Агрегация ссылок

«IEEE 802.3ad» перенаправляется сюда. Не путать с IEEE 802.1ad .

Агрегация каналов между коммутатором и сервером

В компьютерных сетях агрегация каналов — это параллельное объединение ( агрегирование ) нескольких сетевых подключений любым из нескольких методов. Агрегация каналов увеличивает общую пропускную способность сверх того, что может поддерживать одно соединение, и обеспечивает избыточность, при которой все физические каналы, кроме одного, могут выйти из строя без потери соединения. Группа агрегации каналов ( LAG ) — это совокупность физических портов.

Другие общие термины, используемые для описания этой концепции, включают транкинг , комплектация , склеивание , ченнелинг или командование .

Реализация может соответствовать независимым от поставщика стандартам, таким как протокол управления агрегацией каналов (LACP) для Ethernet , определенный в IEEE 802.1AX или предыдущем IEEE 802.3ad , а также собственным протоколам .

Мотивация

Агрегация каналов увеличивает пропускную способность и устойчивость соединений Ethernet .

Требования к пропускной способности не масштабируются линейно. Пропускная способность Ethernet исторически увеличивалась в десять раз с каждым поколением: 10 Мбит /с, 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с, 10 000 Мбит/с. Если кто-то начнет сталкиваться с потолками пропускной способности, то единственным вариантом будет переход на следующее поколение, что может оказаться непомерно дорогим. Альтернативное решение, предложенное многими производителями сетей в начале 1990-х годов, заключается в использовании агрегации каналов для объединения двух физических каналов Ethernet в один логический канал. Большинство из этих ранних решений требовали ручной настройки и идентичного оборудования на обеих сторонах соединения.

Типичному соединению порт-кабель-порт присущи три отдельные точки отказа , как в конфигурации «компьютер-коммутатор», так и в конфигурации «коммутатор-коммутатор»: сам кабель или любой из портов, к которым подключен кабель, могут выйти из строя. . Можно создать несколько логических соединений, но многие протоколы более высокого уровня не предназначены для полностью плавного переключения при сбое . Объединение нескольких физических соединений в одно логическое соединение с помощью агрегации каналов обеспечивает более устойчивую связь.

Архитектура

Сетевые архитекторы могут реализовать агрегацию на любом из трех нижних уровней модели OSI . Примеры агрегирования на уровне 1 ( физическом уровне ) включают линии электропередачи (например, IEEE 1901 ) и беспроводные устройства (например, IEEE 802.11), которые объединяют несколько диапазонов частот. Уровень 2 OSI ( уровень канала передачи данных , например кадр Ethernet в локальных сетях или многоканальный PPP в глобальных сетях, MAC-адрес Ethernet ) обычно происходит через порты коммутатора, которые могут быть либо физическими портами, либо виртуальными, управляемыми операционной системой. Агрегация на уровне 3 ( сетевом уровне ) в модели OSI может использовать циклическое планирование , хэш-значения, вычисляемые на основе полей в заголовке пакета, или комбинацию этих двух методов.

Независимо от уровня, на котором происходит агрегация, можно сбалансировать сетевую нагрузку по всем каналам. Однако, чтобы избежать доставки вне очереди , не все реализации этим пользуются. Большинство методов обеспечивают аварийное переключение также .

Объединение может происходить либо таким образом, что несколько интерфейсов имеют один логический адрес (т. е. IP) или один физический адрес (т. е. MAC-адрес), либо оно позволяет каждому интерфейсу иметь свой собственный адрес. Первый вариант требует, чтобы оба конца канала использовали один и тот же метод агрегации, но имеет преимущества в производительности по сравнению со вторым.

Объединение каналов отличается от балансировки нагрузки тем, что при балансировке нагрузки трафик между сетевыми интерфейсами разделяется по каждому сетевому сокету (уровень 4), тогда как объединение каналов подразумевает разделение трафика между физическими интерфейсами на более низком уровне либо по пакетам (уровень 3), либо по каждому пакету (уровень 3). основе канала передачи данных (уровень 2).

Агрегация каналов IEEE

Процесс стандартизации

К середине 1990-х годов большинство производителей сетевых коммутаторов включили возможность агрегации в качестве собственного расширения для увеличения пропускной способности между своими коммутаторами. Каждый производитель разработал свой метод, что приводило к проблемам совместимости. Рабочая группа IEEE 802.3 собрала исследовательскую группу для создания функционально совместимого стандарта канального уровня (т. е. охватывающего как физический уровень, так и уровень канала передачи данных). на встрече в ноябре 1997 года Группа быстро согласилась включить функцию автоматической настройки, которая также обеспечит избыточность. Это стало известно как протокол управления агрегацией каналов (LACP).

802.3ad

По состоянию на 2000 год В большинстве схем объединения гигабитных каналов использовался стандарт агрегации каналов IEEE, который ранее был пунктом 43 стандарта IEEE 802.3, добавленным в марте 2000 года целевой группой IEEE 802.3ad. Почти каждый производитель сетевого оборудования быстро принял этот совместный стандарт вместо своих собственных стандартов.

802.1AX

В отчете целевой группы по обслуживанию 802.3 для проекта 9-й версии в ноябре 2006 г. отмечалось, что определенные уровни 802.1 (например, безопасность 802.1X ) были расположены в стеке протоколов ниже агрегации каналов, который был определен как подуровень 802.3 . Чтобы устранить это несоответствие, была сформирована рабочая группа 802.3ax (802.1AX). что привело к формальной передаче протокола группе 802.1 с публикацией IEEE 802.1AX-2008 3 ноября 2008 г.

Протокол управления агрегацией каналов

В рамках стандартов IEEE Ethernet протокол управления агрегацией каналов (LACP) обеспечивает метод управления объединением нескольких физических каналов в один логический канал. LACP позволяет сетевому устройству согласовывать автоматическое объединение каналов путем отправки пакетов LACP своему одноранговому устройству, напрямую подключенному устройству, которое также реализует LACP.

Возможности LACP и практические примеры

1. Максимальное количество объединенных портов, разрешенное в канале порта: допустимые значения обычно от 1 до 8.
2. Пакеты LACP отправляются с MAC-адресом многоадресной группы 01:80:C2:00:00:02.
3. В период обнаружения LACP
   • Пакеты LACP передаются каждую секунду
   • Механизм поддержания активности для участника ссылки: (медленно = 30 с, быстро = 1 с)
4. В некоторых реализациях доступен выбираемый режим балансировки нагрузки.
5. Режим LACP:
   • Активно: безусловно включает LACP.
   • Пассивный: включает LACP только при обнаружении устройства LACP.

Преимущества перед статической конфигурацией

• Переключение при отказе происходит автоматически: если в канале происходит промежуточный сбой, например, в медиаконвертере между устройствами, одноранговая система может не обнаружить никаких проблем с подключением. При статической агрегации каналов партнер будет продолжать отправлять трафик по каналу, что приведет к сбою соединения.
• Динамическая конфигурация: устройство может подтвердить, что конфигурация на другом конце может обрабатывать агрегацию каналов. При статической агрегации каналов ошибка в кабелях или конфигурации может остаться незамеченной и вызвать нежелательное поведение сети.

Практические заметки

LACP работает, отправляя кадры (LACPDU) по всем каналам, на которых включен этот протокол. Если на другом конце канала обнаружено устройство, на котором также включен LACP, это устройство будет независимо отправлять кадры по тем же каналам в противоположном направлении, позволяя двум устройствам обнаруживать несколько каналов между собой, а затем объединять их в один логический. связь. LACP можно настроить в одном из двух режимов: активном или пассивном. В активном режиме пакеты LACPDU отправляются 1 раз в секунду по настроенным каналам. В пассивном режиме пакеты LACPDU не отправляются до тех пор, пока они не будут получены от другой стороны (протокол «говорить при разговоре»).

Собственная агрегация ссылок

В дополнение к подстандартам агрегации каналов IEEE существует ряд собственных схем агрегации, включая EtherChannel и протокол агрегации портов AVAYA Cisco, агрегированный Ethernet Juniper, многоканальный транкинг , многоканальный транкинг с разделением , многоканальный транкинг с разделением по маршруту и ​​распределенное разделение. Multi-Link Trunking , Smartgroup от ZTE, Eth-Trunk от Huawei и Connectify . Speedify от Большинство высокопроизводительных сетевых устройств поддерживают ту или иную форму агрегации каналов. Программные реализации, такие как пакет *BSD lagg , Linux драйвер связывания , Solaris dladm aggr и т. д., существуют для многих операционных систем.

Драйверы для Linux

Linux связывания Драйвер предоставляет метод объединения нескольких контроллеров сетевых интерфейсов (NIC) в один логически связанный интерфейс двух или более так называемых (NIC) ведомых устройств . Большинство современных дистрибутивов Linux поставляются с ядром Linux , в которое встроен драйвер связывания Linux в виде загружаемого модуля ядра и ifenslave (if = [сетевой] интерфейс) пользовательского уровня предустановлена ​​программа управления . Дональд Беккер запрограммировал оригинальный драйвер связи Linux. Он стал использоваться вместе с патчами кластера Beowulf для ядра Linux 2.0.

Режимы драйвера связывания Linux (режимы агрегации сетевых интерфейсов) передаются в качестве параметров модулю связывания ядра во время загрузки. Они могут быть заданы как командная строка аргументы команд insmod или modprobe , но обычно указываются в файле конфигурации конкретного дистрибутива Linux. Поведение единого логического связанного интерфейса зависит от указанного режима драйвера связывания. Параметр по умолчанию — Balance-RR.

Круговой (баланс-RR)

Передавайте альтернативные сетевые пакеты в последовательном порядке от первого доступного ведомого сетевого адаптера до последнего. Этот режим обеспечивает балансировку нагрузки и отказоустойчивость . Этот режим может вызвать проблемы с контролем перегрузки из-за переупорядочения пакетов, которое он может вызвать.

Активное резервное копирование (активное резервное копирование)

В соединении активен только один подчиненный сетевой адаптер. Другой ведомый становится активным тогда и только тогда, когда активный ведомый выходит из строя. единого логического интерфейса MAC-адрес виден снаружи только на одном сетевом адаптере (порте), что упрощает пересылку в сетевом коммутаторе . Этот режим обеспечивает отказоустойчивость.

XOR (баланс-исключающее ИЛИ)

Передавайте сетевые пакеты на основе хэша источника и места назначения пакета. Алгоритм по умолчанию учитывает только MAC-адреса ( layer2 ). Более новые версии позволяют выбирать дополнительные политики на основе IP-адресов ( уровень 2+3 ) и номеров портов TCP/UDP ( уровень 3+4 ). При этом выбирается один и тот же подчиненный сетевой адаптер для каждого MAC-адреса назначения, IP-адреса или комбинации IP-адреса и порта соответственно. Отдельные соединения будут гарантировать правильную доставку пакетов и будут передавать их со скоростью одного сетевого адаптера. Этот режим обеспечивает балансировку нагрузки и отказоустойчивость.

Трансляция (трансляция)

Передавать сетевые пакеты на все подчиненные сетевые интерфейсы. Этот режим обеспечивает отказоустойчивость.

IEEE 802.3ad Динамическое агрегирование каналов (802.3ad, LACP)

Создает группы агрегации с одинаковыми настройками скорости и дуплекса. Использует все подчиненные сетевые интерфейсы в активной группе агрегатора в соответствии со спецификацией 802.3ad. Этот режим аналогичен описанному выше режиму XOR и поддерживает те же политики балансировки. Соединение устанавливается динамически между двумя узлами, поддерживающими LACP.

Адаптивная балансировка нагрузки передачи (balance-tlb)

Режим драйвера связывания Linux, не требующий специальной поддержки сетевых коммутаторов. Исходящий сетевой пакетный трафик распределяется в соответствии с текущей нагрузкой (рассчитанной относительно скорости) на каждом подчиненном сетевом интерфейсе. Входящий трафик принимается одним назначенным в данный момент подчиненным сетевым интерфейсом. Если это принимающее подчиненное устройство выходит из строя, другое подчиненное устройство принимает на себя MAC-адрес вышедшего из строя принимающего подчиненного устройства.

Адаптивная балансировка нагрузки (balance-alb)

включает баланс-tlb плюс балансировку нагрузки приема (rlb) для трафика IPv4 и не требует какой-либо специальной поддержки сетевого коммутатора. Балансировка нагрузки приема достигается путем согласования ARP . Драйвер связывания перехватывает ответы ARP, отправленные локальной системой на выходе, и перезаписывает исходный аппаратный адрес уникальным аппаратным адресом одного из подчиненных сетевых адаптеров в одном логическом связанном интерфейсе, так что разные одноранговые сетевые узлы используют разные MAC-адреса для их сетевой пакетный трафик.

Драйвер команды Linux предоставляет альтернативу связывающему драйверу. Основное отличие состоит в том, что часть ядра драйвера Team содержит только необходимый код, а остальная часть кода (проверка связи, реализация LACP, принятие решений и т. д.) запускается в пользовательском пространстве как часть демона Teamd .

Использование

Сетевая магистраль

Агрегация каналов предлагает недорогой способ создания магистральной сети с высокой пропускной способностью , которая передает в несколько раз больше данных, чем может передать любой отдельный порт или устройство. Агрегация каналов также позволяет постепенно увеличивать скорость магистральной сети по мере увеличения спроса на сеть без необходимости заменять все и развертывать новое оборудование.

В большинстве магистральных сетей устанавливается больше пар кабелей или оптоволокна, чем это необходимо изначально. Это сделано потому, что затраты на рабочую силу выше, чем стоимость кабеля, а прокладка дополнительного кабеля снижает будущие затраты на рабочую силу, если потребуется изменить сеть. Агрегация каналов может позволить использовать эти дополнительные кабели для увеличения скорости магистральной сети с небольшими дополнительными затратами или без них, если порты доступны.

Порядок кадров

При балансировке трафика сетевые администраторы часто хотят избежать изменения порядка кадров Ethernet. Например, TCP несет дополнительные издержки при работе с пакетами, находящимися в неправильном порядке. Эта цель достигается путем отправки всех кадров, связанных с конкретным сеансом, по одному и тому же каналу. Общие реализации используют хэши L2 или L3 (т. е. на основе MAC- или IP-адресов), гарантируя, что один и тот же поток всегда отправляется по одному и тому же физическому каналу.

Однако это может не обеспечить равномерного распределения по каналам магистрали, когда только одна или очень немногие пары хостов взаимодействуют друг с другом, т. е. когда хэши обеспечивают слишком мало вариаций. Это эффективно ограничивает пропускную способность клиента в совокупности. В крайнем случае, один канал полностью загружен, в то время как другие полностью простаивают, а совокупная пропускная способность ограничивается максимальной пропускной способностью этого отдельного участника. По этой причине в реальных реализациях почти никогда не достигается равномерная балансировка нагрузки и полное использование всех транкинговых каналов.

Использование на сетевых картах

Объединенные вместе сетевые карты также могут обеспечивать сетевые соединения, превышающие пропускную способность любого отдельного сетевого адаптера. Например, это позволяет центральному файловому серверу установить совокупное 2-гигабитное соединение, используя два 1-гигабитных сетевых адаптера, объединенных вместе. Обратите внимание, что скорость передачи данных по-прежнему будет составлять 1 Гбит/с, что может вводить в заблуждение в зависимости от методологий, используемых для тестирования пропускной способности после применения агрегации каналов.

Microsoft Windows

Microsoft Windows Server 2012 изначально поддерживает агрегацию ссылок. Предыдущие версии Windows Server полагались на поддержку этой функции производителем в программном обеспечении драйвера устройства . Intel выпустила Advanced Networking Services (ANS) для соединения карт Intel Fast Ethernet и Gigabit. Например,

Nvidia поддерживает объединение со своим Nvidia Network Access Manager/Firewall Tool. У HP есть инструмент объединения сетевых карт HP, который поддерживает несколько режимов агрегации каналов, включая 802.3ad с LACP. Кроме того, существует базовая агрегация уровня 3. это позволяет серверам с несколькими IP-интерфейсами в одной сети выполнять балансировку нагрузки, а домашним пользователям с более чем одним подключением к Интернету — увеличивать скорость соединения за счет распределения нагрузки на все интерфейсы.

Broadcom предлагает расширенные функции через Broadcom Advanced Control Suite (BACS), с помощью которого доступны функции объединения BASP (Broadcom Advanced Server Program), предлагая статические LAG 802.3ad, LACP и «умное объединение», не требующее какой-либо настройки на переключатели работают. Можно настроить объединение с BACS, используя сочетание сетевых карт от разных поставщиков, при условии, что хотя бы один из них принадлежит Broadcom, а другие сетевые адаптеры обладают необходимыми возможностями для поддержки объединения.

Линукс и UNIX

Linux , FreeBSD , NetBSD , OpenBSD , macOS , OpenSolaris и коммерческие дистрибутивы Unix, такие как AIX , реализуют соединение Ethernet на более высоком уровне и, пока сетевая карта поддерживается ядром, могут работать с сетевыми картами разных производителей или с использованием разных драйверов.

Платформы виртуализации

Citrix XenServer и VMware ESX имеют встроенную поддержку агрегации каналов. XenServer предлагает как статические группы LAG, так и LACP. vSphere 5.1 (ESXi) изначально поддерживает как статические LAG, так и LACP с помощью виртуального распределенного коммутатора.

Microsoft Hyper-V не предлагает поддержку агрегации ссылок на уровне гипервизора, но вышеупомянутые методы объединения под Windows применимы и к Hyper-V.

Ограничения

Одиночный переключатель

При использовании режимов Balance-RR , Balance-XOR , Broadcast и 802.3ad все физические порты в группе агрегации каналов должны находиться на одном логическом коммутаторе, что в большинстве распространенных сценариев оставляет единую точку отказа при отключении физического коммутатора. к которому подключены все ссылки, уходит в офлайн. Режимы active-backup , Balance-tlb и Balance-alb также можно настроить с помощью двух или более переключателей. Но после аварийного переключения (как и во всех других режимах) в некоторых случаях активные сессии могут выйти из строя (из-за проблем ARP) и их придется перезапускать.

Однако почти у всех поставщиков есть собственные расширения, которые решают часть этой проблемы: они объединяют несколько физических коммутаторов в один логический коммутатор. (SMLT) Nortel Протокол разделенного многоканального транкинга позволяет разделить несколько каналов Ethernet на несколько коммутаторов в стеке, предотвращая появление единой точки отказа и, кроме того, позволяя распределять нагрузку на всех коммутаторах между несколькими коммутаторами агрегации из единого стека доступа. Эти устройства синхронизируют состояние через межкоммутационную магистраль (IST), так что для подключающегося устройства (доступа) они кажутся одним устройством (коммутационный блок) и предотвращают любое дублирование пакетов. SMLT обеспечивает повышенную отказоустойчивость благодаря аварийному переключению и восстановлению за доли секунды для всех скоростных магистральных каналов, при этом работая прозрачно для конечных устройств.

Группа агрегации каналов с несколькими шасси предоставляет аналогичные функции, не зависящие от поставщика. Для подключенного устройства соединение выглядит как обычный объединенный магистральный канал. Координация между несколькими задействованными источниками осуществляется в зависимости от поставщика.

Та же скорость соединения

В большинстве реализаций все порты, используемые в агрегации, относятся к одному физическому типу, например, все медные порты (10/100/1000BASE‑T), все многомодовые оптоволоконные порты или все одномодовые оптоволоконные порты. Однако все требования стандарта IEEE — это чтобы каждое соединение было полнодуплексным и все они имели одинаковую скорость (10, 100, 1000 или 10 000 Мбит/с).

Многие коммутаторы являются PHY-независимыми, что означает, что коммутатор может иметь комбинацию медных, SX, LX, LX10 или других GBIC / SFP модульных трансиверов . Хотя сохранение одного и того же PHY является обычным подходом, можно объединить волокно 1000BASE-SX для одного канала и 1000BASE-LX (более длинный и разнообразный путь) для второго канала. Один путь может иметь более длительное время распространения, но поскольку большинство реализаций поддерживают один поток трафика по одному и тому же физическому каналу (используя в качестве индекса хэш MAC-адресов, IP-адресов или комбинаций портов IP/транспортного уровня ), это не приводит к проблематичная доставка вне заказа .

Несоответствие агрегации Ethernet

Несоответствие агрегации означает несовпадение типа агрегации на обоих концах канала. Некоторые коммутаторы не поддерживают стандарт 802.1AX, но поддерживают статическую настройку агрегации каналов. Таким образом, агрегирование каналов между одинаково статически настроенными коммутаторами может работать, но не будет работать между статически настроенным коммутатором и устройством, настроенным для LACP.

Примеры

Ethernet

Дополнительная информация об агрегации каналов: EtherChannel , многоканальный транкинг и 802.3ad.

На интерфейсах Ethernet Ethernet объединение каналов требует помощи как со стороны коммутатора главного компьютера , так и со стороны операционной системы , которая должна распределять доставку кадров по сетевым интерфейсам таким же образом, как ввод-вывод распределяется по дискам в массиве RAID 0 . По этой причине в некоторых обсуждениях объединения каналов также упоминается избыточный массив недорогих узлов (RAIN) или избыточный массив независимых сетевых интерфейсов .

Модемы

В аналоговых модемах несколько коммутируемых каналов через POTS можно объединить . Пропускная способность таких связанных соединений может приблизиться к совокупной пропускной способности связанных каналов, чем пропускная способность при схемах маршрутизации, которые просто балансируют нагрузку исходящих сетевых соединений по каналам.

DSL

несколько линий DSL Аналогичным образом можно объединить , чтобы обеспечить более высокую пропускную способность; в Королевстве Соединенном ADSL иногда подключается, чтобы обеспечить, например, пропускную способность загрузки 512 кбит/с и пропускную способность загрузки 4 мегабит/с в регионах, где есть доступ только к полосе пропускания 2 мегабит/с.

ДОКСИС

В соответствии со спецификациями DOCSIS 3.0 и 3.1 для передачи данных по системам кабельного телевидения можно объединить несколько каналов. В рамках DOCSIS 3.0 можно объединить до 32 нисходящих и 8 восходящих каналов. Обычно они имеют ширину 6 или 8 МГц. DOCSIS 3.1 определяет более сложные механизмы, включающие агрегацию на уровне поднесущих и более крупных условных каналов.

Широкополосный доступ

Широкополосное соединение — это тип соединения каналов, который означает агрегирование нескольких каналов на уровнях OSI на уровне четыре или выше. Объединенные каналы могут представлять собой проводные каналы связи, такие как линия T-1 или DSL . Кроме того, можно объединить несколько сотовых каналов связи для создания объединенного беспроводного канала связи.

Другие методологии объединения находятся на более низких уровнях OSI, и для их внедрения требуется координация с телекоммуникационными компаниями . Широкополосное соединение, поскольку оно реализуется на более высоких уровнях, может осуществляться без такой координации.

Коммерческие реализации объединения широкополосных каналов включают:

• Speedify Fast Bonding VPN от Connectify — программное приложение для нескольких платформ: ПК, Mac, iOS и Android
• Технология склеивания SpeedFusion от Peplink
• Технология многоканального VPN-соединения Viprinet
• Технология интернет-соединения Natiply от Synopi
• Объединение нескольких сетей ComBOX Networks как услуга

Wi-Fi

Дополнительная информация об объединении каналов: Super G (беспроводная сеть)

В стандарте 802.11 (Wi-Fi) используется объединение каналов по технологии Super G , называемое 108 Мбит/с. Он связывает два канала стандарта 802.11g , который имеет скорость передачи данных 54 Мбит/с на канал.

В IEEE 802.11n указан режим с шириной канала 40 МГц. Это не объединение каналов, а одиночный канал с двойной шириной старого канала 20 МГц, таким образом, используются две соседние полосы 20 МГц. Это позволяет напрямую удвоить скорость передачи данных PHY по одному каналу шириной 20 МГц.

См. также

• FlexE
• Обратный мультиплексор
• НЕСМОТРЯ НА
• Протокол связующего дерева

Внешние ссылки

• «Глава 5.4: Протокол управления агрегацией каналов (LACP)». IEEE Std 802.1AX-2008 Стандарт IEEE для локальных и городских сетей — агрегирование каналов (PDF) . Ассоциация стандартов IEEE . 03.11.2008. п. 30. дои : 10.1109/IEESTD.2008.4668665 . ISBN  978-0-7381-5794-8 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2010 г.
• Рабочая группа по агрегированию каналов IEEE P802.3ad
• Руководство по агрегации/связыванию ссылок Mikrotik