Канадский проект Internet третьего поколения

Канадская сеть для прогресса в науке, промышленности и образовании (The Canadian Network for the Advancement of Research, Industry, and Education — CANARIE) представляет собой некоммерческую корпорацию, в основном финансируемую канадским правительством. CANARIE создана с целью поддержки становления информационного сообщества в Канаде.

Ее основу составляет первая общенациональная Internet-магистраль - CA*net, которая по своей концепции аналогична NSFnet в Соединенных Штатах и, опять-таки, как и NSFnet, несколько лет назад была денационализирована и стала коммерческой. С того момента CANARIE развернула тестовую сеть ATM (National Test Network — NTN) в 1995 году и Internet-магистраль второго поколения CA*net II в 1997 году.

Однако, самым значительным достижением CANARIE на сегодняшний день является создание первой в мире полностью оптической Internet-магистрали для научных и образовательных институтов - CA*net 3.

Магистраль CA*net 3

Первые сегменты CA*net 3 были созданы в октябре 1998 года, а вся сеть, протянувшаяся от Галифакса (Новая Шотландия) на восточном побережье до Ванкувера (Британская Колумбия) на западном побережье, была завершена в июле 1999 года. В апреле 2000 года сеть была продлена до Сиэтла, а в ближайшее время она дойдет и до Нью-Йорка. На рис. 1 показана карта всей сети.

Магистральная сеть CA*net 3 не имеет прямого подключения ни к одной организации. Вместо этого, в каждом регионе соединения между точками доступа GigaPOP и примерно 80 университетами, школами и исследовательскими организациями, сейчас имеющими доступ в CA*net 3, обеспечивают организацию высокоскоростных научных и образовательных сетей, получивших название «оптические региональные усовершенствованные сети» (optical regional advanced network — ORAN). Сети ORAN представляют собой ключевые компоненты программы CANARIE, предусматривающей исследования и разработку оптической сети Internet, предназначенной для сквозных широкополосных приложений, кэширования и новых Internet-служб, таких как IPv6.

Сеть CA*net 3 - это 8-канальное двунаправленное оптическое соединение, обеспечивающее скорость передачи на уровне OC-192 и входящее в состав более крупной, 16-канальной системы. Протяженность сети CA*net 3 составляет 8500 км.

Отказоустойчивость сети обеспечивается на уровне протоколов IP; службы Sonet в сети отсутствуют. Маршрутизаторы напрямую подключаются к системе DWDM через ретрансляторы. Сейчас только два оптических соединения активизированы и связаны с маршрутизаторами на скорости OC-48 в магистрали. Первой в мире системой такого рода станет 4-канальная DWDM-служба Gigabit Ethernet, развернутая на сегменте сети CA*net 3, который протянется до провинции Ньюфаундленд. (Оборудование DWDM было предоставлено компанией Nortel, а маршрутизаторы - Nortel и Cisco).

Как и сеть Abilene, созданная University Corporation for Advanced Internet Development (UCAID), сеть CA*net 3 и региональные ORAN с самого начала строились как высокоскоростные сети, предназначенные для научных и образовательных институтов. Оптическая архитектура CA*net 3 открывает канадским сетевым инженерам уникальную возможность для анализа механизмов работы традиционных сетевых инфраструктур и влияния технологии оптического Internet на будущее таких сетей.

За счет управления оптическими соединениями напрямую наши инженеры получили возможность непосредственно работать с базовой инфраструктурой систем наших партнеров. Они быстро пришли к выводу о том, что развертывать технологию оптической сети Internet и управлять ею намного проще и выгоднее с точки зрения затрат, чем традиционными сетями связи. В результате, университеты и научные институты, то есть то же самое сообщество, которое создавало Internet, теперь начинает вторую Internet-революцию, которая ориентирована на технологии, способные предоставить широкополосные службы везде, вплоть до домашних сетей. Сложные технологии, которые предлагают операторы, больше не нужны для того, чтобы предоставлять услуги Internet.

Оптическая сеть Internet

Определяющие характеристики оптического Internet состоят в том, что соединения канального уровня (уровня сетевых протоколов) представляют собой оптические каналы сети с «плотным» мультиплексированием по длине волны (dense wave division multiplexing — DWDM), напрямую связанные с высокопроизводительным сетевым маршрутизатором. В такой конфигурации высокопроизводительный сетевой маршрутизатор заменяет традиционное коммутирующее и мультиплексирующие оборудование ATM и Sonet/SDH. На рис. 2 показана архитектура традиционной сети, а на рис. 3 - архитектура оптической сети Internet.

Рис. 2. Традиционная архитектура Internet

DWDM позволяет оптическому кабелю нести несколько пучков света (разных «цветов») одновременно. Помимо резкого увеличения полосы пропускания DWDM также поддерживает оптическое мультиплексирование, которое позволяет использовать оптические соединения для абсолютно различных сетевых служб. К примеру, можно выделить некоторые оптические соединения в одной паре волокон для оптической IP-сети с большой полосой пропускания, в то же время другие оптические соединения выделить для оптической сети ATM или для традиционных служб Sonet/SDH - каждой абсолютно независимо от других.

Рис. 3. Оптическая архитектура Internet SC

В большинстве случаев сети операторов, созданные на базе технологии DWDM, остаются службами, ориентированными на каналы связи, которые оптимизированы для передачи голосового трафика. Оптические соединения заменяют каналы Sonet/SDH или сегменты ATM, но вопросы, которые всегда оставались крайне сложными для инженеров (такие как определение пути, сигнализация о завершении соединения и так далее), по-прежнему решаются традиционными способами.

Использование каналов DWDM для создания оптической сети Internet позволяет развертывать сеть без установления соединений. Таким образом, многие сложности традиционные для телекоммуникаций, исчезают, в первую очередь те, которые касаются восстановления, защиты и сквозной передачи сигналов SS7. Вместо этого, для управления сетью могут использоваться маршрутизация и передача сигналов Internet. И что еще важнее, сеть может быть оптимизирована таким образом, чтобы использовать уникальные характеристики трафика Internet.

Характеристики трафика Internet

Даже из самых общих соображений оптические интерсети имеют смысл, поскольку они позволяют создать «чистый Internet» с самого начала - без вмешательства технологии между сетью и реальным оптическим кабелем. За последние два года инженеры Internet разработали модели трафика Internet, которые показывают, насколько фундаментально он отличается от голосового трафика. Если, как предполагает большинство экспертов, трафик Internet станет доминировать в будущих сетях, тогда имеет смысл оптимизировать сетевые архитектуры для Internet и адаптировать сети к обслуживанию унаследованных приложений вместо того чтобы искать иные обходные пути.

Internet-трафик носит «импульсный» характер, как в локальном сегменте, так и в магистрали, поскольку один компьютер может эффективно использовать всю имеющуюся полосу пропускания, но, как правило, это происходит не постоянно, а время от времени. Более того, практически не существует ограничений на число компьютеров, которые могут обращаться к сети в каждый конкретный момент. В случае перегрузки все компьютеры, использующие канал, «тормозятся» и начинают использовать канал для повторной передачи на более низкой скорости до тех пор, пока не исчезнет перегрузка. Другими словами, объем передаваемых данных в Internet меняется не ступенчато, как это происходит в случае с телефонным трафиком; данные поступают импульсно - за пиком следует значительный «провал».

Вторая уникальная характеристика трафика Internet состоит в крайней несбалансированности между передаваемым потоком трафика (Tx) и получаемым потоком трафика (Rx) в большинстве каналов. Такая асимметрия возникает потому, что крупные «серверные фермы» в ответ на простые запросы пользователя генерируют огромные объемы данных Web, например, при загрузке больших графических файлов,

В центре сети, рядом с фермами Web-серверов и крупными пунктами предоставления услуг доступа в Internet, асимметрия носит противоположный характер: каждый из небольших полученных запросов (Rx) порождает очень большой ответный трафик (Tx). По мере того, как данные из этих базовых центров обслуживания распространяются по региональным сетям, локальным сетям и, в итоге, доходят до конечного пользователя на «краю» сети, асимметрия кардинально меняется: большая часть нагрузки в узлах- листьях приходится на Rx. Фактически, обычные асимметричные соотношения запрос-ответ в крупных Internet-каналах варьируются от соотношения 3:2 вплоть до соотношения 16:1 в некоторых крупных точках обмена Internet-трафиком. Короче говоря, на пользовательском конце сети небольшой Tx генерирует очень большой Rx. Рис. 4 иллюстрирует асимметрию взаимодействия.

Когда традиционные голосовые сети используются для поддержки Internet, эта асимметрия потоков трафика приводит к тому, что значительная часть доступной полосы пропускания (иногда близкая к 50%) остается практически неиспользуемой, при том, что (как это не парадоксально) полосы пропускания в другом направлении практически не хватает. Разработанная в рамках проекта CA*net 3 архитектура Internet обладает рядом характеристик, которые могут значительно сократить такую «утечку».

Одна из подобных архитектур предусматривает подключение маршрутизаторов к конкретным оптическим соединениям и конфигурацию числа оптических соединений в каждом направлении максимально близко к уровню ожидаемой нагрузки в данном канале. Оптимизация стратегии резервирования и направления оптических соединений может привести к значительной экономии средств по сравнению с традиционными сбалансированными и симметричными каналами Sonet. (Более подробную информацию по экономии затрат и о деталях некоторых проектов можно найти на Web-сайте CA*net3 по адресу www.canet-3.net).

Использование темного волокна

Большинство современных огромных оптических сетей по-прежнему зависят от архитектур DWDM, развернутых крупными телекоммуникационными операторами. Возможность применения «темного волокна» (то есть инфраструктуры оптического волокна, которая существует, но не используется) начинает менять ситуацию на локальном и региональном уровнях. Увеличение благодаря распространению Internet спроса на полосу пропускания заставляет провайдеров Internet и региональных сетевых операторов развертывать свои собственные, независимые межсетевые оптические структуры.

Многие конкурирующие провайдеры услуг доступа, предприятия коммунальных услуг и муниципальные учреждения, в первую очередь в Северной Америке, начинают продавать темное волокно по приемлемой цене. До недавнего времени, однако, большинство провайдеров Internet или региональные сети не могли использовать это волокно для передачи информации на расстояние, превышающее 10 - 15 км. Транспортные терминалы Sonet с дорогими лазерами с большим диапазоном действия были необходимы для того чтобы обеспечить зону действия и надежность, необходимые для магистралей с дальней протяженностью. Сейчас, однако, многие производители оборудования для передачи данных используют лазеры с большой дальностью действия в коммутаторах Gigabit Ethernet и в новых устройствах 10x Gigabit Ethernet. С помощью этих устройств провайдеры услуг могут передавать информацию на расстояние до 120 км по темному волокну, не прибегая к установке повторителей.

Ethernet - привлекательное решение, поскольку представляет собой хорошо известный протокол передачи данных, знакомый большинству инженеров и администраторов локальных сетей, а размер пакета в транспортной системе может быть таким же, как и для доступа к локальной сети. В результате, сложная сегментация, повторная сборка, упаковка бит и другие методы формирования пакетов просто не нужны.

Развертывание оптического Internet с пакетами Ethernet не требует знания сетей и служб Sonet/SDH. И, что более важно, за счет выполнения восстановления и защиты на уровне IP, приемопередатчики не должны быть столь же надежны, как традиционные регенераторы Sonet. И это опять-таки позволит значительно сократить затраты, связанные с установкой и поддержкой.

Помимо темного волокна и технологии Gigabit Ethernet новый тип мультиплексирования по длине волны, названный мультиплексированием с грубым разделением по длине волны (coarse wave division multiplexing — CWDM) побуждает отказаться от использования сетей операторов в местном и региональном масштабе. CWDM стоит намного дешевле, чем DWDM, и позволяет небольшим провайдерам и региональным сетями развертывать свои собственные системы с множеством оптических каналов. Из-за больших расстояний между оптическими каналами, требование лазерной стабильности и фильтров с узкими полосами пропускания частот могут быть менее строгими, чем в системах DWDM.

Во многих случаях технология CWDM и 10xGigabit Ethernet в сочетании с возможностью применять темное волокно, могут привести к созданию «сетей потребителей», в которых каждый пользователь, а не оператор, управляет сетью и выбирает, какую технологию в ней использовать. Таким образом, впервые локальные сети могут выйти за рамки офисного здания и протянуться по всей стране. Значительная экономия расходов, сопровождающая все эти изменения, в совокупности с гибкостью и свободой в сетевой архитектуре, которую они поддерживают, может дать представление о том, какими станут сети будущего.

Расширение оптических Internet-каналов

За последние пять лет емкость Internet-магистрали значительно возросла, как и число провайдеров Internet. Тем не менее, реализация высокоскоростного локального доступа связана большими сложностями. Решение так называемой задачи «последней мили» для широкополосных служб - одна из серьезных трудностей, с которыми сталкивается сетевой мир.

Традиционно затраты на установку новых широкополосных станций в локальном сегменте, особенно дома, были настольно высокими, что операторы не могли оправдать их реализацию. Традиционная житейская мудрость в этом случае состояла в том, что пока создается спрос на такие службы, самое лучшее решение - это адаптация унаследованных сетей через кабельные модемы и различные службы, предоставляющие доступ по выделенным цифровым каналам. Хотя волокно подводилось все ближе и ближе к дому, случаи, когда был предпринят последний и очень дорогой шаг, оставались крайне редкими.

Мы уверены, что основная причина состоит в том, что решение всегда принималось с точки зрения единого провайдера услуг, особенно, если этот провайдер также владеет унаследованной сетью, оптимизированной для конкретной службы, такой как голос. Это приводит к трем предубеждениям при анализе. Во-первых, прогнозируемый поток прибыли ориентирован для единого провайдера; во-вторых, технология, должна поддерживать и унаследованную службу, и службы Internet; в-третьих, альтернатива всегда предполагает по-прежнему использовать унаследованную сеть. С точки зрения любой частной сети, которая поддерживает отдельные Internet-соединения, или общедоступную инфраструктуру, которая поддерживает требования к волокну всего сектора обслуживания, подобные предубеждения не возникают.

К примеру, школы, библиотеки и университеты сейчас являются самыми крупными потребителями Internet-услуг на уровне отдельной организации. Школам, в частности, требуется увеличить емкость доступа в Internet, поскольку большинство из них вынуждено пока довольствоваться низкоскоростными каналами передачи данных. По мере роста популярности мультимедиа-уроков, образовательного потокового видео и других служб, спрос на высокоскоростной доступ в Internet также может расти экспоненциально.

Заключение

С учетом потенциального вопроса о доступе с большой полосой пропускания, многие организации в Канаде и в других странах развертывают частные сети темного волокна. Технологии, которые они используют, по-видимому, позволят создавать аналогичное недорогое решение и для дома.

Городские сети, в частности, используют кардинально новый подход к решению задачи «последней мили». В результате того, что все большее внимание уделяется развертыванию местной инфраструктуры, в которой провайдеры Internet, компании и даже отдельные пользователи могут управлять и контролировать свои собственные оптические каналы, начинают появляться потребители, создающие сети без подключения к операторам, вместо того, чтобы ждать, пока операторы создадут сети, к которым они смогут получить доступ. Не говоря уж о том, что организации, владеющие своими собственными волоконными структурами, не намерены развертывать сложные сети Sonet/ATM; они будут использовать те же самые технологии, которые развертывали в своих локальных сетях.

Развертывание сетей по инициативе потребителей потенциально позволяет повторить, на сетевом уровне, революцию персональных компьютеров, которая произошла 20 лет назад в области настольных систем. Как ПК предоставили простую, недорогую технологию, которая дала пользователям возможность разрабатывать целые серии приложений, которые были немыслимы на унаследованных мэйнфреймах, так и новые недорогие технологии локальных систем и возможность использовать темное волокно позволят потребителям развертывать новые приложения для сетей «последней мили», которые немыслимы в традиционных сетях операторов. Эти новые сети открывают огромные возможности и стимулируют создание новых, серьезных технологических решений в сетевой отрасли. Короче говоря, по всей видимости, они кардинально изменят существующую сейчас телекоммуникационную среду.

Об авторах

Билл Ст. Арнауд - руководитель Network Projects for CANARIE - канадской организации, занимающейся созданием нового поколения Internet-решений. Он также возглавляет разработку, координацию и реализацию CA*net 3. Он получил степень бакалавра и магистра инжиниринга в Карлтонском университете. Арнауд - член редакторского совета журнала Optical Networking; член консультативного совета STAR TAP; входит в состав Center for Global Communications; является членом управляющего комитета SPIE Technical Group on Optical Networks. Он частый гость на конференциях, посвященных Internet и оптическим сетям и регулярно пишет статьи в ряд сетевых журналов. С ним можно связаться по электронной почте по адресу bill.st.arnaud@canarie.ca.

Эндрю К. Бьерринг — президент и исполнительный директор CANARIE с 1973 года. До своего прихода в CANARIE Бьерринг восемь лет был директором по вопросам информационных технологий и шесть лет - заместителем президента по научному планированию и бюджету университета Западного Онтарио. Он является членом многих советов и комитетов, в том числе совета CA*net Networking; совета по региональным сетям ONet; Cовета по информационной инфраструктуре провинции Онтарио; совета по vBNS Национального научного фонда США; комитета по научным вычислениям в NSERC; управляющего совета Центра супервычислений провинции Онтарио; совета, руководящего инициативой C3.ca; Национального наблюдательного совета сети SchoolNet; совета директоров Центра исследований в области коммуникаций. С ним можно связаться по электронной почте по адресу andrew.bjerring@canarie.ca