Сетевые телекоммуникации и приложения для науки и образования в России В. А. Васенин Центр телекоммуникаций и технологий Интернет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

История возникновения сети Интернет 1958: создание ARPA – Advanced Research Projects Agency (сейчас DARPA) при Министерстве обороны США (Department of Defence, DoD) 1962: отчёт "О распределённых коммуникациях" (грант ВВС США, автор – Пол Бэран); в ARPA создан отдел технологий обработки информации – IPTO, директор – Ликлидер из MIT 1962 – 65: гранты ARPA университетам и научным центрам 1968: проект ARPANET: IPTO (Лоренс Робертс) и BBN, Inc.; узлы коммутации пакетов – IMP 1969: первые узлы ARPANET, испытания сети, протокол BBN : протокол NCP, основанный на модели OSI 1974: разработка протокола TCP, лежащего в основе современного Интернет (В. Серф и Р. Кан) 1975: передача ARPANET в эксплуатацию Агентству оборонных коммуникаций, в сети 63 узла 1983: переход на TCP/IP; деление сети на ARPANET – исследовательскую и MILNET – военно-промышленную части 1985: NSFNET – исследовательская сеть на основе протокола TCP/IP и опыта ARPANET

Эволюция сети Интернет масштабируемость, открытость, Протокол TCP/IP:равноправие сетей, простота реализации, универсальность Сетевые службы: ftptelnet news Срок жизни инфраструктуры – 15 – 20 лет аудио-видео/данные WWW многоадресная передача суперкомпьютинг

Высокопроизводительные сети – новый шаг в развитии Интернет США, 1995 год: Передача в коммерческую эксплуатацию самой крупной в Интернет сети – NSFNetПередача в коммерческую эксплуатацию самой крупной в Интернет сети – NSFNet Начало работ над проектами NGI (Next Generation Internet) и Internet-2/AbileneНачало работ над проектами NGI (Next Generation Internet) и Internet-2/Abilene 1995 U.S. Internet Architecture vBNS (IP over ATM on SONET) NAP (PAC Bell) NAP (Ameritech) NAP (Sprint) NAP (MFS) RA NSPs (Network Service Providers) Regional Network Providers Commercial Networks Government Networks Consumers Research Organizations Super Computer Centers

Высокопроизводительные сети для науки и образования в мире Сети стран Европы, Азии, других: Super Janet (Англия), Renater-2 (Франция),Super Janet (Англия), Renater-2 (Франция), B-WIN (Германия), SURFnet (Голландия),B-WIN (Германия), SURFnet (Голландия), TANet (Тайвань), CAnet-2 (Канада)TANet (Тайвань), CAnet-2 (Канада) Межнациональные сети: TEN-155 (около 20 сетей европейских стран),TEN-155 (около 20 сетей европейских стран), APAN (Япония, Австралия, Корея, Сингапур).APAN (Япония, Австралия, Корея, Сингапур).

Российский Интернет к 2000 г. Всего: около хостов, более 200 провайдеров Научно-образовательный сектор: 79 провайдеров, 29% хостов, общая ёмкость каналов за рубеж 12,5 Мбит/с (0,2 кбит/с на хост) Коммерческий сектор: 119 провайдеров, 68% хостов, общая ёмкость каналов за рубеж более 200 Мбит/с (1,3 кбит/с на хост) 20 крупнейших провайдеров поддерживают 54% хостов 8 крупнейших научно- образовательных провайдеров, 14% 13 крупнейших коммерческих провайдеров, 40% 75 прочих научно- образовательных провайдеров, 15% 110 прочих коммерческих провайдеров, 28% Прочие блоки адресов (иностранные, неопознанные, ведомственные), 4%

Развитие сетевой инфраструктуры в России Динамика количества хостов RUNNetНСКТ НВШ

Развитие российского сегмента Интернет Оценка количества активных пользователей (тыс. чел., данные Комкон/Роцит) Суммарная ёмкость международных каналов (Мбит/с) Москва и С.-Петербург: около 40% пользователей, более 70% доходов от услуг доступа (концентрация корпоративных клиентов, приносящих 2/3 доходов )

Межведомственная программа НСКТ НВШ, её цели и задачи Структура и направления Программы:

RBNet – опорная сеть для науки и образования

Предпосылки перехода академических сетей от Интернет к высокопроизводительным сетям Условно можно разделить на две группы: социально-политические и экономические; социально-политические и экономические; научно-технические и технологические. научно-технические и технологические.

Группа социально-политических и экономических предпосылок (1) определяется заинтересованностью государства: в исследованиях, создании и апробации новейших коммуникационных и информационных технологий с целью опережающего формирования на их основе на- циональной сетевой инфраструктуры и информацион- но-вычислительных ресурсов следующего поколения; в исследованиях, создании и апробации новейших коммуникационных и информационных технологий с целью опережающего формирования на их основе на- циональной сетевой инфраструктуры и информацион- но-вычислительных ресурсов следующего поколения; в сокращении сроков перехода вновь созданных инфраструктур на промышленный режим эксплуатации с целью их использования в интересах не только науки и образования, наукоёмких отраслей промышленности, но и более широком поле хозяйственного комплекса страны, включая оборону и бизнес, медицину, сферу услуг и др.; в сокращении сроков перехода вновь созданных инфраструктур на промышленный режим эксплуатации с целью их использования в интересах не только науки и образования, наукоёмких отраслей промышленности, но и более широком поле хозяйственного комплекса страны, включая оборону и бизнес, медицину, сферу услуг и др.;

Группа социально-политических и экономических предпосылок (2) определяется заинтересованностью государства в активном включении для решения вышеперечисленных задач научно-технической элиты общества, которая владеет знаниями по широкому спектру научно-технических достижений (как фунда- ментальных, так и прикладных), которые могут быть задействованы (использованы) на этом направлении; в активном включении для решения вышеперечисленных задач научно-технической элиты общества, которая владеет знаниями по широкому спектру научно-технических достижений (как фунда- ментальных, так и прикладных), которые могут быть задействованы (использованы) на этом направлении; в постоянном притоке молодых специалистов – исследователей и практиков, которые обеспечивали бы не только широкое участие в исследованиях, разработке и апробации технологий следующего поколения, но и в опережающем поиске приложений, стимулирующих развитие таких технологий. в постоянном притоке молодых специалистов – исследователей и практиков, которые обеспечивали бы не только широкое участие в исследованиях, разработке и апробации технологий следующего поколения, но и в опережающем поиске приложений, стимулирующих развитие таких технологий.

Научно-технические и технологические предпосылки Ограниченность адресного пространства, пропускных способностей магистральных каналов связи, переполнение таблиц маршрутизации на узлах опорных сетей в условиях сверхбыстрого роста Интернет; Ограниченность адресного пространства, пропускных способностей магистральных каналов связи, переполнение таблиц маршрутизации на узлах опорных сетей в условиях сверхбыстрого роста Интернет; ограниченные возможности реализации интегрированных услуг (данные, аудио, видео) в одном потоке, наложенных виртуальных сетей, например, для объединения суперкомпьютерных центров; ограниченные возможности реализации интегрированных услуг (данные, аудио, видео) в одном потоке, наложенных виртуальных сетей, например, для объединения суперкомпьютерных центров; отсутствие действенных механизмов резервирования ресурсов и гарантированного качества услуг для мультимедиа-систем реального времени, высокопроизводи- тельных вычислений и других перспективных приложений; отсутствие действенных механизмов резервирования ресурсов и гарантированного качества услуг для мультимедиа-систем реального времени, высокопроизводи- тельных вычислений и других перспективных приложений; трудности реализации эффективных систем защиты информационно-вычислительных ресурсов в Интернет. трудности реализации эффективных систем защиты информационно-вычислительных ресурсов в Интернет.

Экспериментальный полигон на базе сети MSUNet – магистральная структура Моховая АТМ 155Mbps Fast Ethernet 100Mbps RBNet RUNNet NorduNet Teleglobe Сеть РАН – МГУ ММТС-9M9-IX Институт радиоэлектроники ЮМОС MirNet Голден Телеком Ростелеком Магистральная сеть MSUNet в Москве Организации науки и образования ЦТиТИ

Внутренняя связность MSUNet Филологический факультет Философский факультет ИГУиСИ Исторический факультет НИВЦ МГУ Библиотека 2-го учебного корпуса НИИЯФ МГУ ГАИШ Социологический факультет ВМиК Экономический факультет 1-й учебный корпус Физический факультет Химический факультет Биологический факультет Факультет почвоведения Лабораторный корпус А Факультет Фундаментальной медицины Факультет иностранных языков Научный парк МГУ Лабораторный корпус Б Корпус нелинейной оптики НИИ Механики ИМПСС МГУ ММТС-9 MirNet Моховая Факультет психологии Центр социологических исследований Институт Стран Азии и Африки Музей Антропологии Библиотека МГУ Геологический факультет Географический факультет Мех-мат Общежитие МГУ Музей землеведения АТМ 155Mbps Fast Ethernet 100Mbps ЦТиТИ

Магистральная сеть MSUNet г. Королёв г. Зеленоград МФТИ г. Долгопрудный Дом связи МО ул. Знаменка, 19 Миусская пл. м. Белорусская ММТС-10 ул. Сущёвский вал, 23 Sonera Олимпийский пр-т ФСБ Милютинский пер., 9 РАО ЕЭС Китайгородский пр., 7 МГУ ул. Моховая, 11 ЦСС МПС ул. Каланчёвская, 1 Останкино ул. Балтийская м. Сокол МИСИС Ленинский пр-т, 4 ММТС-8 Зубовская пл., 3 ММТС-34 м. Смоленская ММТС-6 м. Таганка Библиотека 202 м. Юго-Западная Филёвский ТУ Ленинский пр-т, 158 ММТС-9 ул. Бутлерова, 7 МГУ Воробьёвы горы МЭСИ ул. Нежинская, 7 АТС-440 м. Молодёжная м. Кунцевская ул. Мантулинская м. Багратионовская г. Химки Центральный телеграф ул. Тверская, 7 Cable&Wireless Никитинский пер., м. Выхино Цветовые обозначения: – – Введены в эксплуатацию до – – Ввод в эксплуатацию до конца 2000 – – Ввод в эксплуатацию в 2001

Сеть научных коммуникаций МГУ – РАН

Внешняя связность сети MSUNet

Российские экспериментальные высокопроизводительные сети ATM-сеть МГУ Северная московская опорная сеть Новосибирск (планируется) Владивосток (планируется) Санкт- Петербург КомкорСеть РАН М9 Воробьёвы горы Моховая MirNet US Самара (планируется) Южная московская опорная сеть ЕкатеринбургКраснодар RBnet Ростов-на-Дону (планируется)

Российско-американский проект MirNet и АТМ-канал в STAR TAP MirNET Высокопроизводительная сетевая структура, предназначенная для совместных научных исследований ученых России и США. Консорциум MirNet Группа российских и американских научных и образовательных организаций, занимающаяся проектированием, управлением и развитием сервисов MirNET.

Российско-американский проект MirNet и АТМ-канал в STAR TAP Головные организации по проекту MirNET: Университет штата Теннесси в Ноксвилле (американская сторона), Московский государственный университет (российская сторона). Канал MirNET: ATM, 6 Mбит/с Конечные точки: STAR TAP (Чикаго, США), М9-IX (Москва, Россия).

Схемы подключения сетей с использованием GigaPoP

Высокопроизводительные сети в мире и STAR TAP

Высокопроизводительные сети в мире, подключённые к STAR TAP APAN: Asia-Pacific Advanced Network, 70 Mbps CA*net3: Canadian Network for the Advancement of Research, Industry and Education (CANARIE), 45 Mbps (OC-3 coming soon) CERN: European Laboratory for Particle Physics IUCC: Israel Inter-University Computation Center MIRnet: US-Russian High Performance International Internet Services, 6 Mbps NORDUnet: Nordic Countries' National Networks for Research and Education (Denmark, Finland, Iceland, Norway, and Sweden), 45 Mbps RENATER2: France Research and Education Network SingAREN: Singapore Advanced Research and Education Network, 12 Mbps (45 Mbps coming soon) SURFnet: The Netherlands Research and Education Network, 45 Mbps TANet2: Taiwan Academic Network, 15 Mbps

Основные задачи проектов NGI и Internet2 В ближайшие годы: магистрали до 2,4 Гбит/с, экспериментальная сеть до 1 Гбит/с (сквозная), достижение скорости коммутации пакетов 1 Тбит/с. Основные службы, протоколы и системы: –качество сервиса – QoS; –безопасность и устойчивость; –управление и техническое сопровождение сетевых систем и ресурсов; –протоколы маршрутизации, коммутации, широковещания, транспортирования, защиты; –новые операционные платформы компьютеров; –распределённые среды для коллективной разработки приложений.

Схема внешней связности TEN-155 TEN-155 NRN vBNSCommercial ISPsInternet2 Giga PoP PoP Giga PoP PoP R & E C l i e n t s Global Internet

Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований в области телекоммуникационных технологий 1. Высокопроизводительные интегрированные информационные системы и сети 2. Проблемы создания распределённых сетевых приложений в гетерогенной среде 3. Информационная безопасность в открытых IP-сетях 4.Методология мониторинга крупных сетевых структур 5.Сетевые мультимедиа-системы в образовании и научных исследованиях

Высокопроизводительные интегрированные информационные системы и сети сетевые протоколы и стандарты (ATM, IPoverATM, Gigabit Ethernet, IPv6)сетевые протоколы и стандарты (ATM, IPoverATM, Gigabit Ethernet, IPv6) перспективные технологии и методы маршрутизации высокоскоростных потоков (IP-switching, NetFlow, Tag-switching)перспективные технологии и методы маршрутизации высокоскоростных потоков (IP-switching, NetFlow, Tag-switching) системы и протоколы, обеспечивающие QoS на уровнях ATM и IP (модели интегрированного и дифференцированного сервиса)системы и протоколы, обеспечивающие QoS на уровнях ATM и IP (модели интегрированного и дифференцированного сервиса)

Распределённые сетевые приложения в гетерогенной среде (1) технологии среднего уровня (middleware)технологии среднего уровня (middleware) XML модели данныхXML модели данных многоадресные технологии и приложениямногоадресные технологии и приложения сетевые мультимедиа-системысетевые мультимедиа-системы Направления –Управляющие программные оболочки –Системы представления, кодирования и передачи –Базы данных и многоуровневые архитектуры информационных систем –Системы автоматизации бизнес процессов –Разработка Web-приложений –Системы управления полуструктурированными данными –Исследование проблем передачи данных реального времени в IP-сетях

Распределённые сетевые приложения в гетерогенной среде (2) Некоторые результаты –Создан прототип распределённого сервера приложений, построенного с использованием технологии CORBA. –Реализована система управления распределёнными транзакциями –Система поддержки организации научных мероприятий Конференция –Разработана система управления содержанием Web-серверов и построения настраиваемого пользовательского Web-интерфейса Совместные проекты: –Проект TAСIS Создание базы данных статистики и страхования –Российско-германский проект Создание информационной системы для содействия русско-немецкому сотрудничеству в научных исследованиях (совместно с Кассельским университетом) Учебно-консультационная деятельность –Спецкурс Технологии построения распределённых приложений –Спецкурс Введение в реляционные базы данных

Кластерные системы (1) Кластеры как реально доступное средство высокопроизводительных вычисленийКластеры как реально доступное средство высокопроизводительных вычислений Внутрикластерная коммуникационная среда: SCI, cLAN, MyrinetВнутрикластерная коммуникационная среда: SCI, cLAN, Myrinet Межкластерное взаимодействие: высокоскоростные сети на базе ATM и Gigabit EthernetМежкластерное взаимодействие: высокоскоростные сети на базе ATM и Gigabit Ethernet Системное и базовое параллельное ПО: Linux + MPIСистемное и базовое параллельное ПО: Linux + MPI

Кластерные системы (2) Расширение спектра приложений, требующих высокопроизводительных вычисленийРасширение спектра приложений, требующих высокопроизводительных вычислений Концепция динамического распараллеливания программКонцепция динамического распараллеливания программ От кластеров к метакомпьютингуОт кластеров к метакомпьютингу Управление распределёнными высокопроизводительными ресурсами: доступ, безопасность, администрированиеУправление распределёнными высокопроизводительными ресурсами: доступ, безопасность, администрирование

Кластерные системы (3) Направления работы –Изучение различных программно-аппаратных конфигураций кластеров –Создание дистрибутива ПО кластерного уровня на базе защищённой версии ОС Linux –Разработка средств динамического распараллеливания на базе параллельной редукции графов –Параллельные версии языков программирования высокого уровня –Исследование методов распределённого хранения и обработки данных –Подходы к динамическому распараллеливанию задач невычислительной направленности –Организация безопасного доступа к информационно-вычислительным ресурсам через глобальные сети –Исследование возможности применения средств динамического распараллеливания для метакомпьютинга Наши коллеги –Институт программных систем (ИПС РАН, Переславль-Залесский) –Научно исследовательский центр электронно-вычислительной техники (НИЦЭВТ) –Институт прикладной математики (ИПМ РАН)/НИИ "Квант" –Московский государственный индустриальный университет (МГИУ)

Кластерные системы (4) Совместные проекты –Российско-белорусская программа "СКИФ" –По гранту РФФИ "Центр коллективного пользования" Аппаратная база –Кластер ЦТиТИ МГУ (4 компьютера 2 PIII 667 MHz ) –Кластер МГИУ (200 компьютеров) Результаты исследований –Создан прототип системы динамического распараллеливания программ –Проведены первые тесты реализации файловой системы PVFS поверх протокола MPI Учебно-консультационная деятельность –Привлечение к работам студентов кафедры вычислительной математики мех-мата МГУ –Спецкурс "Функциональное программирование" –Публикация открытых исследовательских задач

Информационная безопасность в открытых IP-сетях (1) Комплексный подход к созданию систем сетевой защиты:Комплексный подход к созданию систем сетевой защиты: модели угроз и защиты, предотвращение или минимизация ущерба, обнаружение злоумышленникамодели угроз и защиты, предотвращение или минимизация ущерба, обнаружение злоумышленника административные и операционные регуляторыадминистративные и операционные регуляторы программно-технические меры: экранирование, шифрование, идентификация, аутентификация, управление доступом, протоколирование и аудитпрограммно-технические меры: экранирование, шифрование, идентификация, аутентификация, управление доступом, протоколирование и аудит Высокопроизводительные ресурсы в сетиВысокопроизводительные ресурсы в сети

Информационная безопасность в открытых IP-сетях (2) Направления работы –Обеспечение информационной безопасности ядра сети МГУ –Создание новой гибкой целостной системы аутентификации, авторизации и учёта пользователей (проект PNIAM) –Создание системы выявления подозрительной активности (активного аудита) –Реализация дополнительных механизмов безопасности в ядре Linux –Создание системы администрирования и мониторинга кластеров –Создание дополнительных инструментов поддержания безопасности –Теоретические изыскания в области информационной безопасности Перечень результатов В рамках проекта PNIAM: –Реализация взаимодействия приложений и модулей –Создание набора модулей аутентификации, авторизации и учёта пользователей –Встраивание PNIAM в приложения, нуждающиеся в PNIAM-сервисах В рамках системы активного аудита: –Разработка общей архитектуры системы активного аудита –Создание и реализация ряда алгоритмов выявления нетипичных и злоумышленных действий

Информационная безопасность в открытых IP-сетях (3) Перечень результатов (продолжение) В рамках дополнительных механизмов безопасности: –Реализация мандатной модели разграничения доступа –Реализация разбиения полномочий суперпользователя –Улучшенная система протоколирования –Улучшенное квотирование ресурсов В рамках кластеров: –Создание подсистемы доступа к кластеру –Создание подсистемы начальной загрузки кластера Дополнительные инструменты: –Создание сервера авторизации абонентов для домашних сетей Теоретические изыскания: –Новая модель разграничения доступа –Моделирование безопасных компьютерных систем

Методология мониторинга крупных сетевых структур (1) системы мониторинга каналов связи (учёт и контроль потребляемых ресурсов);системы мониторинга каналов связи (учёт и контроль потребляемых ресурсов); модель российского сегмента Интернет (определяющие параметры, их взаимосвязь и эволюция)модель российского сегмента Интернет (определяющие параметры, их взаимосвязь и эволюция)

Методология мониторинга крупных сетевых структур (2) В 2000 году в ЦТТИ проводились работы по мониторингу активности 54 российских научно-образовательных сетей на канале RBnet – Teleglobe, который осуществляет для этих сетей связь с всемирной сетью Интернет. Основные направления исследований –структура загрузки канала в целом и по отдельным сетям; –динамика роста числа хостов в научно-образовательных сетях; –качество передачи данных в научно-образовательных сетях. Результаты –получены математические модели и методики для анализа различных характеристик передачи данных; –проведён анализ величины и структуры загрузки магистральных каналов; –дан прогноз роста числа хостов в научно-образовательных сетях; –даны рекомендации по величине канальных квот для различных сетей; –даны рекомендации по размерам и срокам увеличения канальной ёмкости для связи с Интернет.

Задачи развития российского сегмента Интернет 1. Формирование опорной инфраструктуры (транспортная среда, узлы, люди) высокой производительности: межрегиональной – Ростелеком, Транстелеком, РАО ЕЭС, …, отдельные крупные ISP;межрегиональной – Ростелеком, Транстелеком, РАО ЕЭС, …, отдельные крупные ISP; местной – местные операторы, отдельные ISP.местной – местные операторы, отдельные ISP. 2. Разработка и внедрение информационных технологий и приложений, обеспечивающих поддержку: инфраструктуры Интернет (управление, безопасность, …) на национальном, региональном, местном уровнях – ISP, научно-технические центры, университеты;инфраструктуры Интернет (управление, безопасность, …) на национальном, региональном, местном уровнях – ISP, научно-технические центры, университеты; различных сфер хозяйственной деятельности (наука, образование, банки, бизнес, медицина, оборона, СМИ, …).различных сфер хозяйственной деятельности (наука, образование, банки, бизнес, медицина, оборона, СМИ, …). 3. Решение организационно–правовых проблем. Миннауки (МП, RBnet), Минобр. (RUNNet, УЦИ), МГУ, РАН