Rekordy szybkości I2

Użyteczna szybkość sieci (czysta informacja bez nagłówków) zależy od wielu czynników, wśród których istotną rolę odgrywają: jakość i szybkość kanału przesyłowego (kanały optyczne n*lambda), liczba węzłów i sieci przeładunkowych, wydajność najbardziej obciążonego węzła na trasie transmisji, standardowa długość przesyłanych pakietów w zbiorze (im dłuższy pakiet, tym szybciej), sposób systemowej retransmisji błędnych rekordów (im krótszy pakiet, tym sprawniej przebiega korekta), a także rodzaj przyjętego protokołu transmisji (IPv4, IPv6).

Ustanawianie kolejnych rekordów szybkości sieci I2, w których biorą udział ośrodki naukowe, uczelnie i producenci sprzętu (AMD, Cisco, Microsoft Research, Newisys oraz S2io), ma na celu przygotowanie sieci do uruchomienia w 2007 r. akceleratora cząsteczek Large Hadron Collider (LHC) w centrum naukowym CERN, który będzie produkował rocznie ok.15 petabajtów danych (1 petabajt to 1024 terabajty). Bariera użytkowej szybkości Internetu nowej generacji padła w kwietniu 2004 r., kiedy to naukowcy z Instytutu Caltech (California Institute of Technology) oraz centrum badawczego CERN (European Organization for Nuclear Research) przesłali 859 GB danych w czasie krótszym niż 17 min. Przekaz na trasie 11 tys. km między CERN w Genewie i Caltech w Pasadenie z przepływnością 6,65 Gb/s był początkiem bicia rekordów szybkości w szkielecie 10 Gb/s.

W marcu 2006 r. międzynarodowe zespoły badawcze (Uniwersytet Tokijski, WIDE Project, Microsoft, Pacific Northwest Gigapop, JGN2, Chelsio Communications) przeprowadziły na dystansie ponad 30 tys. km testy wydajności sieci transportowej I2-LSR (Land Speed Records) z zastosowaniem protokołów IPv4 oraz IPv6, w których uzyskano kolejne rekordy. W zbliżonych warunkach środowiskowych (szkielet 10 Gb/s) wykorzystując protokół IPv4, uzyskano przepływność unicastowych i multicastowych strumieni wynoszącą 7,99 Gb/s (8 sieci pośredniczących, pojemność łącza 239 820 Tb*m), a za pomocą platformy IPv6 efektywny transport wyniósł 6,18 Gb/s (6 sieci, pojemność łącza 185 000 Tb*m). Wielkości te dotąd nie zostały pobite.

<hr size="1" noshade>

Prekursorem w realizacji koncepcji Internetu2 była amerykańska sieć uniwersytecka Abilene Network, która połączyła laboratoria i ośrodki obliczeniowe północno-amerykańskich uczelni. Sieć uruchomiono (październik 1996 r.) z wykorzystaniem sprzętu komunikacyjnego Cisco (oprogramowanie i routery serii 12 000), Nortel Networks (sieci optyczne) oraz narodowego operatora telekomunikacyjnego Quest Communication (SONET).

<hr size="1" noshade>

Polski Internet2, czyli PIONIER

Inicjatywy podobne do wdrożonej w USA szybkiej sieci Internet2 podjęto również na kontynencie europejskim, gdzie w 1997 r. uruchomiono dla nauki sieć TEN-34 (Trans European Network) o przepływności 34 Mb/s, zmodernizowaną rok później w ramach projektu Quantum na sieć TEN-155 (155 Mb/s) i zarządzaną przez konsorcjum DANTE (Delivery of Advanced Networking Technology to Europe Ltd.). Współczesna wersja tej sieci o nazwie GEANT2 obejmuje teraz większość wyższych uczelni europejskich z przepustowością łączy bezpośrednich sięgającą 10 Gb/s i stanowi podstawę wymiany informacji naukowej nie tylko na starym kontynencie.

Odpowiednikiem szybkiej sieci Internet2 w Polsce była początkowo akademicka sieć komputerowa POL-34 (szkielet 34 Mb/s), szybko zmodernizowana do postaci POL34/622, której funkcje przejęła 1 stycznia 2004 r. bardziej nowoczesna, ogólnopolska sieć optyczna według projektu PIONIER. Przygotowywany od 1999 r. projekt PIONIER zainicjował wiele działań, których celem była budowa od podstaw mechanizmów komunikacji międzyuczelnianej, umożliwiającej Polsce równorzędne partnerstwo naukowe z innymi krajami.

Projekt wdrażany w Polsce w latach 2001-2005 jako sieć optyczna PIONIER: "Polski Internet Optyczny - Zaawansowane Aplikacje, Usługi i Technologie dla Społeczeństwa Informacyjnego" skoncentrował się na trzech obszarach:

• budowie szerokopasmowej infrastruktury sieciowej dla wspomagania nauki, dorównującej podobnym instalacjom optycznym w innych krajach europejskich;
• przetestowaniu pilotowych usług i aplikacji dla społeczeństwa informacyjnego, stanowiących podstawę wdrożeń w takich dziedzinach, jak: nauka, edukacja, medycyna, środowisko naturalne, administracja rządowa i samorządowa, przemysł i usługi;
• stworzeniu konkurencyjnych warunków do generowania oprogramowania dla nowych zastosowań (integrowanie mocy obliczeniowej, sieci kratowe, nowe protokoły transportu).

Po uzyskaniu połączenia z siecią naukową GÉANT środowisko uczelniane rozpoczęło intensywne użytkowanie nowej infrastruktury. W ramach międzynarodowych projektów badawczych zostały zestawione dedykowane kanały dla kilku projektów (ATLAS, eVLBI czy 6NET), a do pilotażowych przedsięwzięć wybrano osiem dziedzin nauki - dla których utworzono specjalne aplikacje (m.in. komunikacyjną, telemedyczną, nauk obliczeniowych i wspomagania nauczania) stanowiące poligon doświadczalny zaawansowanych rozwiązań technicznych.

Korzystając z dedykowanych połączeń, zrealizowano w sieci wiele projektów celowych (Progres, SGIGrid, Clusterix), finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Sun Microsystems i Silicon Graphics. Na uwagę zasługuje realizacja projektu Clusterix, w którym uruchomiono największą swego czasu instalację w Europie opartą na ponad 800 procesorach Intel Itanium2. Ponadto w sieci zaimplementowano pierwsze aplikacje Internetu nowej generacji, związane z rozproszonymi gridami oraz telemedycyną, a wkrótce kanały do eksploatowania interaktywnej telewizji (projekt celowy realizowany wspólnie z TVP).

Nowa infrastruktura i aplikacje

Tworzona i zarządzana przez Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe sieć naukowa PIONIER łączy obecnie 21 optycznych miejskich sieci akademickich międzymiastową infrastrukturą światłowodową w technologii DWDM i umożliwia świadczenie wymaganych przez te środowiska usług. Od 2001 r. położono ponad 4000 km traktów światłowodów (włókna jednomodowe G.652 oraz włókna G.655 o niezerowej przesuniętej dyspersji), które umożliwiają transmisję z podstawową szybkością 10 Gb/s, a w przyszłości do 40 Gb/s na pojedynczej długości fali.

Na sieci podkładowej zainstalowano przełączniki 10GE XMR firmy Foundry Networks i Black Diamond 6800 firmy Extreme Networks wraz z routerem centralnym Juniper T320. Od listopada 2003 r. sieć PIONIER ma wydzielone łącza 10 Gb/s (obecnie 2x10 Gb/s) do paneuropejskiej sieci badawczej GÉANT2 z węzłem w Poznaniu oraz bezpośrednie połączenia do Pragi i Sztokholmu, a także do Internetu poza Polskę poprzez sieć Telli (5 Gb/s). Technologicznie najbliższym odpowiednikiem tego projektu jest aktualnie budowana amerykańska sieć naukowa National Lambda Rail, ukierunkowana podobnie jak PIONIER na rozwój dziedzin nauki "wrażliwych" na dostęp szerokopasmowy (np. radioastronomia i fizyka wysokich energii).

Charakterystyczną cechą nowego systemu jest aplikacja wirtualnego laboratorium VLAB, w którym specjalne oprogramowanie umożliwia zdalne sterowanie pracą urządzeń pomiarowych z możliwością natychmiastowego obejrzenia rezultatów. W ramach wirtualnego laboratorium dostępne są eksperymenty, m.in. ze spektrometrem NMR, radioteleskopem i mikroskopem elektronowym, a do zdalnej obsługi online tych urządzeń wystarczy zwykła przeglądarka internetowa.

Sieć PIONIER umożliwia także dołączenie rozproszonej infrastruktury obliczeniowej znanej pod nazwą WLCG (Worldwide LHC Computing Grid), wyposażonej obecnie w ponad 20 tys. procesorów rozproszonych po świecie w jednostkach Tier1 i Tier2. Trzy polskie centra superkomputerowe (Cyfronet AGH z Krakowa, ICM z Warszawy oraz PCSS z Poznania) są obecnie w trakcie budowy węzła Tier2 i połączenia go siecią 10 Gb/s z jednostką Tier1 w Niemczech. Bezpośrednia komunikacja szerokopasmowa między Poznaniem (bramka do Tier2) i Karlsruhe (Tier1) dokonuje się poprzez transgraniczne łącze światłowodowe CBDF (Cross Border Dark Fibre).

Prezentacji osiągnięć polskiej sieci PIONIER dokonał PCSS w listopadzie 2005 r. na wystawie Supercomputing 2005 (Seattle, USA), gromadzącej zaawansowane projekty informatyczne. Obok rozwiązań skierowanych wyłącznie dla naukowców operator zaprezentował platformę telewizji interaktywnej umożliwiającej dostęp na żądanie (Video on Demand) do zasobów multimedialnych na wielką skalę. Dzięki niej już dziś można zarządzać treściami cyfrowymi zarówno w przekazie archiwalnym, jak i "na żywo" z dostawą obrazu dużej liczbie użytkowników. Obecnie system ten jest testowany przez Telewizję Polską (http://www.itvp.pl ), udostępniając poprzez Internet transmisje najciekawszych imprez (np. oglądany na całym świecie Konkurs Chopinowski).

Inwestowanie w przyszłość

Gigabitowa infrastruktura PIONIERA znajduje się w ciągłej rozbudowie. Pod koniec 2004 r. sieć została poszerzona o trakty światłowodowe w centralnych i wschodnich rejonach kraju (Sochaczew, Radom, Puławy, Lublin) wykonane w technologiach optycznych (1GbE i 10GbE), a w ubiegłym roku powiększyła się o łącza światłowodowe w relacjach Poznań - Gorzów Wlkp. - Szczecin - Koszalin, co usprawniło wymianę baz danych między metropoliami Polski Północnej. Nowe linie światłowodowe połączyły także Szczecin, Koszalin i Gdańsk (10 Gb/s), a na trasie Poznań - Warszawa uruchomiono transmisję w technologii 2x10 Gigabit Ethernet.

Korzystając z sieci PIONIER, Poznańskie Centrum uruchomiło w marcu tego roku najnowszy klaster obliczeniowy bazujący na 2-rdzeniowych procesorach AMD Opteron i zawierający 43 węzły 4-procesorowe SUN Fire V20-40z połączone podwójną siecią GbE. Wdrożenie technologii Dual Core (podwójny rdzeń z dwoma procesorami zintegrowanymi w jednym układzie) pozwoliło korzystać w sieci z klastra o łącznej mocy obliczeniowej ponad 755 GFLOPS-ów.

<hr size="1" noshade>dr Maciej Stroiński, dyrektor techniczny Poznańskiego Centrum Superkomputerowo-Sieciowego

Sieć PIONIER wyzwoliła impulsy umożliwiające tworzenie aplikacji dla informacyjnego społeczeństwa przyszłości, których przykładem jest system interaktywnej telewizji IPTV. Aby uświadomić sobie znaczenie sieci dla tego rodzaju systemów, warto wspomnieć, że podczas transmisji Koncertu Chopinowskiego ruch w sieci osiągnął 2,1 Gb/s. Gdyby więc nie było dostępu do sieci tej klasy co PIONIER, nie byłoby możliwe budowanie takich aplikacji. Sieć PIONIER oraz testowane w niej technologie transmisyjne - w szczególności Ethernetu w sieci rozległej - stanowią nową jakość i wyzwanie do tworzenia tanich rozległych sieci szerokopasmowych. W programie PIONIER2, który jest aktualnie przygotowywany, środowisko naukowe zakłada wdrażanie nowych technologii transmisyjnych z szybkościami do 100 Gb/s na jedną lambdę. W takiej sieci możliwe będzie budowanie dedykowanych superszybkich sieci, stanowiących bazę (backplane) dla rozproszonych systemów usługowych nowej generacji. Nazywamy te systemy platformami usługowymi i zakładamy, że będą one zdolne do obsłużenia setek tysięcy czy nawet milionów użytkowników. Platformy usługowe będą systemami o nowej architekturze, ukierunkowanej na zwiększenie bezpieczeństwa, niezawodności i autonomiczności. Zarządzanie tym środowiskiem powinno łączyć w jeden schemat zarządzanie sieciami, gridami i usługami, przy czym skalowalność tych systemów musi być tak duża, aby był możliwy lawinowy wzrost użytkowników wymuszany rozpowszechnianiem się sieci bezprzewodowych i sensorowych.

PIONIER2 będzie więc polską odpowiedzią na poszukiwania nowych architektur dla Internetu przyszłości i gridów nowej generacji. Obszary aplikacyjne, dla których powstawać będą platformy, dotyczyć będą e-nauki, e-edukacji, e-zdrowia, e-administracji itp. Będzie to możliwe poprzez rozwój narzędzi dla telewizji IP, telewizji mobilnej, aplikacji bezprzewodowych, bibliotek cyfrowych itp. Wśród adresatów powinny znaleźć się w szczególności osoby zagrożone wykluczeniem cyfrowym oraz obszary dotychczas mało eksploatowane, takie jak środowisko naturalne. W tym zakresie program PIONIER2 będzie więc współgrał z celami działań unijnych (inicjatywa i2010 czy 7 Program Ramowy).<hr size="1" noshade>