Z prędkością światła

W artykule prześledzimy krok po kroku, jak wygląda podróż pakietu danych przez ocean na drugi kontynent.

Sygnał wypływający z naszego peceta najpierw musi pokonać odcinek tzw. ostatniej mili, czyli okablowanie doprowadzone do mieszkań. W naszych warunkach to przede wszystkim linie telefoniczne, łącza telewizji kablowej oraz coraz częściej sieć komórkowa. W lokalnym centrum usługowym naszego operatora sygnał opuszcza łącze dostępowe i trafia do infostrady, czyli łącza światłowodowego. Z niewielkimi przerwami na wizytę w routerach, kierujących przepływem informacji w sieci, będzie w nim pozostawał niemal do końca swojej podróży.

Na terenie Polski powstała gęsta sieć światłowodowa. Nie jest to jedna struktura, lecz wiele sieci zbudowanych przez różnych operatorów telekomunikacyjnych. Największą stworzyła TP SA, obecnie istniejąca już pod marką Orange. Liczy blisko 100 tys. kilometrów i dociera nawet do małych miasteczek. Inni operatorzy to m.in. Exatel, który ma światłowody o długości 20 tys. km i przepustowości 320 Gb/s, czy Telekomunikacja Kolejowa, która wzdłuż torów ułożyła 28 tys. km kabli telekomunikacyjnych, z czego ok. 6 tys. to światłowody. Własne ogólnopolskie sieci światłowodowe posiadają także Netia, GTS czy Atman. Jest też sieć Pionier łącząca główne ośrodki akademickie. Własną infrastrukturę mają często również mniejsi operatorzy, działający np. na terenie aglomeracji. Każda z sieci jest w pełni niezależna (patrz ramka „Sieć sieci”), a łącza są wykorzystywane na wiele sposobów: do tworzenia ogólnopolskich sieci korporacyjnych, przesyłania danych z połączeń telefonicznych, rozmów, multimediów.

Aby sieć operatora telekomunikacyjnego stała się częścią internetu, potrzebny jest jeszcze tzw. punkt wymiany ruchu z innymi sieciami (Internet Exchange Point). W Polsce jest ich kilkanaście: w Warszawie, Krakowie, Łodzi czy Poznaniu. Punkt wymiany ruchu to wydajny router internetowy, do którego mogą podłączyć swoje łącza wszyscy operatorzy, którzy spełniają wymagania techniczne. Zyskują tak wzajemny, równorzędny dostęp do swoich sieci. Bez tego klient jednego operatora nie mógłby obejrzeć witryny działającej na serwerze podłączonym do sieci konkurencji.

Operatorzy tworzą też dwustronne prywatne połączenia między swoimi sieciami (peering). Przyspiesza to transfer danych między użytkownikami dużych sieci i zwiększa niezawodność, bo dane mogą dotrzeć do celu różnymi drogami.

Dostawcy usług internetowych w Polsce mają sieci światłowodowe o zasięgu regionalnym, w nielicznych przypadkach wykraczającym poza Polskę (m.in. GTS). Jedynie Orange, zarządzający siecią zbudowaną przez TP, ma dostęp do globalnej sieci szkieletowej należącej do właściciela firmy, koncernu France Telecom. Pozostali operatorzy muszą wykupić dostęp do świata od jednego lub kilku operatorów globalnych sieci szkieletowych, którzy doprowadzili swoje światłowody do Polski, albo dzierżawić łącza od innych międzynarodowych operatorów dysponujących połączeniami z sieciami globalnymi.

Polska ma wiele punktów styku z europejskimi i światowymi sieciami szkieletowymi, których światłowody zostały doprowadzone do naszego kraju. Takie miejsca nazywa się punktami dostępowymi (point of presence) i jest w nich zainstalowany sprzęt pozwalający na wpuszczenie sygnału do światłowodu sieci szkieletowej. Łącza z naszym krajem ma m.in. szwedzka Teliasonara oraz amerykański operator Level 3 Communications.

O tym, w jaki sposób ze światem łączy się twój operator, możesz się dowiedzieć za pomocą programu Traceroute, który dostarcza informacje o trasie pokonywanej przez pakiet do określonego adresu IP. Jak zobaczysz, przy próbie połączenia z zagranicą, po kilku skokach między routerami w sieci własnej twojego operatora, pakiet przejdzie do sieci operatora o zasięgu kontynentalnym lub globalnym. Jeśli nazwa routera nie zawiera rozpoznawalnej marki, skopiuj i wklej do Google’a dwa ostatnie elementy nazwy domeny. Wtedy dowiesz się, kto łączy cię ze światem.

Podobnie jak w sieci o zasięgu krajowym, kluczowym elementem architektury sieci szkieletowej na kontynencie i w skali globalnej są punkty wymiany (internet exchange). W Europie największe tego typu placówki znajdują się we Frankfurcie, Amsterdamie i Londynie. Punkty wymiany obsługujące kontynentalną sieć szkieletową wymagają rozbudowanej infrastruktury złożonej z potężnych routerów i switchy, które przyjmują połączenie i przekierowują je do odpowiedniej sieci. O wydajności tych punktów wymiany może świadczyć garść statystyk z Frankfurtu. W szczycie obciążenia, który przypada wieczorem, co sekundę przepływa tamtędy 7 Gb informacji krążących między 500 sieciami. Do obsługi połączeń wykorzystuje się ponad 600 portów.

Mimo że sieci dalekodystansowe są wykonane w technologii światłowodowej, punkty wymiany działają na zasadzie połączeń elektrycznych z wykorzystaniem dobrze znanej każdemu użytkownikowi technologii Ethernet, tyle że w najnowszej wersji pozwalającej na transfery z prędkością 10 Gb/s. Sygnał w sieci szkieletowej, przechodząc przez punkt wymiany, jest konwertowany z optycznego na elektryczny, a po przejściu do innej sieci światłowodowej ponownie na optyczny.

Tym, co czyni z internetu sieć prawdziwie globalną, są połączenia międzykontynentalne. Większość ruchu internetowego podróżuje po dnie oceanu, w ułożonych tam kablach światłowodowych oplatających całą planetę. To następny etap podróży wysłanej przez ciebie informacji. Według firmy konsultingowej Terabit, która specjalizuje się w zagadnieniach telekomunikacyjnych, w 2010 roku na świecie było położonych 1,1 mln km podmorskich światłowodów. Największa liczba łączy Europę Zachodnią i Stany Zjednoczone, co wymaga pokonania ok. 6000 km oceanu. Oczywiście są też dłuższe instalacje. Kabel South-East Asia – Middle East – Western Europe-3, który biegnie z Niemiec do Korei Południowej, po wliczeniu połączeń do 39 punktów lądowania (landing point) w różnych krajach po drodze ma blisko 40 tys. km. Tyle co równik. Infostrada działa z prędkością ok. 1 Tb/s, czyli 10 000 razy większą niż 100 Mb/s w typowej, domowej sieci ethernet.

Światłowody pojawiły się całkiem niedawno. Pierwszy kabel został położony w 1988 roku, co zbiegło się z początkiem upowszechnienia się internetu. Impulsem do gwałtownego rozwoju połączeń międzykontynentalnych była gorączka dotcomów, z końca XX wieku. Operatorzy, spodziewając się ogromnego przyrostu ruchu sieciowego, inwestowali w tworzenie nowych połączeń szkieletowych. Bańka pękła w 2000 roku. Spadające kursy na giełdzie pociągnęły na dno wielu inwestorów, ale kable pozostały i są używane. Po uzdrowieniu rynku systematycznie budowane są nowe połączenia, obecnie przede wszystkim w Azji oraz w Afryce. Na czarnym kontynencie nie buduje się światłowodów lądowych ze względu na niestabilną sytuację polityczną i słabą infrastrukturę, więc kable podmorskie pełnią rolę afrykańskiej sieci szkieletowej.

Po pokonaniu Atlantyku twój sygnał opuszcza światłowód podmorski w jednym z punktów lądowania. Tam za pośrednictwem lądowych światłowodów płynie prosto do wielkiego centrum usługowego (data center), w którym działają aplikacje internetowe. Serwery obsługujące aplikacje internetowe już od dawna działają w scentralizowanych fabrykach przetwarzających informacje, wyposażonych często w dziesiątki tysięcy serwerów. Wielkie firmy, jak Google, Amazon czy Microsoft, mają własne centra usługowe, natomiast mniejsze wynajmują serwery, lub po prostu zwirtualizowaną moc obliczeniową.

W przeciwieństwie do twojego komputera, który korzysta z mało wydajnego łącza ostatniej mili, centra usługowe są podłączone bezpośrednio do światłowodowej sieci szkieletowej. Odbywa się to za pośrednictwem publicznych punktów wymiany oraz prywatnych połączeń do światłowodowej sieci szkieletowej największych dostawców. Centrum usługowe korzysta zwykle jednocześnie z kilku niezależnych dostawców usług internetowych, mających własną, globalną sieć światłowodów, w celu zapewnienia maksymalnej niezawodności.

Po tym, jak sygnał trafi do centrum usługowego, kontrolujący je router skieruje twoje żądanie do jednego z serwerów obsługujących daną aplikację internetową. Wewnątrz serwerowni sygnał po przekształceniu ponownie na postać elektryczną trafia do sieci ethernet 10 Gb/s, którą dociera do szafy z serwerami. Tam przełącznik kieruje sygnał do jednego spośród kilkudziesięciu serwerów, już po wolniejszym łączu ethernetowym 1 Gb/s.

Stamtąd informacja po przetworzeniu ponownie trafia do światowej infostrady i po ułamku sekundy, pokonując tę samą, albo w razie zmiany w topologii sieci, podobną drogę, wraca do twojej maszyny.

Internet to wiele niezależnych, ale połączonych fizycznie sieci komputerowych, które wymieniają ze sobą dane, korzystając z zestawu protokołów TCP/IP. Liczba sieci w drugiej połowie 2012 roku przekroczyła 42 tys. Aby twoja domowa sieć mogła stać się pełnoprawną częścią składową internetu, musi spełniać kryteria tzw. systemu autonomicznego (AS).

System autonomiczny to sieć (lub sieci) znajdująca się pod wspólnym nadzorem technicznym i administracyjnym, która ma jasno zdefiniowane zasady wewnętrznego trasowania (routing), czyli drogę, jaką pakiet ma dotrzeć do danego komputera w sieci. Sieć, by mogła stać się widocznym w internecie systemem autonomicznym musi udostępniać informacje dotyczące trasowania (routingu) innym sieciom. Do tego niezbędne jest uzyskanie numeru AS wraz z pulą adresów IP dla komputerów i routerów w sieci autonomicznej. W Europie przydziela je firma RIPE. Numer AS umożliwia uruchomienie granicznego routera dla sieci, który „rozmawia” z innymi autonomicznymi sieciami. Do tego celu służy protokół BGP (Border Gateway Protocol). Router działający na bazie BGP musi tworzyć i przechowywać aktualną „mapę” internetu, czyli zbiór informacji o trasach, które należy wybrać, by najszybciej dostarczyć informacje do wskazanego adresu IP. W drugiej połowie 2012 roku liczba tras sięgnęła 430 tys., co sprawia, że BGP wymaga sprzętu z dużą ilością pamięci RAM i mocnym procesorem. Zwykły domowy router nie poradzi sobie z takim zadaniem. Drugim zadaniem routera BGP jest rozgłaszanie informacji o najlepszych trasach do wskazanych zakresów IP wewnątrz własnej sieci, tak by inne routery BGP mogły zaktualizować własną „mapę” internetu.

Numer AS swojej sieci możesz sprawdzić w serwisie Prędkości (www.predkosci.pl). Jeśli jesteś ciekaw, jaka jest najlepsza trasa dla pakietów płynących z wybranego hosta do twojego komputera, kliknij na stronie link Looking glass. Aktualne statystyki BGP są na stronie http://pcformat.pl/u/464.