Второе рождение Internet

Прогресс не стоит на месте. Если несколько лет назад мировая "паутина" представляла собой большое скопление информации, содержащей только тексты и статическую графику, то сегодня сплошь и рядом она наполнена мультимедиа-данными, которые оказались очень прожорливыми с точки зрения пропускной способности каналов передачи информации. Вдобавок ко всему, Интернет стал коммерческой сетью, полной рекламы.

Если в начале своего развития "паутина" должна была стать помощницей "гениев мысли" в их нелегкой работе, то, прожив недолгую жизнь, она практически полностью освободилась от контроля ученых и перешла в руки обычных людей. Учеными и исследовательскими организациями было решено отказаться от устаревшего, медленного и замусоренного Интернета, в результате чего была создана высокоскоростная сеть "Internet-2".

Ты помнишь, как все начиналось?

В октябре 1996 года в Чикаго на совместной встрече представители 34 университетов подняли вопрос о том, что пропускной способности магистральных каналов Интернета становится недостаточно для проведения необходимых исследовательских работ. Было принято решение о создании закрытой сети с высокоскоростными линиями передачи данных, применяемой лишь для исследовательских целей. Университеты участники проекта взялись сами финансировать проект, выделяя на него ежегодно 500 000 долларов.

В феврале 1997 новой сетью заинтересовался Билл Клинтон, поскольку в то время под эгидой правительства развивался открытый проект Next Generation Internet (NGI), который ставил перед собой сходные с "Интернет-2" задачи. Между разработчиками двух проектов началось активное взаимное сотрудничество (лучшие наработки закрытой сети, передаются NGI для улучшения нового общественного Интернета, и наоборот), в результате чего "Интернет-2" начал получать еще и государственное финансирование. Со временем в проект стали входить новые участники, и на данный момент в нем участвуют 209 учебных заведений и более 60 партнерских организаций, среди которых такие мировые "имена" как Advanced Network & Services, Cisco Systems, IBM, Microsoft Research, Nortel Networks, Qwest Communications и Sun Microsystems.

На начальном этапе разработчики должны были понять, что из себя должна представлять Сеть. Для этого необходимо было получить ответы на следующие вопросы:

1. Какие услуги должна предоставлять система? В частности, какой уровень качества обслуживания (QoS - Quality of Service) требуют для работы в режиме реального времени сложные мультимедийные задачи?
2. Какие протоколы, необходимы для обеспечения необходимого уровня QoS?
3. Какое должно быть управление и администрирование сети с различным QoS?

Получив ответы на эти вопросы, можно четко сформулировать техническое задание. Была получена надежная "точка старта", оттолкнувшись от которой участники начали процесс создания своей Сети. Однако было договорено, на протяжении всего проекта придерживаться следующих шести простых принципов:

• Покупать, а не строить. Разработчики стараются использовать готовые решения, и, если никакая из существующих технологий не может удовлетворить их нуждам, лишь в том случае ученые принимаются за новые изобретения и разработки.
• Открытость, а не закрытость. В проекте необходимо использовать лишь открытые и общедоступные протоколы и стандарты, и предоставлять полную информацию о работах, ведущихся в рамках проекта.
• Избыточность, а не монополия. Необходимо избегать монополии в аппаратном и программном обеспечении сети.
• Простота, а не сложность. Во-первых: обычный пользователь не должен отвлекаться на освоение системы. Во-вторых, сам процесс использования Сети должен быть упрощен до минимума при максимуме функциональности.
• Производство, а не экспериментирование. Проект, в первую очередь, должен приносить пользу, выполняя возложенные на него функции, и лишь затем являться "полигоном" для экспериментов.
• Создание услуг для простых пользователей, а не для коммерческих организаций. Так как сеть является закрытой и некоммерческой, все ее мощности должны напрямую предоставляться исследовательским организациям в научных целях.

Препарация сети

Рассмотрим поподробнее устройство сети "Internet-2"? Ядром всех информационных сетей являются ее каналы передачи данных (Backbone Networks). В качестве основной транспортной магистрали "Internet-2" использует оптоволоконную сеть Abilene. 14 апреля 1998 года вице-президент США Альберт Гор на церемонии в Белом Доме анонсировал создание этой сети. Ее разработка началась в феврале 1999 года. Полное развертывание 2,5 Гб/с сети было закончено через 10 месяцев. В феврале 2003г. была начата трансконтинентальная программа модернизации сети. В результате скорость передачи данных увеличилась до 10 Гбит/с. В качестве родного протокола используется новый протокол IPv6. Для организации этой сети компанией Qwest Communications было выделено 10000 миль оптоволоконных линий.

Компания Cisco предоставила 12 000 гигабитных коммутаторов. Передача данных по сети Abilene производится при помощи технологии SONET (Synchronous Optical Network), поддерживаемой компанией Nortel.

Ключевыми элементами "Internet-2" являются так называемые "gigaPoP" (gigabit capacity point of presence - точки доступа гигабитной мощности), подключенные к магистрали. Они предоставляют доступ университетским городкам к "Internet-2".

Что же представляют собой "точки доступа гигабитной мощности"? Это - специализированное оборудование, находящееся в защищенном от несанкционированного доступа помещении. К ним подключены собственно магистральные каналы "Internet-2", коммерческие сети и пользователи "Инетрнет-2".

Одним из основных принципов работы gigaPoP является отказ от предоставления высокоскоростных каналов "Internet-2" для пересылки трафика коммерческих сетей. Исключение составляют случаи, когда пользователь коммерческой сети запросил какую-либо информацию из научной сети. В этом случае точка доступа является "мостом" между ними. Для подключений, расположенных с правой стороны схемы, gigaPoP не выполняет маршрутизацию трафика по каналам собственной опорной сети. Может показаться, что ученые жалеют мощности своих каналов для обычных пользователей, но ведь к точке доступа можно подключить магистраль vBNS (высокоскоростная оптоволоконная сеть, которая создается в рамках открытого проекта NGI), развивающуюся параллельно с Abilene. По скоростным показателям они одинаковы, так что рядовой пользователь в обиде не останется.

По этому и создается два вида точек доступа: "Тип 1" обеспечивает доступ лишь к закрытому "Интернет-2", "Тип 2" - позволяющий производить "не-Интернет-2" подключения. Первый тип намного проще и дешевле, так как необходимо маршрутизировать лишь внутренний трафик. Второй же хоть и сложнее, но конечному пользователю предоставляет более широкий спектр услуг.

Архитектура Сети

Большое облако в середине - высокоскоростная магистральная сеть, включающая в себя так же vBNS. К ней подключены точки доступа "gigaPoP", изображенные горизонтально заштрихованными "облаками".

К этим точкам подключены сети университетских городков (цельно залитые облака), другие сети (городские, региональные), а так же провайдеры доступа в Интернет и провайдеры доступа в региональную сеть. Такое большое количество различных подключений к gigaPoP дает возможность простым пользователям "Интернет-2" (закрашенные объекты) получать доступ к множеству различных внешних ресурсов.

Ключевой функцией gigaPoP является передача данных от пользовательских сетей к ядру сети "Интернет-2" с заданной скоростью, а также другими параметрами QoS. Для этого она должна соответствовать определенным функциональным требованиям. Общепринятым протоколом транспортного уровня является IP-протокол. IPv4 является текущим стандартом, но он уже морально устарел. На смену ему приходит протокол IPv6. Для того чтобы обеспечить легкий переход с более старой версии IPv4 на новую, оборудование gigaPoP будет поддерживать обе версии. Однако для обмена информацией между собой будет использоваться лишь новый IPv6. Кроме скорости, IPv6 увеличивает количество сетевых адресов. Если в старом IPv4 для адресации используется 32 бита (4,294,967,296 уникальных адресов), то в новом протоколе - 128 бит (~3.4*1038 уникальных адресов).

Разработчики указывают две причины необходимости увеличения количества адресов - первая, довольно банальна, - увеличение количества населения на планете. Вторая - увеличение разнообразия, а соответственно и количества, сетевых устройств, которым необходимо выделять свой уникальный IP-адрес.

Все стандартные протоколы стека TCP/IP останутся, и будут использоваться там, где они необходимы. Особое внимание хочется уделить протоколам IGMP (поддержка мультикастинга) и RSVP (поддержка резервирования ресурсов). Эти протоколы играют важную роль в проекте, поэтому их поддержка будет включена во все точки доступа.

Следующим требованием является направление передачи информации. Направление в данном случае означает то, что пользователи других сетей, подключенных к "Интернет-2" смогут получать его информацию, а вот использовать каналы для транзита своей информации им будет запрещено. Если учесть что физическое подключение обеспечивает полный доступ из одной сети в другую, то для каждой точки доступа будет разработана система полисов, определяющая направления передачи информации между ее клиентами.

Что касается скорости передачи данных, то мощности каждой gigaPoP будут наращиваться для того, чтобы при интенсивном трафике количество утерянных пакетов приближалось к нулю.

Быстрой сети - сложные задачи

Какие реальные задачи выполняет "Интернет-2" на данный момент? Во-первых: проведение совместных ресурсоемких вычислений, и исследований. Живым примером данного использования мощностей новой Сети можно назвать "Интерактивную молекулярную среду с совместным использованием" (Molecular Interactive Collaborative Environment (MICE)), разработанную в суперкомпьютерном центре Сан-Диего.

Она позволяет нескольким ученым из разных точек удаленно управлять объемными моделями различных макромолекул и производить их исследования. Во-вторых: возможность управления в режиме реального времени удаленным оборудованием. Так, например, одной из задумок ученых является проведение хирургических операций врачом, который находится в другом городе, а то и на другом континенте.

Среди реальных примеров использования телеметрии можно отметить предоставление общего доступа к спектрометру находящегося в университете Делавэра. Специальное ПО для рабочих станций Sun позволяет удаленно управлять прибором, получать большие объемы данных и отображать их в виде графики высокого разрешения. В-третьих: передача видео высокой четкости (HDTV - High Definition TV).

Следующим применением "Internet-2" является телеиммерсия (Tele-immersion). Эта технология разрабатывается в рамках проекта CALVIN (Collaborative Architectural Layout via Immersive Navigation). Она позволяет оснастить привычное сегодня общение через Сеть третьим измерением. Участники переговоров попадают в виртуальное помещение, в котором, в режиме реального времени кроме, естественно, разговора, могут наблюдать 3-D модели своих собеседников, передающие, как можно точнее, движения своих владельцев. Для этих целей участники проекта активно изучают применение шлемов виртуальной реальности, CAVE-систем и систем широкоэкранного панорамирования в связке с новой высокоскоростной транспортной средой, а также стараются повысить ее быстродействие для создания более реалистичного эффекта присутствия.

Так же создаваемая сеть используется для проведения более привычных сегодня видео- и телеконференций. Учитывая бурно развивающуюся, как в США, так и во всем мире, систему удаленного обучения, в рамках проекта "Internet-2" можно выделить две ветви. Первая - собственно, обучение, которое будет в своем процессе использовать как информационные возможности Сети (от нынешнего Интернета они отличаются большим количеством мультимедийных данных и намного большим процентом нахождения нужной информации), так и ее нововведения, такие как: телеиммерсия, возможность проведения опытов с помощью телеметрии, привлечение студентов к научным исследованиям. Вторая же ветвь - создание электронных библиотек нового класса, насыщенных множеством мультимедийной информации.

Рекордсмен года

В заключение хочется рассказать о результатах, полученных на сегодняшний день. В сентябре нынешнего года ученые Калифорнийского института технологий и Европейской организации ядерных исследований (CERN) установили новый рекорд скорости передачи информации в сети "Интернет-2". В команде экспериментаторов участвовали представители AMD, Cisco, Microsoft Research, Newisys, и S2io. Между CERN, находящейся в Женеве и Калифорнийским институтом (г. Пасадена) (расстояние составляет приблизительно 15800 км) было передано 859 Гб данных за время, составившее 17 минут.

Средняя скорость передачи составила ~6,63 Гбит/с (максимальная теоретическая скорость 10 Гбит/с может быть достигнута в сети Abilene, располагающейся на территории Северной Америки, так что этот рекорд был бы не столь значительным, если бы не был поставлен на межконтинентальном соединении). Теперь узким местом становится пропускная способность шин компьютеров. Самый быстрый интерфейс для платформы PC (PCIX64 Bus Isolation Extender) может обмениваться данными на скорости 7,5 Гбит/с. Для установки рекорда использовались: S2io Xframe 10 GbE server adapter, маршрутизаторы Cisco 7600 Series, серверы Newisys 4300 использующие процессоры AMD Opteron и серверы на базе Itanium2. В качестве операционной системы использовалась 64-разрядная Windows 2003 Server.

Достигнутые показатели - первый шаг к преодолению скоростного порога в 100 петтабит в секунду (Один петтабит - 1,000,000,000,000,000 бит). Вроде бы, это - умопомрачительная цифра, но, по словам инженера Microsoft Research Джима Грея (Jim Gray), сам Microsoft имеет 5 петтабит данных, да и по ее оценкам у Google и Yahoo объем такой же. "Если у вас есть миллион клиентов, и каждый хранит гигабит данных - это уже петтабит" - так просто он аргументировал приведенные цифры.

Рекорды - показатели достигнутого, но порою чаще важны рабочие показатели. В центре контроля сети Abilene, находящегося в университете штата Индиана, производится постоянное наблюдение за состоянием сети, а если быть точнее - за информационной нагрузкой на каналы передачи.

По результатам центра видно, что в рабочем режиме, нынешняя максимальная загруженность "Интернет-2" составляет всего 30%, а усредненная - ~22%. Так что потенциал в сеть заложен весомый, да и с дальнейшим развитием проекта будет расти.

В заключение хочется сказать, ученые получили мощный инструмент для своей работы, мы - новые технологии, которые будут использоваться для перехода привычной уже сегодня "паутины" на новый уровень своей эволюции. Желающим же быть в курсе последних событий, происходящих в рамках проекта, стоит периодически заглядывать на официальный сайт проекта , на котором кроме новостей можно найти множество технической документации по технологиям, используемым в "Интернет-2".