Интернет III?
АрхивИнтернет, словно губка, впитывает все новые и новые сервисы: вслед за телефонией настает очередь видео и телевидения, электронной коммерции, банкинга. На наших глазах Сеть превращается в единую универсальную телекоммуникационную среду. Но насколько она приспособлена для всех этих служб? И как скажутся на ее характеристиках современные технологии, завсегдатаи наших новостей и тем номера - оптоволокно, DWDM, оптические коммутаторы?
Начнем с самой массовой услуги связи - телефонии. Технические требования известны: согласно рекомендациям ITU-T (CCITT), задержки сигнала на линии не должны превышать 150 мс. С некоторыми оговорками, можно мириться с задержками, не превышающими 400-500 мс, при условии, что они постоянны [1].
Посмотрим, насколько этим требованиям может удовлетворить Сеть. Ограничения обусловлены самими принципами внутреннего устройства Интернета. По сути, это сеть маршрутизаторов, каждый из которых выполняет элементарные операции: ретранслирует на один из своих портов [2] принятые пакеты - на основании адресной информации, содержащейся в заголовке каждого пакета, и собственных таблиц маршрутизации (статических или динамически обновляемых).
Ясно, что на каждом из маршрутизаторов возникает задержка: заголовок пакета нужно хотя бы прочитать.
Но и это не самое страшное: гораздо хуже, когда на одном из направлений возникают перегрузки и, как следствие, теряются пакеты. Ситуация еще более усугубляется тем, что на каждый потерянный пакет нужно передать по крайней мере два - с сообщением об ошибке и, разумеется, сам потерянный пакет. Дальнейшее представить нетрудно: примерно так, снежинка за снежинкой, сходят с гор лавины.
Совсем плохо, когда нарушается структура сети: в этом случае на обновление таблиц маршрутизации в больших сетях может потребоваться довольно много времени - со всеми вытекающими последствиями.
Чтобы хоть как-то исправить положение, крупным операторам приходится строить магистрали на базе ATM и MPLS, что позволяет искусственно переправлять трафик "в обход" перегруженных участков сети (так называемый traffic engineering); защитные механизмы, предоставляемые SDH, позволяют довести время, необходимое для восстановления структуры сети, до 50 мс - правда, ценой двойного резервирования.
Несмотря на все эти ухищрения, время доставки пакетов в сетях общего пользования, согласно статистическим данным, варьируется от 50 мс до более чем 500 мс, в зависимости от пункта назначения пакетов, загрузки сети, времени суток и многих других условий.
А ведь перед отправкой пакет нужно еще подготовить, сжать, а после приема - распаковать и воспроизвести заложенную в него голосовую информацию. На это уходит еще 30-50 мс. С учетом того, что за 10 мс свет проходит по оптоволокну меньше двух тысяч километров, бюджет задержек [3] в пакетных, не ориентированных на соединения сетях соблюсти трудно или почти невозможно. За исключением, пожалуй, тех случаев, когда абоненты пользуются услугами одного оператора, притом - имеющего ATM- или SDH-магистрали (см. врезку). Однако и в этих сетях с увеличением объемов пакетного трафика увеличиваются задержки и их вариации (jitter).
С распространением спектрального уплотнения каналов (DWDM) Интернет и вовсе уподобляется многослойному пирогу: IP-маршрутизаторы работают поверх коммутируемого ATM-ядра, ATM-трафик передается по кольцевым сетям SDH/SONET, образованным, в свою очередь, DWDM-коммутаторами и мультиплексорами. К традиционным уровням модели открытых систем OSI (см. рис.) - сетевому, канальному и физическому - добавляется нулевой уровень, фотонный, образованный оптическим волокном, усилителями, оптическими коммутаторами мультиплексорами и правилами управления всем этим хозяйством.
Слишком сложно, чтобы быть правдой, не так ли? Два слоя, ATM и SDH, в этой схеме могут оказаться лишними. Восстановление и изменение структуры сети за 50 мс - задача, вполне посильная оптическим DWDM-коммутаторам: прощай, SDH и двукратная избыточность. А вместе с ней и ATM, ведь с приоритезацией и управлением трафика могут справиться современные IP-маршрутизаторы. Остаются всего два слоя, IP и DWDM, или IP поверх [4] DWDM.
И наконец, еще один нож в спину революции. Гигабитный Ethernet уже сейчас всерьез рассматривается как кандидат на передачу данных по DWDM-сетям: несмотря даже на то, что он не вписывается в традиционные потоки OC-12 (622 Мбит/с) и OC-48 (2,5 Гбит/с), его использование в DWDM-сетях рассматривается как экономически целесообразное. А вот 10-гигабитный Ethernet как нельзя лучше стыкуется с потоками OC-192...
Заметим: современное оптическое волокно и оптические усилители позволяют передавать оптический сигнал без преобразования в электронную форму на тысячи километров, технология DWDM - упаковывать в одном волокне [5] сотни и даже тысячи независимых каналов, а оптические коммутаторы (или, как их называют маркетологи, all-optical routers) - перебрасывать различные каналы между отдельными волокнами, динамически образуя двухточечные соединения - каналы - между граничными узлами сети.
Для разработки и продвижения открытых стандартов управления оптическим ядром Сети в начале года создана коалиция Optical Domain Service Interconnect (ODSI, www.odsi-coalition.com). О темпах развития отрасли позволяет судить хотя бы тот факт, что когда коалиция только создавалась, она насчитывала около пятидесяти компаний, сейчас, спустя четыре месяца, в ее рядах уже более ста Интернет-провайдеров и производителей сетевого оборудования. По замыслу участников коалиции, оптические коммутаторы должны стать промежуточным слоем между IP-маршрутизаторами и DWDM-системами, позволяющим динамически, по требованию, предоставлять необходимую полосу пропускания и, пожалуй, беспрецедентное качество обслуживания: ведь после установления соединения (а частотный диапазон, например, микромеханических оптических переключателей в принципе позволяет осуществлять коммутацию за доли миллисекунды) данные будут путешествовать по такой сети с задержками, определяемыми только скоростью света.
Но это, как говорится, ядро сети. А что же на границах, как и раньше - торжество пакетной маршрутизации? И да, и нет.
Достаточно вспомнить, что многие современные методы модуляции сигналов основаны на разбиении единого частотного ресурса и потока данных на множество параллельных каналов. Этот тезис в равной мере относится к CDMA (Code Division Multiple Access), нашедшей применение в сетях мобильной телефонии и кабельных модемах компании Terayon, к DMT (Discrete Multitone Modulation), выигравшей поединок с CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation) за рынок ADSL и g.Lite-модемов, и к OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation), зарекомендовавшей себя в системах цифрового телевидения (DVB-T) и радиовещания (DAB) и ставшей основой для стандарта беспроводных локальных сетей IEEE 802.11a.
За счет такого разбиения увеличивается время передачи отдельных битов в каждом из потоков, появляется возможность использовать для передачи наименее зашумленные участки спектра и эффективно бороться с многолучевым распространением сигналов. Как результат, можно значительно повысить помехоустойчивость и надежность связи. И, как косвенное следствие, возникает возможность строить сети по-новому. Ведь каналы формируются цифровым способом, а значит - потоками данных в каждом из каналов можно легко управлять и настолько же легко их можно коммутировать, образуя логические соединения между элементами сети.
Пожалуй, впервые эта возможность была реализована в проекте распределенной сети DIRC (Digital Inter Relay Communications). Ее создатели поставили перед собой задачу построить "разумную", способную к самоорганизации беспроводную сеть.
Идея в принципе не нова, теми же целями руководствовалась компания Rooftop (www.rooftop.com), создавая самоконфигурирующиеся RadioEthernet-сети [6]; возможности самоконфигурации заложены и в маршрутизаторах Revolution, разработанных компанией Comptek.
Однако маршрутизаторам Rooftop был свойствен существенный недостаток: каждый из них вносил существенную, до 50 мс, задержку в передаваемые данные. Из-за этого сети, декларируемые как свободные от всякой наземной проводной инфраструктуры, были мало приспособлены для передачи голосового и мультимедийного трафика, не говоря уже о довольно низкой пропускной способности: четыре узла сети вносили задержку в 200 мс и так далее...
Cудя по информации, представленной на сайте www.dirc.net, решение, продвигаемое DIRC AG, будет лишено этого недостатка: оно изначально конструируется под передачу мультимедийного трафика, а в допуски и посадки на задержку сигнала заложены уже знакомые 150 мс. По заверениям разработчиков, именно такую задержку будут вносить 750 узлов сети DIRC, включенных в последовательную, обеспечивающую соединение "точка-точка", цепочку.
Сеть основана на двух типах узлов: DS, или DIRC relay stations, образующих базовую инфраструктуру для передачи данных, и мобильных абонентских станций. Последние будут поддерживать только голосовой трафик и передачу данных со скоростью до 40 кбит/с.
|
Каждый из стационарных узлов DS будет одновременно ретранслятором для сетевого трафика и абонентским устройством. Установленные у пользователей, постоянно подключенные к сети электропитания, DS смогут передавать по 40 кбит/с по каждому из тысячи OFDM-каналов. Пропускная способность каждого из узлов сети, таким образом, составит 40 Мбит/с, размер соты - от нескольких сотен метров до трех километров, излучаемая мощность - от 0,2 до 3 Вт.
Информацию о структуре сети DS будут получать от встроенных GPS-приемников и соседних узлов, обмениваясь с ними данными по служебному каналу.
По замыслу разработчиков, чем больше будет узлов в сети DIRC, тем надежнее и быстрей она будет работать: информация, по аналогии с нейронами головного мозга, будет одновременно передаваться по множеству параллельных каналов. Пользователей планируется завлекать постоянной абонентной платой (flat rate) - видимо, с учетом того, что система все-таки должна иметь соединения с внешним миром и, соответственно, оплату внешнего трафика. Иначе более уместна была бы модель с единовременной, при покупке, оплатой стоимости самого ретранслятора.
Первая демонстрация технологии состоялась на недавней "CeBIT". Сейчас идет поиск партнеров, и до начала коммерческой эксплуатации скорее всего пройдет немало времени.
Как бы то ни было, принципы маршрутизации и установления беспроводных канальных соединений в проекте DIRC удивительно похожи на те, что используются в оптических DWDM-сетях. Правда, в отличие от оптических сетей, здесь пока не избежать преобразования информации из электромагнитной в электрическую форму и обратно, и каждый из беспроводных узлов все-таки вносит небольшую, в 200 мкс, задержку, необходимую для ретрансляции. Кроме того, довольно наивно представлять работающую систему в отрыве от оптических магистралей.
Как знать, может быть, заложенные в DWDM-коммутацию и DIRC-маршрутизацию принципы будут вскоре определять лицо Интернета, причем - свободного от пробок и очередей?
1 (обратно к тексту) - Человек довольно быстро привыкает как к хорошему, так и к плохому. Пожалуй, немногое, к чему привыкнуть не удается, - это к неизвестности и ненормированным задержкам.
2 (обратно к тексту) - Соединенный, в свою очередь, с другим маршрутизатором.
3 (обратно к тексту) - Те самые 150 мс.
4 (обратно к тексту) - Или все-таки вокруг?
5 (обратно к тексту) - Но на разных длинах волн, или "цветах" света.
6 (обратно к тексту) - Продвигаемые сейчас под торговой маркой "Neighbourhood Network" компанией Nokia
