Il "virtuale" è molto "fisico"
La rete funziona grazie a infrastrutture formate da data center e cavi in fibra ottica. Un mondo reale che consente a miliardi di persone nel mondo di inviare e ricevere informazioni, velocemente e direttamente. Ne parliamo con Nicola Andriolli dell’Istituto di elettronica e di ingegneria delle informazioni e delle telecomunicazioni
In un mondo sempre più connesso, i servizi offerti da Internet vengono utilizzati in modo continuo, con la percezione diffusa che rappresentino un mondo virtuale che cancella le distanze. Negli ultimi cinque anni la velocità media delle connessioni su rete fissa e mobile è rispettivamente raddoppiata e triplicata. Anche il numero e la varietà dei dispositivi connessi sono in crescita, in particolare quelli per applicazioni Machine-to-Machine come la domotica, la videosorveglianza, il monitoraggio di impianti e trasporti. Per supportare questa continua espansione di dati e servizi offerti, è però indispensabile un mondo fisico sempre più sofisticato.
Questa infrastruttura comprende i Data Center, dove i dati vengono stoccati ed elaborati; i sistemi di trasmissione, tipicamente in fibra ottica; e le reti di comunicazione, che consentono di instradare questi dati fino a chi li ha richiesti. “I moderni Data Center sono diventati il vero cuore di Internet: gestiscono praticamente tutti i servizi e i siti a cui gli utenti si connettono”, spiega Nicola Andriolli dell’Istituto di elettronica e di ingegneria delle informazioni e delle telecomunicazioni (Ieiit) del Cnr. “I principali occupano grandi stabilimenti e ospitano decine o centinaia di migliaia di server. Vengono tipicamente gestiti sia dai giganti di Internet (i cosiddetti hyperscalers, come Google, Meta, Amazon, etc) sia da aziende specializzate”.
I Data Center sono diffusi in tutto il mondo e i dati che contengono vengono spesso replicati su più sedi per aumentare la sopravvivenza ai guasti e per ridurre i tempi di risposta. “Il consumo energetico dei Data Center, necessario ad alimentare gli apparati e a raffreddare gli ambienti, è da tempo al centro dell’attenzione”, prosegue il ricercatore. “Nonostante l’enorme crescita dei Data Center nell’ultimo decennio, gli interventi per aumentarne l’efficienza energetica hanno permesso di limitare l’impatto ambientale: si stima che attualmente essi consumino tra lo 0.9% e l’1.3% della produzione elettrica mondiale. Tuttavia, nel 2021 l’Irlanda ne ha destinato ben il 14% nella produzione elettrica. È quindi necessario continuare a perseguire strategie per renderli sempre più efficienti, vista anche la crescita di servizi ad alta intensità di elaborazione, come Machine Learning e Blockchain”.
Una volta elaborati nei Data Center, i dati devono raggiungere l’utente finale in tutto il mondo: vengono trasmessi tipicamente su cavi in fibra ottica, che costituiscono la spina dorsale della rete, l'ultimo segmento wireless: da New York a Londra, dall’Australia a Los Angeles. “Sulla terraferma i cavi possono viaggiare lungo strade, ferrovie o elettrodotti, ma per i collegamenti intercontinentali si sfruttano centinaia di cavi sottomarini lunghi fino a 20.000 km deposti sui fondali marini e oceanici”, continua Andriolli. “Fino a un decennio fa, i tradizionali operatori di telecomunicazioni hanno dominato il settore, mentre recentemente si sono imposti gli hyperscalers”.
La ricerca e lo sviluppo condotti sui dispositivi ottici e sulle tecniche di trasmissione ha determinato un enorme aumento della capacità trasmissiva delle fibre ottiche. “Se nel 1989 una singola fibra poteva trasportare 2.5 Gigabit al secondo, nel 2019 la capacità è arrivata a 32 Terabit (migliaia di Gigabit) al secondo, corrispondente a un aumento annuale del 30%”, precisa l’esperto. “Un tale progresso è avvenuto grazie a una serie di avanzamenti scientifici e tecnologici, come l’aumento delle prestazioni di trasmettitori e ricevitori, l’utilizzo di schemi di modulazione coerenti, consentito dallo sviluppo di un’elettronica in grado di elaborare segnali a decine di Gigabit/s, e l’uso della multiplazione di lunghezza d’onda, cioè l’affiancamento di numerosi canali ottici adiacenti. I dispositivi ottici si sono inoltre miniaturizzati: la maturazione delle piattaforme di fotonica integrata ha consentito di realizzare dispositivi più piccoli, meno energivori, meno costosi e al contempo con maggiori funzionalità. Questo sviluppo è ancora in corso, con una pletora di materiali e di tecnologie allo studio per varie applicazioni”.
Un ulteriore elemento di questo mondo fisico alla base di Internet concerne gli apparati di rete, che consentono agli utenti di ricevere il traffico richiesto direttamente al proprio terminale. “Numerosi commutatori sono presenti lungo il percorso dai Data Center ai terminali per indirizzare il traffico dati sotto forma di segnali ottici oppure pacchetti elettronici”, conclude Andriolli. “Nell’ambito delle reti che smistano segnali ottici, si possono identificare due principali evoluzioni. Da un lato, sono stati sviluppati commutatori riconfigurabili, alla base delle moderne reti ottiche cosiddette ‘elastiche’, che permettono un’ampia versatilità nell’instradamento di canali con larghezze di banda variabili. Dall’altro, sono stati implementati nuovi paradigmi di gestione e controllo delle reti, che hanno permesso un utilizzo più dinamico ed efficiente delle risorse, il supporto di topologie complesse e una maggiore rapidità nell’attivazione di nuove connessioni o nel recupero a seguito di guasti”.
Per il futuro dell’infrastruttura di Internet rimangono aperte diverse questioni oggetto di ricerca, tra cui l’aumento di capacità trasmissiva per supportare la continua crescita del traffico globale, la collegata riduzione dei costi e l’efficientamento energetico nei diversi ambiti, dai dispositivi ai sistemi, alle reti.
Fonte: Nicola Andriolli, Istituto di elettronica e di ingegneria dell’informazione e delle telecomunicazioni nicola.andriolli@ieiit.cnr.it