Вузькі місця широкосмугової мережі, або чотири проблеми Інтернету
Всесвітню мережу часто зображують у вигляді хмари, магічним чином зв'язує будь-якого абонента з джерелом інформації або іншим користувачем. Насправді "хмара" -Інтернет містить безліч автономних мереж, в кожну з яких вкладено кілька IP-мереж, пов'язаних між собою через магістральні лінії, шлюзи і маршрутизатори. Наданням послуг займаються три класи провайдерів: міжнародні (Tier-I), національні та регіональні (Tier-2), а також місцеві (Tier-З). Взаємодія перших двох класів здійснюється через точки доступу до мережі (NAP) або взаємного обміну трафіком (peering points) без додаткової оплати послуг, на основі угод про рівноправну обміні інформацією - пиринге (peering).
Велика частина інтернет-трафіку передається через опорну мережу, що скорочує число транзитів інформації (рис. 1). Спочатку майже весь трафік проходив через дві точки обміну - ТРАВНІ, розташовані в США. Пізніше з'явилися додаткові пункти доступу до NAP, і відмінність між NAP і ТРАВНІ поступово стерлося. Все NAP пов'язані один з одним високошвидкісними каналами ОС 12 (622 Мбіт / с) і ОС48 (2,4 Гбіт / с). До мереж місцевих ISP користувачі можуть підключатися в так званих точках присутності-POP (Point of Presence). Завдяки такій розподіленої структурі мережу Інтернет порівняно легко нарощується і масштабується.
Згодом загальнодоступні точки обміну трафіком - IXP (Internet Exchange Point) - стали з'являтися і за межами США. Так, в російському сегменті Інтернету вже діють M9-IX (Москва) і SPB-IX (С.-Петербург). З їх появою відпала необхідність в транзиті всього трафіку через США.
У загальному випадку інфраструктура Мережі має:"Першу милю" (first mile) -ділянку мережі від джерела первинної інформації (контент-провайдера) до опорної мережі;
"Середню милю" (middle mile), пов'язану з транспортуванням високошвидкісних потоків інформації через опорну мережу;
"Останню милю" (last mile) - найбільш важку ділянку від місцевого ISP до кінцевого користувача.
Термін "миля" в позначенні сегментів мережі Інтернет - досить умовний і не має відношення до реальних відстаней, а лише підкреслює проблеми, які можуть виникнути при пересиланні трафіку від джерела інформації до одержувача. Принцип доставки інформації в Інтернеті - централізований. Як тільки користувач встановлює з'єднання з мережею ISP, він автоматично отримує доступ до будь-якого обраного хосту незалежно від його віддаленості (рис. 2).
У центрі сфери розміщений джерело первинної інформації (контент-провайдер), який здійснює інформаційне наповнення web-сайту. Таке джерело зазвичай знаходиться в одній географічній точці, куди з усього світу стікаються запити на обслуговування, тобто з'єднання організовується через всю мережу, отже, будь-які вузькі місця (bottlenecks) можуть уповільнювати доставку інформації.
Саме абонентський доступ - найповільніший і в той же час найбільш уразливий елемент мережі. Однак, як тільки "остання миля" буде "пройдена", на перший план виступлять інші три проблеми, пов'язані з перевантаженням мережі на "першій милі", в точках мережевого доступу і "середньої милі".
Труднощі на початку шляху
Єдиний вихід - переходити від централізованої моделі обслуговування до розподіленої, з безліччю серверів, розміщених в різних географічних точках. Можливі два варіанти побудови мережі доставки контенту (Content Delivery Network - CDN) від первинних джерел інформації до вторинних. Перший (Conxion) передбачає створення спеціалізованих інформаційних центрів в місцях найбільшого попиту на такого роду послуги. Інформація зберігається на невеликій кількості синхронізованих серверів і періодично оновлюється. Більш радикальне рішення - "крайова доставка" (Akamai Technologies) - засноване на використанні безлічі серверів (близько 7500), розташованих на кордоні опорної мережі Інтернет (в місцях, де локальний трафік додається до національного), а тому доступних багатьом користувачам.
Пірінг і рівноправний обмін
У Мережі з однаковим успіхом можуть функціонувати і загальновизнані провайдери, і невеликі операторські компанії. Обмін інформацією між ними може бути як платним, так і безкоштовним або на умовах пірінга. Перевантаження в точках мережевого доступу - друга вузьке місце Інтернету, однак її запобігання - проблема більше комерційна, ніж технічна.
Є два види точок доступу: загального користування та приватні. Відповідно між провайдерами встановлюються угоди на основі яких парних домовленостей (private peering), або багатосторонніх (public peering). Спочатку взаємини носили спорадичний характер, а про пиринге домовлялися лише при значному трафіку в суміжних мережах.
Відомо, що пірінг загального користування за своєю природою є неефективним і пов'язаний зі збільшенням числа транзитів в мережі через зіткнення інтересів провайдерів, так як одні спеціалізуються на міжнародній зв'язку, інші - на регіональній і національній, треті розміщують інформацію на своїх серверах. Все це неминуче породжує асиметрію взаємного трафіку. Розрізняють два види мережевих трафіків - внутрішній і транзитний. Якщо з першим не виникає проблем, то безоплатно передавати інформаційні потоки чужої мережі нікому не вигідно (на передачу транзитних потоків витрачаються мережеві ресурси, а економічна мотивація дуже слабка). Ситуація ускладнюється ще через відсутність стандартних процедур, що регламентують механізм взаємозаліків трафіку.
Проблема зачіпає багато питань: контроль якості - QoS, розподіл відповідальності за втрату пакетів і ін. Щоб обійти ці труднощі, зазвичай укладають прямі (однорангові) угоди про обмін трафіком. Однак такі відносини між провайдерами можуть бути встановлені далеко не завжди. Прямі з'єднання, як правило, організовують великі провайдери, які часто ігнорують інтереси дрібних компаній. Підписання з ними тимчасових угод фактично означає зрівнювання обох компаній в правах, тому більш дрібні зазвичай платять великим за рівноправний доступ. В результаті Інтернет із загальнодоступної мережі поступово перетворюється в дворівневу, де пріоритетні (виділені) канали зарезервовані за найбільшими провайдерами. Більш того, прямі з'єднання як і раніше не усувають проблему асиметрії мережевого трафіку в точках доступу.
Таким чином, сам по собі факт підключення мережі будь-якого провайдера до точок загального користування не гарантує можливості транзитної передачі трафіку. Необхідно ще угоду про взаємне інформаційному обміні, інакше зв'язок доведеться здійснювати через посередників. Справа в тому, що угода про пиринге автоматично визначає параметри крайових маршрутизаторів, які підтримують тільки обумовлені в контракті мережеві маршрути. В результаті відмови в доступі пакети чужих мереж змушені передаватися окружним шляхом, навіть при наявності вільних ресурсів.
Найкоротший шлях - не завжди найкращий
Транспортне середовище в Інтернеті - опорна мережа (backbone network), що складається з маршрутизаторів, пов'язаних один з одним високошвидкісними ВОЛЗ. Всі маршрутизатори функціонують злагоджено і періодично обмінюються один з одним маршрутної інформацією, що дозволяє їм "бачити" всю мережу.
Особливу небезпеку становлять виникнення випадкових збоїв в маршрутизаторі або помилки при його налаштуванні. Невірна інформація поширюється по всій мережі і викликає перевантаження окремих ліній. Схожа проблема - "биття маршрутів" - виникає в тих випадках, коли несправний маршрутизатор починає занадто часто генерувати дані про оновлення маршрутів і розсилати їх по мережі. Сусідні маршрутизатори змушені так само часто міняти свої маршрутні таблиці, що призводить до виникнення конфліктів в мережі. В результаті неузгодженість запитів на необхідну пропускну здатність і ту, яку реально може надати опорна мережа, стає причиною перевантаження. Дозволити перераховані проблеми можливо, однак для цього буде потрібно інший, більш "інтелектуальний" протокол маршрутизації, ніж звичайний алгоритм, заснований на виборі найкоротшого шляху.
Коктейль через соломинку
Вираз "немає нічого простішого і в той же час нічого важчого, ніж абонентський доступ" найбільш точно відображає суть проблеми "останньої милі". Дійсно, щоб отримати доступ в Інтернет, абоненту достатньо мати комп'ютер і недорогий модем або адаптер. Але яким чином "дотягнутися" до найближчої точки підключення до мережі?
Незважаючи на величезне різноманіття технологій доступу, найбільш популярним рішенням "останньої останньої милі" залишається комутований доступ (dial-up), послугами якого користуються близько 79% абонентів в світі (рис. 5). Діаграма відображає усереднені дані, в той час як фактична картина розподілу користувачів по регіонах світу неоднорідна. Так, в Москві близько 84% приватних і 43% корпоративних (підприємства малого і середнього бізнесу) клієнтів користуються послугою dial-up, в США - відповідно 17 і 12%.
Однак було б помилкою вважати, що швидка заміна низькошвидкісних каналів широкосмуговими - панацея від усіх бід. Якби всі користувачі Мережі могли звертатися в Інтернет через високошвидкісний модем (кабельний або xDSL), то інші три згадані проблеми змусили б Всесвітню мережу катастрофічно сповільнитися. Іншими словами, Інтернет сьогодні настільки швидкий, наскільки повільна "остання миля".