Технологии инверсного мультиплексирования

Как у наших у
ворот (gate)
Все идет наоборот (inverse).

Что-то из детства

В далекие по компьютерному летосчислению времена технологии глобальных и локальных сетей развивались независимо и не оказывали влияния друг на друга. Для LAN с короткими каналами связи разрабатывались высокоскоростные технологии, реализация которых для сетей передачи данных была либо слишком дорогостоящей, либо технически трудно осуществимой. Классическое распределение суммарного корпоративного трафика (80% — внутренний и 20% — наружный) также не стимулировало стремления повысить пропускную способность магистральных каналов. Однако развитие Internet и, в частности, службы World Wide Web привело к тому, что сетевые технологии уже являются базовыми для ведения бизнеса. Локальные сети становятся ядром корпоративной структуры, а характер трафика меняется зеркально. Теперь 80% приходится на обмен с внешним миром и лишь 20% — на внутренний трафик. Все это не могло не сказаться на инфраструктуре сетей передачи данных. Появляются оптоволоконные магистрали, по которым данные несутся со скоростью до 10 Gbps, принимается стандарт мультипротокольной коммутации с использованием меток (MPLS), а медлительные маршрутизаторы заменяются быстрыми коммутаторами уровня 3. И все же остается одно узкое место, которое "портит обедню", — это доступ к WAN-сетям. Не каждая компания может себе позволить осуществлять доступ по линиям Е3 (34,37 Mbps) или, скажем, по ОС-1 (51,84 Mbps), уже приближающимся по пропускной способности к современным локальным сетям. Технологии инверсного мультиплексирования (inverse multiplexing — imux) предлагают эффективное решение данной проблемы.

По своей сути инверсное мультиплексирование прямо противоположно традиционному, объединяющему множество потоков данных и передающему их по единому высокоскоростному физическому каналу. Инверсное же мультиплексирование, наоборот, для обеспечения необходимой полосы пропускания использует несколько раздельных физических каналов как один логический.

Хотя существуют различные реализации технологии инверсного мультиплексирования,
ее общая идея показана на рис. 1. Входящий поток структурированных данных (биты,
фреймы или ячейки) от маршрутизатора, коммутатора или другого устройства распределяется
по n каналам и восстанавливается на выходе в первоначальном порядке. Обычно инверсное
мультиплексирование используется для объединения нескольких низкоскоростных каналов
(как правило, это Т1/Е1 с пропускной способностью 1,544/2,048 Mbps) в высокоскоростную
магистраль (N x T1/E1). Во многих случаях это обходится дешевле, чем эксплуатация
каналов Т2/Е2 и выше. Кроме того, данная технология допускает инкрементное масштабирование,
что позволяет увеличивать пропускную способность по мере необходимости.

Рис. 1

Imux: возможны варианты

Спрос на высокоскоростной доступ стимулировал разработку различных решений по объединению каналов и реализации алгоритмов инверсного мультиплексирования. Рассмотрим некоторые из них.

Побитовое инверсное мультиплексирование (bit-based inverse multiplexing).
Технология imux стартовала в начале 90-х, когда компания Larscom совместно с корпорацией
IBM получила патент на каналы типа N x T1/E1. Первоначально в магистраль объединялись
до восьми каналов Т1/Е1, что позволяло обеспечить многомегабитовый доступ к высокоскоростным
сетям Frame Relay, Internet и/или поддержку видеоконференций. Инверсные мультиплексоры
расщепляли входной поток на восемь подпотоков и передавали их по группе каналов
по одному биту с циклическим приоритетом. Каждый из каналов Т1/Е1 мог иметь собственный
маршрут и, следовательно, время задержки. На приемном конце первоначальный порядок
следования битов восстанавливался посредством буферизации входящих подпотоков
и последующей обработки. Данный метод имел ряд привлекательных свойств. Во-первых,
трафик не разрушался, поскольку сохранялась первоначальная последовательность
битов. Во-вторых, связанные каналы управлялись как единая сущность, и, наконец,
в-третьих, данные передавались прозрачно, независимо от протоколов, что приобретает
особое значение в WAN-среде, в которой сосуществуют пользователи с разными LAN-технологиями
и типами информации. Однако побитовое инверсное мультиплексирование, как и всякая
патентованная технология, требовало оборудования одного производителя на обоих
концах канала.

Многоканальный протокол точка—точка (Multilink Point-to-Point Protocol
— MLPPP). Эта технология часто используется для обмена информацией по объединенным
каналам Т1/Е1 между фронтальным маршрутизатором и ядром глобальной сети (рис.
2). Его основное преимущество перед предыдущей технологией заключается в том,
что MLPPP является индустриальным стандартом, кстати, первым, который IETF приняла
в 1990 г. Проблема сохранения порядка пакетов, присущая любым методам разделения
нагрузки, здесь решается с помощью последовательной их нумерации и корректной
сборки на принимающем конце канала. К недостаткам MLPPP следует отнести высокую
нагрузку на вычислительные ресурсы маршрутизаторов.

Рис. 2

Инверсное мультиплексирование поверх ATM (Inverse Multiplexing over ATM
— IMA). Сети ATM поддерживают голос, видео и данные в широком диапазоне скоростей
передачи. Эта технология выделяется на сегодняшний день среди остальных, использующихся
в глобальных сетях, тем, что она способна обеспечить необходимый режим передачи
(QoS) для любого типа трафика. В конце 1997 г. ATM Forum определила стандартную
реализацию инверсного мультиплексирования для ATM-приложений, в соответствии с
чем поток ячеек распределялся по каналу N x T1/E1. Технология базируется на трех
компонентах — это арбитражный алгоритм, IMA-фрейм и протокол управления IMA Control
Protocol (ICP). Они работают совместно, причем арбитражный алгоритм распределяет
ячейки по каналам, используя метод циклического приоритета. Последовательность
ячеек в каждом канале Т1/Е1 группируется в IMA-фрейм, размер которого спецификация
не определяет. Этими фреймами и оперирует ICP при передаче, добавляя к ним необходимую
управляющую информацию. На принимающем конце все фреймы поступают в буфер, свой
для каждого канала Т1/Е1, а затем восстанавливаются в правильной последовательности.

Данная технология часто используется сервис-провайдерами для подключения клиентов к высокоскоростным оптоволоконным сетям, для связи коммутаторов, передачи видео (рис. 3).

Рис. 3

Многоканальная ретрансляция кадров (Multilink Frame Relay — MFR). Еще
одна imux-подобная технология, одобренная организацией Frame Relay Forum в качестве
стандарта (FRF.16). В соответствии с MFR каналы Т1/Е1 группируются в многоканальный
транк (рис. 4), который для канального уровня FR Q.922 проявляется как единый
физический интерфейс. Как и в описанных выше алгоритмах, кадры распределяются
по индивидуальным каналам на передающем конце канала и реконструируются в правильном
порядке на приемном. Результатом стандартизации этой технологии явилось то, что
маршрутизаторы, коммутаторы и другие устройства доступа от разных производителей
могут взаимодействовать друг с другом. MFR позволяет значительно сэкономить средства
при необходимости получить высокоскоростной FR-сервис.

Рис. 4

Инверсное мультиплексирование не является единственным методом построения канала с высокой пропускной способностью из множества более низкоскоростных каналов. Та же цель достигается и с помощью технологии разделения нагрузки (load sharing). Однако между ними существуют определенные различия. На основных из них мы остановимся ниже.

Сравнение imux с load sharing

Позволим себе напомнить основные особенности обеих технологий. Итак, инверсное мультиплексирование позволяет объединить несколько низкоскоростных каналов в один логический, пропускная способность которого, за вычетом небольших накладных расходов на процесс расщепления потока, практически равна суммарной, предоставляемой каналом N x T1/E1. С точки зрения маршрутизаторов и других устройств, подключенных к инверсным мультиплексорам, они связаны единым высокоскоростным WAN-каналом, предоставляющим им сервис класса Tn/En с помощью недорогих линий Т1.

Технология распределения нагрузки также использует несколько низкоскоростных каналов, чтобы увеличить полосу пропускания соединения, скажем, между двумя маршрутизаторами (рис. 4). Однако ключевое различие между двумя технологиями определяется тем, каким образом маршрутизатор реализует разделение нагрузки. Многие маршрутизаторы, в том числе от Cisco и Bay Networks (Nortel), используют механизм кэширования (route caching), чтобы определить, как распределять пакеты по имеющимся каналам Т1. Обычно маршрутизатор назначает определенной сессии, инициируемой приложением, индивидуальный порт. Это упрощает алгоритм маршрутизации, однако предоставляет каждому приложению канал шириной не более 1,5 Mbps (для Т1). Таким образом, хотя полная полоса пропускания агрегированного канала приблизительно одинакова и в том, и в другом случае, для конкретного приложения при load sharing она ограничится возможностями одного базового канала (рис. 5). Некоторые маршрутизаторы используют для разделения нагрузки распределение пакетов по имеющимся соединениям Т1. Передающий маршрутизатор осуществляет мониторинг каждого Т1-порта и направляет индивидуально каждый пакет на имеющийся порт. Принимающий собирает пакеты от всех Т1-портов, упорядочивает их и направляет соответствующим приложениям. Хотя этот метод преодолевает ограничения предыдущего, он требует значительных вычислительных ресурсов.

Рис. 5

В заключение заметим, что инверсное мультиплексирование стало общепризнанной технологией.
Она является основой для хорошо масштабируемых и гибких (подстраивающихся под
возникающие требования) решений, служащих отличным средством для бесшовного соединения
низкоскоростных каналов (Т1/Е1) с высокоскоростными (например, Т3/Е3), построения
транков между маршрутизаторами или коммутаторами, обеспечения эффективного доступа
к Internet.