GARR-X

LA NEXT GENERATION NETWORK PER L'UNIVERSITA' E LA RICERCA ITALIANA

Claudia Battista

  • 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.

Claudia Battista

  • Claudia Battista è Chief Technical Officer del Consortium GARR dal 2003, avendo in precedenza coordinato il gruppo di Network Engineering and Planning.
  • Ha conseguito la laurea in Fisica all'Università di Roma Sapienza nel 1987, con una tesi sperimentale presso i laboratori nazionali di Frascati dell'INFN.
  • Da allora si occupa di reti di trasmissioni dati, partecipando attivamente alla progettazione e realizzazione della Rete GARR.
  • Cura nel tempo la costante evoluzione dell'infrastruttura di rete che risponde alle specifiche esigenze della ricerca scientifica e dell'intera comunità accademica e di ricerca in Italia.

  • La Rete Italiana per la Ricerca nasce nel 1977 con le sperimentazioni effettuate da CNR e INFN, ma bisogna aspettare la prima metà degli anni '80 per vedere le prime realizzazioni su larga scala: nascono in questo periodo INFNet, CNRnet e le reti degli enti di ricerca e dei grandi centri di calcolo consortili. In questa prima fase non esiste un unico network, ma una ragnatela di reti diverse, con duplicazioni di infrastrutture e protocolli di comunicazione solo parzialmente compatibili tra loro.
  • Alla fine degli anni '80 viene costituito il GARR (Gruppo per l'Armonizzazione delle Reti della Ricerca) il cui compito sarà proprio quello di razionalizzare ed armonizzare le strutture di reti esistenti e viene alla luce la prima Rete Unitaria dell'Università e della Ricerca che, con i suoi collegamenti nazionali ed internazionali a 2 milioni di bit/sec, diviene una delle più veloci reti della Ricerca in Europa e nel mondo.
  • Nella seconda metà degli anni '90 la struttura di questa prima rete viene potenziata con l'introduzione di collegamenti magliati da 2 a 34 milioni di bit/sec, che la rendono più affidabile e potente (GARR-2).
  • Una ulteriore evoluzione si avrà nel '98 con GARR-Broadband: la velocità sulla dorsale della Ricerca entra nell'ordine delle centinaia di milioni di bit/sec mentre la struttura della rete viene razionalizzata con l'introduzione di Punti di Presenza (PoP) dislocati su tutto il territorio nazionale, con speciale attenzione alle regioni del Sud, grazie anche ad un cofinanziamento del CIPE per le aree di obiettivo.
  • Con quel finanziamento è stato anche possibile creare le prime reti metropolitane e regionali e formare decine di esperti in informatica e networking.
  • Alla fine del 2002, con la nascita del Consortium GARR, parte il progetto GARR-Giganet, evoluzione di GARR-B, che verrà portato a termine alla fine del 2003.
  • Nel corso del 2007 è stato avviato il progetto per la costituzione della nuova infrastruttura di rete GARR-X, che sostituirà progressivamente l'attuale infrastruttura, fornendo un nuovo livello di prestazioni globali fino a 80 volte superiori in termini di capacità.
  • La nuova rete multiservizio GARR-X è stata progettata per essere scalabile, veloce e affidabile e offrirà la possibilità di realizzare collegamenti on-demand a 10 Gbit/s tra le sedi della comunità GARR.
  • In questo modo potranno essere soddisfatte, per i prossimi cinque anni, tutte le esigenze di collegamento e di servizi della comunità GARR.
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