- A questa
presentazione strutturale e funzionale della Generazione X della rete dell'Università
e della ricerca italiana hanno contribuito gli altri membri del Gruppo
di progettazione di GARR-X
- (Massimo
Carboni,
- Fabrizio
Ferri,
- Alessandro
Inzerilli,
- Laura
Leone,
- Marco
Marletta,
- Ugo Monaco,
- Alessandro
Pancaldi,
- Maurizio
Scarpa,
- Massimo
Valiante)
- e per
l'editing lo staff di Relazioni esterne e Comunicazione
- (Federica
Tanlongo,
- Maddalena
Vario,
- Carlo
Volpe).
- Una radicatissima
"storia del GARR" rinvia alla fine degli anni ottanta, quando
prende forma l'idea di una rete unica per l'intera comunità accademica
e di ricerca italiana e Orio Carlini, il più entusiasta sostenitore
di tale idea, riunisce intorno a se le principali Università, il
CNR, l'ENEA, e l'INFN per dare vita al Gruppo Armonizzazione Reti della
Ricerca.
- La evoluzione
stessa della rete GARR [dalla prima versione GARR-1 a GARR-B, GARR-G e
ora GARR X], in intima connessione con i prototipi continentali e transcontinentali
d'interconnessione di reti, ha sempre, dalla sua costituzione, rinviato
al futuro … come dire : una fisiologica vocazione … "next generation"
- La attualità
inter-net-working di GARR afferisce alle seguenti responsabilità:
- Claudia
Battista [Network Engineering and Planning]
- Massimo
Carboni [Network Management and Operations]
- Mauro
Campanella [Research and Development]
- Claudio
Allocchio [Applications Support Service]
- Gabriella
Paolini [Member and Partner Relations]
- Tutti
i riferimenti: http://www.garr.it
- GARR-X è
il progetto per la "Next Generation Network" che servirà
la comunità italiana dell'Università e della Ricerca, basata
sulla disponibilità di fibra ottica sia per i collegamenti di backbone
che per il collegamento delle sedi utente e sul controllo diretto dei vari
livelli di rete, dall'ottico all'IP.
- La nuova infrastruttura
entrerà in esercizio a partire dalla seconda metà di quest'anno
e sarà in grado di fornire sin dalle prime fasi una capacità
circa 40 volte maggiore dell'attuale. Come vedremo, questo incremento di
prestazioni, per quanto imponente, non sarà tuttavia l'unica novità
per gli utenti e forse nemmeno la più importante rispetto al modo
in cui utilizzano la rete. Infatti, l'infrastruttura di trasporto che GARR-X
metterà a loro disposizione apre la strada all'utilizzo di nuove
applicazioni ed all'affermazione di nuovi modelli computazionali e più
in generale di gestione distribuita delle risorse (ad es. Grid e le sue
evoluzioni, Cloud Computing, virtualizzazione), in cui si dà per
scontata la disponibilità sostanzialmente illimitata delle risorse
di rete. GARR-X nasce dalla constatazione del rapido aumento della domanda
di banda e di servizi avanzati end-to-end.
- Le sue specifiche
sono il risultato di un'ampia consultazione preliminare, che ha coinvolto
i principali segmenti di utenza della rete GARR ed ha tenuto conto non
solo degli attuali requisiti in termini di connettività e servizi
di rete, ma anche della loro evoluzione nel prossimo quinquennio.
I
REQUISITI: DA DOVE PARTE GARR-X
- La raccolta
dei requisiti si è articolata attraverso interviste e focus group
che hanno approfondito la situazione di segmenti particolarmente significativi;
e le sue conclusioni, insieme ad una analisi dei pattern di traffico attualmente
riscontrabili sulla rete, hanno identificato i fattori che determinano
l'insufficienza delle risorse disponibili in GARR-G e costituito una base
per la definizione delle caratteristiche della nuova GARR-X. Di seguito
discutiamo gli aspetti più rilevanti di questo studio e le innovazioni
al livello dell'architettura di rete che sono state progettate per darvi
risposta.
- L'aspetto più
macroscopico che emerge dalla raccolta dei requisiti riguarda la necessità
crescente da parte di alcune applicazioni di ricerca di movimentare flussi
di dati in modalità sostenuta, generando flussi di traffico nell'ordine
dei 10 Gigabit/sec, spesso anche in ambienti interdominio.
- Molti membri
della comunità GARR, dall'INFN, all'INAF, al CINECA solo per citare
alcuni esempi eclatanti, sono già oggi coinvolti in progetti di
ricerca internazionali che, per poter analizzare i dati acquisiti, devono
trasmettere flussi di dati dell'ordine dei Gigabit/sec verso risorse di
calcolo interconnesse alla rete.
- Tali applicazioni
richiedono quindi velocità trasmissive multiple di 10 Gigabit/sec
tra le sedi coinvolte, garanzia di banda e tipicamente l'integrità
dei contenuti trasmessi.
- L'esigenza di
far operare più centri di calcolo distribuiti geograficamente come
se fossero all'interno della medesima rete locale, rendendo trascurabile
il delay legato alla rete e realizzando virtualmente un supercalcolatore,
in grado di far diventare la rete geografica un'estensione di quella locale,
è in costante aumento, anche in ragione della necessità di
virtualizzazione delle risorse di calcolo, ovverosia la possibilità
di ottimizzare l'utilizzo di risorse hardware generando risorse virtuali
"ad hoc" per un determinato compito.
- Grazie a questo
meccanismo, un utente è in grado di accedere in modo trasparente
alla risorsa virtuale, che è creata appositamente sulla base delle
sue esigenze, senza curarsi della risorsa fisica sottostante.
- A tal fine,
i centri di calcolo potrebbero presentare la necessità di essere
interconnessi direttamente a livello ottico. Parzialmente collegato a quanto
detto sopra, è il requisito relativo alla possibilità di
implementare Reti Private Virtuali (VPN), espresso sia nell'ambito di progetti
specifici, quali ad esempio eVLBI e LHC, sia nel collegamento di sedi di
uno stesso ente dislocate sul territorio nazionale, come è il caso
del CNR.
- Benché
questo tipo di collegamento possa già essere realizzato con l'attuale
infrastruttura, le soluzioni tecnologiche adottate in GARR-X ne renderanno
l'erogazione più semplice e veloce. Questo aspetto è importante
soprattutto quando si tratta di implementare i requisiti di specifici progetti
e garantire alla ricerca italiana una competitività in linea con
quella dei paesi più avanzati: la partecipazione ad attività
di ricerca con una pianificazione temporale ben definita implica infatti
la necessità di una rete in grado di adattarsi dinamicamente alle
esigenze degli utilizzatori, e di farlo in tempi tali da rispettare il
piano di lavoro del progetto.
- Di conseguenza,
tra specifiche sedi della comunità GARR, è considerato requisito
irrinunciabile la possibilità di allocare, con tempi realizzativi
ridotti, banda su richiesta (on-demand) dell'ordine di multipli di 1 Gigabit/sec
o di 10 Gigabit/sec. Infine, un altro requisito emerso nell'ambito delle
consultazioni è quello della partizionabilità della rete
in domini gestionali autonomi.
- Tale caratteristica
non è implementabile sull'attuale rete GARR-G, in quanto la sua
architettura è interamente basata sul puro trasporto IP condiviso
tra tutti gli enti interconnessi alla rete; al contrario, la scelta architetturale
di una struttura capillare in fibra ottica, ne permetterebbe invece una
naturale implementazione.
- Per quanto riguarda
i requisiti relativi all'Università, l'aspetto fondamentale è
rappresentato dall'aumentata necessità di banda per poter fornire
servizi a valore aggiunto alla comunità docente e discente che,
soprattutto per i grandi Atenei, si caratterizza per i grandi numeri e
quindi per il traffico intenso.
- Dovendo garantire
prestazioni costanti e di buona qualità anche in presenza di picchi
di utilizzo, l'incremento della banda deve essere sostenuto dall'alta affidabilità
della rete. Infine, un ulteriore requisito tipico di questa utenza, che
spesso deve far fronte all'interconnessione di diverse sedi, dislocate
sul territorio anche in località periferiche o poco servite, è
la capillarità dell'accesso.
- Vedremo oltre
come questo aspetto verrà affrontato in GARR-X anche grazie ad una
strategia di integrazione con reti di campus, Reti Metropolitane (Metropolitan
Area Network, MAN) e regionali (Regional Area Network, o RAN in breve)
già esistenti. Altri requisiti sono infine collegati all'affermarsi
di nuove modalità di utilizzo della rete anche da parte di comunità
emergenti, quali quelle dei settori artistico ed umanistico, che prevedono
un ampio utilizzo di digital repositories, applicazioni multimediali e
la trasmissione di audio e video ad alta qualità, come nel caso
del Digital Video Transport System (o DVTS in breve), che impiega circa
40 volte più banda di una normale videoconferenza e necessita di
un collegamento bidirezionale simmetrico.
- La versione
ad altissima definizione, HDVTS, con 4K Cinegrid e altre tecnologie hanno
dei requisiti di banda passante ancora più rilevanti. Alta definizione
o no, la diffusione di applicazioni multimediali, in particolare in diretta,
presenta dei precisi vincoli temporali nella trasmissione dei pacchetti
ed il mantenimento entro limiti minimi di parametri quali ad esempio il
delay ed il jitter.
- Un esempio molto
interessante di questo aspetto è il sistema sperimentale LOLA (LOw
LAtency audio visual streaming system), nato per rendere possibili performance
musicali "distribuite" tra diversi siti remoti. Questa tecnologia
azzera virtualmente la latenza legata alla codifica e decodifica audio
e video, permettendo ai flussi di streaming ad alta qualità di essere
trasmessi con latenze di pochi millisecondi. Perché la riduzione
della latenza si traduca effettivamente in una interazione in tempo reale
tra i siti remoti, tuttavia, occorre che essi siano interconnessi attraverso
un circuito GE dedicato con jitter e round trip time molto bassi (inferiori
rispettivamente a 3ms e 15ms).
GLI
OBIETTIVI ED IL CAMBIO DI PARADIGMA
- Tenendo presente
questa varietà di comunità, esperienze di utilizzo e requisiti,
cerchiamo quindi di delineare brevemente le caratteristiche chiave della
nuova infrastruttura, al di là del mero aumento di capacità
trasmissiva e di analizzare le scelte tecnologiche grazie alle quali GARR-X
sarà in grado di soddisfare questi obiettivi:
- realizzare sulla
stessa infrastruttura la commutazione di circuito e di pacchetto, con la
conseguente possibilità di erogare servizi basati sul protocolli
diversi e non solo su IP (IP based);
- erogare connessioni
multiservizio agli utilizzatori contenendo i costi operativi, veicolando
i diversi servizi su una singola infrastruttura fisica;
- accorciare i
tempi di erogazione di nuovi servizi, in modo da non dover necessariamente
attendere la realizzazione di nuovi local loop;
- minimizzare
tempi e costi necessari per effettuare upgrades della banda passante dei
collegamenti fisici erogati mediante l'infrastruttura trasmissiva GARR;
- disporre della
massima flessibilità nella personalizzazione dei servizi di rete
che coinvolgono gruppi di utilizzatori;
- rafforzare ed
estendere l'interconnessione con le altre reti della ricerca europee e
mondiali, sia attraverso il collegamento a GÉANT che grazie alle
cosiddette "Cross Border Fibers" con i paesi limitrofi, e supportare
l'erogazione di servizi end-to-end in ambienti interdominio a livello internazionale;
- adottare strategie
di aggregazione dell'accesso, anche attraverso sinergie con reti regionali
e metropolitane pre-esistenti, in modo da razionalizzare i link ed ottimizzare
i costi per l'utente finale aumentando le prestazioni.
- Un'analisi di
questi obiettivi e dei relativi costi ha portato, sia dal punto di vista
tecnico che da quello strettamente economico, a valutare conveniente abbandonare
il precedente modello basato su circuiti affittati e passare ad una nuova
architettura, basata su:
- l'acquisizione
di fibra ottica sulla dorsale e nell'accesso alle sedi utente;
- l'adozione delle
più avanzate tecnologie ottiche per illuminare la fibra.
- Anche alla luce
di analoghe esperienze in Europa e Nord America, si è quindi proposto
un nuovo modello basato sulla fibra ottica e sul controllo diretto dei
livelli inferiori dell'infrastruttura di rete.
- Oltre che sul
piano tecnologico, questa scelta ha delle ricadute sul modello finanziario
e di gestione della rete, quindi si può dire che il passaggio alla
nuova infrastruttura si configurerà non come un semplice upgrade
dell'esistente, importante quanto si voglia, ma un vero cambio di paradigma
sotto tutti questi aspetti.
- A livello più
strettamente tecnologico, la novità più interessante è
senza dubbio rappresentata dal superamento del modello di rete e di servizio
"solo IP": l'utilizzo della fibra ottica permette infatti di
realizzare un modello di rete ibrido, conciliando l'efficienza della comunicazione
del tradizionale modello IP con la possibilità di creare dei canali
dedicati tra utenti. In particolare, su GARR-X sarà possibile realizzare
dei "lightpath", ovvero cammini ottici dedicati "end-to-end"
tra due utenti che necessitano di scambiare dati con speciali requisiti
di velocità, capacità e riservatezza, dando vita a vere e
proprie reti ottiche private (Optical Private Network, o OPN in breve)
scalabili, riconfigurabili in tempi molto brevi e in grado di comunicare
tra loro.
- Collegamenti
end-to-end tra due siti e reti private virtuali (VPN o Virtual Private
Networks), potranno essere anche create sui layer superiori della rete.
Le nuove possibilità tecnologiche, insieme ad una soluzione che
prevede il possesso e il controllo diretto dell'infrastruttura, portano
dunque verso un modello di rete molto flessibile, la cui architettura può
essere configurata sulle esigenze degli utenti.
- Un altro aspetto
caratterizzante di GARR-X è l'esteso utilizzo di fibra ottica nella
realizzazione dei collegamenti di accesso della sede dell'utente fino al
punto di presenza (PoP) più vicino della rete per portare fino all'utente
tutti i benefici della nuova infrastruttura, aggregando gli accessi in
modo razionale e quindi ottimizzando i costi a fronte di un miglioramento
della connettività dei singoli siti.
UN
PARADIGMA CONDIVISO
- Le medesime
esigenze sono state evidenziate nel panorama del networking per la ricerca
ed in particolare delle NREN (National Research Education Network, le reti
Nazionali della Ricerca e dell'Istruzione di cui GARR fa parte) europee
e mondiali, molte delle quali che hanno già realizzato, o stanno
realizzando, una nuova generazione di reti in grado di fornire, almeno
per il prossimo decennio, servizi evoluti in grado di rispondere ai requisiti
emergenti, adottando un paradigma analogo a quello proposto per GARR-X.
- Nell'ambito
delle reti della ricerca più avanzate, infatti, si è assistito
negli ultimi anni all'adozione sempre più massiccia di fibre ottiche
spente come principale mezzo trasmissivo, non solo sulle principali linee
a lunga distanza, ma anche nell'accesso dei siti utente. Parallelamente
vi è stata la progressiva affermazione del modello di "rete
ibrida" che combina trasmissione a pacchetto e a circuito come accennato.
- Alcune NREN,
come la canadese CANARIE (www.canarie.ca)
o la polacca PSNC (www.pionier.gov.pl)
hanno fatto in questo campo esperienze pionieristiche, la cui portata va
ben oltre l'ambiente del networking per la ricerca. Le gare per la realizzazione
di CAnet3 (la rete della ricerca canadese CANARIE), che sarebbe diventata
la prima rete per la ricerca e l'istruzione al mondo (ed una delle prime
reti in assoluto) basata interamente su tecnologie ottiche, cominciarono
nel 1998 e la resero un modello per molti operatori e NREN.
- Al momento i
ricercatori canadesi utilizzano la seconda generazione di tale rete ottica,
grazie non solo alla propensione della loro NREN ad innovare, ma anche
al fattivo supporto (e finanziamento di 55 milioni di dollari per CAnet3
e di circa il doppio per CAnet4) da parte del governo canadese: oggi quel
modello di rete trasmissiva si è affermato in molti paesi avanzati.
In Polonia, il programma PIONIER (Polish Optical Internet), gestito dalla
rete della ricerca nazionale PSNC, è partito poco dopo (è
stato infatti approvato nel 2000).
- Oggi la rete
PIONIER è un backbone nazionale che interconnette 21 MAN accademiche
a loro volta basate su fibra. Un aspetto notevole è che, quando
intrapresero la fattibilità del progetto, gli esperti della NREN
polacca si resero conto che la quantità e qualità delle fibre
esistenti non era soddisfacente per gli sviluppi presenti e futuri della
domanda e decisero quindi di posare nuova fibra.
- Grazie a questa
decisione, oggi PIONIER vanta diverse migliaia di km di fibra di sua proprietà,
che viene illuminata con le tecnologie ottiche più avanzate, in
particolare il DWDM, che ad oggi è la tecnologia di multiplazione
di lunghezza d'onda più efficiente. Queste nuove reti ibride in
fibra ottica si presentano dunque come una realizzazione concreta della
"Next Generation Network" di cui si parla (a volte a sproposito)
come del fondamentale ingrediente a supporto della competitività
di un paese.
- Ma di cosa si
tratta, e perché sono così innovative? I fondamentali vantaggi
della fibra ottica sono nell'altissima velocità raggiungibile dal
singolo circuito (lunghezza d'onda) e nel grande numero di circuiti che
si possono accendere contemporaneamente su una singola fibra, ovvero la
disponibilità di aumentare la capacità di banda a costi limitati.
- Già nel
2002, Bill St Arnaud, direttore di CANARIE e visionario esperto di reti
telematiche, osservava che le cosiddette "customer-owned dark fibers"
(cioè quelle fibre ottiche spente, possedute e controllate dagli
utenti - qualcosa di simile, quindi, a quello che le NREN fanno in nome
della comunità della ricerca) producevano impressionanti risparmi:
"la riduzione dei costi di telecomunicazione può andare oltre
il 1000%, a seconda delle proprie richieste di banda". Secondo St
Arnaud, tra i primi beneficiari di questa rivoluzione ci sarebbero le scuole,
gli ospedali, le biblioteche e naturalmente le università e gli
enti di ricerca.
- Ma quello dei
costi non è il solo vantaggio: la scelta della fibra ottica garantisce
una maggiore capacità di ampliamento e flessibilità, grazie
anche al fatto che non sono più gli operatori, cioè una terza
parte, ad occuparsi di illuminare la fibra, ma direttamente i gestori della
rete, nel nostro caso le NREN.
- La convivenza
tra la commutazione di circuito e quella di pacchetto (motivo per cui le
reti di nuova generazione sono talvolta chiamate "ibride") permette
di superare i tradizionali limiti delle reti solo-IP, rendendo possibile
l'implementazione di servizi più adatti ad ogni utente e semplificando
l'erogazione di quelli esistenti.
- Ci riferiamo
in particolare alla possibilità di implementare connessioni ad altissima
velocità tra due sedi utente (end-to-end), senza interferire con
il traffico comune della rete. In questo modo, il paradigma cardine della
rete Internet è completato ed arricchito dall'aggiunta di circuiti
dedicati a particolari esigenze (ad esempio fra centri di supercalcolo
o osservatori astronomici).
IL
MODELLO DI ARCHITETTURA
- Vediamo più
in dettaglio le scelte architetturali e di gestione della rete che permetteranno
di interpretare al meglio gli obiettivi discussi sopra e porre la nuova
infrastruttura al livello delle più avanzate esperienze mondiali
in questo settore. GARR-X si avvarrà della gestione diretta da parte
del GARR di tutti gli strati protocollari (dalla fibra ottica al livello
IP - Layer1, Layer2 e Layer3).
- Tale modello
rende possibile l'erogazione, all'interno della singola NREN (intra-NREN)
e tra differenti NREN (inter-NREN), di circuiti dedicati multipli ad elevata
capacità (1Gbps, 10Gbps, 40Gbps, 100Gbps), in grado di trasportare
servizi di rete tradizionali (IP Commodity) e nuovi servizi. In linea con
la pluriennale esperienza nell'ambito delle reti delle ricerca europee
ed internazionali e con i requisiti delle comunità di utenti, il
progetto di GARR-X si è sviluppato nella direzione di realizzare
una rete suddivisa in 3 livelli distinti:
- Livello Fisico
e WDM (trasmissivo)
- Livello di switching
- Livello IP
- Ciascuno di
questi livelli è caratterizzato da aspetti tecnologici tali da rendere
il progetto di rete GARR-X un progetto all'avanguardia in termini di tecnologia
ed innovazione.
IL
LIVELLO FISICO E WDM (TRASMISSIVO)
- Se adottiamo,
per descrivere l'infrastruttura di rete, uno schema analogo a quello diffusamente
impiegato per il modello ISO/OSI, il livello più basso della pila
è occupato dallo strato fisico e dalle tecnologie trasmissive.
- Questo strato
è deputato alla realizzazione di circuiti punto-punto, che interconnettono
i diversi nodi della rete. In GARR-X, l'implementazione di questo livello
è basata sulla fibra spenta e sull'utilizzo della tecnologia DWDM
(Dense Wawelenght Division Multiplexing), che consente di realizzare molti
canali ottici all'interno di una singola coppia di fibre.
- Lo stato dell'arte
prevede che questa tecnologia sia in grado di multiplare su ciascuna coppia
di fibre 40 o 80 canali distinti, in base alle caratteristiche della fibra,
dei percorsi e degli apparati impiegati. La coesistenza di più segnali
ottici sulla stessa fibra è resa possibile dall'utilizzo di diverse
frequenze (o lunghezze d'onda) associate a ciascun canale ottico.
- Lo spettro ottico
occupato da ciascun segnale deve tuttavia essere sufficientemente stretto,
in modo da evitare la sovrapposizione con gli altri canali adiacenti.
- La spaziatura
tra le frequenze dei canali ottici inviati sulla stessa fibra è
un elemento di particolare importanza per i sistemi DWDM. L'ITU-T ha standardizzato
nelle raccomandazioni ITU-G.694.1 e ITU-G.694.2 le frequenze centrali dei
canali e la spaziatura dei canali ottici, definendo un insieme delle frequenze
permesse denominato "ITU-T grid".
- Esistono diverse
tipologie di grid ITU-T che differiscono nella spaziatura tra le frequenze
adiacenti; minore è la spaziatura, maggiore è il numero di
canali (denominati anche con il termine "lambda") utilizzabili
e quindi la banda passante (o throughput) utilizzabile. I segnali ottici,
durante la loro propagazione nella fibra ottica, sono soggetti a diversi
effetti di disturbo, che tendono ad introdurre del rumore sul segnale che
raggiunge il ricevitore.
- Tra questi,
due sono gli effetti che hanno un maggior impatto sulla trasmissione e
dunque vanno opportunamente tenuti in considerazione nel design dell'infrastruttura:
l'attenuazione e la dispersione cromatica.
- L'attenuazione
è il fenomeno per cui, propagandosi, il segnale subisce al crescere
della distanza percorsa una riduzione della potenza ottica e, conseguentemente,
del valore del rapporto tra segnale e rumore ottico.
- La dispersione
cromatica è un effetto legato alle differenze nella velocità
di propagazione delle diverse lunghezze d'onda, a causa del quale, nel
propagarsi, un segnale tende a subire delle variazioni nella forma degli
impulsi ottici, che possono portare ad errori nella decodifica del segnale
ad opera del ricevitore.
- Per compensare
questi effetti, in fase di design della rete vengono introdotti lungo le
tratte in fibra ottica apparati in grado di amplificare il segnale ottico
e controbilanciare gli effetti della dispersione cromatica (i primi, noti
come In Line Amplifier sono tipicamente presenti ogni 60-80km, i secondi,
detti Dispersion Compensation Module, inseriti ogni 200-300km).
- Per poter coprire
il più ampio spettro di servizi trasmissivi, GARR-X impiegherà
per la realizzazione questo livello di rete apparati DWDM di nuova generazione
in grado di garantire elevata flessibilità nella realizzazione dei
canali ottici, utilizzando una struttura sincrona simile a quella impiegata
nelle reti SDH e standardizzata nella specifica ITU G.709 con il nome di
Digital Wrapper.
- I DWDM di ultima
generazione sono inoltre in grado di aggregare più segnali client
(denominati tributari) all'interno di un unico canale ottico, riuscendo
così ad ottenere una efficienza spettrale sempre più elevata.
Infine, i singoli canali ottici possono entrare in ciascun nodo ed attraversarlo
subendo solo un eventuale deviazione (routing) grazie ad appositi sistemi
ottici denominati WSS (Wavelenght Selective Switch).
- Questa configurazione
prende il nome di ROADM, Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexer.
In pratica, essa permette l'inserimento (add) e l'estrazione (drop) delle
singole lunghezze d'onda che trasportano il canale dati, senza la necessità
di doppia conversione (Ottico-Elettrico-Ottico) dei restanti segnali WDM.
- Una importante
funzionalità collegata all'add-drop è la possibilità
di aggiustamento automatico della potenza ottica trasmessa. Questa caratteristica
permette di creare un sistema di provisioning flessibile dei sistemi ROADM,
minimizzando la necessità di riconfigurare manualmente gli apparati
a seguito di modifiche o in base al numero di canali trasmissivi trasportati.
Inoltre la configurabilità dei nodi ottici rende possibile l'implementazione
di meccanismi atti a ripristinare il corretto funzionamento della rete
anche in presenza di guasti o anomalie che rendano non utilizzabili una
o più tratte in fibra.
- Al puro switching
fotonico realizzato mediante i WSS si affianca, sempre al livello di trasporto
trasmissivo, la funzionalità di switching dei singoli circuiti tributari
contenuti in un canale ottico multi-servizio.
- Questa funzionalità,
conosciuta in letteratura con il nome di sub lambda switching, fa sì
che tutti i nodi della rete di trasporto operino anche un'analisi del contenuto
informativo trasportato, alla ricerca di frame che devono essere spillate
da un canale ottico per essere iniettate all'interno di un canale ottico
diverso.
- Dunque il livello
trasmissivo si caratterizza in termini di innovazione tecnologia per l'impiego
di ROADM di ultima generazione, in grado di implementare tutti i meccanismi
ed i protocolli che hanno fatto delle reti ottiche il fattore abilitante
per le Next Generation Networks (NGN).
- Sempre restando
al livello della rete di trasporto, un altro fondamentale elemento di novità
è l'impiego di fibra ottica anche per la realizzazione delle code
di accesso alla rete.
- Infatti, in
questo modo GARR-X potrà veicolare, fino all'interno delle sede
da servire, molteplici servizi sul medesimo mezzo trasmissivo, ottenendo
un abbattimento dei costi di realizzazione e di esercizio e, nello stesso
tempo, un controllo granulare sui servizi fino al punto di consegna.
IL
LIVELLO DI SWITCHING
- Immediatamente
al di sopra dello strato di trasporto trasmissivo, GARR-X realizza un ulteriore
livello, detto di switching, in cui il traffico dati viene interpretato
non più come un flusso continuo di bit ma bensì come un flusso
di trame, ciascuna delle quali è caratterizzata dal fatto di trasportare
un ben preciso contenuto informativo, o payload. Il livello di switching
è il primo in cui si osserva che la commutazione di pacchetto (o
di trama) rimpiazza la commutazione di circuito.
- Esso verrà
implementato utilizzando switch evoluti in grado di operare su trame che
rispettino le specifiche del protocollo MPLS. Vi sono tipicamente diverse
interfacce disponibili su queste macchine; in GARR-X la scelta è
ricaduta sulle interfacce ethernet, in quanto rappresentano uno standard
molto diffuso ed offrono un ottimo rapporto tra prezzo e prestazioni, specie
per quanto riguarda la raccolta dei local loop, che richiede un numero
piuttosto elevato di porte.
- Gli apparati
e tecnologie del livello di switching devono essere in grado di erogare
non solo un trasporto a commutazione di trama puro e semplice, ma anche
garantire che i protocolli che si appoggiano a questo livello possano rilevare
rapidamente anche eventuali cambi topologici derivanti da guasti o malfunzionamenti
di rete.
- La scelta è
pertanto ricaduta su un livello di switching in cui si impiega in maniera
prevalente la tecnologia MPLS per ottenere meccanismi di switching estremamente
veloci (wire-speed). MPLS offre l'opportunità di ritagliare le risorse
del livello di switching assegnandole a servizi di tipo tunnel identificati
con il nome di LSP, o Label Switched Path.
- Per poter garantire
la presenza di strumenti di monitoring, fault isolation e provisioning
semi-automatico bisogna pensare che le interfacce e gli apparati che costituiscono
questo livello implementino alcuni protocolli specifici, il cui impiego
permette di pensare ad Ethernet come protocollo di comunicazione anche
al livello della rete di trasporto, dotando le linee ethernet dei meccanismi
di segnalazione, fault detection e fault propagation di cui nativamente
non disporrebbero (ci riferiamo in particolare dei protocolli Service Layer
OAM - IEEE 802.1ag Connectivity Fault Management, Link Layer OAM - IEEE
802.3ah OAM, ed Ethernet Local Management Interface - MEF-16 E-LMI).
- Ciascuno di
questi protocolli ha le sue prerogative ed è complemento necessario
ad una completa e corretta implementazione dell'ethernet Operations Administration
Maintenance. Infatti in uno scenario tipico in cui le tecnologie Ethernet
ed MPLS siano strettamente correlate, emerge l'esigenza che Ethernet OAM
(con particolare riferimento al Service Layer OAM 802.1ag CFM) debba interoperare
con altri meccanismi di OAM disponibili ai livelli più alti della
pila OSI (ad esempio MPLS OAM).
- Oltre alle funzionalità
erogate da una completa implementazione dell'802.1ag CFM, che mirano alla
garanzia dei servizi punto-punto, esiste una seconda area di funzionalità
di Ethernet OAM che permette all'Ethernet di avvicinarsi al mondo delle
Wide Area Network, vale a dire il link management, implementato dal protocollo
l'802.3ah.
- Questa parte
dell'ethernet OAM è quella che, nella pratica, implementa i meccanismi
in grado di attivare una sorta di segnalazione fra i due estremi di una
connessione Ethernet punto-punto. Inizialmente nato per implementare meccanismi
di link management per l'ultimo miglio, questo protocollo è oggi
un valido alleato dei reparti operativi della rete nella gestione di link
punto-punto Ethernet di qualsiasi natura.
- Lo scopo principale
del suo utilizzo è quello di abilitare il link monitoring, in attesa
di eventi potenzialmente critici a fronte dei quali è possibile
comandare i dispositivi coinvolti di mettersi in una condizione di loop
in modo da rendere possibile l'esecuzione test sul link.
- Le implementazioni
più aggiornate di 802.3ah, che saranno impiegate in GARR-X, riescono
ad identificare anche link unidirezionali che si presentano quando una
direzione del link trasmissivo si interrompe mentre la sua opposta resta
attiva.
- A completare
il panorama dei protocol enhancement per l'Ethernet vediamo infine Ethernet
Local Management Interface (E-LMI), progettato e ratificato dal Metro Ethernet
Forum (MEF) con il nome di MEF-16. Dell'E-LMI beneficiano sia il fornitore
di servizi (in questo caso GARR), che l'utente finale, in quanto grazie
ad esso è possibile estendere le funzionalità della gestione
Ethernet introdotte con i primi due protocolli della famiglia Ethernet
OAM fino alla sede utente. In GARR-X l'E-LMI sarà attivo sulla connessione
fra l'apparato lato utente (Customer Equipment, o CE in breve) ed il Provider
Edge router (o PE).
- Come il protocollo
LMI utilizzato nelle reti frame-relay, da cui eredita parte del nome, l'E-LMI
consente all'apparato dell'utente di autoconfigurarsi in modo conforme
al profilo utente e di servizio utilizzato e di conoscere le informazioni
relative al VLAN TAG, la banda corrispondente a ciascuna VLAN ed infine
le informazioni necessarie per la configurazione dei meccanismi di qualità
del servizio (QoS). In aggiunta a queste funzionalità, tramite l'E-LMI
è possibile notificare l'apparato utente di un malfunzionamento
presente all'interno della rete che trasporta il servizio; grazie a questo
accorgimento, in caso di guasto o indisponibilità della rete è
possibile ottenere tempi di convergenza molto più bassi di quelli
che si avrebbero affidandosi ai soli meccanismi di reinstradamento IP.
- In genere, l'implementazione
dei protocolli OAM può variare secondo la topologia di rete, del
portafoglio di servizi che si intende offrire, delle funzionalità
degli apparati impiegati e delle specifiche operative, ma è sempre
costituita da un sottoinsieme consistente delle funzionalità offerte
da 802.1ag, E-LMI, 802.3ah, MPLS Pseudowire OAM, con l'aggiunta dell'OAM
implementato da altri protocolli di trasporto (ATM, FR, SDH, ecc).
- Secondo questa
classificazione dell'interoperabilità, nello scenario tipico che
si incontra in GARR-X saranno disponibili diversi meccanismi di OAM interworking;
alcuni meccanismi di interoperabilità sono unidirezionali, mentre
in altri casi abbiamo una interoperabilità bidirezionale. In particolare:
- IEEE 802.1ag
è interoperabile verso E-LMI;
- IEEE 802.3ah
è interoperabile verso IEEE 802.1ag;
- MPLS Pseudowire
OAM e 802.1ag
- sono interoperabili
in modo bidirezionale.
- Immediatamente
al di sopra delle infrastrutture di trasporto e di switching è necessario
realizzare una rete in grado di coniugare al meglio il trasporto a commutazione
di pacchetto caratteristico dell'IP e le esigenze delle nuove applicazioni,
che spingono le richieste sempre di più verso i servizi erogati
dalle reti tradizionali a commutazione di circuito.
- In GARR-X questa
funzione viene svolta dal protocollo MPLS, esteso a tutta l'infrastruttura
di trasporto, per realizzare ed implementare gli strumenti necessari all'erogazione
dei servizi. MPLS è una tecnologia d'ausilio alla realizzazione
di reti IP che, invece di richiedere a ciascun nodo di controllare la propria
tabella di routing IP per stabilire l'interfaccia d'uscita del traffico,
permette di stabilire, elaborando esclusivamente le informazioni contenute
nella label d'ingresso, quali siano le label e l'interfaccia d'uscita per
il traffico.
- Dato che aggiunge
una nuova intestazione al traffico IP (il cosiddetto encapsulation, o "imbustamento"
) e lo invia al nodo adiacente secondo il livello due della pila ISO/OSI,
MPLS viene spesso definito come protocollo di livello "2,5" nello
stack protocollare.
- Il comportamento
di MPLS è simile a quello di tecnologie di rete a commutazione di
pacchetto tradizionali quali, ad esempio, Frame Relay ed ATM ma, a differenza
di queste, non richiede un livello 2 dedicato. Su MPLS sono inoltre stati
costruiti MPLS-TE (Traffic Engineering), VPLS (Virtual Private Lan Service),
HVPLS (Hierarchial VPLS), VPWS (Virtual Private Wire Service, con l'utilizzo
dell'incapsulamento Pseudo-wire), EoMPLS (Ethernet over MPLS) e le MP-BGP
VPN.
- Questo fa di
MPLS un elemento abilitante delle reti di nuova generazione (NGN) per l'erogazione
dei servizi evoluti a commutazione di pacchetto, anche in presenza di richieste
di garanzia di banda disponibile sia in accesso che nel trasporto.
- L'introduzione
del livello di switching permette alla nuova rete GARR-X di offrire servizi
evoluti quali le VPN L2 e le VPN L3, con o senza garanzia di banda.
- Infatti alcune
delle applicazioni che utilizzano una funzionalità di tipo VPN richiedono,
per lavorare correttamente, la disponibilità di una banda garantita,
mentre altre sono in grado di sostenere anche condizioni di banda ridotta
senza esserne penalizzate.
IL
LIVELLO IP
- Una maglia costituita
da alcuni nodi IP, tutti con funzioni di Core, rappresenta il cuore della
rete GARR-X per quanto riguarda l'erogazione del servizio IP Global Internet.
- Essendo deputata
al trasporto IP del servizio di Global Internet, questa maglia vede attestati
su di sé tutti i link che connettono GARR-X alle altre reti del
globo, ai Neutral Access Point ed agli ISP nazionali con i quali si stabiliscono
relazioni di peering diretto. In GARR-X, il piano di controllo del livello
deputato al trasporto del traffico IP verso il Global Internet sarà
implementato mediante un processo OSPF, da utilizzarsi principalmente per
ottenere la raggiungibilità IP delle connessioni punto-punto della
rete (solo quelle relative allo strato IP in questione) e delle loopback
degli apparati IP appartenenti a questo strato di rete.
- Al di sopra
del processo OSPF verrà poi istanziato un processo BGP (internal
BGP), con una topologia full-mesh implementata fra i router dello strato
di rete IP Global Internet. Il numero contenuto di sessioni BGP necessarie
a costituire la topologia full-mesh in GARR-X non richiede la definizione
di una gerarchia di Route Reflector BGP fin dal primo momento.
- Tale gerarchia
potrà eventualmente essere introdotta in rete al crescere del numero
dei router che devono prendere parte al processo di instradamento del traffico
Global Internet GARR.
- Sul layer IP
Global Internet verranno inoltre realizzate le funzioni di replicazione
del traffico IP multicast: saranno pertanto attivi sia il protocollo PIM
in modalità sparse mode e source specific mode, sia il protocollo
mBGP (Multicast BGP) per i peering IP Multicast con gli altri peer IP (ISP,
altre reti della ricerca, ecc.).
- I nodi del layer
IP Global Internet, sia in IPv4 che in IPv6, dovranno quindi:
- raccogliere
il traffico proveniente dagli accessi dell'utenza GARR; " trasportare
il traffico IP unicast da e verso le altre reti IP;
- trasportare
e replicare il traffico IP multicast da e verso le altre reti IP;
- erogare il servizio
di trasporto IP pubblico in modalità best-effort o, per quanto riguarda
quelle classi di traffico che presentino specifiche esigenze, rispettando
parametri stabiliti di banda, latenza e jitter.
- Bisogna osservare
che oltre alle funzionalità di Provider Router e Provider Edge Router
per il protocollo MPLS, questi router dovranno essere in grado di erogare
anche la funzionalità di Rendevouz Point e dovranno implementare
anche il protocollo RSVP-TE insieme al protocollo OSPF-TE.
- Per poter garantire
corretti ed efficienti meccanismi di rerouting a fronte di malfunzionamenti
di rete, questi router dovranno utilizzare ed interoperare con tutti i
protocolli di OAM elencati nel livello di switching, sia all'interno della
maglia IP Global Internet sia verso la rete di raccolta ed accesso (livello
di switching).
- Le connessioni
dell'utenza con velocità di linea (line rate) inferiori ad 1Gbps
non saranno attestate direttamente agli apparati appartenenti al livello
IP ma dovranno sempre transitare attraverso uno o più apparati del
livello di switching.
- Questa esigenza
deriva dalla necessità di utilizzare il livello di switching anche
come livello di demarcazione per la definizione e la gestione dei servizi
che richiedono performance gestite mediante meccanismi di QoS.
- Riassumendo,
per quanto riguarda i protocolli implementati sui vari livelli di rete,
i protocolli di routing IP ed MPLS implementati in GARR-X saranno:
- BGPv4
- MP-BGP
- M-BGP
- OSPF-v2/v3 con
estensioni TE
- RSVP-TE
- PIM SM, DM e
SSM, MSDP
- In particolare,
sul livello IP Global Internet saranno attivi i seguenti protocolli:
- BGPv4 con la
full Internet table IPv4 ed IPv6
- MP-BGP
- M-BGP
- OSPF-v2/v3 con
estensioni TE PIM SM, DM e SSM, MSDP (da definire su base progetto)
- Mentre sul livello
di switching saranno attivi:
- BGPv4, limitatamente
alle route IPv4 relative al solo livello di switching
- MP-BGP
- M-BGP
- OSPF-v2/v3 con
estensioni TE
- RSVP-TE "
PIM SM, DM e SSM, MSDP
- E' opportuno
rimarcare che, per il livello di switching la presenza di protocolli di
routing IP sarà limitata al solo control plane mentre, come descritto
in precedenza in questo articolo, il data plane sarà dominato dall'impiego
di MPLS.
INNOVATIVITÀ
E CAPILLARITÀ
- L'utilizzo sinergico
di tutti e tre i livelli di rete permette di raggiungere l'obiettivo di
realizzare una rete in grado, nel primo quinquennio del progetto, di supportare
il raddoppio annuale della capacità di accesso di tutti gli utilizzatori.
- Un altro elemento
innovativo della rete GARR-X è rappresentato dalla stretta sinergia
con le Reti Metropolitane e Regionali (MAN e RAN), che rende possibile
l'adozione di un nuovo paradigma di accesso in grado di aumentare in modo
imponente la capillarità nella raccolta del traffico, mantenendo
inalterate le performance in termini di banda offerta all'accesso.
- Le soluzioni
tecnologiche per integrarsi con le RAN e MAN differiscono a seconda del
tipo di infrastruttura locale disponibile o progettata e vengono studiate
di concerto con il personale tecnico di queste infrastrutture.
- Perché
sia possibile raggiungere con servizi avanzati le sedi degli utenti GARR
è necessario comunque che i collegamenti forniti dalle MAN e RAN
siano in fibra ottica fino all'apparato GARR.
- Scuole, biblioteche,
musei, enti no profit e consorzi misti pubblico/privato con finalità
di ricerca, che in genere sono collegati da MAN o RAN, possono richiedere
il transito del proprio traffico sull'infrastruttura GARR.
- In altri casi
è possibile stabilire connessioni di peering, che permettono di
scambiare localmente il traffico dei dati. In questo modo, la cooperazione
tra GARR e le reti cittadine e regionali già oggi favorisce il collegamento
di realtà di piccole dimensioni, che non avrebbero altrimenti la
capacità per dotarsi autonomamente di una connessione a larga banda
con il sistema mondiale delle reti accademiche.
- Dunque adottare
questo approccio, che verrà ulteriormente potenziato in GARR-X,
significa anche proporre una cura efficace per il digital divide: GARR-X
contribuirà al superamento delle differenze territoriali nella disponibilità
di servizi e modalità di accesso, fornendo un efficace supporto
alle attività di ricerca e formazione su tutto il territorio nazionale.
In questo modo, l'innovatività di GARR-X e dei suoi servizi avanzati
non sarà riservata a pochi fortunati ma potrà davvero raggiungere
tutti gli utenti.
- Questo aspetto
è particolarmente importante per le regioni del Meridione e le zone
poco urbanizzate e, nel medio termine, avrà un impatto ben oltre
la comunità della ricerca e dell'istruzione.
- Infatti, le
necessità di alcuni enti della comunità GARR stimoleranno
gli operatori di telecomunicazione a creare infrastrutture anche in zone
attualmente non raggiunte dalla larga banda.
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