Haastateltavana professori Jukka Manner
Kuva: Pixabay
Joka kolkkaan ulottuva puhelinverkko kantoi jo vuosikymmeniä sitten nimikettä ”Maailman suurin kone”. Kolmisenkymmentä vuotta sitten alkoi puhelin-, radio/televisio- ja tietokoneverkkojen integroituminen vielä paljon mahtavammaksi kommunikaation infrastruktuuriksi. Aalto-yliopiston tietoverkkotekniikan professori Jukka Manner kertoi MAL-lehdelle tietoliikenteen tilanteesta ja näkymistä.
Kuva: Aalto-yliopisto / Unto Rautio.
”All-IP” on toteutunut
Aluksi Jukka Manner tiivistää oleellisimman: kaikki on nykyään IP:tä. Tämän toteamuksen avaamiseksi on ehkä hyvä kerrata IP-verkon kerrosarkkitehtuurin ydinidea.
Informaation välitys IP-verkon läpi tapahtuu useiden toiminnallisten kerrosten yhteistyönä. Nämä on määritelty ja standardoitu siinä muodossa, että ylempi kerros käyttää seuraavaksi alemman palveluja ja tarjoaa sitten omia palvelujaan seuraavaksi ylemmälle kerrokselle. Tietoliikenteen standardit koskevat näitä rajapintoja – se, miten kerrokset palvelujen vastaanottamisen ja tarjoamisen hoitavat, jää niiden sisäiseksi asiaksi, vapaan kilpailun ja innovoinnin alueeksi. Kun rajapinnat on standardoitu, eri kerrosten tehtäviä voivat hoitaa eri yritysten tuotteet.
IP (Internet Protocol) on kolmannen kerroksen eli verkkokerroksen pakettien välityksen protokolla. Sen tehtävänä on toimittaa lähettäjän IP-rajapintaan ilmestynyt paketti vastaanottajan IP-rajapintaan IP-verkkosolmujen eli reititinten muodostaman verkon läpi. Jokaisessa paketissa on vastaanottajan rajapinnan IP-osoite.
IP-kerroksen alapuolella on linkkikerros, joka hoitaa paketin välittämisen IP-solmusta seuraavaan reitittimeen, tai lopulta vastaanottajalle. Linkkikerros on siis aina kahden laitteen välinen siirto, kun taas IP-kerros yhdistää nämä yksittäiset yhteydet päästä päähän. Linkkikerroksen alapuolella on vihdoin fyysinen kerros, joka toteuttaa bittien siirron fyysisen mediumin kuten sähkön, valon tai radioaaltojen avulla. Tämän rakenteen vahvuus on, että IP-kerros on asynkroninen ja erittäin robusti, koska paketti voidaan toimittaa perille vaihtelevilla viipeillä ja reiteillä.
IP-kerroksen yläpuolella on puolestaan kuljetuskerros, joka voi säädellä pakettien lähetystiheyttä ja esimerkiksi pyytää kadonneiden pakettien uusintalähetyksiä TCP-protokollan (Transport Control Protocol) määrittelemällä tavalla.
Tämän rakenteen ymmärtäminen auttaa peruskäyttäjääkin esimerkiksi arvailtaessa, miksi ”verkko ei toimi”. Manner mainitsee myös tietoliikenteen ammattilaisten kaskun tyypillisen vianetsintäkeskustelun etenemisestä:
– “It is not the DNS.”
– “It cannot be the DNS.”
– “It was the DNS.”
DNS, domain name service eli nimipalvelu, on Internetin toiminnassa elintärkeä palvelu, joka kääntää verkko-osoitteen nimen, esim. www.mal-liitto.fi, vakiomittaisen bittijonon muotoiseksi IP-osoitteeksi.
Tietoliikenteen kerrosarkkitehtuurin perusta luotiin jo 1970-luvun lopulla. Manner kertoo IP-protokollaperheen kehittämistä ja standardointia hoitavan IETF-järjestön (Internet Engineering Task Force) toimivan kuten ennenkin, ja osallistuvansa itsekin usein sen kokouksiin. Mukava kuulla, että jotain tässä turbulentissa maailmassa on ennallaankin!
Video dominoi liikenteessä
Jukka Manner kertoo, että Internetin verkkoliikenteestä 80 % koostuu erilaisista videovirroista ja videotiedostojen siirroista, kuten asia on ollut jo pitkään. Matkapuhelinten määrä ei enää juurikaan kasva, ja päätelaitteissa selvää kasvua on enää ’esineiden Internetin’ (Internet of Things, IoT) piirissä, joiden tuottama liikenne on ollut volyymiltaan hyvin vähäistä.
On mielenkiintoista kuulla, että monet innovatiiviset tekniikat, joita on keksitty, tutkittu, kehitetty ja lopulta standardoitu esimerkiksi IETF:n toimesta, ovat jääneet rajoitettuun tai marginaaliseen käyttöön. Hyvänä esimerkkinä Manner mainitsee videovirtojen lähettämisen IP-kerroksen ryhmälähetyksenä (multicast).
Multicastia tukeva reititin osaa jakaa pakettivirran useiksi kopioiksi tähän tarkoitukseen kehitetyn protokollan avulla. Siirtovolyymia säästyy, kun lähetysvirta jakautuu IP-kerroksessa puumaisesti, ja kahden naapurireitittimen välisen linkin yli sitä ei tarvitse välittää useampana kuin yhtenä kopiona. Teoriassa voisi yhden miehen televisiokanava levitä miljardille katsojalle hyvin kevyesti pelkästään multicast-reitittimien kautta.
IP-multicast ei ole käytössä, ja oleellisen syyn Manner näkee liiketoimintamallin puuttumisesta: kuka hyötyisi IP-multicastista, ja miksi operaattorien pitäisi siihen investoida? Tarvittava protokolla olisi myös varsin raskas skaalattuna suurten verkkoreitittimien tasolle.
Siirtoresurssien säästötarve on suosittujen videovirtojen yhteydessä pakottava, mutta suuressa mittakaavassa se on IP-kerroksen sijaan ratkaistu ylempänä palvelukerroksen tasolla sisällönjakeluverkkojen (content delivery network, CDN) kautta. Tällöin jakelun puumaisuus toteutuu erillisten sisältöpalvelinten osalta, mutta kukin käyttäjä saa oman videopakettivirtansa vasta lähimmältä palvelimelta, ei lähimmältä reitittimeltä. Suositun videopalvelun tarjoaja tarvitsee siis tiheän palvelinverkon. Sellaisen solmut puolestaan ovat usein jonkin yleiskäyttöisemmän palvelinkeskuksen tarjoamia virtuaalisia palvelimia, joita taas voidaan liittää toisiinsa suorilla linkkikerroksen yhteyksillä valokuituverkon läpi.
Toisena esimerkkinä innovaatiosta, joka ei Internetissä ole levinnyt, Manner mainitsee ns. QoS:n (Quality of Service, palvelunlaatu). Tämän protokollaperheen avulla Internetin läpi voitaisiin tarjota laadultaan taattuja päästä päähän yhteyksiä, joista olisi hyötyä esim. reaaliaikapalveluissa1. Tässäkään liiketoimintamalli ei toimi ainakaan globaalissa kontekstissa. Paikallisesti kylläkin, yhtenä esimerkkinä operaattorin sisäinen 5G viipalointi. Isossa mittakaavassa reaaliaikaisten palvelujen laatua aikaansaadaan edellä mainittujen sisällönjakeluverkkojen avulla.
Multicastin ja QoS:n tapaukset valaisevat hyvin IP-pohjaisen verkkomaailman monimutkaisuutta ja dynamiikkaa. Kompleksisessa ja monikerroksisessa kokonaisuudessa on jatkuvasti tarvetta ja tilaa uusille ideoille, tuotteille ja yrityksille. Kokonaisuuden kulloinenkin hahmo on monitahoisen optimoinnin ja optimoitumisen tulosta.
Verkkojen tarvitsema energia on pysynyt kohtuullisena, mutta palvelimien kasvaa
Jukka Manner on jo pitkään kiinnittänyt huomiota siihen, että tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen volyymien kasvaessa myös niiden energiankäyttö on otettava vakavasti. Nyt erityisesti suurten kielimallien tekoälypalvelut vaativat usein paljon laskentaa käyttäjästä vähäpätöiseltäkin tuntuvan kommunikoinnin yhteydessä, isommista tehtävistä puhumattakaan, ja jättimäisiä datakeskuksia rakennetaan nyt Suomeenkin kovaa vauhtia. Manner kertoo, että Yhdysvalloissa datakeskukset on enenevissä määrin varustettu omilla kaasuvoimaloillaan. Ei ihme, että Suomen vihreä sähkö on kansainvälisesti kysyttyä tavaraa.
Tämä ei tunnu juurikaan heijastuvan tietoliikenteen volyymissä. Manner antaa nopean kertaluokka-arvion muutaman perusfaktan pohjalta:
• mobiilitukiaseman energiatarve voi olla luokkaa 30 kW (kun kaikkien operaattorien laitteet samassa kopissa)
• tukiasemien määrä Suomessa on kymmeniä tuhansia
• tietoliikenneverkkojemme energiankäytöstä kaksi kolmasosaa tulee mobiiliverkosta
• 5G ja lisääntyvä mobiiliverkon käyttö ovat kasvattanut sähkönkulutusta ja se kasvaa edelleen.
Verkkojen vuosittain käyttämä energia on siis jotain terawattitunnin ympärillä. Ja näin teleoperaattoreiden yhteistyöjärjestö Ficom raportoikin: vuoden 2022 luku oli 970 GWh (Ficomin verkkosivu https://ficom.fi/ict-ala/tietopankki/ict-ja-ymparisto/ict-toimiala-ja-ymparisto/ict-ja-ymparisto/#ict-alan-energiankaytto-suomessa).
Ficomin sivu kertoo, että koko ICT-toimialan osuus kaikesta Suomessa vuonna 2023 käytetystä energiasta oli vuonna 2023 vain noin 0,2 %. Sähköenergiasta osuus kuitenkin suurempi, ja suuret datakeskukset muuttavat lähivuosina osuuden merkittävästi suuremmaksi.
Tulevaisuuden näkymiä: suurin kehityskohde datakeskusten sisäinen tiedonsiirto?
Kysyessäni tietoliikennetutkimuksen tulevaisuuden näkymistä Manner mainitsee ajankohtaisena haasteena datakeskusten sisäisen tiedonsiirron. Tekoälysovelluksissa prosessointi hajautetaan suurelle määrälle huippunopeita suorittimia, joiden tulokset on ohjattava nopeasti seuraaville. (Lisäksi etäisyydet keskuksen sisällä ovat lievästi sanottuna makroskooppisia, kuten näin omin silminkin MALin vieraillessa CSC:n palvelinkeskuksessa Kajaanissa (MAL-lehti 3/2023).)
Elon Muskin visioita suoraan satelliittien varaan rakentuvista verkkopalveluista (direct device-to-device, D2D) Manner ei pidä yleisratkaisuna realistisina, koska siirtoviipeet ovat väistämättä pitkiä ja tarjotut kaistat kapeita. Laajoilla harvaan asutuilla alueilla niillä on toki merkitystä. •
Ilkka Norros