Компьютерные сети. 6-е изд.

NSFNET

В конце 1970-х в NSF (National Science Foundation, Национальный научный фонд США) осознали, какое колоссальное влияние ARPANET оказывает на университетские исследования, позволяя ученым со всей страны обмениваться данными и сотрудничать в исследовательских проектах. Однако для подключения к ARPANET университету требовалось заключить научно-исследовательский контракт с Минобороны, что было доступно далеко не для всех. Первой реакцией NSF стало финансирование CSNET (Computer Science Network, сеть факультетов вычислительной техники) в 1981 году. Сеть связывала факультеты вычислительной техники и коммерческие исследовательские лаборатории с ARPANET через модемный доступ и арендованные линии. В конце 1980-х в NSF пошли еще дальше и решили спроектировать собственную систему, доступную для всех университетских исследовательских групп.

Для начала было решено создать опорную сеть, которая соединяла бы шесть суперкомпьютерных центров фонда: в Сан-Диего, Боулдере, Шампейне, Питтсбурге, Итаке и Принстоне. Каждый суперкомпьютер получил в качестве маленького «компаньона» микрокомпьютер LSI-11, так называемый фаззбол (fuzzball). Фаззболы соединялись 56-килобитными арендованными линиями и образовывали подсеть аналогично аппаратному обеспечению ARPANET. Впрочем, программная составляющая отличалась: фаззболы с самого начала «общались» по протоколу TCP/IP, образуя, таким образом, первую WAN на основе TCP/IP.

NSF также финансировал несколько (в конечном счете около двадцати) региональных сетей, соединявшихся с опорной. Это позволяло пользователям из тысяч университетов, исследовательских лабораторий, библиотек и музеев получать доступ к любому из суперкомпьютеров фонда и обмениваться информацией друг с другом. Вся сеть в целом, включая опорную и региональные сети, называлась NSFNET (National Science Foundation Network, сеть Национального научного фонда США). Она подключалась к ARPANET через соединение между IMP и фаззболом в машинном зале Университета Карнеги — Меллона. Первая опорная сеть NSFNET, наложенная на карту США, показана на илл. 1.15.

Илл. 1.15. Опорная сеть NSFNET в 1998 г.

NSFNET мгновенно стала популярной и была перегружена с самого запуска. NSF сразу приступил к планированию второй версии и заключил контракт с расположенным в штате Мичиган консорциумом MERIT. Для обеспечения ее работы у компании MCI (купленной Verizon в 2006 году) были арендованы 448-килобитные оптоволоконные каналы. В качестве маршрутизаторов использовались PC-RT компании IBM. Вскоре эта версия также оказалась перегруженной, и к 1990 году ее скорость нарастили до 1,5 Мбит/с.

Сеть продолжала расти, и в NSF осознали, что правительство не будет финансировать ее бесконечно. Кроме того, к проекту хотели присоединиться коммерческие организации, но это было запрещено уставом NSF. В результате NSF предложил MERIT, MCI и IBM сформировать некоммерческую корпорацию, ANS (Advanced Networks and Services) в качестве первого шага к выходу проекта на рынок. В 1990 году контроль над NSFNET перешел к ANS, которая модернизировала 1,5-мегабитные каналы связи до 45-мегабитных, сформировав ANSNET. Эта сеть функционировала в течение 5 лет, после чего была продана компании America Online. Но к тому времени коммерческие IP-услуги уже предлагало множество разнообразных компаний, и стало понятно, что правительству пора уходить из этой сферы.

Для упрощения перехода и гарантии взаимодействия всех региональных сетей между собой NSF заключили контракты с четырьмя сетевыми операторами на создание NAP (Network Access Point, точка доступа в сеть). Этими операторами были PacBell (Сан-Франциско), Ameritech (Чикаго), MFS (Вашингтон) и Sprint (Нью-Йорк; для целей NAP город Пеннсокен, штат Нью-Джерси, считался относящимся к Нью-Йорку). Любой сетевой оператор, желающий предоставлять услуги опорной сети региональным сетям NSF, должен был подключаться ко всем NAP.

Такое соглашение означало, что пакет, исходящий из любой региональной сети, мог проходить различными маршрутами из NAP отправки в NAP назначения. В результате сетевые операторы были вынуждены конкурировать между собой с точки зрения цены и качества услуг, что, собственно, и было целью. Таким образом, на смену одной общей опорной сети пришла рыночная конкурентная инфраструктура. Многие критиковали правительство США за консерватизм. Однако в сфере компьютерных сетей именно Пентагон и NSF создали систему, ставшую впоследствии основой для интернета, а после передали ее коммерческим структурам для дальнейшего развития. Все это случилось потому, что компания AT&T, не увидев открывающихся перспектив, отказалась выполнить запрос Минобороны и создать ARPANET.

На протяжении 1990-х множество стран и регионов также создавали свои национальные исследовательские сети, зачастую по образцу ARPANET и NSFNET. В их числе EuropaNET и EBONE в Европе, вначале работающие на скорости 2 Мбит/с, а затем модернизированные до 34-мегабитных линий связи. В конце концов сетевая инфраструктура в Европе также стала коммерческой. С тех давних времен интернет сильно изменился. Он начал активно расти с появлением Всемирной паутины (World Wide Web, WWW) в начале 1990-х. Согласно свежей статистике от Internet Systems Consortium, число хостов в интернете составляет более 1 млрд7. Скорее всего, это заниженная оценка, но в любом случае это количество намного превышает несколько миллионов хостов, насчитывавшихся в период первой конференции по WWW в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в 1994 году.

Способы использования интернета также радикально поменялись. Изначально преобладали такие приложения, как электронная почта для научных учреждений, новостные рассылки, удаленный вход в систему и передача файлов. Позднее электронная почта стала всеобщим достоянием, появилась Всемирная паутина и системы однорангового распределения контента, такие как уже закрытый сервис Napster. Сегодня главными столпами интернета являются распространение мультимедиа в реальном времени и социальные сети (Twitter, Facebook). Основная форма трафика — потоковое видео (Netflix, YouTube). Такое развитие событий привлекло в интернет множество разнообразных видов мультимедиа, а следовательно, и большие объемы трафика. Это, в свою очередь, повлияло на архитектуру самого интернета.

Архитектура интернета

Бурный рост интернета значительно повлиял на его архитектуру. В этом разделе мы попытаемся вкратце описать, как она выглядит сегодня. Вследствие постоянных изменений в работе телефонных компаний, кабельных компаний и интернет-провайдеров ситуация очень сильно запутана, и понять, кто чем занимается, непросто. Движущая сила этих изменений — непрерывное слияние в сфере телекоммуникаций, при котором сети становятся многоцелевыми. Например, при «тройных услугах» одна компания предоставляет услуги телефонии, ТВ и интернета при помощи одного и того же сетевого подключения (причем это обходится дешевле, чем если покупать эти услуги по отдельности). Приведенное здесь описание представляет собой лишь упрощенную версию реальности, а завтрашнее положение дел может отличаться от сегодняшнего.

На илл. 1.16 приведен общий обзор архитектуры интернета. Давайте рассмотрим этот рисунок по частям, начиная с домашних компьютеров (по краям рисунка). Для подключения к интернету компьютер связывается с поставщиком интернет-услуг, которые оплачивает пользователь. Это позволяет компьютеру обмениваться пакетами со всеми остальными доступными узлами. Существует множество разновидностей доступа в интернет, которые обычно отличаются шириной полосы пропускания и стоимостью, но главный признак — подключение.

Чтобы подключиться к интернету из дома, часто используют метод отправки сигналов через инфраструктуру кабельного телевидения. Кабельная сеть, иногда называемая HFC (Hybrid Fiber-Coaxial — комбинированная оптико-коаксиальная сеть), представляет собой единую интегрированную инфраструктуру. Для предоставления разнообразных информационных сервисов (в том числе ТВ-каналов, высокоскоростной передачи данных и голоса) используется пакетный транспортный протокол DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification — стандарт передачи данных по телевизионному кабелю). На стороне домашнего пользователя располагается специальное устройство — кабельный модем (cable modem), а в головном узле кабельной сети располагается CMTS (Cable Modem Termination System — система оконечных кабельных

Илл. 1.16. Обзор архитектуры интернета

модемов). Термин модем (сокращение от «модулятор/демодулятор») используется для любых устройств, предназначенных для преобразования между цифровым битовым представлением и аналоговыми сигналами.

Сети доступа ограничиваются пропускной способностью «последней мили» (последнего участка передачи сигнала). За прошедшее десятилетие развитие стандарта DOCSIS обеспечило намного более высокую пропускную способность для домашних сетей. В последней на текущий момент версии этого стандарта, полнодуплексном DOCSIS 3.1, появилась поддержка симметричной нисходящей/восходящей передачи данных с максимальной скоростью до 10 Гбит/с. Еще один вариант развертывания «последней мили» — прокладка оптоволоконных кабелей до жилых домов на основе технологии FTTH (Fiber to the Home — «оптоволокно в дом»). Для предприятий, расположенных в промышленных районах, имеет смысл арендовать выделенную высокоскоростную линию передачи данных от офиса до ближайшего ISP. В некоторых крупных городах мира доступна аренда линий скоростью до 10 Гбит/с (или ниже). Например, линия T3 обеспечивает передачу данных со скоростью примерно в 45 Мбит/с. В других регионах, особенно в развивающихся странах, не проложены ни кабели, ни оптоволокно. Некоторые из них сразу стали использовать высокоскоростные беспроводные или мобильные сети в качестве основного вида интернет-доступа. В следующем разделе представлен обзор мобильного доступа в интернет.

Итак, мы можем передавать пакеты между домами конечных пользователей и ISP. Мы будем называть место входа пакетов пользователя в сеть ISP точкой присутствия (POP, Point of Presence) оператора связи. Далее мы расскажем, как пакеты перемещаются между точками присутствия различных ISP. С этого момента система является полностью цифровой и коммутируемой.

Сети ISP могут быть региональными, общенациональными или интернациональными. Их архитектура включает магистральные линии передачи, связывающие между собой маршрутизаторы в точках присутствия в городах, обслуживаемых этим ISP. Это оборудование называется опорной сетью (backbone) ISP. Пакет, предназначенный для хоста, за который отвечает непосредственно данный ISP, проходит по маршруту через опорную сеть и доставляется в нужный хост. В противном случае он передается другому ISP.

ISP связывают свои сети для обмена трафиком в точках обмена интернет-трафиком (IXP, Internet eXchange Points). В случае подключенных друг к другу ISP говорят о пиринге (peering). Существует множество ISP в городах по всему миру. Они отображены на илл. 1.16 вертикально, потому что сети ISP географически пересекаются. Фактически точки обмена трафиком представляют собой здание, полное маршрутизаторов, как минимум по одному на каждый ISP. Все маршрутизаторы соединяются высокоскоростной оптической LAN, позволяющей перенаправлять пакеты из опорной сети одного ISP в опорную сеть любого другого ISP. IXP могут представлять собой крупные узлы, принадлежащие различным компаниям, конкурирующим друг с другом. Одна из крупнейших точек располагается в Амстердаме (Amsterdam Internet Exchange, AMS-IX); к ней подключено более 800 ISP, которые могут передавать через нее более чем 4000 гигабит (4 терабита) трафика каждую секунду.