Сможет ли Интернет, каким мы его знаем, удовлетворить потребности будущего?

Андрей Робачевский

Каждая неудачная сетевая архитектура обещала QoS, делая биты дороже; каждая успешная технология снижала общую стоимость развертывания и эксплуатации и делала биты дешевле.

Henning Schulzrinne

Успех Интернета поистине невероятен. Ключевые технологии, лежащие в его основе, и развитие самой инфраструктуры сети сетей радикально изменили то, как мы общаемся и ведем бизнес. Если бы Интернет внезапно исчез, социальное и экономическое благосостояние общества оказалось бы под серьезной угрозой. Несмотря на свою критическую роль в нашей жизни, дать точное и единственное определение Интернета невозможно. Дело в том, что Интернет как базовая технология, как коллективная коммуникационная платформа смешан со многими другими технологиями и приложениями: смартфонами, беспроводными сетями, облачными вычислениями, сетями доставки контента и стриминговыми услугами, социальными сетями, в конце концов. Каждая из которых так же важна и для многих составляет суть и определение Интернета. Но без фундаментальной коммуникационной платформы и ее технологий ни один из этих элементов работать не будет. Об этом невидимом невооруженному глазу Интернете мы и поговорим в этой статье.

Что определило успех

Для ответа на этот вопрос необходимо обратиться к истории создания и развития Интернета. До середины 70-х, когда имя Интернет вошло в обиход, Сеть носила имя ARPANET. По сравнению с традиционными телефонными сетями, основанными на коммутации каналов, ARPANET использовала технологию коммутации пакетов, или дейтаграмм – данных ограниченного объема, заключенных в «конверты» с указанием источника и получателя. Поскольку каждый пакет обрабатывался независимо, сети не требовалось хранить информацию о соединениях между оконечными компьютерами и потоках данных между ними. Этот подход позволил существенно упростить архитектуру сети и повысить ее надежность. Узел сети мог выйти из строя – и его функцию без особых проблем мог подхватить
другой узел. Другой особенностью являлось то, что асинхронная пакетная передача больше соответствовала характеру работы операционных систем разделения времени, таких как Unix, обеспечивавших функционирование компьютеров, чем синхронная передача данных, как в случае голосовой связи.

Однако в то время для обмена данными между компьютерами, или хостами, использовался протокол NCP (Network Control Protocol), предтеча сегодняшнего TCP/IP. Ограничением NCP являлось то, что это, по существу, был транспортный протокол, который не был хорошо приспособлен для работы с разнообразными технологиями – например, цифровой радио- и спутниковой связью. Более того, он
был предназначен для работы с одной сетью – ARPANET – и не предоставлял возможности адресовать другие сети и подключенные к ним компьютеры.

Поэтому следующим фундаментальным изменением архитектуры Сети явились разработка и внедрение многоуровневой модели протоколов семейства TCP/IP, основанных на концепции обмена данными между независимыми сетями, различными по своей архитектуре и используемым технологиям. Окончательный переход Интернета на эту модель произошел в 1983 году.

Однако топология Интернета 80-х была достаточно проста и неадаптивна. Использовавшийся протокол маршрутизации (Exterior Gateway Protocol – EGP) хотя и поддерживал обмен маршрутами между независимыми сетями, был более приспособлен к иерархическим древовидным топологиям – опорной сети NSFNET с подключенными к ней региональными и немногочисленными зарубежными сетями. Пришедший ему на смену в начале 90-х протокол BGP снял эти ограничения и доказал прекрасную масшабируемость и производительность в системе произвольной связности между независимыми сетями (в терминах междоменной маршрутизации называемых автономными системами, AS), каковой сегодня и является Интернет.

Оглядываясь назад и оценивая аспекты, которые оказались ключевыми в феноменальной эволюции Интернета, можно сказать, что его фундамент держится на трех опорах:

• Единая платформа пакетной передачи с общим знаменателем в виде протокола IP, позволяющая использовать сквозную адресацию подключенных устройств и обладающая минимальными требованиями совместимости между сетями (собственно, соответствие стандарту IP). На уровне IP Интернет представляет собой однородную глобальную сеть, несмотря на разнородность и независимость составляющих его отдельных сетей.
• Уровневая архитектура протоколов, прозрачно обеспечивающая поддержку IP в гетерогенных сетях различных технологий нижнего уровня – мобильные и спутниковые сети, Ethernet, DSL и т.п., – а также независимое развитие протоколов и соответствующих им приложений верхнего уровня – UDP, TCP, FTP, SMTP, HTTP и т.п. Эта модульность, обеспечиваемая совместимыми “строительными блоками”, позволяет конструировать сети различного назначения, топологии и архитектуры с заведомой гарантией их совместимости с глобальным Интернетом.
• Децентрализованная и распределенная глобальная система маршрутизации, позволяющая составляющим Интернет сетям независимо принимать решения о связности (с какими сетями соединяться) и политике маршрутизации (каким маршрутам отдавать предпочтение). Данная модель также свела к минимуму необходимость координации – для того, чтобы стать полноценным участником Интернета (и его глобальной системы маршрутизации), необходимо договориться хотя бы с одной сетью (и подключиться к ней).

Удивительно, что эти основные технологические нововведения остались относительно неизменными на протяжении более трех десятилетий, несмотря на колоссальные изменения в характере использования Интернета, доказывая их необыкновенную масштабируемость и адаптивность.

Новые потребности

До недавнего времени не вызывало особых сомнений, что Интернет по-прежнему сможет соответствовать требованиям развивающейся цифровой экосистемы. Наиболее тревожные аспекты, как, например, гарантия качества услуг, ограниченное адресное пространство и рост таблицы маршрутизации, находили свое решение без радикальнных изменений архитектуры и основных технологий. Тем самым еще раз подтверждая адаптивные возможности платформы и ее неиссякающий инновационный потенциал.

И в то же время все более слышны голоса, что текущая архитектура может не справиться с растущими потребностями, и простыми «заплатками» делу не поможешь, нужен качественно новый подход, архитектура и протоколы. И действительно, при всех преимуществах, недостатки текущей модели и ограничения протоколов также заметны. Возьмем, например, качество услуг. Лет двадцать назад трудно было себе представить, что в Интернете можно будет смотреть видео. Сегодня трансляция видео высокого разрешения через Интернет – реальность. Однако для этого потребовалось создание дополнительных, подчас параллельных сетей и архитектур – таких, как сети распределения контента CDN.

Или – Интернет вещей. Многие считали (и считают), что каждая вещь может и должна стать полноправным членом Интернета. Стандартизованный в 1998 году протокол нового поколения IPv6 призван обеспечить громадное пространство для адресации невообразимого количества узлов. То есть в теории каждая из вещей в обозримом будущем может быть адресована и может использовать IPv6 для передачи данных. Однако в реальности многие из этих «вещей» настолько ограничены в своих возможностях, что поддержка накладных расходов IPv6 не представляется возможной. Вместо этого они используют специально оптимизированные протоколы (например, Z-wave, Zigbee, BLE), а при необходимости глобальной связности используют шлюз. Проблема решена, хотя и с нарушением элегантности принципа сквозной связности.

Но инновации в области беспроводных коммуникаций, распределенных вычислений и новых приложений виртуальной реальности и удаленного присутствия выдвигают новые требования. Сможет ли Интернет в рамках сегодняшней архитектуры по-прежнему обеспечить фундаментальную коммуникационную инфраструктуру. Или нужно задуматься о разработке Интернета нового поколения, который придет на смену сегодняшнему, как
когда-то Интернет сменил традиционные телефонные сети?

Для того, чтобы ближе подойти к ответу на эти вопросы, давайте посмотрим на новые требования более внимательно и проанализируем предлагаемые решения. В этой связи интересным представляется взгляд на будущие потребности, представленный в отчете фокусной группы МСЭ-Т под заголовком «Новые услуги и возможности Сети 2030: Описание, анализ целевых показателей производительности и GAP-анализ» (New Services and Capabilities for Network 2030: Description, Technical Gap and Performance Target Analysis). Этот анализ подкреплен более техническим документом, представленным на обсуждение в IETF, – «Проблемы уровня передачи» (Forwarding Layer Problem Statement). Целью исследования является ответ на конкретные вопросы о том, какие типы сетевой архитектуры и вспомогательных механизмов подходят для таких новых сценариев.

Перспективных сценариев несколько. Остановимся на основных из них.

Голографический тип связи

Этот сценарий предполагает, что мы будем двигаться к голографическому обществу, в котором пользователи будут удаленно взаимодействовать с физическим миром через сеть. В промышленности цифровая модель близнецов позволит управлять реальными объектами с помощью цифровых копий. Телеприсутствие выйдет на новый уровень, и совместная работа географически распределенных групп станет намного ближе к физическим встречам, которые могут проводиться без затрат времени и ущерба окружающей среде. Трехмерные медицинские сканы полностью приобретут трехмерный вид вместо набора двумерных сечений органов. Или другой пример – виртуальный оркестр и концерты. Представьте себе инструментальный ансамбль, в котором голографические трехмерные проекции музыкантов в натуральную величину собираются вместе и выступают вживую на сцене перед аудиторией. Фантастика? Кто знает, может быть, потребность в таких приложениях сегодня уже более реальна, чем в 2019 году. В любом случае, легко представить, что эта технология выведет доставку сообщений на совершенно новый уровень.

Тактильный Интернет для удаленных операций

В качестве примеров этого класса приложений были предложены два случая. Первый – это дистанционное управление промышленностью, которое включает мониторинг и контроль операций промышленной инфраструктуры в режиме реального времени. Второй включает дистанционную роботизированную хирургию. Дистанционная роботизированная хирургия в комплексе операционных систем сегодня является стандартной практикой, однако есть потребность расширить спектр случаев ее применения.

Интегрированная спутниково-наземная сеть

Решающим фактором в области интегрированной спутниково-наземной связности является активное развертывание огромного числа недорогих спутниковых созвездий на низкой околоземной орбите (Low Earth Orbit, LEO). Спутники LEO имеют ряд свойств, которые делают их привлекательными, но, пожалуй, наиболее важным является то, что они сочетают в себе глобальное покрытие с низкой задержкой. Восходящая линия связи с кластером LEO-спутников должна постоянно изменять точку присоединения к кластеру, поскольку спутники, которые формируют кластер, быстро перемещаются по небу как относительно Земли, так и относительно спутников на других орбитах.

ManyNets

Концепция ManyNets – и не то чтобы сценарий приложений будущего, и не то чтобы требование. ManyNets сводится к наблюдению, что сети, возможно, оптимизированные для конкретного использования и использующие различные протоколы, должны беспрепятственно взаимодействовать. Постойте, подумаете вы, это ли не концепция самого Интернета? Но похоже, что авторы отчета думают иначе, поскольку требование поддержки ManyNets является для них доказательством, что Интернет нужно в корне переосмыслить. Как и зачем – остается во многом загадкой.

Сетевые модели будущего

При рассмотрении предложенных сценариев логично возникает вопрос – сможет ли завтрашний Интернет путем эволюционного развития поддержать эти амбициозные сценарии, или требуется фундаментально новая коммуникационная система?

Рис. 1. Эталонные сетевые модели Интернета и сети 2030.

По мнению авторов отчета – не сможет. Для обеспечений требований приложений будущего предлагается новая модель, существенно отличающаяся от эталонной модели Интернета – модели TCP/IP. Вместо определения стека протоколов модель рассматривает «сервисы», используя упрощенную трехуровневую схему, см. рис. 1.

В рамках новой архитектуры различают два сетевых сервиса – базовый и составной.

Базовый сетевой сервис

Базовый сетевой сервис – сервис, требующий специальной поддержки на некоторых или всех узлах сетевой системы, которые предоставляют услугу между двумя или более узлами прикладной системы. Например, в Интернете таким базовым сервисом является передача IP-пакетов от одного узла к другому. Но в новой модели базовые сервисы, предоставляемые сетью, гораздо более существенны. Различаются сервисы своевременной доставки, скоординированной доставки и доставки с определенными параметрами качества. Рассмотрим их подробнее.

Своевременная доставка и доставка к определённому времени (In-time and on-time services).

Сервисы in-time — это услуги, которые обеспечивают доставку пакетов с необходимой максимальной задержкой. Пакеты могут быть доставлены в любое время, но не позже крайнего срока. Типичными приложениями, которым могут потребоваться услуги этого типа, являются мультимедийные приложения, поддерживающие возможности буферизации.

Сервисы on-time — это услуги, которые обеспечивают поступление данных в рамках определенного временного окна. Подобно сервисам
in-time, они налагают максимальную задержку, которую нельзя превышать. Кроме того, они поддерживают минимальную задержку.
Пакет должен быть доставлен не позднее верхней границы временного окна, но также не ранее нижней границы временного окна. Такие услуги обычно должны работать с высокоточной временной шкалой (например, микросекунды) и обеспечивать детерминированные задержки. Например, в промышленных приложениях контроллеру может потребоваться отправить команды на серию устройств. Каждое устройство должно получать команду в определенное время для работы в квазисинхронизированном режиме.

Скоординированные сервисы обеспечивают гарантированную доставку нескольких взаимозависимых или связанных потоков. Эти потоки могут обладать различными видами зависимостей или отношений. Доставка с использованием этих услуг гарантирует сохранение зависимостей и ограничений, наложенных на потоки
услугами или приложениями верхнего уровня.

Качественный коммуникационный сервис предполагает возможность сети различать части содержимого пакетов. При перегрузке, вместо того, чтобы отбрасывать пакет целиком, как это происходит сегодня, этот механизм позволяет сети отбрасывать лишь
менее значимые части или части с более низким приоритетом. Таким образом, сеть позволяет избежать критических потерь, обеспечивая повторную передачу только существенно необходимых данных.

Составной сетевой сервис

Составной сетевой сервис — это сервис, который может состоять из одного или нескольких базовых сервисов. Составные сервисы – это своего рода «комплексное меню», объединяющее несколько базовых услуг для удовлетворения требований определенных приложений. В общем случае составные сервисы не определяют какую-либо новую сетевую услугу на уровне сетевого узла.

Примером составного сервиса может служить сервис тактильных коммуникаций, представляющий собой набор нескольких скоординированных сервисов и сервисов своевременной доставки:

• тактильный канал обратной связи;
• при необходимости, каналы для дополнительных информационных потоков, которые связаны с тактильной обратной связью и должны быть синхронизированы с ней;
• управляющий канал.

Подобным же образом составные услуги голографической связи обеспечивают набор каналов с различными характеристиками (для
обмена данными, метаданными, управляющими данными), каждый из которых, в свою очередь, представляет собой определенный базовый сервис.

Роль Интернета в цифровой инфраструктуре будущего

На первый взгляд, анализ сценариев показывает, что три опоры, о которых я говорил в начале статьи, требуют пересмотра. Все сценарии, за исключением, пожалуй, загадочного ManyNets, требуют от сетевой инфраструктуры высокоточных гарантий параметров передачи, абсолютной защищенности и значительной пропускной способности. Это, в свою очередь, требует значительно более широкого спектра услуг от базовой сетевой инфраструктуры, чем просто пакетной передачи без гарантий. Взгляните хотя бы на базовые сервисы, о которых я говорил выше, не говоря уже о составных услугах, которые могут порождать самые причудливые комбинации требований. А с учетом того, что именно эта «элементарность» сетевой функции и послужила залогом успешного развития Сети до сегодняшнего дня, эволюционно Интернет развиться до требуемого состояния, похоже, не сможет.

В этой связи, конечно, возникает вопрос, каким образом эта инфраструктура будущего будет воплощена в жизнь? Двадцатилетний опыт внедрения IPv6, который, кстати, не меняет фундаментальных основ Интернета и всего, что на его базе построено, наглядно показывает, что силы рынка гораздо больше подвластны экономическим законам, чем техническим спецификациям. Особенно, если технология обладает низкой совместимостью с существующими и требует внедрения на глобальном уровне.

Однако, может быть, не так все плохо. Да, требования ряда сценариев по точности передачи значительно превышают архитектурные возможности глобального Интернета. Но, во-первых, присмотревшись, обнаруживаешь, что многие из этих сценариев относятся скорее к интранетам – инфраструктуре под единым контролем, где все это, при желании, можно обеспечить, даже с использованием современных разработок (см., например, работу в IETF по детерминистическим сетям, работы IEEE в области сетей, чувствительных ко времени (Time-Sensitive Networking, TSN), или такие технологии как программно-определяемые сети – SDN). Например, для тактильной связи требование сверхнизкой задержки в несколько миллисекунд сталкивается с физическими ограничениями из-за распространения сигнала, которое не может превышать скорость света (300 км в одну сторону за одну миллисекунду или 200 км в оптическом волокне).

Ну а во-вторых, там, где требуется междоменная связность, решение подчас лежит в изменении топологии и оптимизации связности, как это произошло с видеостримингом реального времени – приложение, немыслимое 20 лет назад.

Наверняка для обеспечения возможных приложений 2030 и более далекого будущего потребуются новые протоколы и новые подходы. Но разумнее всего разрабатывать их в виде технологических «строительных блоков», совместимых с технологиями Интернета и его тремя опорами. Не все из этих «блоков» будут использованы, но наиболее подходящие и соответствующие реальным требованиям будут применены и внедрены участниками рынка. Потому что, в конечном итоге, именно участники рынка – сетевые операторы, производители и, конечно, пользователи – определяют будущее Интернета.