Ottimizzatori per collegamenti a Larga Banda

La nascita e diffusione della tecnologia xDSL nei primi anni del terzo millennio, ha permesso un salto epocale di prestazioni, fornendo fin da subito una velocità di base di 640 kbit/s, ben 640/56=11 volte superiore a quella ottenibile sulla medesima linea con i modem a 56 kbit/s. Rapidamente tale limite è ulteriormente salito arrivando a 8 Mbit/s (Megabit/secondo) , 12 Mbit/s con ADSL2 e a ben 24 Mbit/s per ADSL2+, il tutto con prezzi assolutamente abbordabili per utenze domestiche e aziendali.

Come dice lo stesso acronimo (Asymmetric Digital Subscriber Line) si tratta di collegamenti asimmetrici, in quanto la velocità di ricezione (download) è diversa (molto superiore) rispetto alla velocità di invio (upload).

In particolare, per esempio, un collegamento ADSL2+ a 24 Mbit/s, (definito con lo standard ITU G.992.5), consente di ricevere a 24 (ventiquattro) Mbit/s e trasmettere a 1 (uno) Mbits. Un documento (file) delle dimensioni di 6 Mbyte (1 byte = 8 bit), può essere ricevuto in (6 Mbyte x 8 bit ) / 24 Mbit/s = 2 secondi, mentre per trasmetterlo servono (6 Mbyte x 8 bit ) / 1 Mbit/s = 48 secondi. Questo in teoria, mentre nella realtà pratica di tutti i giorni, sappiamo bene quanto questi valori sia lontani dall’essere raggiunti, creando non pochi rallentamenti soprattutto in trasmissione (upload), come ben si nota quando occorre inviare un’e-mail con un allegato di dimensioni non proprio contenute. Al lato pratico, soprattutto in upload, difficilmente ci si discosta dalla banda minima garantita, che a seconda del contratto difficilmente supera 512 kbit/s.

Nell’uso domestico va benissimo così come per una azienda dotata di singola sede, in quanto in entrambi i casi l’attività prevalente è la ricezione (download) di informazioni attraverso il collegamento ad Internet.

Lo scenario cambia sostanzialmente quando la connessione ad Internet vuole essere utilizzata come economico collegamento tra due sedi, come mostrato in figura 2, per l’integrazione (di base) dei sistemi informativi aziendali.

Come si nota, seppur entrambe le sedi A e B sono dotate di collegamento ADSL2+ a 24 Mbit/s, la velocità di connessione risulta essere sempre quella inferiore, in entrambe le direzioni, ossia 1 solo Mbit/s, che poi nella pratica si avvicina molto di più ai valore di Banda Minima Garantita (BMG) che, come dicevamo, raramente supera i 512 Kbit/s. Tornando all’esempio dello scambio di un file da 6 Mbyte (basta una semplice presentazione Power Point o un documento Word con qualche schema e immagine) tra una sede e l’altra facilmente arriveremo a tempi compresi tra uno e due minuti.

Per prestazioni migliori ma con costi nettamente superiori, le aziende multisede spesso ricorrono a collegamenti HDSL (High Speed Digital Subscriber Line, basato su linee digitali CDN – Collegamenti Diretti Numeri in tecnologia PCM) e SHDSL (Single-pair High-speed Digital Subscriber Line, basato sul più economico doppino CDA Circuito Diretto Analogico): possono lavorare a 2 Mbit/s in entrambe le direzioni e le velocità sono sempre simmetriche. Sono disponibili collegamenti multipli, fino a 4 affasciati tra loro, che consentono una banda massima di 8 Mbit/s in entrambe le direzioni: i costi aumentano considerevolmente.

Prestazioni e limiti attuali

La distribuzione sul territorio di più sedi aziendali, dal punto di vista informatico genera una serie di problematiche non banali, per via del fatto che servizi e funzionalità di base, facilmente realizzabili su una rete locale, (LAN – Local Area Network – ossia riferita ad un singolo edificio o al più ad un campus) quali la condivisione dell’accesso ad Internet, la condivisione di area di storage (file server), la realizzazione di backup dei dati, la gestione del server di posta elettronica, l’utilizzo di applicativi condivisi (gestionali, CRM, ERP, contabilità industriale, etc) e così via, risultano difficilmente distribuibili in ambito geografico, ossia su un territorio vasto, superiore alla dimensioni dell’edificio ove è presente la rete LAN.

Questo limite è dovuto sostanzialmente a due fattori critici: la banda e la latenza.

La larghezza di banda, ossia la velocità effettivamente disponibile per lo scambio dei dati tra i diversi computer. In una LAN tradizionale (rete locale di singolo edificio o campus) la velocità tipica è di 100 Mbit/s, anche se da diversi anni si stanno realizzando reti a 1000 Mbit/s (anche dette Gigabit ossia 1 Gbit/s) e sono ora disponibili tecnologie a 10 Gbit/s. Per fare un esempio, in una rete a 100 Mbit/s, volendo aprire il solito file da 6 Mbyte che ipotizziamo essere posto in un file server della nostra LAN, occorrerebbero (6 Mbyte x 8 bit) / 100 Mbit/s = 0,48 secondi (esclusi i tempi di latenza), che risulta essere un tempo di attesa assolutamente accettabile. Lo stesso file aperto da un file server posto su un’altra sede con la quale la nostra è collegata alla velocità di 1 Mbit/s, richiederebbe un tempo cento volte superiore, ossia almeno 48 secondi, che diventa un tempo poco accettabile se l’attività è saltuaria, per nulla accettabile nell’ipotesi di dover lavorare quotidianamente in queste condizioni.

La latenza rappresenta il tempo di transito dell’Informazione sulla rete, ossia il tempo che intercorre tra l’invio di un comando sulla rete (per esempio l’apertura di un file, di una pagina web, un semplice click del mouse per confermare un dato etc) e l’effettiva ricezione da parte del server al quale abbiamo inviato tale comando. Questi tempi, all’interno di una rete LAN sono dell’ordine di qualche millisecondo, ma crescono linearmente sia con la lunghezza del collegamento (funzione della velocità di propagazione di un’onda elettromagnetica sul rame) che con il numero di apparati di rete che il segnale (ossia l’informazione) deve attraversare, quali schede di rete, switch, router, centrali di telecomunicazione, etc. Lungo il percorso dell’informazione che viaggia tra i sistemi informatici e di telecomunicazione, la latenza viene generata e introdotta non solo dagli apparati di rete già citati, ma da tutti i dispositivi elettronici ed i software che tale informazione deve comunque attraversare: il risultato è una somma di numerosi fattori che portano il livello generale di latenza a valori spesso molto elevati: su collegamenti geografici, di qualche centinaio di chilometri, è facile che si parli di secondi, rispetto ai millisecondi che troviamo in una LAN. Nella figura 3, tratto da uno studio della CISCO Systems, insieme allo strato di Network, troviamo applicativi software (Application Layer) e il Middleware tra gli elementi che introducono maggior latenza in un collegamento.

La latenza, seppur apparentemente di secondaria importanza rispetto alla larghezza di banda, in realtà svolge un ruolo cruciale nelle comunicazioni diciamo “di servizio” (per esempio Acknowledge – ACK) che i sistemi si scambiano in modo trasparente, ossia senza che noi ce ne rendiamo conto, durante le fasi di una comunicazione, come riportato schematicamente nella figura 4.

Gli ottimizzatori: preziosi strumenti di lavoro

Recentemente sono stati introdotti in commercio nuovi efficaci strumenti in grado di incrementare sensibilmente le prestazioni dei collegamenti tra diverse sedi, consentendo di estendere i servizi tipici di una rete locale (LAN) ad una rete geografica (WAN).

Tali “ottimizzatori” lavorano con due filosofie abbinate, al fine di superare i limiti visti finora dei collegamenti ad Internet, ossia la larghezza di banda in upload (trasmissione) e la latenza.

Superamento della larghezza di banda.

La soluzione dei limiti posti dalla larghezza di banda viene fornita attraverso l’utilizzo degli ottimizzatori, posti presso ciascuna delle sedi remote, ai due capi estremi del collegamento che attraversa Internet. Il funzionamento, rappresentato nella figura 5, si basa su un algoritmo apparentemente molto semplice, che si basa sul fatto che tutte le informazioni digitali non sono altro che una sequenza di 0 (zero) e 1 (uno) in quanto ogni informazione digitale (file, musica, schemi, disegni etc) è codifica con logica binaria. La sede A che deve inviare il famoso file da 6 Mbyte, invia di fatto una sequenza di 6 Mbyte x 8 bit = circa 48 milioni di bit (per l’esattezza 1024X1024x6x8= 50.331.648 bit). Tutti questi bit vengono letti in sequenza e suddivisi in sequenze logiche di 128 byte (tale numero, detto chunk, dipende dalla scelta progettuale del singolo produttore), che vengono indicizzate all’interno dell’ottimizzatore attraverso un puntatore a 16 byte (anche questo è funzione del produttore): in sostanza ad ogni gruppo di 128 byte viene assegnato una etichetta univoca molto breve, lungo appena 16 byte.

Il trucco è qui: l’ottimizzatore A, con il file spezzettato e indicizzato, prima di inviare ogni singolo gruppo di 128 byte, chiede al suo omologo B se ha già ricevuto una sequenza uguale, ossia se caratterizzata dallo stesso puntatore, dalla stessa etichetta. Se B lo ha già ricevuto allora è già nella sua memoria e quindi A non deve trasmetterlo: il gruppo di 128 byte non deve quindi viaggiare perché è già a destinazione. Con la stessa filosofia si prosegue l’invio di tutti i 50 milioni di bit del famoso file da 6 Mbyte e, statisticamente sarà molto alta la probabilità di ritrovare sequenze analoghe tra loro, evitando così di volta in volta l’invio di dati già transitati.

Riduzione della Latenza.

L’altro fronte su cui operano gli ottimizzatori è rappresentato dalla riduzione della latenza, ossia dei tempi di transito dell’informazione da un capo all’altro dei collegamenti. Poiché il tempo fisico di propagazione di un’onda elettromagnetica non è alterabile, occorre anche qui adottare un’astuzia tecnologica.

La soluzione consiste nel far si che a fronte di una richiesta di transazione dalla sede B verso la A, la serie di messaggi di servizio (ACK) che si dovrebbero scambiare il computer richiedente ed il server, con relativo attraversamento dell’intero collegamento per n volte, venga simulata in locale con un colloquio tra l’ottimizzatore di A ed il server di A. In questo modo dalla sede A non escono più i numerosi ACK ed il colloquio si svolge di fatto tra il server ed il suo ottimizzatore, senza, ovviamente, che il server si accorga di nulla.

In questo modo le prestazioni sono quelle vere e proprie della LAN e la risposta che il server invierà alla sede B verrà peraltro ottimizzata in modo già visto nel suo attraversamento di Internet.

Affinché questo sistema di simulazione locale funzioni, è evidente che l’ottimizzatore deve saper emulare in locale diversi sistemi software, in quanto una transazione web è diversa da un accesso ad un database o da una richiesta di autenticazione ad un dominio Windows.

L’insieme delle due filosofie di lavoro, superamento dei limiti della larghezza di banda e riduzione della latenza, è in grado di generare delle prestazioni veramente significative, consentendo in tal modo una reale integrazione dei sistemi informativi di sedi remote, in quanto le attività si possono svolgere realmente come se fossero su rete locale LAN.

Verrà ora descritto il progetto realizzato presso la Provincia di Oristano, la quale ci ha autorizzato alla pubblicazione delle informazioni che di seguito verranno illustrate.

Provincia di Oristano: un esempio di eccellenza informatica

La Provincia di Oristano si è recentemente distinta per aver saputo cogliere le opportunità tecnologiche in grado di consentire un significativo incremento di efficienza dei propri sistemi informativi. Grazie alla virtualizzazione dell’intera server farm, è stato possibile ridurre il numero dei server effettivamente utilizzati, ridurre conseguentemente i costi di gestione, di alimentazione elettrica e di condizionamento. Inoltre sono stati incrementati sensibilmente i livelli di Qualità dei servizi erogati in quanto tutta l’infrastruttura è stata concepita con architettura in Alta Affidabilità: questo consente di non interrompere i servizi erogati neanche in caso di manutenzione programmata o straordinaria dei server.

Ulteriore fiore all’occhiello (figura 7) è stata l’adozione dei sistemi di ottimizzazione di banda illustrati in questo articolo , posti nelle cinque sedi cittadine, grazie ai quali le prestazioni globali ottenute consentono una centralizzazione dei servizi nella sede principale di via Carboni, con ulteriore riduzione dei server e semplificazione delle attività di Gestione.

Con tale filosofia, la sede di via Parigi risulta completamente priva di server, utilizzando pienamente i servizi erogati dalla sede centrali, quale autenticazione nel dominio, file server, applicativi contabili e gestionali. A breve la stessa filosofia verrà applicata alle restanti sedi periferiche.