ПОЛЕЗНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Автор: Л.М.Невдяев
Источник: ИнформКурьер-СВЯЗЬ

Узкие места широкополосной сети, или четыре проблемы Интернета

Архитектура Интернета

Всемирную сеть часто изображают в виде облака, магическим образом связывающего любого абонента с источником информации или другим пользователем. В действительности "облако"-Интернет содержит множество автономных сетей, в каждую из которых вложено несколько IP-сетей, связанных между собой через магистральные линии, шлюзы и маршрутизаторы. Предоставлением услуг занимаются три класса провайдеров: международные (Tier-I), национальные и региональные (Tier-2), а также местные (Tier-З). Взаимодействие первых двух классов осуществляется через точки сетевого доступа (NAP) или взаимного обмена трафиком (peering points) без дополнительной оплаты услуг, на основе соглашений о равноправном обмене информацией - пиринге (peering).

Большая часть интернет-трафика передается через опорную сеть, что сокращает число транзитов информации (рис. 1). Первоначально почти весь трафик проходил через две точки обмена - МАЕ, расположенные в США. Позже появились дополнительные пункты доступа к NAP, и различие между NAP и МАЕ постепенно стерлось. Все NAP связаны друг с другом высокоскоростными каналами ОС 12 (622 Мбит/с) и ОС48 (2,4 Гбит/с). К сетям местных ISP пользователи могут подключаться в так называемых точках присутствия-POP (Point of Presence). Благодаря такой распределенной структуре сеть Интернет сравнительно легко наращивается и масштабируется.

Впоследствии общедоступные точки обмена трафиком - IXP (Internet Exchange Point) - стали появляться и за пределами США. Так, в российском сегменте Интернета уже действуют M9-IX (Москва) и SPB-IX (С.-Петербург). С их появлением отпала необходимость в транзите всего трафика через США.

В общем случае инфраструктура Сети имеет:

• "первую милю" (first mile) -участок сети от источника первичной информации (контент-провайдера) до опорной сети;
• "среднюю милю" (middle mile), связанную с транспортировкой высокоскоростных потоков информации через опорную сеть;
• "последнюю милю" (last mile) - наиболее трудный участок от местного ISP до конечного пользователя.

Термин "миля" в обозначении сегментов сети Интернет - достаточно условный и не имеет отношения к реальным расстояниям, а лишь подчеркивает проблемы, которые могут возникнуть при пересылке трафика от источника информации к получателю. Принцип доставки информации в Интернете - централизованный. Как только пользователь устанавливает соединение с сетью ISP, он автоматически получает доступ к любому выбранному хосту вне зависимости от его удаленности (рис. 2).

В центре сферы размещен источник первичной информации (контент-провайдер), осуществляющий информационное наполнение web-сайта. Такой источник обычно находится в одной географической точке, куда со всего мира стекаются запросы на обслуживание, т.е. соединение организуется через всю сеть, следовательно, любые узкие места (bottlenecks) могут замедлять доставку информации.

Именно абонентский доступ - самый медленный и в то же время наиболее уязвимый элемент сети. Однако, как только "последняя миля" будет "пройдена", на первый план выступят остальные три проблемы, связанные с перегрузкой сети на "первой миле", в точках сетевого доступа и "средней мили".

Трудности в начале пути

Замедление скорости информационного обмена, особенно в часы пик, - основная причина деградации характеристик сети на участке "первой мили", в основном из-за того, что программно-аппаратный комплекс сервера просто не справляется с нагрузкой. Однако сегодня такая ситуация - скорее исключение. В качестве информационного источника обычно используется высокоскоростной сервер, а услуги предоставляются с помощью web-хостинга. Тем не менее, чтобы адаптироваться к экспоненциально растущему объему информации в Интернете, каждый провайдер "первой мили" должен не только постоянно расширять возможности своей сети, но и следить, чтобы граничащие с ним сети также не были узким местом системы. Каналы доставки информации при централизованной модели обслуживания весьма ненадежны, так как в сети слишком много транзитов с тенденцией к наращиванию. Так, с 1998 по 2001 гг. число транзитов увеличилось в среднем с 18 до 20 (рис. 3).

Единственный выход - переходить от централизованной модели обслуживания к распределенной, с множеством серверов, размещенных в разных географических точках. Возможны два варианта построения сети доставки контента (Content Delivery Network - CDN) от первичных источников информации к вторичным. Первый (Conxion) предполагает создание специализированных информационных центров в местах наибольшего спроса на такого рода услуги. Информация хранится на небольшом количестве синхронизированных серверов и периодически обновляется. Более радикальное решение - "краевая доставка" (Akamai Technologies) - основано на использовании множества серверов (около 7500), расположенных на границе опорной сети Интернет (в местах, где локальный трафик добавляется к национальному), а потому доступных многим пользователям.

Пиринг и равноправный обмен

В Сети с одинаковым успехом могут функционировать и общепризнанные провайдеры, и небольшие операторские компании. Обмен информацией между ними может быть как платным, так и бесплатным или на условиях пиринга. Перегрузка в точках сетевого доступа - второе узкое место Интернета, однако ее предотвращение - проблема больше коммерческая, нежели техническая.

Есть два вида точек доступа: общего пользования и частные. Соответственно между провайдерами устанавливаются соглашения на основе либо парных договоренностей (private peering), либо многосторонних (public peering). Первоначально взаимоотношения носили спорадический характер, а о пиринге договаривались лишь при значительном трафике в смежных сетях.

Известно, что пиринг общего пользования по своей природе неэффективен и связан с увеличением числа транзитов в сети из-за столкновения интересов провайдеров, так как одни специализируются на международной связи, другие - на региональной и национальной, третьи размещают информацию на своих серверах. Все это неизбежно порождает асимметрию взаимного трафика. Различают два вида сетевых трафиков - внутренний и транзитный. Если с первым не возникает проблем, то безвозмездно передавать информационные потоки чужой сети никому не выгодно (на передачу транзитных потоков затрачиваются сетевые ресурсы, а экономическая мотивация весьма слабая). Ситуация осложняется еще из-за отсутствия стандартных процедур, регламентирующих механизм взаимозачетов трафика.

Проблема затрагивает многие вопросы: контроль качества - QoS, распределение ответственности за потерю пакетов и др. Чтобы обойти эти трудности, обычно заключают прямые (одноранговые) соглашения об обмене трафиком. Однако такие отношения между провайдерами могут быть установлены далеко не всегда. Прямые соединения, как правило, организуют крупные провайдеры, которые зачастую игнорируют интересы мелких компаний. Подписание с ними одноранговых соглашений фактически означает уравнивание обеих компаний в правах, поэтому более мелкие обычно платят большим за равноправный доступ. В результате Интернет из общедоступной сети постепенно превращается в двухуровневую, где приоритетные (выделенные) каналы зарезервированы за крупнейшими провайдерами. Более того, прямые соединения по-прежнему не устраняют проблему асимметрии сетевого трафика в точках доступа.

Таким образом, сам по себе факт подключения сети какого-либо провайдера к точкам общего пользования не гарантирует возможности транзитной передачи трафика. Необходимо еще соглашение о взаимном информационном обмене, иначе связь придется осуществлять через посредников. Дело в том, что соглашение о пиринге автоматически определяет настройку краевых маршрутизаторов, которые поддерживают только оговоренные в контракте сетевые маршруты. В результате отказа в доступе пакеты чужих сетей вынуждены передаваться окружным путем, даже при наличии свободных ресурсов.

Кратчайший путь - не всегда лучший

Транспортная среда в Интернете - опорная сеть (backbone network), состоящая из маршрутизаторов, связанных друг с другом высокоскоростными ВОЛС. Все маршрутизаторы функционируют согласованно и периодически обмениваются друг с другом маршрутной информацией, что позволяет им "видеть" всю сеть.

Качество связи в Интернете заметно улучшилось, прежде всего за счет повышения эффективности работы опорной сети. В частности, за 1998-2001 гг. среднее число потерь пакетов сократилось с 16 до 7 (рис. 4). Тем не менее программно-аппаратные комплексы не всегда справляются с растущим трафиком.

Как ни парадоксально, но именно от быстродействия "средней мили" во многом зависит скорость обмена информацией. Проблема в том, что маршрутизация трафика осуществляется на основе алгоритма кратчайшего пути, без учета вида контента (текст, аудио, видео), качества обслуживания (QoS) и объемов потоков. Трафик в опорной сети разбалансирован, т.е. ее центральные маршруты, как правило, максимально загружены и перегрузка здесь более вероятна, чем на периферии. Не созданы и действенные механизмы резервирования ресурсов, предоставления услуг с гарантированным QoS.

Особую опасность представляют возникновение случайных сбоев в маршрутизаторе или ошибки при его настройке. Неверная информация распространяется по всей сети и вызывает перегрузку отдельных линий. Сходная проблема - "биение маршрутов" - возникает в тех случаях, когда неисправный маршрутизатор начинает слишком часто генерировать данные об обновлении маршрутов и рассылать их по сети. Соседние маршрутизаторы вынуждены так же часто менять свои маршрутные таблицы, что приводит к возникновению конфликтов в сети. В результате рассогласование запросов на требуемую пропускную способность и ту, которую реально может предоставить опорная сеть, становится причиной перегрузки. Разрешить перечисленные проблемы возможно, однако для этого потребуется другой, более "интеллектуальный" протокол маршрутизации, чем обычный алгоритм, основанный на выборе кратчайшего пути.

Коктейль через соломинку

Выражение "нет ничего проще и в то же время ничего труднее, чем абонентский доступ" наиболее точно отражает суть проблемы "последней мили". Действительно, чтобы получить доступ в Интернет, абоненту достаточно иметь компьютер и недорогой модем или адаптер. Но каким образом "дотянуться" до ближайшей точки подключения к сети?

Несмотря на огромное многообразие технологий доступа, наиболее популярным решением "последней последней мили" остается коммутируемый доступ (dial-up), услугами которого пользуются около 79% абонентов в мире (рис. 5). Диаграмма отражает усредненные данные, в то время как фактическая картина распределения пользователей по регионам мира неоднородна. Так, в Москве около 84% частных и 43% корпоративных (предприятия малого и среднего бизнеса) клиентов пользуются услугой dial-up, в США - соответственно 17 и 12%.

Несмотря на то что модемам неоднократно предрекали скорую смерть, они живы и совершенствуются. Последний стандарт - V.90 - позволяет работать со скоростью 56 кбит/с (реальная скорость ниже и зависит от состояния телефонных линий и коммутационного оборудования). Причины столь высокой популярности модемов - недорогое оборудование, низкие тарифы, простота доступа, а главное, никаких проблем с радиочастотами. Тем не менее большинство специалистов считает, что судьба dial-up предрешена. Телефонные линии, давшие жизнь Интернету, превратились в его оковы. Многих пользователей больше привлекает канал always on ("всегда на связи"), так как в dial-up модемы уже не справляются с информационной нагрузкой, процесс скачивания перенасыщенных графикой web-страниц тянется бесконечно долго, а из-за ненадежных телефонных каналов связь может в любой момент прерваться.

Резкий рост трафика приводит к значительному увеличению нагрузки на телефонные линии, которые не предназначены для высокоскоростной передачи данных. Перегруженность коммутационного оборудования интернет-трафиком создает проблемы для телефонных компаний, которые постоянно угрожают введением повременной оплаты. Неудобно и то, что линия во время работы модема занята.

Однако было бы ошибкой считать, что быстрая замена низкоскоростных каналов широкополосными - панацея от всех бед. Если бы все пользователи Сети могли обращаться в Интернет через высокоскоростной модем (кабельный или xDSL), то остальные три упомянутые проблемы заставили бы Всемирную сеть катастрофически замедлиться. Другими словами, Интернет сегодня настолько быстр, насколько медленна "последняя миля".