Una rete nazionale di GigaPoP

Giuseppe Attardi

Dipartimento di Informatica, Università di Pisa

OTS GARR

Premessa

La tecnologia

Vi è ormai generale consenso sul fatto che le reti di prossima generazione avranno le seguenti caratteristiche:

· trasporto ottico, realizzato con DWDM (dense wavelength division multiplexing)

· traffico IP smistato da router a velocità di 10-Gbps operanti direttamente sul trasporto ottico

· MPLS (Multi Protocol Label Switching) o MPlS (Multi Protocol Lambda Switching) per la gestione del traffico.

Sam Masud sintetizza questi concetti nell’articolo “Transforming the Network Core”, sulla rivista Telecommunications, febbraio 2000,
(http://www.telecoms-mag.com/issues/200002/tcs/transform.html):

Huge capacity in the network core provided via dense wavelength division multiplexers (DWDM) in conjunction with terabit routers is, of course, how IP traffic will be handled since there appears to be consensus that a new generation of routers supporting 10-Gbps line speed will operate directly over the optical network, obviating the need for network operators to manage an overlay ATM/SONET network.

MPLS is aimed at providing network operators with a better way to manage traffic and is expected to become the foundation for offering IP virtual private networks (VPNs). Although an ATM advocate might argue that a switch is a switch and that MPLS can be implemented by an ATM or Ethernet switch vendor as easily as by a traditional router vendor, there is concern whether ATM will be able to handle line speeds above OC-48. “Today, very few ATM interfaces are being developed at OC-48 or OC-192. At OC-768, there’ll probably be zero,” said PSINet’s Fedor.

Una rete ottica intelligente potrà utilizzare apparecchiature di switching fotonico (es. Ciena e Corvis), che evitano le conversioni OEO (ottico-elettronico-ottico) e sono in grado di coprire distanze fino a 4000 Km su una singola tratta, con una riduzione dei costi fino del 75%, mentre l’intelligenza sarà fornita da Optical Terabit Router:

L’ottimizzazione del traffico e la gestione della rete potranno essere svolte o a livello digitale mediante MPLS (Multi Protocol Label Switching), o a livello ottico con MPlS (Multi Protocol Lambda Switching). ATM è utilizzata solo per l’accesso a reti legacy.

I vantaggi di quest’architettura sono:

· eliminazione degli apparati SONET/SDH, costosi e ingombranti, privi di granularità

· eliminazione delle gerarchie degli apparati di telecomunicazione tradizionali

· riduzione dei costi

· ampia espansibilità della banda disponibile

· possibilità di separare e aggregare le bande secondo le esigenze dei servizi e degli utenti.

L’opportunità

L’avvento di nuove tecnologie e soprattutto l’utilizzo di dark fiber consente di ridefinire il modello e i servizi di telecomunicazione, non solo per il mondo della ricerca, ma anche per altri settori.

L’esperienza maturata nella realizzazione delle reti della ricerca (GARR) consente di insegnare, a chiunque abbia competenze di LAN, come costruire e gestire proprie reti in tecnologia WDM o Gigabit Ethernet. In tal modo il modello di Internet di peering tra sistemi autonomi potrà estendersi al mondo delle telecomunicazioni.

Si potrà passare dalla situazione attuale centrata sulle reti di pochi operatori ad una molteplicità di reti possedute dagli stessi utenti e interconnesse a livello sia fisico che virtuale.

Questo potrà far scendere drasticamente i costi della banda e rendere davvero possibili i servizi e le applicazioni di una Società dell’Informazione.

In particolare in Italia, la creazione di una domanda per l’affitto di fibre e la sperimentazione di reti IP su trasporto ottico sarà un importante stimolo agli sviluppi della tecnologia e del mercato delle reti.

Le esigenze della PA

L’AIPA sta progettando una Rete Nazionale italiana per il sistema della pubblica amministrazione, costituita dall’interconnessione di reti paritetiche, appartenenti ai diversi soggetti delle amministrazioni pubbliche locali e centrali. L’interconnessione è attuata attraverso NAP (Neutral Access Point) locali e nazionali, denominati EPO (Exchange Point Operator).

La realizzazione delle reti e delle interconnessioni è demandata a ISP privati, a cui l’AIPA impone solo il rispetto di specifiche funzionali, normative e di prestazioni che assicurino il funzionamento complessivo della rete.

Delegare completamente a privati la costituzione e la gestione degli EPO produce una situazione complessa e di difficile coordinamento, per la mancanza di una infrastruttura di rete omogenea e di un responsabilità ben identificata sul funzionamento delle singole parti.

Le esigenze della Rete per la Ricerca

La rete della ricerca italiana GARR ha avuto un ruolo determinante nello sviluppo di Internet, che si può dire sia nata in Italia proprio con il GARR, con esperienze e realizzazioni anteriori al 1988, anno della sua costituzione.

Nel 2001 la rete GARR evolverà verso un’architettura di Internet ottica, ossia una rete IP i cui circuiti fisici sono attuati con l’uso di lunghezze d’onda “dedicate” su fibra ottica in WDM attestate direttamente ad un router di alte prestazioni. La nuova architettura del backbone di rete potrà pertanto fare a meno di strati intermedi quali ATM e SDH.

La dorsale della nuova rete, GigaRR, collegherà diversi GigaPoP in Italia con i GigaPoP della rete della ricerca europea GÉANT, e con le altre reti nazionali ed internazionali. Sarà inoltre incoraggiata la realizzazione di reti di campus e metropolitane in dark fiber.

Perché la rete GigaRR possa svilupparsi e affrontare le complesse sfide tecniche, tecnologiche e scientifiche che le si presenteranno è assolutamente necessaria la costituzione del Consorzio per la Rete della Ricerca, richiesto da Università ed enti di ricerca sin dal 1996 e previsto nella legge finanziaria 2000.

Gli obiettivi del Consorzio comprendono:

· svolgere ricerca, sviluppo e test di tecnologie per un’Internet ottica, in collaborazione con aziende e reti regionali

· favorire lo sviluppo di un’industria nazionale di tecnologie e servizi per un’Internet ottica

· progettazione e messa in servizio di un’infrastruttura sostenibile e ad alte prestazioni per la ricerca e la formazione

· sviluppo di tecnologie per la produzione e fruizione di contenuti per la comunità italiana, le scuole, la pubblica amministrazione

· sviluppo di Internet di terza generazione basata su tecnologie ottiche.

Il Consorzio per la Rete della Ricerca è quindi il naturale candidato alla progettazione, realizzazione e gestione di GigaPoP, in analogia a quanto avvenuto in altri paesi con i GigaPoP realizzati da CMU (USA), Ottawa (Canada), ecc.

Le esigenze nazionali

L’Autorità per le Garanzie nelle Comunicazioni, nella relazione annuale del 30 giugno 2000, afferma che “il futuro di Internet è fortemente dipendente dall’ampliamento delle risorse di banda, in termini di ampiezza, capacità e velocità”.

Riporta inoltre che

“L’Architecture Planning Group di Internet 2 prevede un’architettura fondata su GigaPoP. … Una volta implementata l’architettura GigaPoP, gli utenti internet e in particolare le aziende potranno scegliere il nodo di accesso meglio rispondente alle proprie esigenze, in base ai costi e alle prestazioni. Numerose aziende di networking e telecomunicazioni stanno oggi lavorando allo sviluppo di questa architettura.

La realizzazione di Internet 2 e Internet 2-like rappresenta per le aziende coinvolte un investimento cospicuo, stimato intorno a 100 miliardi di dollari entro il 2002. A parte il contributo governativo, le aziende si aspettano significativi ritorni dal modello di business che si costituirà intorno alla nuova Rete.”

La strategia

Si ritiene opportuno sfruttare una straordinaria convergenza tra:

· le possibilità offerte dalle innovazioni tecnologiche

· le necessità di PA (AIPA e RUPA)

· le necessità della Rete della Ricerca (GARR)

per progettare e realizzare di una rete nazionale di GigaPoP, collegati tra loro in una mesh di circuiti realizzati con l’utilizzo diretto di dark fiber, ossia singoli strand di fibra ottica affittati da terzi o stesi in collaborazione con aziende pubbliche o private.

Il nucleo della rete dovrà essere costituito da una mesh che garantisca un’opportuna ridondanza e il raggiungimento di un’ampia parte del territorio nazionale. Ulteriori GigaPoP verranno aggiunti in seguito fino a raggiungere una copertura completa a livello provinciale.

Figura 1. Ipotesi di dislocazione del nucleo di GigaPoP.

Cos’è un GigaPoP

Un GigaPOP è simile ad un aeroporto, dove le linee aeree, che corrispondono agli ISP (Internet Service Provider), raccolgono i viaggiatori, che corrispondono alle reti di singole organizzazioni (aziende, PA, università, scuole, ecc.), per trasportarli alle rispettive destinazioni.

Completando l’analogia, il GigaPoP è un punto di incontro comune dove gli utenti possono accedere ai servizi di diversi ISP:

	Aeroporto	GigaPoP
fornitori	linee aeree	ISP nazionale, ISP regionale, Rete universitaria, RUPA, RUPAR
clienti	viaggiatori	reti di singole organizzazioni
servizi ai clienti	i viaggiatori scelgono una linea aerea secondo diversi criteri quali: destinazione, prezzo, qualità del servizio	ciascuna rete stabilisce accordi con diversi ISP per servizi diversi (es. traffico nazionale, traffico internazionale, ecc.)
servizi ai fornitori	un aeroporto offre servizi a valore aggiunto quali: biglietteria, dogana, negozi, ristorazione, …	un GigaPOP offre servizi a valore aggiunto come: routing BGP, caching server, Mbone RP, sicurezza, telefonia IP, …

Un GigaPoP è fondamentalmente diverso da un NAP (Neutral Access Point), che è un punto di scambio riservato agli operatori (ISP), completamente chiuso sia rispetto agli utenti che rispetto ad altri NAP.

In un GigaPoP sono invece presenti sia gli ISP locali, che forniscono accessi alla rete, sia ISP nazionali o internazionali che forniscono trasporto su lunga distanza, sia soprattutto le reti private degli utenti. Ciascuno di questi soggetti disloca nei locali del GigaPoP i propri router o altri apparati (server, storage, ecc.) necessari per mettere a disposizione i propri servizi (connettività, hosting, ASP, ecc.) agli utenti o ad altri ISP.

Il GigaPoP dispone di apparati di routing/switching ed in particolare di connessioni via dark fiber con altri GigaPoP. L’uso di tale fibra è gestito ed allocato con MPLS o MPlS, dando la possiblità a ciascun operatore di creare reti private virtuali (VPN) per uso proprio o di altri. In particolare con MPlS è possibile utilizzare singole lunghezze d’onda (colori) del fascio ottico da assegnare sia permanentemente che temporaneamente a chi lo richiede. In questo modo è possibile realizzare in maniera estremamente semplice, sicura ed affidabile, reti private virtuali (VPN) per gruppi di aziende o di amministrazioni. Ad esempio la rete della ricerca GigaRR può restare completamente separata a livello di trasporto dalla rete del Ministero delle Finanze e usare i propri collegamenti con i GigaPoP della rete europea GÉANT, mentre il Ministero delle Finanze si connette all’Internet commerciale per altre vie.

L’accesso alla Internet commerciale potrà essere fornito da una molteplicità di fornitori, sia presenti localmente al GigaPoP, sia raggiungibili a loro volta attraverso MPLS nel GigaPoP presso il quale sono attestati. Questo consente agli utenti di scegliere una o più connessioni con Internet commerciale, ad esempio una verso le reti nazionali e una diversa verso quelle internazionali.

Con i GigaPoP si ritorna al modello di rete originario di Internet, basato sul concetto di peering tra reti paritetiche, anziché quello degli anni recenti, che distingue tra clienti e fornitori e in cui il cliente, una volta scelto un fornitore di accesso, è obbligato ad ottenere dallo stesso fornitore tutti i servizi di connettività. I clienti riacquistano la loro libertà e un ruolo attivo, potendo sviluppare le proprie reti con maggiore flessibilità e determinandone gli sviluppi, realizzando quelle che Bill St. Arnaud chiama “customer empowered networks”. St. Arnaud è il responsabile della rete della ricerca canadese CA*net 3 (www.canet3.net), che è un pioniere della Internet ottica e della sua diffusione su larga scala.

Realizzare un GigaPoP è come creare un mercato che facilita l’incontro tra la domanda e l’offerta di servizi di trasporto e interconnessione. Il libero gioco di mercato per tali servizi può favorire la competizione, l’efficienza, il miglioramento dei servizi e la riduzione dei costi, oltre ad aprire prospettive per la nascita di nuovi servizi e di nuovi operatori, in particolare eliminando le barriere d’ingresso che oggi sono rappresentate dagli alti costi di costruzione di infrastrutture proprie o dal doversi rivolgere ai pochi fornitori operanti a livello nazionale.

Vantaggi di un GigaPoP

Attualmente le interconnessioni tra le reti Internet sono realizzate attraverso accordi di peering bilaterali tra ISP, per lo scambio di informazioni di routing TCP/IP e di traffico. Nelle aree in cui sono presenti numerosi ISP, risulta conveniente, per ridurre i costi e facilitare la gestione, costituire dei NAP (Neutral Access Point), tipicamente in luoghi baricentrici per minimizzare i costi dei circuiti, dove ciascun ISP può dislocare un proprio router da connettere a quello di altri:

Figura 2. Instradamento attraverso NAP.

I NAP tuttavia spesso diventano dei punti di congestione del traffico, e inoltre non si attua il migliore instradamento, poiché ciascun ISP instrada il traffico di preferenza attraverso la propria rete, anche se questo risulta complessivamente meno efficiente, e non sfrutta le prossimità geografiche.

Con un’architettura di rete a GigaPoP, gli utenti raggiungono il GigaPoP più vicino, e l’instradamento viene effettuato scegliendo il miglior rapporto prezzo/prestazioni della rete:

Figura 3. Instradamento attraverso GigaPoP.

I GigaPoP sono quindi punti di aggregazione territoriale della rete che instradano il traffico sulla base della vicinanza geografica. Il traffico che uscirà dall’area si dirigerà direttamente alla sua destinazione remota evitando dove possibile di passare attraverso più reti.

Ruolo strategico dei GigaPoP

· Riequilibrio territoriale: lo sviluppo delle reti in fibra ottica su territorio nazionale soffre di uno squilibrio tra le aree avanzate (nord e aree metropolitane), dove numerosi operatori si contendono la clientela più ricca, cablando ampie zone in fibra ottica e fornendo servizi di accesso a larga banda, e aree meno avanzate dove il cablaggio ritarda;

· Riequilibrio di mercato: la presenza di pochi operatori dotati di un’infrastruttura nazionale e una tendenza alla concentrazione (es. acquisto di Infostrada da parte di Wind) producono uno squilibrio da mitigare creando le condizioni per l’offerta di vendita di banda all’ingrosso (ad esempio di wavelenght) o di accessi all’ingrosso (es. DSL) e il luogo per lo scambio di banda e accessi;

· Avanzamento tecnologico: le reti degli operatori nazionali sono state generalmente progettate per il trasporto della voce e non sono adatte al trasporto digitale, e gli operatori sono riluttanti a sostituirle con reti di prossima generazione, per proteggere i loro investimenti. La partecipazione alla costruzione di una rete comune di prossima generazione consente di ridurre i costi e accelerare la transizione;

· Sperimentazione: la disponibilità di una rete alla velocità del Gigabit, consente di sperimentare su larga scala servizi attualmente non praticabili;

· Favorire lo sviluppo di reti locali e regionali;

· Attirare e favorire la localizzazione nell’area di aziende tecnologiche.

Ruolo strategico dell’investimento pubblico

· Creare una struttura neutra, aperta ad ogni operatore e non controllata da nessuno

· Stimolare la realizzazione incoraggiando l’investimento in infrastruttura da parte di enti pubblici, scuole, università e ospedali

· Agevolare la partecipazione alla realizzazione dell’infrastruttura da parte di aziende di utility (elettricità, acqua, gas), oltre ai tradizionali operatori telefonici

· Consentire lo sviluppo di modelli di business alternativi

· Stimolare lo sviluppo e l’uso di tecnologie che affrontano la questione dell’ultimo miglio, in una cooperazine tra pubblico e privato.

Struttura di un GigaPoP

Il GigaPoP fisicamente è una locazione sicura e idonea che ospita un router di alte prestazioni e altre apparecchiature di comunicazione o servizio di ciascuno dei partner che partecipano al GigaPoP, tra cui vi saranno sia ISP di Area che ISP nazionali. I partner di un GigaPoP saranno generalmente le reti di diverse amministrazioni tra cui, ad esempio: la rete della ricerca GARR (Università e enti di ricerca), la rete di ciascuna amministrazione locale (Comune, Provincia) e di altre organizzazioni pubbliche, eventuali aggregazioni locali quali reti regionali o metropolitane.

Il GigaPoP dispone di proprie apparecchiature di switching, tra cui un Terabit Router e apparecchiature di switching fotonico per il collegamento via dark fiber ad altri GigaPoP regionali o nazionali. La dark fiber di collegamento con altri GigaPoP potrà essere presa in affitto o essere di proprietà del GigaPoP.

Infine si potrà prevedere l’integrazione con sistemi wireless ed in particolare l’interconnesione con reti UMTS.

Per lo svolgimento delle complessa attività del GigaPoP si prevede di utilizzare le competenze degli enti partecipanti, in particolare delle Università e degli enti di ricerca, oltre a coinvolgere nella realizzazione e gestione partner privati, quali ISP o ditte produttrici di apparecchiature di rete, secondo un’impostazione simile a quella del consorzio americano UCAID (www.ucaid.org) per lo sviluppo di Internet 2. In questo modo le apparecchiature e le fibre verrebbero assegnate al GigaPoP a condizioni particolari, in cambio della partecipazione alle attività e all’utilizzo dell’infrastruttura. I servizi del GigaPoP (hosting, routing, raccolta di accessi, ecc.) infatti saranno forniti a pagamento ai partner. La vasta disponibilità di banda di accesso e un elevato numero di utenti locali rende la partecipazione al GigaPoP interessante per gli ISP e le altre aziende del settore: ne consegue la disponibità a contribuire anche finanziariamente al suo sviluppo oltre che al suo utilizzo.

Un obiettivo fondamentale del GigaPoP è di favorire l’aggregazione di reti e la creazione di reti private sfruttando un’infrastruttura di cablaggio comune o ad accesso aperto.

Pertanto le reti esistenti saranno le prime ad essere coinvolte (es. GARR, RUPA, reti civiche, reti comunali, ecc.).

Il GigaPoP dovrà favorire l’aggregazione di nuove reti: ad esempio, per favorire l’accesso alla rete di scuole, enti periferici, utenze domestiche, il GigaPoP si potrà dotare di un servizio DSL wholesale, in modo da convogliare sul GigaPoP utenti che accedono alla rete tramite DSL (Digital Subscriber Line) su linea telefonica. Il servizio DSL è il più adatto a fornire accesso a larga banda permanente a costi fissi, raggiungendo località o sedi non direttamente raggiunte dal cablaggio cittadino.

Questa soluzione è particolarmente attraente per dotare le scuole di un servizio di qualità adeguata a costi contenuti, con ampia copertura.

Figura 4. Struttura di un GigaPoP.

GigaPoP e cablaggio locale

La presenza di un GigaPoP deve fare da stimolo per la creazione di una infrastruttura di cablaggio commune a larga banda. Tale infrastruttura potrà essere realizzata sfruttando sinergie tra enti o società interessate a dotarsi di una propria rete, le amministrazioni comunali e le aziende di utilità, che svolgono frequentemente lavori pubblici stradali per conto proprio o fornendo le concessioni.

Un piano generale di cablaggio potrà essere coordinato dal GigaPoP, in modo da assicurare che l’infrastruttura evolva verso la massima copertura, mantenendo le caratteristiche di accesso aperto, compatibilità tecnica e di costi contenuti, in quanto struttura condivisa.

I costi tipici di un piano del genere si collocano intorno ai 30 milioni una tantum per ciascuna connessione in fibra ottica. Questo livello di costi rende disponibile banda praticamente senza limitazioni e toglie un blocco fondamentale allo sviluppo di servizi e applicazioni che non è solo il fatto che i prezzi commerciali per la banda crescono in funzione della capacità, ma soprattutto il fatto che è difficile poter disporre a priori o effettuare i cospicui investimenti necessari per ottenere la banda utile all’inizio di una nuova sperimentazione.

Tipicamente i costi del cablaggio si ammortizzano in meno di tre anni. Ad esempio, il servizio HDSL costa circa 12 milioni l’anno. Dotare di HDSL 100 scuole costa in tre anni 3.600 milioni. Il costo complessivo del cablaggio è di 3.000 milioni.

Un piano di cablaggio potrebbe portare ad una situazione come quella indicata nella Figura 5.

Esperienze di questo tipo sono state già realizzate anche in Italia, in particolare all’Università di Pisa, che ha realizzato nel corso degli ultimi 7 anni una estesa cablatura della città, con oltre 900 Km di fibra ottica attestata e funzionante, su 40 Km di scavi, che collega oltre 90 istituzioni universitarie e pubbliche cittadine, per un totale di oltre 15.000 nodi. Anche altre Università (Padova, Milano, ecc.) hanno realizzato esperienze di cablaggio privato.

Figura 5. Cablaggio locale.

Attuazione dei GigaPoP

Per l’attuazione dei GigaPoP è presumibile immaginare la costituzione di consorzi misti pubblico-privato, che si assumono l’incarico della realizzazione e gestione di uno o più PoP.

Uno di questi consorzi sarà il Consorzio per la Rete della Ricerca, che si presume dovrà attuare alcuni GigaPoP che costituiscono il nucleo della rete GigaRR e che si collega a sua volta ai GigaPoP europei della rete GÉANT. Il finanziamento del MURST e dell’Unione Europea alle attività di questo Consorzio costituiscono già uno stimolo significativo verso la costruzione di una rete di GigaPoP in Italia.

Altri consorzi potranno nascere a livello locale e regionale con la partecipazione di enti quali Regione, Comuni e imprese. Alcune regioni si stanno già movendo in direzione simile, come la regione Lombardia e la regione Toscana con la RTRT.

Un significativo impulso alla creazione di GigaPoP potrebbe venire dal riconoscimento dei GigaPoP come EPO per la rete nazionale della pubblica amministrazione e pertanto al requisito che gli ISP che vogliono fornire servizi alla pubblica amministrazione devono dotarsi di una presenza in un GigaPoP.

Conclusione

Un’efficace e conveniente infrastruttura di rete è essenziale per ogni attività nei settori sia pubblico che privato. Il ritardo che l’Italia ha accumulato nella liberalizzazione del settore e nella realizzazione di infrastrutture di rete può oggi essere colmato sfruttando la possibilità offerta da un salto di generazione tecnologica. Occorre oggi investire nello sviluppo e utilizzo di una tecnologia che consenta di aprire l’ultimo miglio, e che pertanto sia aperta, economica, e dedicata a Internet. Questo tipo di infrastruttura è significativamente diverso da quello utilizzato nei backbone delle tradizionali imprese telefoniche o dei servizi legacy. Poiché si parte verso una situazione nuova, questo offre uno spazio per nuovi entranti ed in particolare per imprese italiane che abbiano la capacità di maturare nuove competenze ed esportarle.

Un investimento pubblico in questo settore e una partecipazione attiva di enti, aziende e delle migliori competenze disponibili in questo campo, consentirebbero al paese di cogliere questa opportunità, e di colmare il divario con i paesi più tecnologicamente avanzati.