InterEthernet: пути построения глобальной сети связи нового поколения
Существующая коммуникационная инфраструктура представляет собой совокупность различного оборудования (каналов связи, модемов, коммутаторов, маршрутизаторов и др.), и поэтому создание новой коммуникационной инфраструктуры, необходимой для реализации новых информационных технологий, является первоочередной задачей, стоящей перед всеми государствами без исключения.
Многолетние попытки Международного телекоммуникационного союза (International Telecommunication Unit, ITU), который является подразделением ООН, создать в качестве «фундамента» информационного общества Глобальную информационную инфраструктуру (Global Information Infrastructure, GII), фактически провалились. Технология АТМ (основа GII) признана неэффективной не только в локальных сетях (LAN), где уже более 20 лет повсеместно используется протокол Ethernet, но также и в городских сетях (MAN), реализующих протокол GigabitEthernet, который не только в 2-3 раза дешевле протокола ATM, но и более прост в управлении.
Учитывая сложившиеся условия, Всемирная встреча (ВВУИО) в Тунисе (2005 г.) приняла документ «Тунисское обязательство для информационного общества», в котором, в частности, было признано, что в настоящее время можно рассматривать «интернет как основной элемент инфраструктуры информационного общества, – публичный ресурс глобального масштаба».
Тем не менее, стратегически интернет можно рассматривать лишь как временное средство для построения информационного общества. У Сети есть ряд неустранимых недостатков, таких, как: ограниченное число адресов IPv4 (из общего числа которых в 2,8 млрд. уже занято 81%, а весь ресурс будет исчерпан в 2010 г.), низкий уровень безопасности, массовая рассылка нежелательных сообщений (спам), распространение вирусов и др.
В 2005 г. ведущие университеты США инициировали проекты по созданию альтернативы интернета, а Национальный научный фонд (NSF) принял программу «Глобальная среда для сетевых инноваций (GENI)», в рамках которой выделил $10 млн. компании BBN Technology до 2010 г. для поисковых работ в этом направлении.
Но, в то же время, в некоторых странах (и организациях) уже осуществлен переход на протокол IPv6, в котором, кроме увеличения адресного пространства до 128 бит, были добавлены и другие сервисные возможности. Тем не менее, это решение можно признать прямолинейным («силовым»), так как оно было сделано без анализа самой сетевой технологии, основанной на протоколе IP.
Сравнительный анализ сетевых технологий
Предварительно необходимо заметить, что диалектическое единство анализа и синтеза определяется всеми философами (от Ф. Энгельса до М. Мамардашвили) в качестве необходимой основы любого процесса познания: исследования, проектирования, конструирования. Раньше в любом проекте по созданию новой техники в первом разделе необходимо было сделать «Анализ современного состояния в данной области техники».
В России еще в начале 90-х годов прошлого века был проведен сравнительный анализ существовавших в то время сетевых технологий. Выяснилось, что во всех сетях с коммутацией пакетов (интернет, X25 и др.) используются два различных протокола: один, собственно, для коммутации пакетов (IP, X25/3 и др.), а другой – для передачи кадров по каналам связи (LAPB, X25/2 и др.).
Это обусловлено тем, что первоначально в развитых странах создавались системы для передачи данных между компьютером и терминалами (или между двумя компьютерами) в режиме «точка – точка» или «точка – многоточка», поэтому в кадре передачи данных для адреса назначения (АН) достаточно было использовать 1 байт (максимально этот адрес, в частности, был использован для подключения до 255 терминалов через мультиплексор передачи данных МПД-2 к компьютеру ЕС ЭВМ). Сам кадр завершался циклической контрольной суммой (ЦКС), служащей для проверки правильности передачи по каналу связи.
Теория коммутации пакетов была предложена Л. Клейнроком еще в 1961 г. и предполагала, что пакет - фрагмент данных, в заголовке которого содержались адрес назначения (АН) и адрес отправления (АО) – будет самостоятельно (и независимо от других пакетов) передаваться по сети.
Однако в каналы передачи данных по всему миру уже были вложены сотни миллионов долларов, поэтому с целью сохранения инвестиций (одна из главных причин торможения прогресса) пакет был инкапсулирован в информационное поле кадра (рис.1а).
Эта операция существенно снижает эффективность работы всей сети, так как в каждом узле сети необходимо было проводить своеобразную «перлюстрацию» - извлечение пакета из принятого по сети кадра, далее по анализу АН этого пакета определять адрес следующего узла по маршруту передачи и затем заново формировать кадр с вычислением новой ЦКС.
Тем не менее, пока не было достойных конкурентов, сети с коммутацией пакетов успешно работали, тем более что интернет на многие годы освободил государства (которые все еще не понимают, что это временно) от создания своей современной коммуникационной инфраструктуры.
В настоящее время ко всем существующим недостаткам добавились новые: по последним оценкам экспертов, широкополосный доступ и увеличение числа мобильных абонентов приведут к 2010 г. к резкому падению пропускной способности интернета.
Все эти факты говорят о том, что сети с коммутацией пакетов достигли вершины своего развития (по теории S-кривых развития технологий) и настало время прихода им на смену новых сетей, реализующих более совершенные коммуникационные технологии.
Таким образом, Рекомендации ITU (Y.2001. и Y.2011, 2004 г.), определяющие технологию коммутации пакетов (IP) как основу транспорта Сетей следующего поколения (NGN), фактически являются рекомендациями к внедрению морально устаревших технологий, что уже реализовано в некоторых странах и, к сожалению, в России.
Протокол Ethernet: возможности и преимущества
Протокол Ethernet был предложен в конце 70-х годов прошлого века для решения локальной задачи – объединения нескольких ПК в локальную вычислительную сеть (ЛВС) для совместных вычислений.
А так как протокол Ethernet создавался с «чистого листа», то к сформированному в ПК отправителя пакету, содержащему АН ПК получателя, по которому в узлах коммутации будет определяться дальнейший путь пакета, был непосредственно добавлен «концевик», содержащий ЦКС для проверки правильности передачи по каналу связи, образуя кадр Ethernet (рис. 1b).
Отсюда видно, что протокол Ethernet потенциально может стать основой для построения компьютерных сетей различных размеров (вплоть до глобальных) по технологии ретрансляции кадров Ethernet. Она более эффективна, чем технология
коммутация пакетов, так как для передачи и коммутации используется один протокол, а кадр, сформированный в ПК отправителя, без изменения передается через узлы коммутации до ПК получателя.
Кроме того, МАС-адрес протокола Ethernet включает 48 бит (против 32 бит IP-адреса), что позволяет адресовать в сети более 70 трлн. узлов и снять проблему нехватки адресов, возникшую в интернете.
Тем не менее, некоторые характеристики, заложенные первоначально в протокол Ethernet, препятствовали его использованию в глобальных сетях:
Однако современные локальные сети уже осуществили переход от одноранговых сетей к полностью коммутируемым, построенным по схеме «клиент – сервер». Поэтому выход в магистральную сеть может быть произведен через специальный сервер-посредник (proxy-server), запрещающий передачу «широковещательного» трафика, что фактически снимает ограничения на использование протокола Ethernet в глобальных сетях.
В России еще в 1993 г. были начаты работы (которые продолжаются и до настоящего времени), посвященные различным аспектам создания единой сети (современное название которой - InterEthernet), реализующей технологию ретрансляции кадров Ethernet как в локальных, так и в глобальных сетях.
Прежде всего, были определены основные принципы построения InterEthernet как Большой системы:
По признаку функциональности InterEthernet (как и сеть Internet) делится на две подсистемы: одна представляет собой совокупность абонентских локальных мультисервисных сетей (ЛМС), другая - глобальная магистральная сеть (ГМС), объединяющая все локальные сети в единое целое.
При этом каждая из этих подсистем может проектироваться самостоятельно - по своим критериям. Oбщим для них является использование регулярных иерархических топологий (позволяющих использовать однотипное оборудование в коммутирующих узлах) и 12-cтупенчатая иерархическая адресация (рис.2), привязанная к местоположению узла в сети (локально-определяемый адрес). При этом МАС-адреса всех ПК (а также и всех узлов сети) образуются из номеров портов тех узлов коммутации, к которым (по иерархии) подключен данный ПК (или узел).
47 и 48 биты МАС-адреса носят служебный характер:
Локальные мультисервисные сети
Существующие коммутаторы локальных сетей (в основном) не имеют своего МАС-адреса и коммутацию осуществляют по принципу «свой-чужой» по анализу таблиц МАС-адресов всех ПК, подключенных к данному порту коммутатора (непосредственно или через другие коммутаторы), что ограничивает использование их в глобальных сетях.
Семейство новых устройств – коммутирующих мультиплексоров (младшего КМ1, среднего КМ10 и старшего КМ100 уровней), реализующих технические решения патента РФ № 2159511 (1999 г.), обеспечивает мультиплексирование 10 каналов EthernetСМбит/с в 1 канал Ethernet10СМбит/с (С = 1, 10, 100) для восходящего трафика «клиент-сервер» по дисциплине «первым вошел – первым вышел» (FIFO) и коммутирование кадров, поступающих по одному каналу Ethernet10СМбит/с, в 10 каналов EthernetСМбит/с для нисходящего трафика «сервер-клиенты».
Каждый коммутирующий мультиплексор имеет свой иерархический МАС-адрес, причем у всех КМ1 младшая тетрада МАС-адреса равна 0, у всех КМ10 две младшие тетрады равны 0 и во всех КМ100 три младшие тетрады равны 0.
Это позволяет проводить процесс коммутации путем аппаратного сравнения МАС-адреса самого коммутирующего мультиплексора с МАС-адресом назначения (АН) поступившего кадра: в случае сравнения ненулевой (старшей) части МАС-адреса КМс
(с = 1, 10, 100) с той же частью МАС-адреса поступившего кадра, - искомый номер порта передачи будет находиться (по определению) в той тетраде поступившего МАС-адреса, которая соответствует (по номеру) старшей нулевой тетраде МАС-адреса самого КМс.
Аппаратная реализация функций коммутации позволит исключить создание и обработку таблиц МАС-адресов в каждом порту коммутатора, осуществляемых в существующих коммутаторах высокопроизводительными микропроцессорами, что позволит резко снизить стоимость самих коммутирующих мультиплексоров.
Каскадирование данных устройств позволит строить масштабируемые ЛМС от 10 до 1000 пользователей, причем каждому из абонентских ПК (или «тонкому клиенту», ТК) будет предоставлен дуплексный канал Ethernet1/10/100Мбит/с связи с сервером, что исключает необходимость в управлении потоком в сети.
Все ПК благодаря протоколу Ethernet802.2 (LLC-SNAP) имеют возможность подключения мультимедийных протоколов прикладного уровня (SIP, SDP и др.), обеспечивая возможность получения абонентами всех сервисных услуг в полном объеме, в том числе и видеосвязь, которая в ЛМС полностью заменит телефонную связь (рис. 3).
Новые технические решения в построении беспроводных ЛМС (патент РФ № 2211546, 2001 г.) включают, прежде всего, комбинированный метод доступа: частотный (FDMA), когда весь диапазон выделенных частот делится на поддиапазоны ( F1, F 2, … Fn ), в каждом из которых обеспечивается групповая скорость 11Мбит/с с временным разделением (TDMA) между 11 дуплексными каналами (Рис. 3).
Каждому поддиапазону соответствует своя «точка доступа» (Access Point, AP), в качестве которой используется беспроводной КМ1 (БКМ1), обеспечивающий подключение 10-ти абонентских ПК (ноутбука, КПК) по требованию, которые передаются к серверу (базовой станции) по протоколу 802.3 (CSMA/CD) по 11-му каналу, играющему роль канала управления.
Кроме того, 11-й канал используется для управления доступом к различным поддиапазонам: по каждому из них непрерывно (в целях обеспечения синхронизации) передаются две команды (на физическом уровне): одна – «Начать передачу» (при наличии хотя бы одного свободного канала в поддиапазоне), с приемом которой ПК начинают конкуренцию на доступ в сеть. Другая – «Прекратить передачу» (при отсутствии свободных каналов в данном поддиапазоне), по которой ПК начинают поиск свободного поддиапазона из всех существующих (F1, F2,…Fn).
Предлагаемая беспроводная сеть имеет явные преимущества перед существующими сетями (3G, Wi-Fi, WiMAX), в том числе:
Кроме того, проблемы конвергенции фиксированных и мобильных абонентов здесь не существует в принципе: коммутирующий мультиплексор среднего уровня (КМ10) сможет объединить сети с фиксированными и беспроводными абонентами в единую (гомогенную) сеть, ввиду того, что в сетях используется единый протокол Ethernet802.3 и все абоненты находятся в едином адресном пространстве.
К серверу также могут быть подключены через традиционную сеть Ethernet802.3 различные технические устройства (системы), управление которыми может быть как автоматическим (через сервер), так и через абонентские ПК (Рис. 3).
ЛМС также могут стать основой для построения «интеллектуальных» зданий.
С целью ликвидации «цифрового неравенства» построение InterEthernet должно
начаться (при поддержке со стороны ООН) с создания локальных мультисервисных сетей по всему миру (в домах, школах, университетах, больницах, а также во всех учреждениях и на всех предприятиях).
Это позволит повсеместно внедрять современные информационные технологии (прежде всего в образовании, здравоохранении и социальной сфере), а также повысить эффективность работы всех пользователей во всех странах в своей профессиональной деятельности. При этом каждый из них, независимо от его местоположения, будет находиться в едином мировом адресном пространстве и через свой ПК (ноутбук, КПК) сможет получать полный сервис, в том числе, и широкополосный доступ в интернет по технологиям VoIP и IPTV.
Интернет на первом этапе кроме информационного сервиса будет (еще в течение многих лет) играть роль магистральной сети (Global Backbone Network, GBN) для объединения всех ЛМС.
Пути построения InterEthernet
Глобальная магистральная сеть (ГМС), создание которой необходимо для объединения ЛМС в единую сеть, также представляет собой Большую систему, построение которой необходимо проводить на основе принципов, приведенных выше.
Этим принципам полностью соответствует «Многоярусная иерархическая радиально-кольцевая сеть связи» (патент РФ №2188520, 2000 г.), представляющая собой 3-х мерную структуру, в которой каждый из 12 узлов в кольцевой сети i-го уровня соединен с центральным узлом, находящимся в кольцевой сети (i+1)-го уровня.
Каждый узел этой сети представляет собой 16-портовый магистральный коммутатор (МК), обеспечивающий ретрансляцию кадров 10Gigabit Ethernet, и при этом подключенный к МК сетевой сервер позволит обеспечить дополнительный (сетевой) сервис для всех ЛМС, подключенных к сети (рис. 4).
В каждом коммутаторе i-го уровня аппаратно (т.е. без привлечения процессора и специального ПО) производится сравнение МАС-адреса назначения (АН) поступившего кадра Ethernet с собственным адресом коммутатора (у которого i младших тетрад равны нулю), - в результате чего кадр направляется в один из 16-ти портов:
Сервер (кластер серверов-лезвий) позволяет организовать на каждом уровне иерархии различные сетевые сервисы: управление сетью, базы данных различного назначения (в т.ч. DNS и др.).
Муниципальные и национальные сети
Прежде всего, необходимо заметить, что ЛМС, объединяющая до 1 тыс. пользователей, сама может стать основой для создания муниципальных сетей для деревень, сел и рабочих поселков, обеспечивая дополнительный (муниципальный) уровень сервиса по управлению и информационному обслуживанию населения.
На первом этапе магистральные коммутаторы первого яруса (МК1) объединяют в единую сеть ближайшие (территориально) 12 ЛМС, что составляет до 12 тыс. пользователей (населенный пункт до 40 тыс. жителей).
Далее, по иерархическому принципу будут создаваться муниципальные сети городов и мегаполисов, а также национальные сети различных стран.
Этот процесс объединения будет продолжаться непрерывно в течение многих лет, захватывая все новые и новые территории, пока, наконец, не будут образованы зоновые сети.
Зоновые сети InterEthernet
В отличие от интернета, где использован чисто территориальный принцип разбиения на зоны (5 зон по числу континентов, кроме Антарктиды), для InterEthernet использован территориально-демографический принцип разбиения на зоны, призванный обеспечить (по возможности) равенство численности населения в каждой зоне:
Зоновые сети представляют собой сети 10-го яруса, и каждая из них будет строиться с учетом географических условий их размещения.
Российская зоновая сеть InterEthernet
Российская зоновая сеть InterEthernet, включающая и страны СНГ (Рис. 5), является
10-м ярусом глобальной сети и, в тоже время, сможет стать национальной сетью России федерального уровня.
В настоящее время в России сети федерального уровня строятся по ведомственному принципу, что приводит к излишнему параллелизму, распылению сил и средств. Российская зоновая сеть InterEthernet, будет создаваться (частично) за счет финансирования ООН, как часть глобальной сети информационного общества, с использованием многожильных оптоволоконных кабелей.
Это даст возможность «бесплатно» предоставить всем федеральным ведомствам новые линии связи для создания на их основе современной коммуникационной инфраструктуры. Российская зоновая сеть (сеть 10-го яруса) включает:
Глобальная сеть InterEthernet Глобальная сеть InterEthernet (11 ярус) объединит с помощью глобального магистрального коммутатора (ГМК) 10 зоновых сетей (Рис. 6).
Для обеспечения надежности и каналы связи, и глобальный коммутатор (ГМК), и связанные с ним центр управления и глобальные базы данных различного назначения
обеспечиваются 4-х кратным резервированием, а для обеспечения безопасности все они размещаются на островах в центральной части Индийского океана, так как 8 из 10 зон верхнего (11) уровня находятся в Восточном полушарии
«Менеджер» (ПО) размещается на cетевом сервере i–го уровня и обеспечивает управление «Клиентами» (ПО), находящимися на всех сетевых серверах (i-1)-го уровня.
Модернизация интернета
Поэтому в настоящее время актуальным является вопрос модернизации интернета, при этом необходимо улучшить его характеристики (прежде всего, пропускную способность), не изменяя его основы (т.е. протокола IP).
Необходимо заметить, что используемая в интернете коммутация IP-пакетов (3-й уровень 7-уровневой модели OSI) позволяет проводить модернизацию с помощью наложенной сети 2-го уровня (протокол Ethernet), когда IP-пакет без изменения инкапсулируется в информационное поле кадра Ethernet и не влияет на построение сети, основанной на технологии ретрансляции кадров Ethernet.
Поэтому целесообразно, наряду с созданием ЛМС, начать параллельно построение глобальной сети InterEthernet 11-го яруса (Рис. 6), которая, несмотря на гигантские размеры, основана на реальных технологиях прокладки подводных трансокеанских оптоволоконных кабелей (скорость прокладки превышает 100 км. в сутки).
Коммутаторы (МК11) размещаются в существующих интернет-сетях каждой зоны совместно с узлами, реализующими технологию маршрутизации.
При этом один (или несколько) маршрутизаторов играют роль «граничных узлов», в которых из IP-адреса принятого пакета обеспечивается формирование АН кадра Ethernet для передачи в коммутатор МК11 (при этом в 11-й ступени иерархического МАС-адреса записывается номер зоны 11-го уровня).
Многожильные волоконно-оптические кабели позволят параллельно (кроме модернизации интернета) организовать и другие глобальные сети: Интерпола, Экологического мониторинга, Финансово-банковской деятельности и др.
Поделиться