владельцами которых являются университеты и федеральные исследовательские институты. Пропускная способность каналов, ведущих к сайтам этих учреждений, превысит нынешний уровень не менее чем в сто раз. Согласно расчетам специалистов из рабочей группы, в 1997 году средняя скорость каналов Internet составляла 1,45 Мбит/с. А в опорных каналах, согласно проекту, средние скорости должны быть в тысячу раз выше сегодняшних. Таким образом, в проекте NGI речь идет о том, что сквозная пропускная способность должна быть не менее 100 Мбит/с - до 1 Гбит/с и выше. В настоящее время некоторые опорные сети в США уже работают на скоростях 622 Мбит/с, что отвечает спецификациям OC-12. Ряд экспериментальных сетей обеспечивает скорость и 1 Гбайт/с. Однако сквозная (end-to-end) пропускная способность большинства каналов ограничена 10 Мбит/с. Источниками ограничений являются различные узкие места, а также несовместимость коммутационного оборудования и шлюзов локальных сетей и подсетей Internet. Такое положение привело к тому, что общая цель формально подразделяется на две подцели.

Создание высокоскоростной сети. Здесь подразумевается разработка глобальной демонстрационной сети на быстрых каналах, которая может играть роль лабораторного стенда, одновременно являясь полнофункциональной и используемой на практике системой коммуникаций.

Разработка сетевых технологий нового поколения. Здесь стоит задача разработки высокоскоростных технологий коммутации и передачи данных, позволяющих устойчиво поддерживать скорости в обычных каналах до 1 Гбайт/с и в опорных каналах - многие гигабайты в секунду.

Как американцы собираются выполнять эти задачи? Высокоскоростная сеть будет создаваться совместными усилиями большинства ведущих университетов и исследовательских институтов. Основу составят ведомственные и учебные сети, например, vBNS (Very High Bandwidth Network Service), созданная NSF, ESnet (Energy Sciences Network), NREN (NASA Research & Education Network), DREN (Department of Defence Research & Education Network) и другие подобные сети.

Что касается разработки сверхбыстрых коммутаторов, то здесь речь идет о первоначальном экспериментировании на весьма ограниченном поле, поскольку обеспечить стабильный рабочий режим будет просто невозможно, по крайней мере первое время.

Какие метрики могут быть использованы, чтобы убедиться в том, что цель достигнута? Во-первых, это количество учреждений, подключенных к NGI. К высокоскоростной сети должны подключиться не менее сотни учреждений. Экспериментальная сеть для отработки коммутационных технологий будущего должна включить не менее десятка учреждений. Во-вторых, это та самая пропускная способность каналов, которая и является целью проекта. Общая сеть NGI, насчитывающая не менее ста узлов, должна обеспечивать сквозную пропускную способность не хуже 100 Мбит/с. Экспериментальное закрытое поле отработки технологий коммутации должно обеспечивать скорости не менее 1 Гбит/с.

Развитый сервис Сети

В ходе проекта NGI запланирована разработка и проверка новых развитых сервисных средств, без которых невозможна работа приложений следующего поколения. К примеру, в настоящее время неосуществимы полноценные видеоконференции, а также кооперативная деятельность, поскольку отсутствуют основы на уровне сервисных протоколов Internet. Короче говоря, возможности протоколов обслуживания должны стать богаче, а сами протоколы - производительнее и доступнее при приемлемом уровне затрат. Эти взаимно противоречивые свойства новых протоколов и есть то, что требуется получить. Ну а более подробно, нужно разработать следующие службы и протоколы для NGI:

• набор характеристик качества обслуживания, традиционно применяющийся для определения сервиса ATM (Asynchronous Transfer Mode) - так называемый QoS (Quality of Service);
• безопасность и устойчивость;
• управление ресурсами сети, включая размещение и совместное использование полос пропускания;
• управление и техническое сопровождение сетевых систем, включая определения и инструменты для обслуживания архитектур, метрики, измерения, статистику, анализ;
• новые и модифицированные протоколы маршрутизации, коммутации, широковещания, транспортирования, защиты передачи данных;
• операционные платформы компьютеров, которые будут отвечать требованиям работы в NGI;
• распределенные среды для коллективной разработки приложений.

Самый очевидный способ выполнить эти задачи - профинансировать университеты и исследовательские институты, заказав разработку всех перечисленных средств и протоколов. Конечно, следует учесть мнение организаций, соблюдающих стандарты открытой среды: IETF (Internet Engineering Task Force), ATM Forum, Educom и др. Немалый вклад внесут и частные компании, особенно те, которые начнут эксперименты на новых сетях NGI.

Вот некоторые метрики для определения успеха в построении новых служб и протоколов Internet.

Качество обслуживания. Это понятие вполне представимо в численной форме. Например, можно измерить количество потерянных пакетов, задержки в доставке пакетов, минимальную и максимальную гарантированную полосу пропускания каналов и т. д.

Практически для каждого вида услуг можно определить свою числовую метрику, чем и занимаются специалисты из рабочей группы NGI. Кажется очевидной такая метрика успеха разработки служб и протоколов: степень адаптации разработок коммерческими поставщиками услуг Internet. Важность этого показателя определяется тем, что, помимо объективной оценки успехов, он свидетельствует о том, насколько быстро NGI из академического проекта превращается в продукт массового рынка.

Приложения нового поколения

Главной целью проекта NGI является выпуск многочисленных приложений, которые нынешний технологический уровень создать не позволяет. В идеале новые приложения должны охватывать сферу интересов федеральных агентств, университетов и институтов, прикладных потребностей публики, частного сектора. Такие приложения должны были бы повысить авторитет разработчиков на международном уровне, создать предпосылки возникновения новых деловых областей, в которых происходила бы коммерциализация наработок. Потенциально NGI должен вызвать к жизни приложения в следующих областях:

• здравоохранение: телемедицина, онлайновая поддержка групп скорой помощи;
• образование: обучение через Сеть, цифровые библиотеки;
• научные исследования: энергетика, наземные системы, климатические исследования, биомедицина;
• национальная безопасность: глобальные системы государственной связи, направленное распространение информации;
• экология: мониторинг, прогнозы, предупреждения, ликвидация последствий экологических бедствий;
• деятельность правительства: доставка услуг и информации правительственных ведомств гражданам и компаниям;
• чрезвычайные ситуации: ликвидация последствий катастроф, управление кризисами;
• проектирование и производство: управление процессами.

Хотя в проекте NGI не предполагается прямого финансирования разработок приложений, рабочая группа будет отслеживать и координировать действия всех сил, вовлеченных в проект.

Все множество приложений, которые должны быть разработаны в ходе программы NGI, четко делится на две группы:

1. Распределенная обработка данных, для которой жизненно необходимы очень большие скорости передачи информации. Примерами этой группы прикладных задач являются глобальное климатическое моделирование, квантовые модели и реальное управление физическими процессами.
2. Кооперативная обработка данных, которая не требует столь высоких скоростей и даже может оставить часть канала для передачи данных другого рода, например, видео- и аудиопотоков. Примерами приложений этого класса являются совместное использование удаленных исследовательских приборов, дистанционное обучение, коллективные технические проекты и др.

Успех разработки новых приложений можно отслеживать по следующим объективным признакам. Во-первых, это доля от общего числа узлов, включенных в NGI, которые предлагают самостоятельно разработанные приложения. Вообще, как считают участники рабочей группы, каждый сайт, включенный в проект, должен подготовить хотя бы одно прикладное решение. Во-вторых, новые приложения будут отталкиваться от новых решений предыдущего уровня: сервиса и протоколов NGI. Поэтому сами по себе приложения будут давать оценку выполнению задач предыдущего уровня. А в-третьих, как неоднократно было отмечено на практике, разработка новых приложений часто приводит к возникновению новых идей и технологий. Именно по выходу таких продуктов и можно судить об успехе в достижении главной цели.

Вовлечение частного сектора

Сама по себе академическая разработка NGI не обеспечит широкомасштабного перехода на новый уровень. Ни средств таких нет (даже у бюджета Соединенных Штатов), ни целей. Без частного капитала не обойтись. Для его привлечения рабочая группа придумала немало принципов, которым и собирается следовать:

• тесное сотрудничество с исследовательскими и учебными заведениями, правительственными агентствами и промышленными компаниями;
• обеспечение централизованного управления и контроля действий разнородных участников;
• поощрение активных участников совместных проектов - промышленных компаний и учебных заведений - путем распространения практики грантов, заказных исследований и т. п.
• содействие развитию существующих ведомственных сетей: NREN (NASA), ESnet (DOE), ADTnet (DARPA), DREN (DOD) и др.;
• стимулирование международного сотрудничества;
• разработка экономики промышленного использования Internet. В частности, необходимо понять роль и место компаний в построении NGI: ISP заинтересованы в предоставлении услуг своим клиентам, операторы каналов заинтересованы в увеличении пропускных способностей этих каналов, и т. д.;
• использование опыта и практического понимания проблем, которыми обладают частные аналитические агентства;
• поощрение разработки стандартов и спецификаций открытых систем, стимулирование их свободного распространения через такие организации, как IETF;
• придание особого значения вопросу совместимости оборудования разных архитектур от разных производителей.

Кто будет это делать?

Программа NGI будет координироваться Национальным советом по науке и технике (NSTC - National Science and Technology Council). Ответственность за стратегию высшего уровня разработки возложена на Комитет по вычислительной технике, информатике и коммуникациям (CICC - Computing, Information, and Communications Committee). Подкомитет CICR&D будет координировать деятельность участников в разных сферах проекта. Рабочая группа LSN непосредственно отвечает за реализацию всего замысла NGI. Небольшая команда специалистов, названная NGI Implementation Team, должна постоянно заниматься оперативными вопросами реализации NGI под управлением LSN. В эту команду входит по одному представителю от каждого из ведомств, участвующих в проекте, а также представители партнеров - разработчиков приложений. Она использует развитые возможности телекоммуникаций и компьютерной техники для эффективной организации и координации работ; несет ответственность перед рабочей группой LSN как целая команда, а также перед агентствами как отдельные лица; действует как звено интеграции всего проекта NGI; несет общую ответственность за выполнение всех планов проекта; определяет взаимоотношения между участвующими сторонами; рекомендует к применению те или иные механизмы финансирования; наконец, участвует в процессе отбора исполнителей.

План действий

В настоящее время ведомственные сети США, такие как vBNS, ESnet, NREN и DREN, уже можно использовать для отработки технологий NGI. Однако, к сожалению, каждая из этих сетей создавалась разными подрядчиками, выбравшими несовместимые между собой решения. Рабочая группа предложила следующую схему действий, позволяющую вовлечь в проект NGI все существующие высокоскоростные сети. В течение 1997-1998 годов будет разработана модель финансирования и участия представителей различных производителей оборудования ведомственных сетей. В конце текущего года CICC намеревается пригласить всех владельцев сетей принять участие в NGI. Ожидается, что в начале будущего года необходимый состав участников будет собран. До конца будущего года должны быть разработаны механизмы взаимосвязи всех исследовательских сетей, принадлежащих федеральным ведомствам. На протяжении 1997-1999 годов будет идти процесс подключения к узлам, входящим в национальную инфраструктуру связи OC-12. В 1999 году должна завершиться работа над созданием сети, образованной из ведомственных сетей, которая и станет костяком NGI. В 1998-2000 годах запланировано проведение работ по тестированию и доработке аспектов защищенности пользователей и информации в NGI, качества сервиса и механизмов управления сетью. Одновременно будут решаться вопросы включения в NGI сетей других стран - партнеров США в плане обеспечения совместимости. Еще до завершения технических работ (1998-1999 годы) должен быть разработан план перехода к новым технологиям, стандартам и концепциям правительственных ведомств, промышленных предприятий и общественных учреждений. И наконец, в 2001-2002 годах должен произойти переход к использованию Internet нового поколения в национальных масштабах США - на инфраструктурах от OC-48 до OC-192.

Это все, что касается публичной структуры NGI, которая обеспечивает высокие, до 100 Мбит/с, скорости передачи данных.

А вот как будет выполняться проект сверхбыстрой части NGI, которая должна обеспечить скорости сквозных соединений около 1 Гбайт/с. Сети, которые будут оперировать на уровне OC-48, сталкиваются с теми же проблемами, которые характерны для сетей OC-3 и выше. Однако на практике проблемы усугубляются тем, что на высоких скоростях становится крайне сложно обеспечить надежную коммутацию и маршрутизацию. В настоящее время ведутся интенсивные исследования возможных способов решения этих проблем. Рабочая группа считает, что перспективной может стать сложная и пока недоступная технология, комбинирующая наилучшие черты WDM (Wavelength-Division-Multiplexing), которая разработана для оптических каналов, и интегрированного решения IP/ATM/SONET. Конечно, как отмечают участники рабочей группы, было бы лучше всего тестировать сверхбыстрые сети в национальных масштабах. Однако очень высокая стоимость цепей OC-48 заставляет вести тестирование на региональном уровне. Потенциальной отправной базой для испытаний сверхскоростных сетей может стать сеть министерства обороны США ATDNet, развернутая в Вашингтоне и его окрестностях. В настоящее время эта сеть соединяет кольцевой структурой ATM/SONET уровня OC-48 несколько учреждений министерства обороны.

Для поддержки технологий сверхбыстрых сетей инициативные органы собираются предпринять следующие действия.

В 1998-1999 годах будет определен список партнеров, которые экспериментируют со сверхскоростными сетями. В 2000 году должны пройти проверки на межсетевые соединения уровня OC-48 или выше. В 1999-2000 годах будут решены вопросы сосуществования как скоростных сетей национального и международного масштаба, так и сверхскоростных сетей ограниченного доступа. Предполагается, что высокоскоростные сети станут ядром Internet очередного поколения, которое последует за NGI. 1999-2001 годы: тестирование протоколов, механизмов защиты сетей, средств управления высокоскоростной сетью. Будут решены вопросы управления выделенными полосами передачи сигналов в каналах высокоскоростных сетей.

Ключом к успеху NGI является построение высококачественной архитектуры, которая могла бы удовлетворить множеству требований, зачастую противоречивых. Как мы уже отмечали, в документах рабочей группы такая архитектура именуется QoS (Quality of Service). Среди всего множества свойств NGI, к которым адресуется QoS, нужно указать:

• безопасность и устойчивость;
• управление конфигурацией;
• надежность трафика;
• поддержку таких видов приложений реального времени, как аудио, видео, другие мультимедийные потоки;
• управление полосами передачи в каналах;
• контроль приоритетов, тарифов, администрирование ресурсов;
• прикладные интерфейсы протоколов и служб;
• общие характеристики сетевого сервиса (термины, семантика);
• отображения параметров QoS и поддержку служебных сигналов и связей с прикладными задачами;
• обеспечение двунаправленного обмена управляющими параметрами. Например, во время сеанса связи приложения могут обменяться требованиями QoS или же получить информацию о том, что условия QoS базовой сети изменились;
• резервирование ресурсов сети и учет их использования;
• унификацию семантики, описывающей инженерные параметры сети: полосы пропускания, допустимого уровня сбоев и ошибок при передаче данных;
• использование QoS для квалифицирования технической политики. Например, для определения в терминах QoS высокоскоростной сети общего пользования и экспериментальной высокоскоростной сети.

Федеральные ведомства намерены способствовать скорейшей разработке международных стандартов на протоколы Internet. В первую очередь должны быть определены следующие протоколы для скоростных сетей: широковещания, надежного транспортирования данных, обеспечения безопасности информации, эффективного взаимодействия между протоколами разных уровней, поддержки архитектур компьютеров будущих поколений. Инициативные органы рекомендуют частным компаниям незамедлительно адаптировать усовершенствованные протоколы на практике. Планируется:

• разработать протокол управления коммутацией и маршрутизацией;
• разработать протокол управления базами данных, которые будут поддерживать конфигурирование и контроль всей сети и приложений;
• предусмотреть возможность эволюционирования протоколов;
• разработать протоколы и средства поддержки совместимости и согласования взаимодействий сторон;
• доработать и начать применять IPv6 (Internet Protocol version 6);
• адаптировать IPv6 к коммутируемым каналам ATM;
• разработать протоколы для управления каналами ATM;
• ввести механизмы самоопределяющихся сетевых протоколов (мета-протоколы);
• создать средства комбинирования и совместного использования протоколов разных уровней;
• разработать протоколы безопасного широковещания;
• разработать протоколы IP для мобильных устройств и приложений;
• разработать протоколы масштабирования уровня услуг в зависимости от пропускных способностей каналов;
• разработать протоколы обнаружения взломов и несанкционированного внедрения.

Особый акцент в документе был сделан на операционные системы. Современные системы, которыми пользуются обычные посетители Internet, ограничивают возможности интерфейса. Они появились в те годы, когда компьютеры не были связаны в сети, а даже если и были связаны, то скорости в линиях связи не превышали 10 Мбит/с. Теперь же требуются системы, которые будут обеспечивать простоту и легкость доступа, а не эффективность их применения на локальном компьютере, характеризующуюся компактностью кода и минимумом потребляемых ресурсов. В противном случае данные, которые удовлетворяют всем высоким характеристикам QoS, уже после доставки на компьютер пользователя будут просто протискиваться через шину передачи данных.

И наконец, третья, главная цель всего проекта NGI - приложения. Эта часть проекта сформулирована пока наиболее расплывчато - и это понятно. Сейчас трудно представить себе те возможности, которые обеспечит достижение первых двух целей проекта, то есть создание базового технического уровня высокоскоростных каналов, а также вышестоящего уровня сервиса и протоколов. Помимо упомянутых выше основных сфер, нуждающихся в скорейшей разработке приложений, в ближайшее время должны возникнуть общественные заказы на другие, пока неизвестные приложения. Однако уже сейчас можно сформулировать некоторые свойства программ и систем, которые будут обязательны для новых приложений:

Безопасность (защищенность). К примеру, приложения для телемедицины или электронной торговли вообще могут использоваться только при соблюдении строжайших требований конфиденциальности и целостности персональных данных.

Удаленный контроль за приборами и оборудованием. Эти средства понадобятся, к примеру, при проведении через Internet экспериментов на удаленных ускорителях частиц, или на космических лазерных излучателях.

Визуализация. Технология удаленной визуализации позволит представить на экране результаты проведенного эксперимента, воспринять зрительно результаты моделирования. Она очень полезна при выполнении кооперативных проектов, поскольку поможет каждому участнику воочию представить результаты работы всего коллектива разработчиков.

Масштабируемость. Распределенные сетевые приложения должны обладать этим свойством, поскольку необходимо использовать приложение в масштабах региона, страны, в международных масштабах.

Самоорганизация приложений. Это свойство означает способность к адаптации и настройке на изменяющиеся физические условия или конфигурацию среды. Абсолютно необходимо для таких приложений, которые обеспечивают национальную безопасность, работают в условиях катастроф. Понадобятся приложения, которые смогут сами себя реконфигурировать, например, настраивая структуры для взаимодействия между подразделениями полиции, медицинской помощи и пожарными частями.

Мобильность. Способность к физической миграции ресурсов сети без утраты ее рабочих свойств и характеристик. Это свойство приобретет расширенное толкование, поскольку в будущем речь пойдет о виртуализации и перемещении все новых ресурсов, включая "право доступа" как денежный эквивалент.

Надежность. Новые сетевые службы и протоколы поначалу - в силу своей интеллектуальности и сложности - будут хрупкими и уязвимыми, особенно на этапе экспериментальной отработки. Следует предусмотреть меры обеспечения их надежности в условиях коммерческого и промышленного применения.

Несколько слов в заключение

Когда я работал с исходными материалами, меня не покидало ощущение, что я никак не могу попасть в плоскость мышления авторов проекта. Наверное, это и не удивительно. Вообразить возможности мобильных каналов связи, передающих гигабайты в секунду, не так-то просто. Если же задуматься о последствиях, то можно представить только виртуализацию человеческого сознания в этом мире. То, что муссировалось теософами как "астральные полеты мысли", должно стать достоянием всякого человека - обыденным и недорогим.

Кое-что о SONET и SDH

Как вы уже догадались, в грядущем Internet ставка сделана на технологии синхронной и асинхронной передачи данных в оптических и высокоскоростных электрических каналах - SONET (Synchronous Optical Net - американский стандарт) и SDH (Synchronous Digital Hierarchy - международный стандарт). Других решений в настоящее время просто нет. Информация, приведенная ниже, учитывает такой простой фактор, как количество данных, которое необходимо передавать при установлении единственного обычного телефонного соединения. Например, в США для такого канала нормой считаются 64 Кбит/c. Все остальные цифры определяются именно этой величиной. Такая пропускная способность проистекает из необходимости модулировать импульсами 8 тысяч восьмибитных образцов данных каждую секунду. Для сравнения, имейте в виду, что для обычного CD-ROM, где данные хранятся в 16-битных образах и скорость передачи данных на обработку куда выше, требуется полоса пропускания не менее 44,1 Мбит/с.

Стандарты передачи данных в оптических каналах связи

Стандарты передачи данных в электрических сетях