SDN: новые возможности управления потоками в mesh — сетях

Здравствуйте, уважаемые читатели. Стоит сразу оговориться, что данная статья не о том, что хорошо, а что плохо в SDN или каких-то других сетевых технологиях. Мы не яростные адепты программно-конфигурируемых сетей. Мы просто хотим рассказать вам о решениях, к которым мы пришли, разрабатывая промышленные mesh-сети в рамках создания промышленных беспроводных систем связи. Рассказать о возможностях, которые находятся на стыке технологий, позволяя опираться на хорошо проверенные решения и в то же время идти в ногу со временем.

Эффективность функционирования сетей передачи данных в значительной степени определяется реализованными в них алгоритмами сетевого уровня (маршрутизации, ограничения нагрузки, передачи служебной информации). Число таких алгоритмов достаточно велико, что вызвано разнообразием требований к информационному обмену, особенностями передаваемых потоков информации, а также возможностями аппаратного и программного обеспечения. При этом каждый из протоколов обладает своими достоинствами и недостатками, и, по-видимому, идеальных алгоритмов маршрутизации попросту не существует и существовать не может.

Сказанное, в полной мере, относится и к mesh-сетям, где преобладают два подхода к маршрутизации – проактивный(например протокол OLSR) и реактивный (протокол AODV). Существуют и весьма производительные гибридные схемы.

OLSR (Optimized Link-State Routing) [1] основан на сборе и распространении служебной информации о состоянии сети. В результате обработки этой информации каждый узел может построить модель текущего состояния сети в виде формального описания графа, вершины которого ставятся в соответствие узлам сети, рёбра (или дуги) – линиям связи (линкам). Имея такой граф, любой узел может вычислить «длины» кратчайших путей до всех адресатов в сети и выбрать «оптимальный» маршрут, ведущий к любому конкретному узлу сети.

Данный алгоритм хорошо реагирует на множество непредвиденных событий, к которым, прежде всего, следует отнести:

• спонтанные отказы/восстановления узлов и линий;
• повреждения и ремонт узлов сети;
• агрессивные воздействия «внешней среды», приводящие к блокировке отдельных элементов системы;
• подключения и отключения узлов и линий при оперативной передислокации абонентов.

Применение протокола OLSR наиболее эффективно в сетях с высокой плотностью узлов, в которых преобладает трафик нерегулярной, спорадической природы. OLSR постоянно использует некоторый ресурс пропускной способности для своего служебного трафика.

Наряду с протоколом OLSR, который обеспечивает предварительный (проактивный) расчёт маршрутов между всеми парами абонентов в пределах подсети, в mesh-сетях реализуется другой – реактивный протокол AODV ( Ad hoc On-Demand Distance Vector) [2]. Данный протокол предусматривает поиск и организацию маршрутов по мере их необходимости, и разрушение найденных маршрутов после их использования.

Протокол AODV использует меньше ресурсов чем OLSR, потому что размер служебных сообщений относительно небольшой и требует меньше пропускной способности для поддержания маршрутов и таблиц маршрутизации. Но при этом количество подключений и отключений узлов в сети должно быть небольшим.

Тем не менее, оба протокола (в совокупности), в какой-то степени, соответствуют основным требованиям, которым должен удовлетворять «идеальный алгоритм» [3]. Эти требования можно сформулировать и прокомментировать следующим образом:

Корректность. Оба алгоритма работоспособны и не содержат логических противоречий.

• Вычислительная простота. Реализация алгоритма AODV требует минимальных процессорных ресурсов. И, наоборот, алгоритм OLSR достаточно сложен.
• Устойчивость. Оба алгоритма стремятся к конкретному решению без резких осцилляций при незначительных изменениях состояний радиолучей.
• Справедливость. На первый взгляд, оба алгоритма предоставляют равноценные услуги всем пользователям сети. Но, вследствие своего топологического расположения в сети, отдельные пользователи могут захватить относительно большую долю ресурсов, чем им необходимо.
• Адаптивность к изменениям трафика и топологии. Оба алгоритма способны определить новое множество маршрутов при изменении топологии сети. Но и тот, и другой алгоритм статичен по отношению к внешнему трафику и распределению нагрузки.

Последний недостаток характерен для всех известных децентрализованных стратегий, за исключением стратегий кратчайшей очереди и смещения [3], при которых вес маршрута определяется как линейная функция от двух параметров: числа транзитных участков на пути к адресату и длинах очередей на направлениях выдачи, лежащих на маршруте (классический пример – Internet [3]). В протоколах mesh-сетей подобных стратегий нет, и, по-видимому, не будет, так как такая стратегия потребует сложных и трудоёмких вычислений на всех узлах и, вряд ли будет обладать свойством устойчивости – незначительные колебания нагрузки могут спровоцировать перерасчёт маршрутов.

От этих недостатков свободны централизованные стратегии, которые предполагают глобальную рассылку служебной информации от внешнего «интеллектуального» устройства (контроллера) до всех узлов и обратно – от всех узлов к контроллеру, и могут являться адаптивными по отношению к изменениям, о которых сообщается в содержательной части служебных сообщений.

В простейшем варианте контроллер по известной ему топологии и заданному внешнему трафику вычисляет маршрутные таблицы с помощью любого из методов оптимального распределения потоков. При этом среди прочих возможных можно отметить два подхода: контроллер периодически распределяет рассчитанные им таблицы по всем узлам и подход виртуального канала – расчёты индивидуальных маршрутов для каждой пары абонентов. Второй подход может оказаться весьма полезным и даже необходимым при организации передачи данных в реальном масштабе времени.

Достоинство централизованных стратегий – исключение интеллектуальных вычислений на всех узлах, кроме контроллера, главный недостаток – надёжность сети определяется надёжностью контроллера и безопасных каналов, использующихся для управления подчиненными узлами. При выходе контроллера из строя сеть либо перестанет функционировать вообще, либо будет функционировать неэффективно – динамическая маршрутизация превратится в статическую. Кроме того, любая централизованная стратегия предполагает возможность доставки служебной информации ко всем узлам сети, что не всегда возможно при её развёртывании и реконфигурации в условиях агрессивной или деградирующий среды функционирования сети. Так же стоит отметить и тот факт, что время реакции контроллера на события управляемых узлов очень важно. Если время реакции контроллера включает оценку ситуации, принятие решений, генерацию управляющих воздействий и их доставку до узлов. Если оно будет меньше чем скорость возникновения событий управления, сеть неминуемо деградирует.

Возможен и компромиссный подход – сочетание централизованной и децентрализованной стратегии. При благоприятных условиях функционирует централизованная стратегия, обеспечивающая оптимальное распределение наиболее важных потоков с помощью контроллера, а при выходе контроллера из строя – маршрутные и прочие интеллектуальные вычисления производятся с помощью имеющихся децентрализованных алгоритмов.

Такой подход может быть реализован и в mesh-сетях, но он требует использования специализированных маршрутно-адресных таблиц, задающих соответствие направлений передачи пакетов не только адресам получателей, но и более специализированным признакам, например выделенным парам — «источник-получатель». В стандартных сетевых протоколах таких возможностей нет, но эта задача достаточно тривиально решается применением протокола OpenFlow.

Одна из малозаметных, но наиболее значительных особенностей данного протокола в том, что он позволяет понимать под «потоком» практически все что угодно, за счет создания собственного классификатора потоков, адаптированного к конкретной сетевой задаче. Например в первой версии протокола OpenFlow поток TCP может быть определен данными из 10 полей. OpenFlow позволяет найти компромисс между стандартными решениями и уникальными алгоритмами, которые могут сосуществовать в одной и той же среде, не «мешая» друг другу.
Суть такого компромисса заключается в следующем:

• в стандартный стек протоколов встраиваются механизмы, позволяющие разделить обслуживаемый поток на части, причем одна из них может обслуживаться стандартными протоколами TCP/IP, остальные – с помощью оригинальных процедур;
• для сортировки могут использоваться служебные поля принимаемых пакетов, такие как IP-адреса отправителя и получателя, соответствующие им MAC-адреса, номера портов и т.д.
• для определения маршрутов «нестандартных» потоков могут использоваться таблицы потоков, задающие соответствие направлений передачи пакетов не только адресам получателей, но и на основании более сложной динамической логики — «источник-получатель», права доступа, загрузка серверов, приоритеты по обслуживанию и т. д.

В заключении данной статьи стоит отметить, что гибридный подход наиболее ярко проявляет себя при построении сетей функционирующих в условиях ограниченных ресурсов, жестких условиях функционирования. К таким сетям можно отнести промышленные сети связи, сети специального назначения, быстро разворачиваемые системы связи а так же беспроводные mesh-сети.

В следующей части мы постараемся осветить вопросы реализации описанного гибридного подхода в промышленных беспроводных mesh-сетях.