Тем не менее передача данных возможна и в сетях с непостоянной связью: эти данные могут задерживаться на узлах до тех пор, пока не появится рабочее соединение. Такой метод называется коммутацией сообщений. Сети, сконструированные по такому принципу, называются сетями, устойчивыми к задержкам (DTN, Delay-Tolerant Network), или распадоустойчивыми сетями (Disruption-Tolerant Network, DTN).
Работа над DTN началась в 2002 году, когда комиссией IETF была создана специальная исследовательская группа. Необходимость создания сетей, устойчивых к задержкам, возникла в неожиданном месте: при попытках отправлять пакеты в космосе. Космические сети вынуждены иметь дело с непостоянной связью и очень длинными задержками. Кевин Фолл заметил, что идеи, применимые к таким межпланетным интерсетям, вполне подойдут и для земных сетей, в которых непостоянная связь между узлами является обычным делом (Fall, 2003). Эта модель является обобщением Интернета, в котором при коммуникации возможны задержки и временное хранение данных.
Передача данных скорее похожа на доставку почтовой системой или по электронной почте, чем на коммутацию пакетов на маршрутизаторах2.
С 2002 года архитектура DTN была доработана, и сфера применения модели DTN расширилась. Представьте себе, к примеру, терабайтные массивы данных, полученных в результате экспериментов, из СМИ или с помощью веб-сервисов, которые необходимо передать в центры сбора данных, расположенные по всему миру. Операторам удобнее отправлять такой трафик во внепиковое время, чтобы использовать пропускную способность, за которую они заплатили, но которая не используется, и они готовы к определенным задержкам. Это напоминает резервное копирование, которое выполняется по ночам, когда другие приложения используют сеть не так активно. Если мы имеем дело с глобальными сервисами, проблема состоит в том, что в разных уголках мира внепиковое время разное. Периоды внепиковой пропускной способности могут почти не пересекаться, если центры сбора данных находятся, к примеру, в Перте и Бостоне (когда в одном из этих городов день, в другом — ночь).
Однако модели DTN предусматривают возможность хранения данных и большие задержки. С помощью такой модели массив данных можно сначала передать из Бостона в Амстердам во внепиковое время (так как время в них различается всего на 6 часов). Далее данные будут храниться в Амстердаме до того момента, когда их можно будет передать в Перт, используя внепиковую пропускную способность. В работе (Laoutaris и др., 2009) было установлено, что такая модель способна обеспечить хорошую пропускную способность при незначительных затратах, и эта пропускная способность часто вдвое превышает показатели обычной сквозной модели.
Далее мы рассмотрим архитектуру и протоколы DTN, разработанные IETF.
6.7.1. Архитектура DTN
Модель DTN предлагает отказаться от одного из предположений, на которых основан современный Интернет. Оно звучит так: в течение всего сеанса связи существует сквозной путь между отправителем и получателем. Когда это не так, обычные Интернет-протоколы не работают. Сети, устойчивые к задержкам, обходят проблему отсутствия сквозного пути с помощью архитектуры, основанной на коммутации сообщений (рис. 6.50). Кроме того, они приспособлены к передаче данных по каналам с низкой надежностью и большими задержками. Эта архитектура определена в RFC 4838.
В терминологии DTN сообщение называется посылкой. Узлы DTN оснащены запоминающими устройствами — как правило, с постоянной памятью (диски, флэш-память и т. д.). В них посылки хранятся до тех пор, пока нужный канал не активизируется; затем происходит отправка посылок. Каналы работают с перерывами. На рис. 6.50 изображено пять непостоянных каналов, которые в данный момент не работают, и два активных канала. Активный канал называется контактом. На рис. 6.50 также изображены две посылки, которые хранятся в узлах DTN, ожидая нужного контакта. По такой схеме пакеты передаются от источника в пункт назначения.
Рис. 6.50. Архитектура DTN
Такая схема очень похожа на то, что происходит с пакетами на маршрутизаторах. Однако здесь есть качественные отличия. На маршрутизаторах в Интернете ожидание в очереди длится несколько миллисекунд, в худшем случае — секунд. В узлах DTN посылки могут храниться часами — до тех пор, пока автобус не прибудет в город, самолет не приземлится, узел сенсорной сети не накопит солнечную энергию, необходимую для его работы, спящий компьютер не проснется и т. д. Эти примеры иллюстрируют и второе отличие: узлы могут перемещаться (вместе с автобусом или самолетом) вместе с хранящимися в них посылками, и это может играть ключевую роль в доставке данных; маршрутизаторы Интернета двигаться не могут. Чтобы описать весь процесс перемещения посылок, иногда используют термин «получение—перенос—отправка» («store—carry—forward»).
Для примера рассмотрим ситуацию, изображенную на рис. 6.51. Так протоколы DTN впервые использовались в космосе (Wood и др., 2008). Источник посылок — один из спутников LEO Международной системы мониторинга стихийных бедствий, который делает снимки Земли. Изображения должны приходить на пункт сбора данных. Но спутник имеет непостоянную связь с тремя наземными станциями. Двигаясь по орбите, он связывается ними по очереди. Таким образом, спутник, наземные станции и пункт сбора данных являются узлами DTN. По каждому контакту посылка (или часть посылки) передается наземной станции. Затем посылки доставляются на пункт сбора данных по транзитной наземной сети. На этом передача завершается.
В этом примере основное преимущество архитектуры DTN состоит в том, что она прекрасно подходит для ситуации, когда спутнику требуется хранить изображения в памяти, так как в момент получения изображения связь отсутствует. Помимо этого у DTN есть еще два преимущества. Во-первых, один контакт может быть слишком коротким, чтобы отправить все изображения. Эта проблема решается легко: данные можно распределить между контактами с тремя наземными станциями. Во-вторых, канал между спутником и наземной станцией работает независимо от канала, соединяющего станцию и наземную сеть. Это значит, что скорость обмена данными между спутником и станцией не будет ограничена даже при наличии медленных каналов в наземной сети. Данные могут передаваться на максимальной скорости. Посылка будет храниться на станции до тех пор, пока ее не удастся передать на пункт сбора данных.
Рис. 6.51. Использование DTN в космосе
В описании архитектуры DTN не рассматривается важный вопрос: как находить хорошие маршруты через узлы DTN. Хорошие маршруты зависят от архитектуры, которая описывает, когда следует отправлять данные и по каким направлениям (контактам). О некоторых контактах можно узнать заранее. Так, в нашем космическом примере заранее известно движение небесных тел. В эксперименте по использованию DTN в космосе заранее было известно время связи, а также то, что контакт с каждой наземной станцией длится от 5 до 14 минут и что пропускная способность нисходящей линии составляет 8,134 Мбит/с. С помощью этих сведений можно планировать передачу посылок с изображениями.
В других случаях контакты можно предсказать с меньшей долей вероятности. Примеры таких ситуаций — автобусы, которые связываются друг с другом регулярно (по расписанию), но все же с некоторыми отклонениями; сети провайдеров, в которых внепиковое время и доступное количество пропускной способности можно предсказать по данным, полученным ранее. Другой крайностью являются ситуации, в которых контакты являются эпизодическими и в произвольные моменты. Например, так происходит при передаче данных от пользователя к пользователю с помощью мобильных телефонов, которая зависит от того, какие пользователи выйдут на связь друг с другом в течение дня. Когда контакты непредсказуемы, одна из возможных стратегий — отправлять копии посылки по разным путям в надежде на то, что одна из копий дойдет до места назначения до окончания времени ее жизни.
