Агрегация и балансировка беспроводных каналов связи

Беспроводные сети легко развертываются, обладают гибкостью при конфигурации и расширении, могут дополнять или заменять стандартные проводные сети при построении сетевой инфраструктуры. Однако при всех преимуществах, эксплуатация беспроводных сетей связана с рядом проблем:

• слабый сигнал в удаленных локациях
• зависимость от погоды, плотности застройки, отраженных сигналов
• внешние помехи
• риск разрыва соединения

Специфической проблемой является низкая скорость исходящего соединения. В сетях 3G скорость входящего соединения (Downlink) может быть в десятки раз выше, чем скорость исходящего (Uplink). Такова идеология работы сотовой связи: на маленький запрос пользователь получает большой ответ. В сетях 4G скорость Uplink уже выше, можно передавать потоковое видео, но каналы по-прежнему не симметричны, скорость Uplink ниже, чем Downlink.

Один из способов решения описанных проблем – применение роутеров с несколькими GSM-модулями. В зависимости от объема и типа нагрузки при взаимодействии между GSM-модулями могут использоваться технологии агрегации или балансировки.

Балансировка каналов

Балансировка каналов связи (load balancing) – это распределение нагрузки между каналами.

В самом простом варианте осуществляется балансировка по кругу: каждый следующий пакет отправляется в новый канал передачи данных. Чтобы не нарушать логику работы клиентских/серверных приложений, трафик можно маркировать. В результате запрос на один и тот же сервер будет уходить всегда через один канал (интерфейс).

Однако у балансировки по кругу есть существенный минус. В случае снижения скорости передачи данных в одном из каналов, алгоритм все так же продолжает отправлять в него пакеты. И за счет одного медленного соединения общая скорость сбалансированного канала снижается.

Более сложный вариант балансировки включает в себя подсчет метрик, например, с использованием ICMP-пакетов. Поскольку мы измеряем только суммарное время отправки и получения пакета, такой способ не является полностью объективным из-за разницы в скорости исходящего и входящего соединения. Однако с его помощью можно более эффективно распределять трафик, снижая задержки передачи данных через медленный канал.

Балансировка хороша при решении задачи распределения множества запросов и множества клиентов. Как пример: создание Wi-Fi точки доступа в общественных местах. Для организации простого доступа в интернет балансировки, как правило, достаточно.

Основная задача промышленных роутеров с балансировкой iRZ серии R4 – обеспечивать быстрый проводной интернет с резервированием через беспроводной канал. Модели с двумя GSM-модулями обладают функциями горячего резерва и объединения каналов связи для повышения скорости соединения.

Роутеры с балансировкой iRZ серии R4

Агрегация каналов

Агрегация каналов (link aggregation) — технология, которая позволяет объединить несколько физических каналов в один логический.

Для агрегирования необходимо наличие специального программного обеспечения как на стороне сервера, так и на стороне клиента. Решение об использовании того или иного канала и процентном распределении нагрузки между ними принимается после подсчета метрик. Метрики вычисляются на стороне сервера и на стороне клиента, что позволяет определить пропускную способность каждого конкретного исходящего и входящего соединения в каждый момент времени.

От сервера требуются большие вычислительные мощности и наличие интернет-канала с высокой пропускной способностью, который может обрабатывать большое число подключений. Возможно одновременное использование двух каналов: по одному сервер получает запросы от клиентского оборудования, по второму отправляет их в интернет, получает ответ и снова через первый канал транслирует его клиентам.

В целом агрегация – это дорого: нужно платить и за серверное оборудование, и за высокоскоростные каналы. Однако существует ряд задач, оптимальным решением которых будет использование мультироутера с агрегацией.

Задача №1

Требуется построить туннель через беспроводной канал. В наличии 2 высокоскоростных 4G (LTE) канала, в любом из которых качество связи может непредсказуемо ухудшиться вплоть до обрыва соединения. При использовании балансировки, если «упадет» канал, выбранный для передачи данных по протоколу TCP, туннелю придется перестраивается на другой, что займет некоторое время. Непрерывность передачи данных обеспечить не получится. Но если туннель будет построен поверх агрегированных каналов, он продолжит функционировать, прерывания передачи данных не будет.

Задача №2

Есть измерительный прибор, подключенный к последовательному порту роутера. С этого прибора передаются показания датчиков давления в реакторе. Прерывание потока данных распознается системой как какой-то сигнал, например, сигнал об аварии. Данные должны поступать непрерывно, даже если произошло «падение» одного из каналов. Агрегация позволяет работать именно в таком режиме.

Задача №3

При проведении транзакций по банковским картам критично важно чтобы связь не оборвалась. В условиях плохого сигнала обеспечить стабильное соединение можно с помощью агрегации.

В этих примерах есть одна общая черта – везде речь идет о приложениях и программах, которые чувствительны к разрыву соединений. Технология агрегации подходит именно для таких случаев.

Выбор между балансировкой и агрегацией зависит от особенностей стоящих задач. В большинстве случаев бывает достаточно балансировки. Агрегация является более совершенной и более дорогой технологией. Ее использование оправдано там, где критичен факт разрыва соединения, или там, где стоимость не имеет решающего значения, например, в системах безопасности.