Проблема Інтернету — у низькій пропускній спроможності

Інтернет все щільніше входить у життя кожного з нас. Ми в Телфин це спостерігаємо кожен день. Існує межа? Читайте наш переклад статті «The bandwidth bottleneck that is throttling the Internet».

Фахівці всього світу працюють день і ніч, щоб підтримати канали передачі даних в робочому стані і розширити їх, щоб не дати інформаційної революції зав'янути на корені.


19 червня вийшла нова серія «Ігри престолів». Сотні тисяч глядачів з території США тут же запустили перегляд — і стрім-сервіс каналу HBO не впорався з навантаженням. Близько 15 тисяч глядачів не могли отримати доступ до серії протягом години.

Адміністрація каналу вибачилася за непередбачені проблеми і пообіцяла, що подібне більше не повториться. Однак справа в тому, що цей випадок — лише одне з найпомітніших проявів насувається проблеми. Обсяг трафіку в Інтернеті зростає на 22% кожен рік, і такий попит загрожує перевершити можливості інтернет-провайдерів.

Хоча ми вже давно не користуємося модемами, не варто забувати, що Інтернет був створений на основі телефонної мережі. І хоча замість мідних проводів ми бачимо оптоволоконні кабелі, які з'єднують між собою величезні центри обробки даних і забезпечують передачу трильйонів біт в секунду, рівень обслуговування в масштабі локальних сегментів мережі і окремих користувачів залишає бажати кращого.

Ця проблема може загальмувати розвиток інформаційних технологій. Вже зараз користувачі відчувають на собі вплив «заторів» в мережі: мобільні дзвінки перериваються при значному завантаженні, бездротові з'єднання сповільнюються в місцях великого скупчення людей (на кшталт виставкових центрів), якість відеотрансляцій страждає при значному наплив глядачів. Здавалося б, обіцяне високотехнологічне майбутнє — з мобільним доступом до відео високого дозволу, автомобилями-роботами, проведенням хірургічних операцій на відстані, конференціями з телеприсутствием, інтерактивними 3D-розвагами у віртуальній реальності — мало ось-ось настати, але мережева інфраструктура до нього не готова.

Зараз компанії-провайдери вкладають мільярди доларів у розбудову інфраструктури Інтернету і ліквідацію «заторів». Значимість цього процесу для розвитку інформаційних технологій можна порівняти з збільшенням обчислювальної потужності процесорів. Наприклад, компанія Google спільно з п'ятьма азіатськими телекомунікаційними компаніями організувала прокладку оптоволоконної магістралі вартістю в 300 мільйонів доларів і довжиною в 11 600 кілометрів по дну Тихого океану, з'єднавши штат Орегон з Японією і Тайванем. Ерік Крейфельдт (Erik Kreifeldt), фахівець з прокладання підводних кабелів з вашингтонської компанії TeleGeography, називає цей проект «необхідним вкладенням, потрібне для розвитку галузі».

Прокладка нових високошвидкісних магістралей — лише частина комплексу заходів, що вживаються для оптимізації інфраструктури Інтернету. Ведуться й інші дослідження в різних областях: від прискорення бездротових мереж до збільшення потужності передавальних серверів.

П'яте покоління
Одна з задач, пов'язаних з проблемою розширення мережевої інфраструктури, вирішується досить просто. У Європі і Північній Америці збереглося досить багато невикористовуваних оптоволоконних магістралей, прокладених на кошти оптимістичних інвесторів ще до того, як луснула бульбашка доткомів у 2000 році. З їх допомогою провайдери зможуть тимчасово вирішити проблему надмірного попиту на трафік в дротяних мережах.

Однак це не допоможе вирішити проблеми, які виникають через буму бездротових пристроїв. Мобільний трафік в основному обробляється стільниковими базовими станціями, і його обсяг у середньому зростає на 53% кожен рік — при тому, що площа покриття станцій не оптимальна, і кожна вежа обслуговує тисячі користувачів.

Мережі стільникового зв'язку першого покоління 1980-х років, які використовували виключно аналоговий сигнал, залишилися в минулому. Мережі другого покоління з'явилися на початку 1990-х років і відрізнялися наявністю цифрових послуг (наприклад, SMS-повідомлень). Лише нещодавно розпочалася заміна мереж 2G на більш досконалі технології. Вони все ще становлять 75% всіх мереж в Африці і на Близькому Сході. Мережі третього покоління підтримують використання мобільного Інтернету і існують з кінця 1990-х років; зараз їх підтримує більшість мобільних пристроїв Західної Європи.

Мережі четвертого покоління поки залишаються найбільш досконалими, вони дозволяють власникам смартфонів користуватися мобільним інтернетом зі швидкістю до 100 Мбіт на секунду. Ця технологія стала доступна в кінці 2000-х років і її популярність швидко зростає. Однак для того, щоб задовольнити рівень попиту на мобільний інтернет, який очікується до 2020-м рокам, знадобиться п'яте покоління бездротових мереж (5G). І такі мережі мають забезпечувати швидкість підключення, переважаючу 4G в сотні разів — десятки Гбіт в секунду.

Глава Інституту систем зв'язку Університету Сюррея в Гілфорді (Великобританія) Рахім Тафазолли (Rahim Tafazolli) вважає, що сигнал 5G повинен буде поширюватися набагато ширше, ніж це можливо зараз, і охоплювати до мільйона пристроїв на квадратний кілометр. Це буде необхідно для створення «Інтернету речей» — мережі, в яку увійдуть всі види пристроїв, від побутових приладів до систем управління електромережею, медичних пристроїв і автономних автомобілів.

Об'єднання незалежних телекомунікаційних компаній Third Generation Partnership Project координувало перехід на мережі 3G і 4G, а зараз працює над переходом на 5G. Тафазолли бере участь у цій роботі і проводить випробування технології паралельного вводу-виводу (Multiply Input Multiply Output, MIMO). Вона повинна дозволити одночасну передачу кількох потоків даних на одній радіочастоті. При цьому передавач і приймач обладнуються декількома антенами, і сигнал передається і приймається різними шляхами. Після прийому потоки даних знову розділяються за допомогою складного алгоритму.

Технологія MIMO вже застосовується в мережах 4G і Wi-Fi. Проте невеликий розмір смартфона дозволяє встановити лише чотири антени, і стільки ж застосовується на базових станціях. Цю проблему потрібно вирішити в процесі впровадження 5G.

Встановлення MIMO з великою кількістю антен вже були випробувані. Компанія Ericsson представила багатокористувацьку систему з антеною з 512 елементів на виставці Mobile World Congress, яка відбулася у лютому цього року в Барселоні (Іспанія). Швидкість передачі даних між стаціонарним і пересувним терміналом досягла 25 Гбіт в секунду. Передача велася на частоті 15 ГГц, яка входить в діапазон високих частот для мереж 5G. Японський стільниковий оператор NTT DoCoMo відчуває систему спільно з Ericsson, а Korea Telecom планує масштабну демонстрацію можливостей 5G під час зимової Олімпіади 2018 року.

Інший підхід передбачає підвищення адаптивності: замість того, щоб використовувати жорстко заданий діапазон частот, мобільний пристрій має працювати за принципом «когнітивного радіо». При цьому відбувається програмний перехід бездротового з'єднання на радіоканал, який в даний момент відкрито. Такий метод не тільки дозволить автоматично передавати дані по найшвидшому з можливих маршрутів, але і збільшить стійкість системи. Крім того, він зажадає заміни не апаратного, а програмного забезпечення, що набагато простіше.

Ще одна задача на шляху до розгортання 5G — резервування діапазону радіочастот для досягнення необхідного покриття і пропускної здатності. Більшість доступних частот вже зарезервовано існуючими міжнародними угодами і застосовується для телемовлення, навігації, у радиотелескопах і т.д. Це питання буде розглядатися на Всесвітньої конференції радіозв'язку в 2019 році. Федеральна комісія із зв'язку США в даний момент розпродає частоти нижче 1 ГГц телекомунікаційним компаніям. Ці частоти раніше були зарезервовані для телемовлення, так як вони краще проникають через перешкоди, чим більш високі, але вони перестали використовуватися після переходу на цифрове ТБ. На думку Тафазолли, використання цих частот оптимально для малонаселеній місцевості та дозволить забезпечити будинки і дороги доступом до 5G за допомогою невеликого числа базових станцій.

(клікнути для збільшення)

Крім того, можливе використання діапазонів з інтервалу 1-6 ГГц по мірі заміни мереж 2G і 3G на 5G. Оптимальними для густонаселеної міській місцевості вважаються частоти вище 6 ГГц; вони мало використовуються в даний момент, так як дають невелику дальність проходження сигналу. Планується встановлювати базові станції 5G з інтервалом в 200 метрів. Для порівняння, станції 4G зазвичай встановлюються з інтервалом в 1 км; проте Федеральна комісія по зв'язку вже дозволила використання цих частот для високошвидкісної зв'язку починаючи з 14 липня. Британська комісія Ofcom, яка виконує ті ж функції, що і ФКС США, збирається незабаром прийняти аналогічне рішення.

Використання високих частот особливо цікаво для компаній, зайнятих в галузі зв'язку, так як вони відкривають нові можливості застосування технології 5G. Нещодавно компанія Verizon зазнала в Нью-Джерсі, Массачусетс і Техасі передачу сигналу на частоті 28 Ггц при швидкості 1 Гбіт в секунду. В експериментах використовували обладнання 5G компаній Ericsson, Cisco, Intel, Nokia і Samsung. Verizon планує пропонувати фіксовані бездротові з'єднання в якості альтернативи провідним, при цьому вартість підключення буде помітно знижена.

Широкі канали
Ніл Бергано (Neal Bergano), технічний керівник TE SubCom — компанії-виробника підводних кабелів з Итонтауна, Нью-Джерсі — говорить, що, незважаючи на те, що мобільний зв'язок не використовує проводів та її користувачі мобільні, сама по собі мережа мобільного не є. Коли користувач підключається до мережі за допомогою телефону, базова станція перетворює радіосигнал в оптичний сигнал, який потім передається через стаціонарний оптоволоконний кабель.

Вже чверть століття глобальна мережа телекомунікацій будується на каналах з оптоволокна. Його пропускна здатність не порівнянна ні з чим: єдиний кабель товщиною в волосся здатний передавати по 10 Тбитданных — ємність 25 двошарових Blu-Ray — кожну секунду, і при цьому передавач і приймач можуть стояти на різних берегах Атлантичного океану. Для порівняння — самий перший трансатлантичний кабель, проведений в 1988 році, мав пропускну здатність в 30 тис. разів менше. Сучасні технології дозволяють передавати по одному волокну одночасно до 100 окремих сигналів, кожен з яких має власну довжину хвилі. Однак навіть у «оптики» є межі: по мірі того, як сигнал проходить тисячі кілометрів скла, в ньому накопичуються шуми і спотворення. Верхньою межею для одного сигналу вважається швидкість в 100 Гбіт в секунду.

Стандартне оптичне волокно має ядро з надчистого скла товщиною в 9 мікрометрів. Розроблено нове волокно з більш широким ядром, яке менше «забруднює» сигнал шумами, хоча при цьому воно набагато більш чутливо до розтягування та згинання. Таким чином, «широке» волокно оптимально для довгих і прямих магістралей — наприклад, підводних кабелів, які знаходяться в стабільному оточенні і не піддаються зовнішнім впливам.

У минулому році компанія Infinera провела досвід у Саннівейл (Каліфорнія): по оптоволокну з широким ядром пропустили сигнал зі швидкістю 150 Гбіт в секунду. Сигнал пройшов 7400 кілометрів, що достатньо для трансатлантичного кабелю; також в ході випробувань був використаний сигнал зі швидкістю 200 Гбіт на секунду, який пройшов меншу відстань.

Сама високошвидкісна система передачі даних на даний момент — це підводний кабель FASTER, який з'єднує Японію і штат Орегон. Він складається з 6 пар «широких» волокон, через кожну з яких проходить 100 сигналів по 100 Гбіт в секунду. Однак скоро цей рекорд буде побитий: згідно заяві, зробленій Microsoft і Facebook у травні цього року, в жовтні 2017 року буде побудована магістраль MAREA. Вона простягнеться на 6400 кілометрів і з'єднає центри обробки даних цих компаній, розташовані в Іспанії і в штаті Вірджинія. Загальна швидкість передачі даних складе 160 Тбіт в секунду.

Існує ще один спосіб захисту сигналу від шумів. Його продемонстрували в Університеті Каліфорнії (Сан-Дієго). Зазвичай оптоволоконні системи використовують кілька лазерних випромінювачів для генерації сигналів з різною довжиною хвилі. Замість них запропонували використовувати один випромінювач, створений із застосуванням технології «частотної гребінки». Він генерує серію сигналів з різними довжинами хвиль, віддалених один від одного на однаковий проміжок. Такий підхід міг би подвоїти пропускну спроможність оптоволоконних систем.

Подлетное час
Ширина каналу вкрай важлива, але має значення і швидкодія системи. Людська мова настільки чутлива до переривання, що несподівана пауза в чверть секунди здатна порушити розмова по телефону або відеозв'язку. Для відео також важлива постійна частота кадрів. ФКС США дозволила використання спеціальних кодів для підвищення пріоритету передачі пакетів, які несуть кадри відео і звукові фрагменти, щоб трафік, пов'язаний з відео — і аудиосвязью, передавався швидко і рівномірно.

Час, який потрібен сигналом для переходу від одного терміналу до іншого, залежить від відстані. Хоча швидкість сигналу в оптичному кабелі становить 200 000 км/сек — дві третини швидкості світла в повітрі — затримка між введенням команди, наприклад, в Лондоні, і отриманням відповіді з дата-центру в Сан-Франциско, залишається істотною; в даному випадку вона складе 86 мілісекунд. Це обмежує можливості хмарних обчислень. При цьому існує безліч інших нових сервісів — таких як дистанційно керовані роботи і хірургічні операції — які вкрай чутливі до затримок. Не варто забувати і про іграх.

Нові додатки мобільного зв'язку вимагають швидкого відгуку системи, так і значної ширини каналу. Приміром, для того, щоб гарантувати безпечну їзду автономного автомобіля, необхідно постійно отримувати дані про місцевості в реальному часі. Звичайним автомобілям теж потрібно зв'язок з швидким відгуком для систем голосового управління.

Також не варто забувати про тривимірних системах віртуальної реальності. Для оптимальної роботи таких систем потрібна швидкість передачі даних 1 Гбіт в секунду, що в 20 разів перевищує звичайну швидкість зчитування Blu-Ray. Це необхідно тому, що зображення доводиться перемальовувати як мінімум 90 разів в секунду, щоб встигати за поворотами голови користувача; якщо цього не відбувається, користувач може відчувати дискомфорт. В лабораторії віртуальної реальності Девіда Уиттингхилла в Університеті Пердью в Вест-Лафайетте (Індіана) використовується оптоволоконна лінія на 10 Гбіт.

Великі компанії, такі як Google, Microsoft, Facebook і Amazon — зберігають копії своїх даних у центрах обробки даних, розподілених по всьому світу. Кожен запит до даних передається в найближчий центр. За словами Джеоффа Беннета (Geoff Bennett), технічного директора компанії Infinera, такий підхід дозволяє глядачам прокручувати відеоролики так, як ніби вони зберігаються на їх власних комп'ютерах. Широке поширення центрів обробки даних стимулює підвищення пропускної спроможності оптоволоконних магістралей, так як трафік, який генерується під час синхронізації копій даних у різних дата-центрах, вже зараз перевищує загальний трафік приватних користувачів Інтернету. Кабель MAREA будується саме з метою синхронізації.

Зараз більшість центрів обробки даних розташоване в місцях найбільшої концентрації користувачів і магістралей: в Північній Америці, Європі та Південно-Східній Азії. За словами Крейфельдта, користувачі в багатьох частинах світу досі не мають доступу до центрів обробки даних, і змушені миритися з довгим відгуком системи. У Південній Америці мало власних центрів, і більша частина контенту, що завантажується з Маямі (Флорида); пакети, які йдуть з Бразилії в Чилі, також проходять через Майамі, що збільшує час відгуку. Така ж проблема і в країн Близького Сходу. 85% інтернаціонального трафіку проходить через європейські центри обробки даних. Ситуація змінюється на краще, але це відбувається досить повільно. В минулому році був запущений перший центр хмарного зберігання даних Amazon Web Service в Мумбаї (Індія); центр у Сан-Паулу (Бразилія) працює з 2011 року.

Внутрішні зв'язки
Пропускна здатність важлива не тільки на рівні магістралей, але і на рівні комунікацій між процесорами всередині кожного з серверів центру обробки даних. Прискорення обороту даних усередині центру призведе і до загального прискорення відгуку системи. Однак зростання тактової частоти самих процесорів застопорився кілька років тому з-за проблем з тепловиділенням, і не перевищує декількох гігагерц. Найбільш практичний спосіб прискорення обробки даних процесором — поділ операцій між декількома ядрами з високошвидкісним з'єднанням між ними. Оптичне з'єднання в цьому випадку було б більш практично, так як швидкість світла перевищує швидкість електронів, однак інтеграція кремнієвих мікросхем з оптикою утруднена.

Дослідження в області кремнієвої фотоніки йдуть вже давно, однак спосіб ефективної генерації світла кремнієвої мікросхемою поки не знайдений. Існують хороші напівпровідникові джерела світла — наприклад, фосфід індію — але їх майже неможливо виростити прямо на кристалі кремнію з-за відмінностей в структурі атомних решіток. Тому інтеграція индиевых оптичних і електронних компонентів поки вкрай обмежена.

Американський Інститут виробництва інтегрованої фотоніки в Рочестері (Нью-Йорк) був відкритий в минулому році. В нього вже вкладено 110 млн доларів від федеральних агентств і 502 млн від приватних інвесторів та компаній. Цей інститут буде займатися розробкою інтегрованої фотоніки для обчислювальної техніки і засобів зв'язку.

Крім того, раніше в цьому році вже продемонстрували інтегровану фотонну схему з 21 активним компонентом, здатну виконувати три різні логічні функції. Її розробила команда інженерів з Канади. Це важливий крок у розвитку фотонних мікропроцесорів: схема порівнянна по складності з першими програмованими електронними схемами, з яких почався розвиток мікрокомп'ютерів. Яньпинь Яо (Jianping Yao), інженер з Університету Оттави і учасник розробки, заявив, що схема проста у порівнянні з електронними схемами, але набагато складніше, ніж інші інтегровані фотонні схеми в даний час».

Подальший розвиток цієї схеми може відкрити широкі можливості. Наприклад, вона могла б перетворювати сигнал, який отримує вежа 5G від смартфона, аналоговий оптичний сигнал, який потім можна передати по оптоволокну в центр обробки даних і оцифрувати.

Як і багато інші завдання, які необхідно вирішити для оптимізації Інтернету, пошук більш швидких процесорів — складне завдання. Однак це не зупиняє фахівців, які зайняті пошуком рішень. Багато з них — наприклад, Бергано — працює у галузі вже не перший десяток років, але при цьому зберігають оптимізм і бачать потенціал для безлічі поліпшень.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.