МИГРАЦИЯ К НОВОЙ АРХИТЕКТУРЕ INTERNET

Экспоненциальный рост числа пользователей Internet и распространение новых типов информации (графика, видео) по системе World Wide Web резко увеличили нагрузку на Сеть, что привело, по оценке некоторых аналитиков, к снижению ее пропускной способности. В этих условиях необходимо найти такой способ построения новой архитектуры Internet, который смог бы вобрать в себя новые сетевые технологии, не начиная все заново. Этот способ должен включать в себя глобальную сегментацию сети Internet, что даст возможность обеспечить переход от маршрутизации при передаче протокольных блоков данных к их коммутации.

Internet представляет собой метасеть, состоящую из многих сетей, которые работают согласно протоколу TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol), объединены с помощью шлюзов и используют единое адресное пространство и пространство имен.

Став стандартом де-факто, протокол TCP/IP получил широкое распространение благодаря возможности поддержки как локальных, так и глобальных сетей. Кроме того, он имеет открытую архитектуру и его спецификации общедоступны.

Исходная версия TCP/IP, выпущенная в 1974 г., была рассчитана на объединение не более 256 сетей, работающих с использованием низкоскоростных каналов невысокой надежности.

В современных условиях число сетей в Internet приближается к 100 тыс. (число пользователей около 10 млн.) и, по оценке В. Серфа [1] - одного из авторов семейства протоколов TCP/IP, - к 2000 г. достигнет 1,6 млн. При этом ежегодный рост трафика составляет 300 %, что обусловлено широким распространением системы World Wide Web (WWW) - "Всемирной паутины", - позволяющей каждому владельцу персонального компьютера с помощью модема и ПО Web-браузера (распространяемого бесплатно по Сети) получить для просмотра любой файл, находящийся на любом сервере, независимо от его местоположения.

С 1985 г. развитие Internet определяла организация National Science Foundation (NSF), в результате чего конфигурация Internet в США обрела явно иерархическую архитектуру [2], обеспечивающую доступ на трех уровнях: магистральном, региональном и локальном. На магистральном уровне использовалась волоконно-оптическая сеть NSFNet со скоростью передачи 45 Мбит/с, которая в 1995 г., с началом коммерциализации Internet, была выведена NSF из состава Сети. Базовую сеть образовала MCI совместно с рядом других компаний (Alternet, PSInet, Sprint и др.), и с этого момента Internet утратила свою трехуровневую иерархическую структуру, на смену которой пришла совокупность коммуникационных центров доступа в Сеть (Network Access Point - NAP), объединенных широкополосными каналами.

В настоящее время в развитие инфраструктуры Internet вкладываются сотни миллионов долларов, однако, по мнению многих аналитиков, быстродействие Сети снижается. Это обусловлено не только быстрым ростом числа пользователей, но и распространением новых типов информации (графика, видео), которые резко увеличили нагрузку на Сеть.

Производительность Internet, как и любой другой сети, определяется пропускной способностью ее самого слабого звена, и поэтому увеличение скорости передачи на одном участке Сети (например, до 155 Мбит/с в базовой сети MCI) неизбежно приведет к заторам на других участках и не принесет ощутимого эффекта. В этих условиях при резком повышении скорости передачи самым "узким" местом в Internet ( что было ранее отмечено и в корпоративных сетях) становятся маршрутизаторы.

Таким образом, для повышения пропускной способности Internet неизбежно должна пройти этапы сегментации (разбиения на более мелкие участки) и последующего объединения сегментов с помощью базовой высокоскоростной сети с применением коммутаторов. Основной задачей становится поиск способа построения такой архитектуры Internet, которая смогла бы вобрать в себя новые технологии, не начиная все заново.

Этим требованиям удовлетворяют технологии коммутации кадров локальных сетей (LanSwitching), ретрансляции кадров (FR - Frame Relay) и режим асинхронной передачи (АТМ), однако кадры FR и ячейки АТМ не имеют возможности глобальной адресации, поэтому базой для новой архитектуры Internet целесообразно выбрать технологию коммутации локальных сетей (LanSwitching) с добавлением, в перспективе, режима ретрансляции кадров Ethernet (EFR - Ethernet Frame Relay) и эмуляции локальных сетей (LANE) для прозрачной передачи кадров Ethernet через магистральную сеть АТМ.

Новая адресация Internet

Адресация в сети Ethernet обеспечивается с помощью 48-битного адреса на уровне управления доступом к среде передачи МАС (Media Access Control). Однако в настоящее время эти адреса, являясь уникальными, представляют собой заводские номера сетевых адаптеров, в которых первые три байта назначаются комитетом IEEE 802 каждому производителю Ethernet-адаптеров (например, для Intel это будет значение 00-АА-ОО в шестнадцатеричном коде, а для 3COM - 00-20-AF), а последние три байта определяются самими производителями, при этом имеется возможность изменения МАС-адреса программным способом.

При формировании МАС-адреса хост-машины для сохранения преемственности с существующей архитектурой Internet целесообразно 32-битный IP-адрес, состоящий из идентификатора сети (netid) и идентификатора хоста (hostid), инкапсулировать в младшую часть 48-битного МАС-адреса, а оставшиеся 16 бит использовать для идентификации географического домена (domainid). Таким образом, МАС-адрес в новой архитектуре будет состоять их трех чисел (domainid, netid, hostid), что позволит на базе принятого кадра Ethernet проводить в узлах коммутацию (ретрансляцию кадров Ethernet) на основе либо идентификатора домена (domainid), либо IP-адреса (netid, hostid).

Глобальная сегментация Internet

Задача сегментации Internet может быть сведена к задаче разбиения поверхности Земли на географические домены (GeoDom) с использованием адресного пространства географического префикса длиной в 14 бит (2 старших бита в МАС-адресе уже использованы для служебных целей. Internet, являясь постоянно развивающейся Всемирной сетью, должна, в принципе, иметь возможность включить в свой состав любую сеть и любой хост, находящиеся в любой географической точке Земли.

В этих условиях, для упрощения правил присвоения адресов и процесса маршрутизации, систему географических доменов целесообразно строить, используя для адресации доменов общепринятые географические определения и представляя Землю в качестве единого города - Геополиса (GeoPolis). Геополис включает в себя 4 административных района, образованных на базе полушарий Земли (Северо-Восточный - NE, Северо-Западный - NW, Юго-Восточный - SE, Юго-Западный - SW), в каждом из которых с помощью меридианов и параллелей образованы "улицы" (часовые и широтные пояса), дающие на своем пересечении "кварталы", состоящие из 16 "домов" (GeoDom), что позволяет определить географический домен либо в виде имени (например, NE34B), либо с помощью МАС-адреса, двумя цифрами (соответственно 9.75), при этом все младшие разряды будут равны 0 (рисунок 1).

Новое пространство имен Internet

В существующей архитектуре Internet адресное пространство и пространство имен, организованное в доменной системе (DNS), не имеют географической привязки, что вынуждает иметь систему глобальных серверов имен, в котором каждому имени данного домена (com, edu, gov и т.д.) поставлен в соответствие IP-адрес хоста.

Система географических доменов позволяет непосредственно связать имя и IP-адрес хоста с помощью общей связки - имени (адреса) географического домена, например:

nets@osp.msk.ru 

NE34B 9.75.192.206.130.137

Таким образом, сервер каждого домена, соединенный с коммутатором, будет иметь возможность не только определять по известному имени хоста его IP-адрес (и наоборот), но и проводить процедуру разрешения адресов (ARP), т.е. вычисления физического (МАС) адреса по идентификатору (Netid) Сети, напрямую, без широковещательной передачи.

Кроме того, система географических доменов автоматически решает проблему нехватки адресов IPv4, т.к. позволяет физически адресовать 232 узлов (т.е. все возможные узлы с IP-адресами по версии IPv4) в рамках одного географического домена с максимальными размерами 400х400 км, что ставит под вопрос необходимость введения новой версии IPv6, заметно повышающей накладные расходы при передаче.

Построение новой инфраструктуры Internet

Система географических доменов позволяет проводить всю работу по построению новой наложенной инфраструктуры Internet одновременно в двух направлениях:

• создание новой базовой магистральной сети для междоменной связи;
• создание новой базовой сети для внутридоменной связи.

Базовая сеть междоменного обмена информацией

Система географических доменов представляет собой глобальный конгломерат "островов", неравномерно заполняющих всю поверхность Земли.

При отсутствии развитой телекоммуникационной инфраструктуры, новая базовая междоменная сеть (рисунок 2, а) должна быть построена с использованием широкополосных многоканальных систем передачи на базе волоконно-оптических, радио-релейных и спутниковых каналов, дополняющих существующую наземную инфраструктуру.

Для определения маршрута пересылки принятого кадра коммутатор каждого географического домена (рисунок 2, б) должен, сравнивая географический префикс принятого кадра с идентификатором самого домена, решить задачу передачи либо по одному из двух возможных наземных маршрутов (например, N или Е, если адрес назначения находится в Северо-Восточном направлении), либо через спутник, если адресат находится на значительном удалении или недоступен по наземным линиям связи (рисунок 3).

Базовая спутниковая сеть (SatBone) для обеспечения полного покрытия всей поверхности Земли должна состоять из четырех спутников-ретрансляторов, [3], равномерно размещенных на геостационарных орбитах со взаимопересекающимися зонами обслуживания (рисунок 2, б), в которых размещаются центральные коммутаторы Ethernet, соединенные каскадно с коммутаторами каждого географического домена с помощью спутникового канала со стандартной скоростью 10 Мбит/с.

Современные методы модуляции позволяют в полосе 1 Гц передавать до 5-7 бит информации, что, при емкости общей полосы современных спутниковых ретрансляторов до 1000 МГц, позволит объединить через один спутник свыше 500 системных портов коммутаторов географических доменов.

В перспективных спутниках-ретрансляторах коммутатор размещается на самом спутнике и, с помощью многолучевой антенны (каждый луч которой "освещает" зону одного географического домена), обеспечит создание базовой сети (SatBone) в пределах одного часового пояса.

Объединение 24 спутниковых ретрансляторов с помощью межспутниковой кольцевой сети, осуществляющей передачу с мультигигабитной скоростью, обеспечит создание базовой сети в рамках всей Земли (GeoSetBone), без промежуточного сброса информации на Землю [4].

Вопросы надежности такой сети, особенно при отказе одного из спутников, решаются с помощью дополнительных перенацеливаемых лучей и резервных наземных линий связи.

Базовая сеть внутридоменного обмена информацией

Внутридоменный обмен информацией может быть обеспечен двумя путями:

• с помощью сети с ретрансляцией кадров Ethernet;
• с помощью магистральной АТМ-сети и эмуляции локальной сети (LANE).

Сеть с ретрансляцией кадров Ethernet

Сеть с ретрансляцией кадров Ethernet (EFR) использует сервер домена для определения географического префикса адреса во внутридоменной базовой сети, формирования нового МАС-адреса и передачи вновь сформированного кадра на коммутатор EFR, который обеспечивает его маршрутизацию к другому коммутатору в соответствии с его географическим префиксом.

При достижении конечного коммутатора на основе анализа IP-адреса в младшей части МАС-адреса обеспечивается передача кадра соответствующему хосту.

Топология внутридоменной сети является иерархической 4-уровневой "звездой", в свою очередь также состоящей из "звезд" (рисунок 4, a).

На первом уровне используется четыре старших бита для разбиения домена 400х400 км на субдомены 100х100 км.

В каждом субдомене размещается коммутатор EFR, являющийся центром "звезды" второго уровня из субдоменов 25х25 км, а третий уровень состоит из субдоменов 6,25х6,25 км.

В каждом луче может быть использована скорость передачи 100 Мбит/с (Fast Ethernet).

Магистральная АТМ-сеть

Базовая сеть АТМ строится как региональная сеть MAN (Metropolitan Area Network) в виде многоуровневой иерархии колец (петель), где каждая петля представляет собой свернутую двойную шину, (распределенный коммутатор MSS - MAN Switch System), в головном конце (head-end) которой размещается граничный коммутатор и средства управления реконфигурацией, обеспечивающие сохранение связи между узлами при разрыве линий связи (рисунок 4, б). Граничный коммутатор обеспечивает межсетевую фильтрацию кадров Ethernet на основе анализа географического префикса МАС-адреса. Передача по двойной шине во встречных направлениях осуществляется со скоростью 155 Мбит/с по протоколу DQDB (стандарт IEEE 802.6). Число уровней сети ATM, как и "звездной" сети, равно 4, однако наличие двойных петель с реконфигурацией позволяет создать отказоустойчивую инфраструктуру.

Переход к новой архитектуре Internet в перспективе приведет к реализации нового вида связи [5] - Всемирной информационной сети общего пользования, в которой в качестве нового устройства связи будет использован либо персональный, либо сетевой компьютер, с помощью кабельных модемов (скорость передачи 10 Мбит/с и выше) соединенный через коммутатор с локальным Web-сервером, обеспечивающим связь с Всемирной информационной инфраструктурой.

При этом адресное пространство Всемирной сети будет организовано на основе 48-битного МАС-адреса, привязанного к иерархической системе географических доменов.

Литература

1. В.Серф. Необходимо повысить экономическую эффективность Internet//Компьютеруик - Москва. 1996. N21.

2. Л.Ф.Купер. Инфраструктура Internet - проблемы и перспективы//Компьютеруик - Москва. 1996. N35.

3. C.В.Закурдаев. Иерархия базовых сетей для объединения высокоскоростных ЛВС//Международная конференция "Будущее электрокоммуникаций". Moscow. June 27-28, 1994. С. 131-135.

4. С.В.Закурдаев. Глобальная спутниковая базовая сеть для соединения высокоскоростных локальных и городских сетей//Международная конференция "Спутниковая связь". Москва. 19-21 октября, 1994. Россия Т.1. С.160-163.

5.С.В.Закурдаев. Новый вид связи//Сети, октябрь 1996. С. 25-29.