Компьютерра
29.10.2012 - 04.11.2012
Интервью
Руслан Смелянский (ЦПИ КС) о будущем компьютерных сетей
Лежащая в основе современных сетей архитектура закладывалась полвека назад, когда мир был совсем другим. Объемы трафика растут гораздо быстрее, чем увеличивается пропускная способность систем передачи данных, а его структура все время усложняется. О перспективных методах решения этих проблем «Компьютерре» рассказал директор по науке и образованию Центра прикладных исследований компьютерных сетей (ЦПИ КС), член-корреспондент РАН, профессор МГУ им. М.В. Ломоносова, д.ф-м.н. и заслуженный деятель науки Российской Федерации Руслан Смелянский.
- Не могли бы вы рассказать о вашем центре: когда он был создан и каковы его цели и задачи?
- Центр юридически был создан в январе этого года и уже в феврале ему был присвоен статус резидента «Сколково». Мы стали, насколько мне известно, первой некоммерческой организацией-резидентом, которая полностью ориентирована на научные исследования.
Основных направлений деятельности три. Во-первых, это установление партнерских взаимоотношений с международными исследовательскими центрами. Второе направление нашей деятельности — работа с НИИ Академии Наук и российскими университетами с целью инициировать там научные исследования в области компьютерных сетей. Третье направление деятельности — это продвижение новых технологий, демонстрация их преимуществ нашей отечественной промышленности, создание совместных проектов и проверка эффективности этих технологий на реальных задачах.
- Говоря о технологиях, вы имеете в виду только программно-конфигурируемые сети (SDN), или Центр занимается чем-то еще?
- Мы занимаемся компьютерными сетями, которые сегодня переживают глубокий кризис. Если очень кратко, то причина этого кризиса, во-первых, в том, что лежащая в основе современных сетей архитектура закладывалась в конце шестидесятых — начале семидесятых годов прошлого века и безнадежно устарела.
Во-вторых, недавно в области компьютерных сетей появились новые тенденции. Темпы роста трафика и структура этого трафика стали существенно обгонять те возможности, которые предоставляют системы передачи данных. Раньше темпы роста пропускной способности систем передачи данных практически удваивались каждый год, и это всех устраивало. Сейчас объем трафика увеличивается существенно быстрее пропускной способности каналов, и это начинает создавать проблемы.
И наконец, в-третьих, что является, в какой-то степени, следствием первого: компьютерные сети — одна из наиболее сложных инженерно-технических систем, поведение которой сложно предсказать. Достаточно сказать, что в современных сетях активно используется более шестисот разных протоколов. Связать их между собой по управлению и данным надежно и безопасно — это задача чрезвычайно трудная. Именно поэтому администрирование компьютерных сетей — скорее, искусство, нежели инженерия. И понятно, что с таким положением уже никто не хочет мириться.
Лет пять или шесть назад в США возникло движение по созданию компьютерных сетей (или, если хотите, интернета) нового поколения. И начались поисковые исследования. Одно из таких направлений, которое на сегодняшний день стало лидирующим — программно-конфигурируемые сети (software defined network). Его мы и развиваем сейчас в России.
- Если конкретизировать проблемы компьютерных сетей, то четко вырисовываются две проблемы. Это отставание темпов роста пропускной способности каналов от темпов роста трафика и сложная гетерогенная структура, которой очень тяжело управлять. Это основные факторы?
- Не только это. Есть и третий фактор. На сегодняшний день оборудование, с помощью которого строятся компьютерные сети является проприетарным. То есть для системного администратора это «черный ящик», в который он втыкает провода и функциональностью которого он пользуется. Там есть прошитый производителем софт, но пользователь без производителя ПО сменить не может.
- Но разве это проблема? Допустим, оборудование – «черный ящик», но все входы и выходы из этого ящика описаны — протоколы стандартизированы.
- Протоколов более шестисот. Действительно, каждый из них имеет стандарт, но подавляющее большинство используемых в интернете протоколов стандартом де-юре не является.
- Но это в основном протоколы уровня приложений?
- Вы глубоко заблуждаетесь. Протоколы TCP/IP не являются стандартами де-юре с точки зрения международного права — это стандарты де-факто.
- Но они являются отраслевыми техническим стандартами де-факто, описанным в RFC.
- Они не являются отраслевыми стандартами. Понятие отраслевого стандарта совсем другое. Они являются стандартами де-факто, выпущенными неким образованным в США society и ставшими международными. Но де-юре это не стандарты.
Мало того, чтобы согласовать протоколы между собою, одного стандарта недостаточно. Он не определяет многих технических параметров и не описывает (да и не должен описывать, чтобы не связывать по рукам и ногам производителей) очень многих деталей. Даже при наличии стандарта могут возникать ситуации нестыковки протоколов между собой. Но самое главное, организация сетей в виде «черных ящиков» блокирует возможности проведения экспериментов с новыми протоколами.
- Один из предлагаемых вариантов решения этих проблем — программно-конфигурируемые сети. В чем суть этой технологии?
- Проблем, конечно, не три, их много больше. В основной массе использующихся сейчас протоколов смешаны два разных вида данных: управляющие (с помощью которых происходит управление обменом информации) и, собственно, передающие данные. Программно-конфигурируемые сети их разделяют, то есть управление здесь происходит по совершенно другим каналам, нежели чем сама передача.
Кроме того, передача данных идет не через отдельно маршрутизируемые пакеты, как это сделано, скажем, в IP, а в виде потока. Если мы вспомним IPv4 и IPv6, то там есть такое поле — идентификатор потока. Здесь оно существенно используется.
- Но данные одного потока все равно оформлены в виде пакетов?
- Совершенно верно, данные идут по виртуальному соединению, которое маршрутизируется в момент своего создания. И дальше все относящиеся к нему пакеты идут по одному маршруту. Как только появляется пакет, маршрутизатор смотрит, знает ли он поток, к которому тот относится. Если устройство в своих таблицах маршрутизации находит соответствующие правила (то есть знает этот поток), то пакет обрабатывается в соответствии с ними. Если такого правила нет, то устройство обращается к так называемому контроллеру, который принимает решение об открытии нового потока и формирует правила. Они загружаются с помощью протокола Openflow в таблицы маршрутизатора и используются при обработке всех пакетов нового потока.
Таким образом, решается очень серьезная проблема — на ранних этапах развития интернета было принято решение, что каждый пакет может маршрутизироваться самостоятельно. Оно было следствием сформулированной в конце шестидесятых годов в DARPA проблемы: военным были нужны высокоживучие системы передачи данных, чтобы уничтожение отдельного узла не приводило к выходу из строя всей сети. Пока каналы были медленными и потоки данных небольшими — это было приемлемо.
Каждый узел сети при этом должен решать две задачи: построение маршрута для пакета и коммутация пакета в соответствии с принятым маршрутом. С точки зрения вычислительной сложности эти задачи принципиально разные. Проблема была осознана только в девяностые годы, и люди стали пытаться их разделить, то есть вытащить все, что связано с расчетом маршрута и его оптимизацией, в отдельные специализированные сервера, оставив основной части узлов сети только задачи маршрутизации.
Именно на этом принципе построены так называемые MPLS-сети или маршрутизация по меткам. В программно-конфигурируемых сетях решение доведено до логического конца — сформулировано понятие сетевой операционной системы, управляющей ресурсами сети (маршрутизаторами, свичами, линками), как традиционная ОС управляет ресурсами компьютера. Поверх нее работают различные приложения: по маршрутизации, по балансировке потоков, по оптимизации пропускной способности каналов и т. д. и т. д. и т. д. Эти приложения работают на так называемых контроллерах, а остальные устройства просто решают задачи маршрутизации и коммутации.
- Насколько я понимаю, здесь активно используются технологии виртуализации? Живучесть контроллера (на котором очень многое завязано) мы не теряем?
- Естественно, этот подход открывает новые возможности по виртуализации.
- Но разве программно-конфигурируемые сети могут решить проблему с пропускной способностью каналов? Ведь, скажем, 2 Мбита есть 2 Мбита и ничего с этим не сделаешь на программном уровне.
- Они решают задачу балансировки нагрузки и более эффективного использования каналов, подобно тому, как виртуальные машины позволяют повысить эффективность использования вычислительных ресурсов дата-центров. Здесь то же самое — более эффективно используются имеющиеся каналы, ресурсы коммутаторов и другого оборудования. Проблема недостаточно быстрого роста пропускной способности каналов решается за счет динамического перераспределения нагрузки.
- Перейдем к экономическим аспектам проблемы. Что в данном случае важнее, технические или экономические причины?
- Промышленность никогда не будет инвестировать в то, что не приносит доход. Основной экономический фактор здесь – на 30% снижается стоимость владения компьютерными сетями за счет сокращения расходов на управление. И за счет динамической балансировки и перераспределения нагрузки вы можете повысить на 20% фактическую пропускную способность своих каналов. А значит — пропустить больше трафика и заработать больше денег.
- А какие-то недостатки и узкие места у программно-конфигурируемых сетей есть?
- Конечно. Это новое явление и у него пока отсутствует то, что называется научным бекграундом — здесь еще нужно много работать математикам по построению соответствующего аппарата. Кроме того, не до конца решены вопросы построения распределенных контроллеров — сетевые операционные системы пока не обладают должной гибкостью.
- Но ведь есть наработки, которые уже пошли в серию? Насколько мне известно, протокол OpenFlow поддерживается рядом крупных производителей сетевого оборудования.
- Количество производителей, которые выпускают поддерживающее OpenFlow оборудование растет постоянно. На сегодняшний день это и Nec и HP и Huawei и Juniper и Marvell — их много. IBM заявила о поддержке OpenFlow — эта когорта постоянно растет.
- SDN, если по-русски ПКС, базируются на открытых технологиях и стандартах?
- Есть уже несколько версий открытого стандарта OpenFlow.
- Но реализации протокола у разработчиков проприетарного железа могут быть основаны на закрытом коде?
- Этот протокол позволяет контроллеру общаться с активным сетевым оборудованием. Важно, чтобы сформулировавшее политику маршрутизации приложение могло загрузить соответствующее правило в память устройства (свича или маршрутизатора), — оборудование должно быть программно управляемым. Вот эта загрузка происходит по открытому протоколу OpenFlow. Само устройство может быть проприетарным, но, главное, оно становится программируемым. И, что самое важное — оно программируемо вами — вы сами описываете политику.
- Дурацкий вопрос, что изменится с точки зрения конечного пользователя с массовым внедрением программно-конфигурируемых сетей?
- Нововведения коснутся в первую очередь активного сетевого оборудования на стороне оператора, а также корпоративных сетей. Домашним же пользователям могут предложить новые услуги, например, администрирование сетей.
- То есть оборудование с поддержкой OpenFlow будет доступно и частным лицам?
- Вы можете поставить SDN-свич у себя дома и прописать, как вы хотите связать разные устройства. Например, если в квартире несколько комнат можно перенаправить аудиопоток из одной в другую. Более того, провайдер сможет удаленно вам помогать, устранять проблемы, подгружать софт с новым функционалом и т. д.
- И, наверное, SDN позволит снизить тарифы?
- Прежде всего, технология позволит снизить себестоимость услуг для провайдера. И отсюда повышение рентабельности его бизнеса. Одна из проблем заключается в том, что стоимость услуг повышать из-за жесткой конкурентной борьбы нельзя, а их себестоимость постоянно растет, потому что дорожает труд, оборудование усложняется, повышается его стоимость и т.д.
- Каковы ваши прогнозы развития ситуации? Настолько быстро будут внедряться технологии SDN?
- Думаю, в ближайшие три-пять лет это станет общей практикой. Если на рынке начались процессы слияния и поглощения, то есть происходит покупка занимающихся программно-конфигурируемыми сетями компаний (причем, за ощутимые деньги), то тенденции очевидны. Самое главное для нас, россиян, что открылось окно — если мы в ближайшие годы сможем наладить производство своих продуктов (хотя бы софтверных), то из потребителя технологий Россия превратится в поставщика.
- И дело не только в бизнесе — это ведь связано и с технологической независимостью и национальной безопасностью?
- Вы абсолютно правы, потому что ПКС-сети позволяют решать многие вопросы безопасности более эффективно, чем традиционные. Что касается национальной безопасности — достаточно привести пример Бушерской АЭС — в 2010 году атомная программа Ирана была в центре международного внимания. Если вредоносный код может выводить из строя технологическое оборудование, то кибервойны вполне реальны.
Колумнисты
Дмитрий Вибе: Две точки зрения на небо
В последние недели одной из основных тем для обсуждения стало учреждение в МИФИ кафедры теологии. Обсуждение, естественно, было бурным и едким, но, как мне показалось, довольно бессодержательным. Ни та, ни другая сторона так и не смогли объяснить, почему в МИФИ должна или не должна существовать кафедра теологии.
Доводы в пользу открытия, по-моему, можно суммировать так.
Необходимо повышать культурный и патриотический уровень студентов.
В советское время в вузах были кафедры научного коммунизма, и ничего.
В западных университетах вон есть целые теологические факультеты.
Все эти доводы выглядят несерьёзно. Культуре, патриотизму (и уж тем более вере) нельзя научить; научить можно имитации. К чему привело преподавание научного коммунизма, мы все видим; грабли ждут нас по-прежнему. Теологические факультеты на Западе существуют сейчас в несколько иной среде (об этом речь пойдёт дальше).
Доводы против, впрочем, не более весомы (да-да, и можете побить меня камнями).
За бюджетные средства будет преподаваться религия, причём, скорее всего, только одна. Плохо, конечно, но по сравнению со многими другими (куда более масштабными) бессмысленными тратами конкретно эта большого урона бюджету не нанесёт. Она просто более очевидна, и потому по её поводу проще высказываться.
Занятия теологией отвлекут студентов от профильных дисциплин; пока занятия декларируются как необязательные, но, конечно, никто не поручится (при общем «векторе развития»), что через пару лет они не войдут в обязательную программу. Это так, но падение уровня естественнонаучного образования началось не этой осенью и не из-за введения теологии в МИФИ. От профильных дисциплин студентов-физиков разных вузов уже давно отвлекают какие-то другие причины.
Основа теологии — вера, которой не место в современной науке. Но если почитать государственный стандарт по специальности «Теология», то он выглядит вполне светским. Конечно, возникает вопрос, почему заведовать кафедрой зовут священника, а не специалиста-теолога. Неужели за 10 лет существования стандарта десятки кафедр теологии в российских вузах не подготовили ни одного достойного специалиста? Однако же у меня самого нет астрофизического образования, однако это не мешает мне заниматься астрофизикой.
В общем, антитеологическая позиция уходит, в основном, в эмоции и юмор. Событие кажется настолько загадочным (зачем?!), что рационально возразить против него не очень получается. Рационально возражать можно было, когда теология попала в государственный стандарт. А сейчас-то что: МИФИ — университет? Университет. Дисциплина есть в стандарте? Есть. В университете вводится преподавание дисциплины из государственного стандарта. Какие проблемы?
Но вместе с тем именно сейчас возникло сильное ощущение дискомфорта. Как будто бы в долгом противостоянии пала крепость, важная психологически, хотя и не имеющая стратегического значения. Уж если
Этим летом я впервые побывал в Вечном городе — Риме №1 — на большой конференции Европейского астрономического общества. Конференция проходила в Папском Латеранском университете. На открытии конференции помимо профессоров выступали монсеньоры, а на пленарных заседаниях на нас спокойно, хотя и (как мне показалось) с некоторой жалостью смотрел Иисус (см. фото). И никто не чувствовал по этому поводу никакого нарушения гармонии. Ибо астрономия на протяжении уже многих столетий дружит с Ватиканом! И при Ватикане с XVIII века работали астрономические обсерватории.
Конечно, изначально астрономический интерес Ватикана был связан исключительно с необходимостью ведения календаря, но впоследствии — веку к девятнадцатому — католические астрономы занимались уже самыми разнообразными исследованиями. Вплоть до того, что именно священнослужитель, директор Римского иезуитского колледжа Анджело Секки (кстати, начинавший карьеру с теологии), заложил основы спектрального анализа, то есть, по сути, всей современной астрофизики.
Современная Ватиканская обсерватория располагает довольно большим телескопом VATT (1,8 м), установленным в США, на котором проводятся регулярные наблюдения, затрагивающие в том числе и космологию. Несколько непривычно, конечно, читать в новостях обсерватории про то, что «св. отец Корбелли пять ночей проработал с новым спектрографом и нашёл результаты многообещающими, сообщив, что автогидирование на щели работает очень хорошо». Но какая мне разница, во что одет человек и как он называется — Dr. или Fr., — если мы с ним говорим об астрономии на одном языке?
Ещё один пример единения астрономии и религии мы в Риме нашли совершенно случайно, спасаясь от жары в попавшейся на дороге церкви. Это оказалась базилика св. Марии ангелов и мучеников, которая в не столь отдалённые времена (с начала XVIII века) сама по себе была астрономической обсерваторией (и это был далеко не единичный случай!). Точнее, она и по сей день действует в этом качестве, но теперь уже только для развлечения туристов. Главное помещение церкви (не знаю, как оно правильно называется, ибо являю собой пример той самой некомпетентности в вопросах религии, о которой говорит нам глава кафедры теологии МИФИ) пересекает меридиан — красивый, бронзовый, отделанный каменьями и украшенный фигурами созвездий. В южной стене церкви сделано небольшое отверстие, превращающее церковь в камеру обскура. Каждый солнечный день в астрономический полдень по меридиану медленно проходит изображение солнечного диска. В эпоху активного использования церкви-обсерватории это событие использовалось для счёта времени.
Сейчас, конечно, для контроля времени используются другие средства, но базилика не осталась в стороне от прогресса. В 2008 году она стала своеобразным мемориалом Галилею. В ней установлена статуя учёного, любой желающий может раскачать большой маятник, символизирующий научные достижения Галилея. А в одной из пристроек к церкви на большом экране раз за разом повторяется одна и та же запись: астронавт Дэвид Скотт демонстрирует, что на Луне молоток и пёрышко падают с одной и той же скоростью. И посетители церкви непрерывно слышат одну и ту же фразу: «Галилей был прав! Галилей был прав! Галилей был прав!»
При этом руководство Ватикана, по-видимому, так в отношении Галилея до конца и не определилось. То есть, Земля вращается вокруг Солнца, в этом сомнений нет. Но был ли Галилей осуждён
Но это не главное. Главное, что
Конечно, я сейчас спокоен, как удав, потому что кафедра теологии пока «далеко». Но кажется ли такой уж невозможной, например, кафедра теологии в РАН лет эдак через пяток (наподобие кафедры философии или кафедры иностранных языков)? И что я запою, когда моим аспирантам нужно будет сдавать по ней кандидатский минимум?
А может быть, это секретный план такой? Как заставить молодёжь ценить любовь, дружбу и хорошую музыку? Давайте напичкаем их «Домом-2» и попсой! Как заставить подростков смотреть «Войну и мир»? Присвоим ей рейтинг 16+! Как заставить людей вспомнить о физике? Хм, эта задача посложнее... Тут нужно что-то совсем абсурдное. О, откроем-ка мы в ядерном университете кафедру теологии!
Василий Щепетнёв: Парабола
Стивена Кинга Россия читает в переводе с украинского. Во всяком случае, с изданием его романа «11.22.63» Украина опередила Россию. А добрые люди уже с украинского перевели на русский.
Ну, опередила — пусть опередила. В конце концов, издать переводной роман — не электростанцию построить на термояде, не туннель до Австралии, не на Марс слетать.
А хоть бы и слетали... Если Украина опередит Россию в марсианской гонке, будет ли мне досадно? Прислушиваюсь к себе и чувствую фальшь. Плохой пример, поскольку в полёт на Марс пилотируемого космического корабля, что российского, что украинского, в обозримом будущем верю слабо.
Лучше так: кто первый построит вечный двигатель, ВД? Тут простора для размышлений побольше. Умельцы выбить из бюджета деньги для подобного рода строительства могут объявиться и в Киеве, и в Москве. Получится ВД огромным, с виду напоминая Большой адронный коллайдер. Ценой в десять раз дороже. И начинка — не какие-нибудь приборы, а ку-дельта конденсаторы, они же конденсаторы Перуна, представляющие собой камни из древнего капища, что на дне Керченского пролива, заряженные лучшими экстрасенсами Киева или Воронежа. Если вдруг ВД не заработает сразу, то нетрудно заявить, что запустится ВД аккурат после очередного большого парада планет. До той поры его, ВД, следует холить и лелеять, для чего опять-таки потребуется финансирование. В сценарий с ВД верю больше, чем в полёт на Марс. Но, думаю, если в одной стороне начнутся работы, другая тут же, наступая на пятки, поторопится со строительством собственного ВД. В общем, обе победят.
Украина — для примера, и взята она из-за романа Кинга и недавней колонки Дмитрия Шабанова. Мог бы взять и Грузию, и Эстонию, и Финляндию. Поскольку интересует меня не вопрос, кто круче, Россия или Украина, а сам процесс разложения империи на составные части. И что в результате этого разложения от России останется. Потому что империи распадаются разно. По британскому варианту, по испанскому, по византийскому.
Межгосударственные отношения слишком обширны, чтобы скромный разум мог охватить их во всем многообразии. Спущусь ступенькой ниже: отношения внутригосударственные. Россия продолжает оставаться империей. Есть метрополия, центральное, привилегированное государство — Москва, есть подчинённые провинции, например Саратовская губерния или остров Сахалин. Но что Сахалин, далеко Сахалин, и если вновь на карте появится Дальневосточная Республика, центральная Россия примет это к сведению, и только.
Но если распад пойдёт дальше, по самой центральной России?
Невозможно? Или он, распад, уже идёт?
Разница между Гваздой и Москвой, пожалуй, больше, чем между Гваздой и Купянском, Изюмом или Чугуевым, уездными городами соседней Украины. Что, если процесс разложения приведёт к тому, что и Гвазду отделят от Москвы? Кто отделит? Да та же Москва и отделит. Придаст Гвазде и подобным ей территориям статус, схожий со статусом бантустанов. Только южноафриканские бантустаны организовывали по этническим признакам, а российские — по экономическим. Нищая губерния, губерния дотационная? Объявить бантустаном, и точка. Со всеми вытекающими последствиями: за каждый имперский рубль бантустан отвечает преданностью до гробовой доски. Если гваздевец поедет на заработки в метрополию, то будет трудиться на правах мигранта из Таджикистана или Молдовы. Скажешь слово поперёк — и депортация.
Но сойду ещё ступенью ниже. Внутри провинции тоже есть места повеселее и места, где грусть и тоска стоят на пороге, решая: войти сейчас или немножко подождать. Горожанин может выбрать школу, больницу и кладбище — по крайней мере, теоретически. Селянину врач не придёт на дом: заболел — добирайся до районной больницы, что в двадцати, а то и в сорока километрах, часть из которых представляют собой скверную грунтовую дорогу. Хорошо, если есть добрый сосед с автомобилем, а если сосед не добрый или безлошадный? Вот и болеют дома, превращая грипп в пневмонию и портя губернскую статистику запущенным раком. В сельской школе частенько нет учителей-предметников. Выучить английский язык селянину в школе трудно. А если всё-таки есть «англичанка» преклонных годов, тогда точно нет ни немки, ни француженки. Учи не что хочешь, а чему учат. И лавка одна, не нравится — не ходи. То есть горожанин и селянин — де-факто люди с совершенно разными правами и возможностями. Не пришло ли время закрепить эту разницу конституционно? Выдавать синий паспорт одним, а красный — другим. Селяне, метёлки, мастерки, валики, лопаты и швабры имеют возможность перебраться в город (исключительно с разрешения старосты), если для них есть работа. Но в случае строптивости, неправильного образа мыслей или же изменения требований рынка их можно тут же депортировать в село, благо недалеко, и пешком дойдут эти сто или двести километров. Впрочем, до городской границы их будут доставлять автотранспортом.
А если ограничиться размером села или небольшого, тысяч в десять, уездного городка? Как здесь с разложением на части? Да как в крынке с молоком: есть сливки, а есть и совсем не сливки. Одни живут в добротных трёхэтажных особняках, другие в завалюшках, крытых когда-то соломой. Но что удручает: дома частенько находятся по соседству. В результате из особняка открывается вид на хижины, а из хижин на особняки. Что не всех радует. Некоторым (но не всем, не всем!) неприятно смотреть на нищету, у других при виде чужого богачества и желчь разливается по жилам, и сердцу тревожно в груди. Нужна перестройка. Богатые дома следует располагать на севере города, место для трущоб — юг. Или в зависимости от конкретного ландшафта. Кому вид на озеро или море, кому — на фабрику или свалку. Определённые шаги в этом направлении делаются, но покамест наощупь, инстинктивно, вне закона, что порой порождает недоразумения и бессмысленные конфликты: одни не хотят, чтобы запросто сносили их хижины, другим не хочется тратиться на лишние компенсации.