Мрежовото кодиране: следващата революция при мрежите?
Мрежовото кодиране може да направи реинженеринг на маршрутизирането, разпространението на съдържание и безжичните комуникации, твърдят учени и доставчици на оборудване
Някои от най-големите имена във високите технологии - Microsoft, HP и Intel - са започнали да внедряват технология, наречена мрежово кодиране (мрежовото кодиране), като целта е да се постигнат значителни подобрения на пропускателната способност, мащабируемостта и ефективността на всички комуникации - от разпространението на съдържание до безжичните мрежи.
Мрежовото кодиране, широко проучвано в тайните лаборатории на университетите и производителите, бе предложено преди 7 години от шепа научни работници. То представлява всъщност алгоритъм, който има потенциал да удвои пропусквателния капацитет на мрежите, да подобри стабилността и устойчивостта им срещу атаки. Най-запалените поддръжници на мрежовото кодиране твърдят, че това ще бъде искрата за следващата мрежова революция, докато други смятат, че тя по-скоро тихомълком ще се настани в мрежовите архитектури, базирани на сегашните маршрутизиращи схеми.
Мрежовото кодиране работи чрез отделни съобщения в най-малките битове на "доказателствен факт", които след това могат да бъдат разпознати по възела на адресата без пращане, препращане или репликиране на цялото съобщение. Тя позволява този „доказателствен факт" да пресече многобройни пътища до и от междинни възли, които след това я пращат на крайното устройство. Не се изисква допълнителен капацитет или пътища - просто се смесва „доказателството" на съобщенията в битови потоци, които вече се поддържат от съществуващата мрежова инфраструктура.
„Това прилича на подслушването: Слушате какво става около вас, създавате си мнение и след това подобрявате цялостната производителност и капацитет чрез запомняне и използване на информацията, която вече имате", казва Сумиит Санду, шеф на научно развоен отдел за кооперативни безжични комуникации в Intel Research.
Мрежовото кодиране може да заработи в неограничен брой продукти - от маршрутизатори до безжични системи или да приеме формата на изцяло ново устройство, наречено мрежов кодер. Intel вижда голям потенциал за тази технология за разширяване на обхвата на безжичните базови станции. Microsoft вече е експериментирала с мрежовото кодиране, за да направи своята система за разпространение на съдържание по-ефикасна (вж. „Планът на Microsoft за мрежовото кодиране"). Други големи мрежови играчи като Cisco не обявяват своите планове засега и отказват да кажат повече от това „Проучваме мрежовото кодиране, като теорията помага да се различат отделните типове трафик, след това да се приоритизират, за да се повиши капацитетът на мрежата. В момента не предлагаме каквито и да е продукти с мрежово кодиране."
Декодиране на мрежовото кодиране
За да обясним за какво служи мрежовото кодиране, ще добавим още технически обяснения.
Мрежовото кодиране обработва данните вътре в самия пакет чрез т.нар. операция "bitwise exclusive or" (xor), като комбинира информацията с тази от друг пакет. Методът „bitwise xor" взима два бита от структурата на съобщението и изпълнява логическата операция върху всяка двойка съответни битове, присвоявайки "1", ако двата бита са различни, и "0", ако са едни и същи. Тези нули и единици са кодове или „доказателства", чрез които крайната станция или всеки мрежов възел с достатъчно интелигентност да го прави може да познае съобщението, получено от подателя. По този начин мрежовото кодиране ефективно помага на възела на получателя да получават многобройни съобщения без да се увеличава броят на получаваните пакети, следователно и на цялостния мрежов капацитет.
„Използвате алгебричната природа на данните, за да си осигурите повече свобода за нещата, които можете да правите с пакетите, казва Мюриел Медар, професор в Катедрата по електроинженерни и компютърни науки към МТИ, ръководещ проучванията в областта на мрежовото кодиране. - Така можете да извършвате различни операции в мрежата, които ви помагат да я използвате по-ефективно или по няколко начина."
Привържениците на технологията като Медар твърдят, че мрежовото кодиране е много полезно в инфраструктури със споделено маршрутизиране като Интернет например, peer-to-peer разпространение на съдържание и безжични mesh мрежи. В статия, описваща концепцията, Медар и други учени твърдят, че мрежовото кодиране има потенциал драстично да ускори и подобри надеждността на всички типове комуникационни системи и може да се смята за следващата революция в областта.
Как мрежовият оператор ще внедри мрежовото кодиране зависи от това какво иска да постигне, казва Медар. Този метод се различава от инженеринга на MPLS трафика - друг широко използван метод за подобряване на капацитета и ефективността на мрежата. MPLS не променя данните вътре в пакета, той добавя „придатък", или етикет към пакета.
„Вие не работите върху няколко избрани от вас полета на пакета, вие на практика разглеждате възможността да работите и оперирате със самите данни вътре в пакета, обяснява Медар. - И все пак в края на пътя на пакета успявате да възстановите информацията, която сте пратили първоначално."
Сегашните маршрутизиращи и комутиращи системи не го правят. Те прочитат полетата в пакета за подател и получател и насочват трафика според тях, като свързват входящите данни към изходящите в същия възел, те не комбинират съдържанието на два различни пакета, нито map входящите данни в един възел към изходящия трафик на друг.
Възможността да се осъществи нещо като „xor" в реално време може да ви помогне при оперирането на вашата мрежа, казва Медар. - Осигурявайки си свободата да го правите... вие драстично променяте обхвата на това, което можете да реализирате."
Медар казва, че мрежовите кодери може би няма да заменят маршрутизаторите по същество, но могат да функционират като допълнителен слой на маршрутизацията. С времето мрежовото кодиране може да се интегрира към маршрутизиращата операция, като ползите са очевидни, променяйки основно маршрутизиращата технология, която познаваме днес.
Медар твърди, че е представила техническото си проучване на инженерите на Cisco преди 2 или 3 години. Тя характеризира разговорите като „добри", но наблегна на факта, че дискусиите са били чисто технически, без търговски „оттенък".
HP се „впуска" в мрежовото кодиране
HP, също като Microsoft, разглежда мрежовото кодиране като много обещаващо за peer-to-peer разпространението на съдържание. HP работи съвместно и финансира работата на Масачузетския технологичен институт в тази област. „Това е изключителна нова техника, казва Мичел Трот, изследовател от HP Labs. - Тя има голям потенциал, но все още не е ясно как точно системите ще се възползват от нея."
Приложението на мрежовото кодиране в мрежовата инфраструктура е „по-сложен въпрос" от това дали технологията може да помогне за разпространението на съдържание, казва Трот. Според него, тя трябва да докаже, че предоставя много по-голяма производителност, преди доставчиците на инфраструктурни устройства да я внедрят.
„Има редица въпроси за решаване - мултикаст може би е единственото, което би се възползвало от нея, казва той. - Разбира се, повечето хора дори не включват мултикаст функцията."
Мултикаст, която предоставя информация за група получатели едновременно, може да бъде направена по-ефикасно чрез мрежовото кодиране по същия начин, както се подобрява традиционното маршрутизиране. Мултикаст създава копия на всички съобщения, когато връзките към получателите се разделят, но мрежовото кодиране може да облекчи това чрез своята техника за „xor" доказателство, твърдят учените.
Друг фактор, заради който мрежовото кодиране е твърде проблемно за мрежовата инфраструктура, е, че комутаторите и маршрутизаторите са инсталирани в комуникационните шкафове за поне десетилетие, казва Трот.
„Ще отнеме известно време, за да може оборудването да поддържа тези нови техники, казва Трот. - Необходими са още нови протоколи за контрол и управление, разработени да проследяват всички манипулации върху пакета и битовия поток, извършвани от кодиращите комутатори и маршрутизатори (или кодери) в мрежата, както и как се известяват съседните възли, казва още той.
„Това е едно от онези неща, които твърде трудно се пускат постепенно в действие, казва Трот. - Можете да внедрявате на етапи функцията, но трябва да я задействате наведнъж."
Така че HP все още не е намерила място на мрежовото кодиране в търговските продукти, макар че Трот казва, че това ще се промени с времето. Той смята, че безжичните mesh мрежи могат да се възползват от техниката, особено за създавани ад-хок военни сензорни мрежи.
Учените от MIT правят проучване, което доказва, че кодирането предоставя „многократно увеличение" на пропускателната способност на безжичните мрежи. Учените твърдят, че са установили удвояване на пропусквателната способност в много малка среда и до четирикратно при експеримент с UDP трафик, включващ 34 възела на три етажа от сградата на института.
Намеренията на Intel за мрежовото кодиране
Intel също очаква мрежовото кодиране да подкрепи нейните безжични инициативи специално в областта на WiMAX. Компанията започна проучванията си в тази област през 2006 г.
Многовъзловото препредаване, при което базовите WiMAX станции и релейните станции са контролирани от инфраструктурата, могат да се възползват от мрежовото кодиране за разширяване на обхвата на базовата станция, казва Санду от Intel Research. Радиорелейните станции осъществяват безжична „backhaul" връзка до базовата станция и мрежовото кодиране може да направи двупосочното радиопрепредаване при взаимодействието между базовата станция и клиента чрез минимизиране на излишното пакетно маршрутизиране, казва тя. В такава област на приложение мрежовото кодиране може да предостави подобрение на пропусквателната способност с 25% до 50% в сравнение с обикновеното двупосочно маршрутизиране, добавя тя.
„Спестявате време чрез тази операция xor „по средата", казва Санду. - Вместо 4 времеви слота за двупосочна комуникация от край до край, се заемат само 3 слота, тъй като в единия на практика вие комбинирате два пакет и ги изпращате."
Но WiMAX не е ад-хок мрежа, подобна на военната сензорна мрежа - тя е централизирана. Базова станция, работеща като клетка с няколко изходящи радиорелейни линии за разширяване на обхвата й, обикновено е типична ситуация за WiMAX мрежата, отбелязва Санду. „Това не е много богата инфраструктура. Възможността за играене на компютърни игри с нови похвати като мрежовото кодиране е доста ограничена, казва тя. - Така че засега сме се съсредоточили само върху тази много проста двупосочна мрежа."
Intel разглежда приложимостта на мрежовото кодиране във физическия слой на референтния OSI модел, както и как взаимодейства технологията с антените в MIMO среда. Информацията от физическия слой може да бъде загубена, тъй като битовете се преместват към MAC слоя, така че Intel търси начини да „улови" информацията от физическия слой, за да осъществи оптимално мрежово кодиране.
Санду не казва дали Intel планира или разработва някакъв продукт, свързан с мрежовото кодиране. Тя обаче вижда неговата приложимост в комуникациите за данни на границата между две мрежи, освен споменатите области на безжичните и WiMAX структури.
Как стои въпросът със сигурността?Тази концепция за подслушване и xor смесване на битови потоци повдига сериозни притеснения за сигурността, признават учените.
Медар от МТИ обаче казва, че мрежовото кодиране и неговата способност да „дегизира" съобщението и полезните данни всъщност може да подобри информационната сигурност, допълвайки криптирането и криптографията, превръщайки трафика, пренасян през мрежите, в неразгадаем алгебричен поток.
„Когато правите такова комбиниране, се създава и ефект на скриване на данните, казва Медар. - Ако вземете два бита - A и B, и осъществите операция „xor" върху тях, виждайки „xor" резултата, няма да знаете какъв е бил кой да е от битовете. Можете да знаете нещо за чифта битове, но не можете да пресметнете бит А, ако не знаете точно какъв е бит B."
Техниките за мрежовото кодиране предоставят и възможност за откриване на злонамерено „замърсяване" от атаки към peer-to-peer връзките, така че го коригирате, казва тя.
Все още са нужни много проучвания, за да се определи въздействието на мрежовото кодиране върху сигурността и други въпроси, преди да се реши дали мрежовите кодери ще изместят маршрутизаторите в големите споделени инфраструктури като Интернет. Потребителите трябва да знаят как и кога да внедрят мрежовото кодиране, къде информацията не може да бъде смесвана в споделена инфраструктура и да имат предвид нюансите между мрежовото кодиране в кабелни и безжични среди. Индустрията трябва да определи как ще бъдат тарифирани клиентите на телекомуникационните услуги, когато операторите смесват потребителския трафик.
Медар казва, че тя и останалите учени от екипа обсъждат подобни проблеми и продължават да търсят методи за подобряване на мрежите, които все повече стават неразделна част от обществото.
Network world, САЩ
КОМЕНТАРИ
"Мрежовото кодиране: следващата революция при мрежите?"
