Next Generation Internetin ja
Internet2:n uudet palvelut

2.11.1998

Teppo Halonen
Ti
Teknillinen Korkeakoulu
tthalone@cc.hut.fi

Tiivistelmä

Viime vuosien aikana Internet on kasvanut räjähdysmäisesti. Samoin on käynyt sen käyttäjämäärälle. Samalla Internet on muuttunut hyvin kaupalliseksi ja sen alkuperäinen käyttötarkoitus tiedemaailman työkaluna on jäänyt lapsipuolen asemaan. Toisaalta tietotekniikan sovellukset ovat muuttuneet kasvaneen prosessointitehon ansiosta yhä monimutkaisemmiksi.
Internetin kapasiteetti ei kuitenkaan riitä uusien uuden sukupolven sovellusten tarpeisiin. Tähän ongelmaan vastauksena on alettu kehitellä uuden sukupolven Internetiä, jossa runkoyhteyksien kapasiteetti on totuttuun verrattuna uutta kertaluokkaa ja liityntänopeudet sellaisia joita ei aiemmin ole voitu saavuttaa. Uusia ratkaisuja on laadittu jo muutamien vuosien ajan USA:ssa sekä valtion hallinnon että yksityisellä ja yliopistojen tahoilla. Nopeampi verkko tarjoaa mahdollisuuden toteuttaa entistä monipuolisempia palveluita ja sovelluksia.


1 Johdanto

Yhdysvalloissa hallitus ja tiedemaailma ovat alkaneet kehittää uutta Internet teknologiaa. Lähtökohtana on ollut se että Internet nykyisellään ei tarjoa riittävästi siirtokapasiteettia ns. vakaville käyttäjille koska kaistaa ovat haukkaamassa niin yritykset kuin myös yksityiset käyttäjät. Lisäksi nykyinen Internet on käynyt lähtökohtaisesti kapasiteetiltaan liian heikoksi uusille esim. multimediaa tai muuta kaistaintensiivistä käyttöä varten.

Uutta Internettiä ollaan lähdetty rakentamaan kahdella eri taholla. USA:n hallitus ja tiedeyhteisö ovat aloittaneet jo muutama vuosi sitten kehitystyön tahoillaan. Molemmilla on tarkoituksena luoda suurikapasiteettinen runkoverkko instituutioidensa välille ja pystyä tätä pitkin ajamaan erilaisia multimedia yms. sovelluksia.

Tässä esseessä käsitellään ensin yleisesti uusia verkkoja ja niiden taustalla vaikuttavia tahoja ja jäjempänä niihin toteutettavia sovelluksia, kuitenkaan menemättä kovin syvälle teknisiin yksityiskohtiin. Lopuksi yhteenvetona esitetään lyhyt katsaus tietoverkkojen tulevaisuuteen.

Termejä palvelu ja sovellus käytetään, jonkin verran ristiin, sillä tämä dokumentti käsittelee uusia sovelluksia ylätasolla käyttäjän näkökulmasta ja käyttäjä näkee siis nämä lähinnä palveluina. Palvelulla ei siis tässä esseessä tarkoiteteta esimerkiksi protokollan tarjoamaa palvelua.

2 Internetin kehittäjät

Uutta Internetiä on alettu kehittää käytännössä kahdella eri taholla. Molempien tahojen päämäärät ovat kuitenkin lähestulkoon samanlaiset, joskin tiettyjä painotuseroja on johtuen erilaisista intresseistä. Painotukset näkyvät juuri hieman erilaisissa sovellusalueissa.

2.1 Next Generation Internet - USA:n hallitus

Next Generation Internetin (NGI) taustalla on Yhdysvaltain hallitus. Kehitystyö laitettiin käyntiin yhdysvaltain presidentin Bill Clintonin aloitteesta [5,9]. Aloitteessa tavoitteiksi on määritelty:

  1. Editää kokeiluja uuden sukupolven verkkoteknologioilla
  2. Yhdistää yliopistot ja kansalliset laboratoriot hyvin suurinopeuksisilla verkoilla, jotka ovat nopeudeltaan 100 - 1000 kertaa nopeampia kuin tämän päivän Internet.
  3. Esitellä uusia sovelluksia, jotka täyttävät tärkeät kansalliset tavoitteet ja missiot.

NGI:n taustalla on siis Valtionhallinnon toimistot ja rahoitus tulee liittovaltion kassasta. [5,9]

2.2 Internet2 - Tiedeyhteisö

Internet2 on yli 100 Yhdysvaltain yliopiston yhteisprojekti. Yliopistot ovat muodostaneet University Corporation for Advanced Internet Development (UCAID) -yhdityksen, jonka nimissä Internet2:n kehitystä ajetaan. Internet2:n tavoitteiden asettelu on hieman monimuotoisempaa kuin NGI:n. Suurimpana erona NGI:n ja UCAID:n tavoitteissa on että UCAID pyrkii voimakkaammin edistämään tutkimusta ja uusien teknologioiden, sekä sovellusten kehittämistä ja käyttöönottoa niin kokeellisessa Internet2-ympäristössä kuin jatkossa myös Internetissä. NGI:n tavoitteet kohdentuvat voimakkaammin valtiollisiin näkökohtiin. UCAID:ssa kehitystyötä tehdään ns. Working Groupeissa.UCAID:n taustalla ovat yliopistojen lisäksi myös valikoidut yksityisen sektorin yritykset ja sen rahoitus tulee niin yliopistoilta kuin yksityisiltä tukijoilta. [7]

3 Uusi teknologia

Jotta päästäisiin tavoitteiksi asetettuihin tiedonsiirtonopeuksiin runkoyhteyksillä ja päätelaitteissa täytyy otta käyttöön uutta teknologiaa tietoliikennehierarkian kaikilla tasoilla. Tärkeimpiä kehityskohteita ovat tietenkin runkoyhteydet koska ne muodostavat suurimman pullonkaulan käyttäjämäärän kasvaessa ja sovellusten kehittyessä kaistaintensiivisempään suuntaan.

3.1 Runkoyhteydet

vBNS eli very high speed Backbone Network Service on National Science Foundationin (NSF) kehittämä suurinopeuksinen tutkimus verkko yhdysvalloissa [7]. Sekä NGI että Internet2 käyttävät tätä runkoverkkonaan. vBNS perustuu ATM teknologiaan SONET:n päällä. Tällä hetkellä vBNS toimii 622 Mbps nopeudella mutta nopeus tullaan kasvattamaan 2.4 Gbps:n vuoteen 2000 mennessä.

3.2 Liittyminen verkkoon

Internet2 projektissa on kehitetty ns. gigaPoPeja (Gigabit per second Point of Presence). Nämä tarjoavat liittymisen vBNS:ään esimerkiksi yliopistojen sisällä. GigaPoPien avulla Internet2 yliopistot voivat liittyä NGI:hin ja valtiolliseen vBNS:ään [7].

4 Kehittyneet palvelut

Varsinaisesti uusissa interneteissä ei olla keksitty mitään uutta mullistavaa sovellusaluetta tai palvelua. Lähinnä ollaan lähdetty tutkimaan ja toteuttamaan olemassaoleville ajatuksille ja sovellusalueille infrastruktuuria joiden päällä ne voivat toimia tehokkaasti [7,9]. Samalla kehitetään standardeja ja työvälineitä palveluiden ja sovellusten kehittämistä varten. Monet sovellukset ovat tosin tulleet mahdollisiksikin vasta aivan viimeaikaisen puolijohdetekniikan kehittymisen ansiosta

4.1 Next Generation Internet

NGI:ssä sovellusten kehitys on kohdistettu liittovaltio-toimistokohtaisesti. Kehitystyötä tehdään pääasiassa seuraavien toimistojen alaisuudessa tai rahoituksella:

NIH - National Institutetes of Health <http://www.hig.gov>
NIST - National Institute of Standards and Technology <http://www.nist.gov>
NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration <http://www.noaa.gov>
NSF - National Science Foundation <http://www.nsf.gov>
NASA - National Aeronautics and Space Agency <http://www.nren.nasa.gov>

Valtionhallinnon sovelluksissa on painopiste lääketieteessä sekä ympäristöntutkimuksessa. Nämä ovatkin alueita jotka ovat tähän asti olleet Internetin kehittyessä lapsipuolen asemassa, sillä informaatiomäärät joita näiden alojen sovelluksissa käsitellään ovat niin valtavia että niiden siirtäminen järjestelmien välillä on monesti ollut mahdotonta tai vähintäänkin kannattamatonta. Suurin osa suunnitelluista sovelluksista käyttää paljon graafisia esityksiä ja verkossa aiotaan siirtää paljon suuritarkkuuksista reaaliaikaista mittaustietoa tai kuvaa, jotka vieläpä useissa sovelluksissa ovat kolmiulotteisesta avaruudesta. [10]

4.1.1 NIH

Yhdysvaltain terveysviranomaiset ovat kehittämässä useita erityyppisiä etäterveydenhoitoon liittyviä sovelluksia. Lisäksi on kehitteillä sovellus hajautetun PET analyysin tekemiseen.

Etäterveydenhuoltopalveluissa ajatuksena on että hyvinkin kaukana oleva lääkäri voi suorittaa potilaan hoitoa tai diagnosointia päätelaitteen välityksellä. Kehitteillä on myös järjestelmä jossa on mahdollista toteuttaa mm. kirurgisia operaatioita kauko-ohjatusti tietoliikenneyhteyden yli.
Hajautettua prosessointia pyritään hyödyntämään 3-ulotteisten magneettikuvien prosessointiin. Tekniikalla voitaisiin nopeuttaa huomattavasti kuvien analysointiin kuluvaa aikaa sillä kuvat usein tietomäärältään useiden gigatavujen luokkaa.
NIH:llä on kehitteillä myös hajautettuja referenssitietokantoja mm. kuvamateriaalista, joka helpottaa diagnosointia.

4.1.2 NIST

Teknologiavirastolla on kehitteillä sovelluksia, jotka hyödyntävät NGI:n tarjoamaa kasvanutta tiedonsiirtokapasiteettia pyyhkäisymikroskooppien etäkäytössä, sekä uudentyyppisten tuotantolaitteiden ohjauksessa sekä tuotannon simuloinnissa.

4.1.3 NOAA

Ympäristöhallinto on kehittämässä NGI:n varaan kehittynyttä säänennustusjärjestelmää. NGI mahdollistaa suurinopeuksisen tiedonsiirron tiedonkeruuasemilta, joita ovat Doppler tutkat, satelliitit ja säähavaintoasemat prosessointipisteisiin, sekä hajautetun prosessoinniin eri pisteiden kesken. Järjestelmä mahdollistaa huomattavasti nykyistä tehokkaamman säänennustuksen kun koko ajan on tarjolla reaaliaikaista tietoa säätilassa tapahtuvista muutoksista ja prosessointi voidaan samalla hajauttaa synkrnoidusti useiden prosessointipisteiden välille.

4.1.4 NSF

Yhdysvaltain Tiedesäätiö on kehittänyt sovelluksia jotka mm. mahdollistavat pääsyn massiiviseen määrään geologista tietoa ja erilaisia tiedon esitysmuotoja, meteorologisen tutkimuksen hajautetussa ympäristössä ja satelliitti ja havainnointiasemilta kerätyn tiedon hajautetun käsittelyn.

4.1.5 NASA

NASA on suuressa mittakaavassa mukana hyödyntämässä NGI:n tarjoamaa kapasiteettia. Sillä on käynnissä useita projekteja joiden tarkoituksena on kehittää avaruushallintoa tietoverkkoon liittäviä sovelluksia. Kehitteillä on mm.on-line tuulitunneli, on-line lentosimulaattori, telelääketieteen sovelluksia avaruusolosuhteisiin, astrobiologian sovelluksia, astrofysiikan sovelluksia; mm. teleskooppien etäkäyttöjärjestelmiä, sekä avaruustutkimussovelluksia; mm. interaktiivinen yhteys avaruusluotaimiin. [4]

4.2 Internet2

Internet2 Applications Working Group eli Internet2 Sovellustyöryhmä koordinoi sovellusarkkitehtuurin ja sovelluskehitystyökalujen kehittämistä, käyttämään hyväksi Internet2:n kehittynyttä verkkoarkkitehtuuria [7].

Suurimpana erona Internet2:n ja NGI:n ja sovellushankkeiden välillä voi nähdä sen, että NGI:n sovellukset ovat tarkemmin määriteltyjä kuin Internet2:ssa, jopa niin että Internet2:een liittyvissä sovellushankkeissa ei olla välttämättä aina rakentamassa mitään konkreettista, jotain tarkoin määriteltyä tarvetta täyttävää, sovellusta vaan pikemminkin jokin kokeellinen kokonaisuus, jossa on mahdollista testata ja pilotoida uutta teknologiaa. Internet2:n piirissä kehitetetään toki myös monia niistä sovellusalueista joilla painopiste NGI:ssä on, kuten telelääketiede ja hajautettu prosessointi.

Sovelluksia ollaan rakentamassa yhtäaikaisesti Application Working Groupin alaisuudessa lähes kaikissa UCAID:n kuuluvissa yliopistoissa ja korkeakouluissa. Kaikkia eri sovelluksia ei ole järkevää esitellä tässä, joten käyn läpi joitakin yleistä linjaa hyvin edustavia sovellusesimerkkejä jotka ovat työn alla. Taulukossa UCAID:n projektit on kirjattu Internet2:n kotisivujen mukaisesti. Taulukon sovellukset eivät siis kuitenkaan käsitä kaikkia Internet2:n päälle rakenteilla olevia sovelluskokonaisuuksia.

4.2.1 The University of Alabama at Birmingham (UAB)

UAB on yksi Internet2 -hankkeessa mukana olevista yliopistoista. Yliopistolla on käynnissä useita hankkeita Internet2:n ympärillä yhtenä esimerkkinä työn alla olevista hankkeista voidaan ottaa Hajautetun prosessoinnin alaan kuuluva Mobiilisovellusten testausympäristö (Mobile Applications Test-bed).

UAB:lla on Georigia Institute of Technology:n kanssa yhteishanke jossa rakennetaan vBNS:ään pohjautuva molempien yliopistojen kampukset yhdistävä verkko, jonka päälle toteutetaan hajanaisia (sparse) VLAN:ja. Verkossa on tarkoituksena testata ja kehittää mobiili IPv6 ja mobiili IPv4 toteutuksia. Samalla voidaan tutkia millaisia ongelmia suurinopeuksisissa mobiiliverkoissa tulee vastaan ja millaisilla toteutuksilla ja järjestelyillä ne voidaan ratkaista. [1,7,8]

4.2.2 IBM / Northwestern University (NWS)

Northwestern University yhdessä IBM:n kanssa on kehittämässä Internet2:ssa käytettäväksi videostreaming tekniikkaa ja sen sovelluksia. Lähinnä pyritään kehittämään sovelluksia jotka parantavat videostreamin nopeutta ja laatua. Kehitystyössä pystytään hyödyntämään Internet2:n suurempaa tiedonsiirtokapasiteettia ja pienempää käyttäjämäärää ja voidaan todennäköisimmin päästä parempaan luotettavuuteen ja joustavuuteen millä tarkoitetaan lähinnä esim. IPv6:n multicasting -ominaisuuksia. [2]

4.2.3 IBM / Indiana University (IU)

Indiana University kehittää IBM:n kanssa on-line kirjastoa, jossa on verkon yli pääsy suuriin CD-tasoisiin äänittekokoelmiin ja mahdollisesti jatkossa myös muunlaiseen mediaan taiteiden- ja humanististen aineiden laitoksien alaisuudessa. [2]

Alla on taulukoitu NGI:n ja Internet2:n varaan kehitteillä olevia uusia sovelluksia niiden vaatimine tiedonsiirtonopeuksineen ja rahoittajineen. [4,6,10]

Sovellus Toteuttaja/
Sponsori
Vaadittu siirtonopeus
Radiologisen konsultoinnin Työasema NGI/NIH 50 Mbps
Hajautettu PET analyysi NGI/NIH > 500 Mbps
Tosiaikainen telelääkintä NGI/NIH 75 Mbps
Tosiaikainen röntgen analyysi NGI/NIH 10 Mbps
Kauko-ohjattu telelääkintä NGI/NIH 75 Mbps
Keskitetyt lääketieteelliset kuvareferenssit NGI/NIH 75 Mbps
Telerobotiikka Mikroskooppien ohjauksissa NGI/NIST 80 Mbps
Heksapod konetekniikan simulointi, kauko-ohjaus ja määrittely NGI/NIST 80 Mbps
Kehittynyt Säänennustus NGI/NOAA ? Mbps
Chesapeake Bay -virtuaaliympäristö NGI/NSF 155 Mbps
Hajautettu mallinnuslaboratorio meteorologisille mesoluokan tutkimuksille NGI/NSF 110 Mbps
Tosiaikainen ympäristötietokanta NGI/NSF 150 Mbps
Kehittyneitä 'aerospace' testaus- ja kehitystyökaluja NGI/NASA ?
Astrobiolologisia sovelluksia NGI/NASA ?
Astrofysiikan sovelluksia NGI/NASA ? Mbps
Avaruustutkimussovelluksia NGI/NASA ? Mbps
Learningware - Opiskelutietojärjestelmät UCAID ?
Digitaaliset kirjastot ja Pääsy hajautettuihin tietovarastoihin UCAID ?
Tele-immersio - Virtuaaliläsnäolo UCAID ? Mbps - ? Gbps
Virtuaalilaboratorio UCAID ?

5 Tulevaisuuden kehitysnäkymiä

Nykyinen Internet tulee todennäköisesti säilymään käytössä jatkossakin. Internet2 ja NGI tarjoavat alkuvaiheessa vain yhdysvaltain julkishallinnolle ja tiedeyhteisölle pääsyn nopeampiin ja tehokkaampiin tietoverkkoihin. Ainakin nykyisten kaavailujen mukaan ei uusia internettejä tulla avaamaan yksityisille ja yrityksille nykyisen Internetin tapaan temmellyskentäksi. Kuitenkin Internet2 ja NGI hyödyttävät myös näitä käyttäjäryhmiä. Ne toimivat teknologioiden kehittäjien testilaboratorioina ja niiden poikimat uudet innovaatiot tulevat todennäköisesti tulemaan käyttöön myös Internetin puolella. Mm. vBNS:n tapaiset nopeat runkoyhteydet ovat jo muutamien vuosien päästä käytössä myös julkisten operaattorien palveluissa ja monet teleoperaattorit käyttävät samoja teknologioita jo tänä päivänä. Joitakin palveluita, kuten sähköposti, tullaan vielä pitkään jatkossakin ajamaan nykyisen Internetin päällä, sillä sen kapasiteetti on tähän aivan riittävä. [3,7,9]

Lähteet

[1] Georigia Institute of Technology, High Performance Computing Group: Internet2 Applications, 2.7.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.hpc.gatech.edu/Internet2/i2apps/>
[2] IBM: Internet2 project updates, 26.8.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.hied.ibm.com/internet2/projects.html>
[3] Kozlov, Jessica: Internet2 heads for Triangle, 12.6.1997 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.chronicle.duke.edu/chronicle/1997/06/12/01Internet2.html>
[4] NASA: National Aeronautics and Space Administration's Role in Next Generation Internet, 27.6.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.nren.nasa.gov/aboutngi.html>
[5] The White House, Office Of Press Secretary: BACKGROUND ON CLINTON-GORE ADMINISTRATION'S NEXT-GENERATION INTERNET INITIATIVE, 10.10.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.iitf.nist.gov/documents/press/internet.htm>
[6] University Corporation for Advanced Internet Development: Internet2: Application Examples, 21.9.1998, [viitattu 22.9.1998]
<http://www.internet2.edu/html/application_examples.html>
[7] University Corporation for Advanced Internet Development: The Internet2 Project, 16.9.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.internet2.edu/>
[8] University of Alabama: Research Applications, 3.9.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.uab.edu/internet2/research_applications.html>
[9] Yhdysvaltain hallitus: Next Generation Internet (NGI) Initiative, 16.9.1998 [viitattu 22.9.1998]
<http://www.ngi.gov/>
[10] Yhdysvaltain hallitus: Potential NGI Applications, 30.1.1998, [viitattu 22.9.1998]
<http://www.ngi.gov/apps/>

Lisätietoa

Building and Deploying Advanced, Networked Applications
Ted Hanssin artikkeli kehittyneiden verkkosovellusten implementoinnista.
I2, NGI, vBNS and SINGAREN
Dr. Chen Khongin artikkeli uusista teknologioista ja niiden vaikutuksista.
Internet Too Slow? Faster Network On the Way
Bob Dartin artikkeli tulossa olevista uusista tietoverkoista.
NGI
Artikkeli NGI:stä.
NGI Initiative Concept Paper
NGI:n perusteita.
Next Generation Internet (NGI) Initiative
Eric Cronicen artikkeli NGI:stä.
Next generation networks and initiatives
Tennesseen yliopiston uusia verkkoja käsittelevä sivusto.
Sites with Applications for I2, NGI, vBNS
Linkkejä I2:ta, NGI:tä ja vBNS:ää käsitteleviin sivustoihin.
UIC showcases important virtual reality application at Internet2 meeting in Washington
Esittely I2 kokouksessa esitetyistä demoista.
Upgrading the Internet - Internet2 to the Rescue
Rich Wigginsin artikkeli Internet2:een siirtymisestä.