Архітектурна специфіка розосереджених та однорангових мереж

Теоретичні розробки та практичні реалізації однорангових та розосереджених мереж, наприклад, USENET та IRC, до початку 21-го сторіччя мали вузькоспеціалізоване застосування.

З 2000-х і до сьогодення однорангові і розосереджені мережі набули надзвичайно широкого користувацького вжитку як в мережі Інтернет, так і в корпоративних мережах. За порівняно короткий проміжок часу свого існування, однорангові мережі викликали цілу множина похідних від них технологій, зокрема файловий обмін, миттєві текстові повідомлення, VoIP, мультимедіа на вимогу, доставка програмного забезпечення, тощо.

Численні тематичні дослідження структури трафіку Інтернет вказують, що від 40% до 70% згенерованого користувачами трафіку має відношення до однорангових технологій, включаючи також USENET та нефайлообмінні служби (рис.4.1-4.3).

Рисунок 4.1. Статистика розподілу трафіку мережі Інтернет за даними SANDVINE

Рисунок 4.2. Статистика розподілу трафіку мережі Інтернет за класами протоколів (a) в до-однорангову епоху за результатами звіту NSFNET та (b) на сьогоднішній день за даними CISCO-VNI

Рисунок 4.3. Статистика розподілу трафіку світових сегментів мережі Інтернет за класами протоколів згідно даних The New York Times та CISCO-VNI

Серед класу протоколів, які можна віднести до технологій однорангових мереж, лідирує протокол BitTorrent (рис.4.1).

Хоча ідеологія однорангових мереж полягає, зокрема, в послабленні навантаження на централізовані серверні ферми, притаманна асиметрія каналів зв’язку у кінцевих користувачів змусила провайдерів Інтернет збільшити витрати на обслуговування та оновлення обладнання «останньої милі» для збереження якості надання послуги на належному рівні. Деякі оператори зв’язку також ввели непопулярні рішення, які виявляють та примусово знижують якість або швидкість каналу для трафіку, який визнано належним до однорангових мереж, що, в першу чергу, впливає на файловий обмін. Така політика зустріла широке засудження серед користувацької спільноти та державних регуляційних органів, зокрема, в США.

З цих причин дослідники шукають шляхи для оптимізації функціонування однорангових мереж в контексті регуляції трафіку, вважаючи потенціалом для оптимізації притаманну Інтернет сегментну структуру. Загальна ідея полягає в збільшенні швидкості обміну даними в середині певного сегменту мережі при мінімізації трафіку між такими сегментами. В даному випадку, масштаб поняття «сегмент» не визначено, оскільки звичайно можна виділити більш ніж один рівень сегментації Інтернет.

Однорангова мережа за своїм визначенням є мережею спільного використання ресурсів. Специфіка однорангової мережі, зокрема, виконання її вузлами серверних функцій при не гарантованості підключення кожного вузла, накладає певні обмеження на типи ресурсів.

Надавати обчислювальні потужності в середовищі однорангової мережі недоцільно, тому що це потребує створення складних алгоритмів контролю, які будуть шукати баланс між кількістю навантажених однією і тією самою задачею вузлів і гарантуванням та забезпеченням доставки результатів обчислень до вузла-замовника.

Зокрема, використовувати однорангову мережу для надання зв’язності з зовнішнім каналом може виявитися доречним тільки у вузькоспеціалізованих ІТ, коли можна гарантувати гомогенність апаратно-програмного забезпечення мережі і коли об’єми даних і швидкості передачі несуттєво впливають на ефективність мережі в цілому.

Зрештою, залишається лише один тип ресурсу, який економічно доцільно (в термінах витрат на експлуатацію і ефективності мережі) використовувати як розділений ресурс — пам’ять тривалого зберігання. За своєю природою цей ресурс не є ресурсом монопольного і одноразового використання, як зв’язок і заданий обсяг обчислень. Крім того, тенденція розвитку ІТ-індустрії така, що з часом стають необхідні дедалі більші об’єми пам’яті тривалого зберігання для нових задач. Природно, що переважна кількість сучасних однорангових мереж орієнтована саме на використання розосередженої пам’яті тривалого зберігання, зокрема для файлового обміну, безпечного зберігання архівних даних тощо.

На відміну від однорангових мереж, які чітко визначені принципом суміщення клієнтських і серверних ролей, розосереджені мережі можуть мати диференціацію таких ролей. В них можна виділити вузли з чітко серверними та чітко клієнтськими функціями. В розосереджених мережах, так як і в однорангових, відсутня інфраструктура централізації, тобто вузол або група вузлів, яка контролює роботу всіх інших. Розосереджені мережі також не мають гарантованих в будь-який час підключень.

З появою комп’ютерних мереж взагалі і глобальних комп’ютерних мереж зокрема, парадигма «клієнт-сервер» стала і залишається домінантною в мережах і до теперішнього часу, коли на ній базується переважна більшість інформаційних ресурсів мережі Інтернет.

Технологічний перехід від централізованих комп’ютерних мереж до розосереджених має багато спільного зі зміною парадигми комп’ютерних мереж від «клієнт-сервер» до «однорангові мережі». Зокрема, це не була раптова і організована зміна технологій, але поступова еволюція засобів виробництва і керування в умовах, що створені поставленими задачами.

Серед робіт, присвячених теоретичній розробці питань масової доставки великих обсягів даних, потрібно особливо відмітити роботу [3] Алішева Н.І. В той час як переважна більшість сучасних розробок, направлених на побудову ІТ масової доставки, акцентується на питаннях мережної архітектури лише в класичному розумінні клієнт-серверної парадигми або в розосереджених чи хмарних архітектурах, в роботі запропонована гібридна архітектура оверлейної мережі, яка займає особливе місце в класі мережних архітектур, поєднуючи елементи класичних підходів до проектування ІТ.

Зокрема, в сценарії передачі потокових даних за технологією комутації пакетів в роботі запропоновано так звана «систолічна маршрутизація», яка вигідно поєднує елементи технології мультикасту та лавинної маршрутизації і полягає в модифікації поведінки протоколів та апаратно-програмної інфраструктури мультикастової передачі на вузлах.

Суть систолічної маршрутизації в тому, що публікація одиниці контенту відбувається одноразово на сервері чи вузлі-джерелі. Потім таке джерело даних ініціює надсилання первинного потоку даних до цільового вузла, і надалі виконує циклічне надсилання одиниці публікації у вигляді лише одного потоку до найближчого сумісного маршрутизатора. Проміжні маршрутизатори, сумісні з модифікованим протоколом відповідно систолічній маршрутизації, на шляху між джерелом та первинним вузлом призначення можуть приймати спеціально сформовані запити від сторонніх вузлів того ж сегменту мережі. В таких запитах вказується позиція потоку в одиниці публікації, починаючи з якої потік потрібно надсилати з даного маршрутизатора також і за вказаною в запиті адресою (рис.4.4).

Рисунок 4.4. Структурна схема розповсюдження одиниці публікації в мережі з систолічною маршрутизацією.

0, m, i, k — пакети одиниці публікації;

V0 — швидкість первинної передачі з вузла-джерела;

Vn — швидкість передачі після n-го маршрутизатора xn.

Очевидно, перевага систолічної маршрутизації полягає в суттєвому зменшенні трафіку внутрішнього сегменту мережі за рахунок умовної «перекомутації» вузлів-клієнтів від сервера до найближчого маршрутизатора. Дійсно, така схема дозволяє в ідеальних умовах, передавати публікацію повністю, використавши наявний ресурс каналів зв’язку лише для одної передачі на кожен канал в мережі.

Навіть в неідеальних умовах, наприклад, якщо вузли-клієнти не синхронізовані в часі для запитів на перекомутацію, застосування систолічної маршрутизації все ж надає суттєву економію трафіку, оскільки вузлу-джерелу в такому випадку необхідно повторювати передачу лише до того моменту, коли останній вузол-клієнт відзвітує про повне отримання, незалежно від кількості клієнтів та маршрутизаторів в оверлеї.

Метод систолічної маршрутизації має також значний оптимізаційний потенціал, особливо у поєднанні з принципами модифікованої лавинної маршрутизації, яка застосовується в мережах, побудованих на групі технологій FTN. Так, для уникнення перевантажень каналів зв’язку численними повторами однакових пакетів, в їх службових заголовках передбачено поле не тільки для адреси вузла-джерела, а і для всіх адрес вузлів, через які проходив даний пакет (так зване «поле SEEN-BY»). Відповідно, кожен вузол вносить свою адресу в такий список і відправляє пакет даних тільки тими каналами, які з’єднують його з вузлами, відсутніми в цьому списку. Це дозволяє значно скоротити обсяг трафіку в мережі в цілому, уникнути дублювання передач навіть в мережах, побудованих за топологією, яка дозволяє циклічні зв’язки (наприклад, топологія «mesh»), і ще більше розвантажити вузол-джерело при використанні систолічної маршрутизації.

В той же час, з теоретичної точки зору, концепція систолічної маршрутизації накладає на інфраструктуру мережі особливі вимоги.

По-перше, найбільша ефективність методу в розумінні зменшення трафіку на вузлі-джерелі досягається при умові, що всі зацікавлені вузли-клієнти з’являються в мережі одночасно — якщо це не так, то підключення навіть одного нового вузла мережі після завершення первинного циклу викликає повторне передавання всього обсягу даних. Виконання такої умови в глобальних мережах доставки контенту є проблематичним без попереднього синхронізованого групування вузлів, а при стохастичному характері підключення клієнтів вузол-джерело буде повторювати передачу даних протягом всього життєвого циклу публікації, що може мінімізувати переваги запропонованого методу. Таким чином, для оптимальної роботи мережі, побудованої з використанням систолічної маршрутизації, потрібно досягти особливого балансу між клієнтськими вузлами, які підлягають точній синхронізації в часі та інфраструктурою забезпечення такої синхронізації. Очевидно, що при збільшенні розміру мережі в термінах кількості клієнтських вузлів витрати обчислювальних ресурсів та ресурсів каналів зв’язку можуть зменшувати перевагу систолічної маршрутизації.

По-друге, з практичної точки зору, впровадження систолічної маршрутизації в сучасні мережі є проблематичним, оскільки потребує вдосконалення мікропрограмного забезпечення в усій інфраструктури маршрутизаторів, включаючи магістральні, яка покриває запланований сегмент мережі. Це, в свою чергу, потребує як розробки і затвердження нових галузевих стандартів, так і доопрацювання серверного програмного забезпечення для підтримки сумісності існуючих систем доставки контенту з систолічною маршрутизацію.

В цілому, відмічаючи безумовні переваги застосування систолічної маршрутизації в корпоративних мережах, які проявляють симптоми проблеми «вузького місця» (bottleneck) при доставці контенту, ми вважаємо, що в загальному випадку оверлейних мереж, на які не накладається вимога присутності вузлів в рамках одного топологічного сегменту та апаратної модифікації інфраструктури, технології однорангових мереж можуть надавати більший спектр можливостей ефективної організації, масштабування, стійкості мережі до відмов та стресових навантажень.

Поиск по сайту: