Эластичная сеть для облака

Принципы виртуализации можно использовать и при построении сети — в таком случае она будет подстраиваться под различные характеристики трафика, меняющиеся вследствие поступления новых требований со стороны приложений и облачных сервисов. Для достижения большей экономичности нужно обеспечить гибкость и простое конфигурирование сети: это позволит оптимально задействовать имеющиеся сетевые ресурсы, снизить вероятность их частичного простоя и в то же время обеспечить высокую производительность и масштабируемость. Аналогично тому, как облачные архитектуры способны оперативно выделять ресурсы из общего пула, оптическая сеть должна обеспечивать подобную «эластичность» пропускной способности.

ОБЛАЧНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Функционирование размещаемых в облаке приложений зависит не только от средств обработки и хранения данных, но и от сетевых ресурсов. Сетевые архитектуры ЦОД должны позволять поставщикам облачных решений использовать и распределять ресурсы между центрами обработки данных, а также поддерживать ряд важных операций, например тиражирование данных и миграцию виртуальных машин. Динамичность и эластичность, свойственные облачным сервисам, а также виртуализация ресурсов в масштабе всей сети стали причиной выдвижения новых требований к инфраструктуре облачных сетей. В настоящее время сети такого типа строятся главным образом на основе систем коммутации/маршрутизации пакетов и оптического транспорта.

Для оптимального функционирования межЦОДовских инфраструктур необходимы высокая производительность, отказоустойчивость и оперативное предоставление пропускной способности. Кроме того, продуктивность работы облачных приложений зависит от времени задержки и его вариации (джиттера), а также от наличия эффективных механизмов обеспечения качества обслуживания (QoS). Отказоустойчивость архитектуры имеет исключительное значение для функционирования критически важных приложений, но соответствующие решения должны выбираться на основании допустимых для определенного приложения времени задержки и показателей QoS. Учитывая непредсказуемый характер требований к сетевому транспорту, способность сети оперативно предоставлять пропускную способность по запросу в любое время и в любой точке сети становится важным фактором ее эффективного функционирования.

Сетевым операторам также необходимо обеспечить надлежащий уровень экономичности транспортировки данных в сети по мере ее роста. Это означает более эффективное использование сетевых ресурсов и снижение эксплуатационных издержек. Чем выше степень централизации и консолидации ресурсов и чем активнее применяется виртуализация для выделения ресурсов по запросу, тем меньше вероятность того, что они задействуются в недостаточной мере или блокируются. Речь идет не только о ресурсах для обработки и хранения данных, но и о сетевых ресурсах, включая пропускную способность территориально распределенных сетей (WAN), связывающих несколько ЦОД. Если пропускной способностью управлять централизованно (например, перераспределяя ее между приложениями), то эффективность использования ресурсов сети существенно повышается.

ДИНАМИЧНЫЙ ПРОФИЛЬ

Динамическая природа облаков приводит к формированию новой картины трафика, отличающейся от той, что наблюдается в обычных телекоммуникационных сетях. В различных облачных сетях свои особенности передачи данных, но межЦОДовский трафик всегда складывается из двух основных компонентов:

• статичный компонент — устойчивая, предсказуемая часть трафика, которая соответствует главным образом неизменяющимся взаимодействиям внутри ЦОД или соединениям, идущим из облака или в облако;
• постоянно меняющийся, динамичный компонент — он менее предсказуем в отношении отправителя/получателя потока данных, его продолжительности и объема.

В некоторых крупных облачных сетях динамичный компонент трафика может превалировать над статичным, меняясь в течение часа или на протяжении дня. Основными причинами этих изменений являются масштабная миграция баз данных, значительное разовое повышение интенсивности трафика, связанное с конкретным событием, подключение новых клиентов и т. п. В этом случае необходимы инфраструктурные решения, способные оперативно реагировать на изменения и предоставлять «эластичную» полосу пропускания в определенной точке сети в определенное время.

КАК СДЕЛАТЬ ПОЛОСУ ПРОПУСКАНИЯ «ЭЛАСТИЧНОЙ»

Сети WAN, используемые для облачных сервисов, базируются преимущественно на протоколе IP и технологии спектрального мультиплексирования (Wavelength Division Multiplexing, WDM). В соответствии с распространенной практикой построения сетей акцент делается на формировании IP-уровня, который отвечает за управление пропускной способностью (коммутация и маршрутизация пакетов), а также за предоставление механизмов защиты, чтобы обеспечить отказоустойчивость сети в случае сбоев. При таком подходе оптический уровень сети выполняет только статичную функцию транспортировки пакетов из одной точки сети в другую. IP-соединения могут быть общим ресурсом, но оптические каналы, жестко привязанные к двум фиксированным точкам, становятся неизменяемым изолированным ресурсом, доступным для запросов лишь со стороны вышележащих элементов в тех самых двух точках, между которыми и проложено оптическое соединение.

Такие сети, основанные на оптических сервисах «точка – точка», характеризуются избыточным выделением ресурсов и недостаточной эффективностью их использования. Кроме того, если надеяться только на отказоустойчивость IP-уровня, задержка при восстановлении работы облачных приложений может оказаться более высокой, так как на IP-уровне обычно меньше узлов коммутации, чем в транспортной сети. Подход, при котором часть сетевых ресурсов выделена только для резервирования, приводит к неоправданно высоким издержкам на инфраструктуру, что удлиняет срок окупаемости.

Для облачных архитектур, нуждающихся в «эластичной» полосе пропускания, есть подходящие решения. Они позволяют снизить общую стоимость владения сетью и помогают сделать пропускную способность общим, разделяемым ресурсом. Для этого применяются три ключевые технологии.

1. Рисунок 1. Отделение уровня сервисов от оптического уровня позволяет сформировать общий ресурс пропускной способности, которая может выделяться по запросу в любое время, в любой точке сети и в любом количестве.

   Виртуализация полосы пропускания. Технология Bandwidth Virtualization обеспечивает отделение уровня оптической передачи от уровня предоставления транспортных сервисов, благодаря чему оптические каналы становятся доступны в качестве ресурсов общего пользования, которые можно динамически задействовать в надлежащем объеме, не прибегая к услугам инженеров оператора связи (см. Рисунок 1). Данная технология существенно отличается от обычной технологии WDM, которая тоже предусматривает использование мультиплексоров ROADM. Эти мультиплексоры позволяют осуществлять реконфигурацию, но при этом жестко привязывают сервисы к определенным оптическим каналам, что приводит к фрагментации и изоляции последних.

2. Рисунок 2. Конвергенция WDM/OTN снижает расходы на содержание сети и создает основу для виртуализации полосы пропускания.

   Конвергенция уровня WDM и коммутации первого уровня (L1). Появление новых оптических систем, в которых технология WDM интегрируется с цифровой коммутацией OTN в рамках единой экономичной платформы, заставило архитекторов сетей пересмотреть свое понимание оптического транспорта. Если раньше они имели дело исключительно с оптическими каналами заданной пропускной способности, то интегрированные средства WDM/OTN поддерживают смешанные сервисы с различной пропускной способностью — они предоставляют встроенные средства агрегации сервисов в канал, что позволяет снизить число используемых каналов и получить необходимую для сервисов скорость передачи. Это повышает экономичность и производительность инфраструктуры, позволяя оптимальным образом предоставлять сервисы при виртуализации пропускной способности (см. Рисунок 2).
3. Интеллектуальные функции GMPLS. По мере расширения оптических сетей должны масштабироваться и процедуры эксплуатации, в том числе трудоемкие и затратные по времени, — в частности, отслеживание топологии сети и конфигурирование оптических соединений. Пропускную способность невозможно превратить в разделяемый и удобный в использовании ресурс, не обеспечив требуемого уровня автоматизации. Интеллектуальные функции GMPLS отлично дополняют интегрированные системы WDM/ OTN, обеспечивая динамические масштабируемые средства по предоставлению полосы пропускания и восстановлению работы сети, причем операторы могут программировать средства GMPLS, чтобы задействовать только необходимые им функции.

При помощи этих решений реализуется важная для облачных сервисов возможность предоставления пропускной способности транспортной сети по запросу. Подобно тому, как в облачных архитектурах виртуализация используется для быстрого и эффективного выделения необходимых ресурсов, перечисленные выше технологии позволяют реализовать аналогичные функции для оптической сети. Это открывает возможность оперативно реагировать на непредсказуемые или изменяющиеся требования относительно полосы пропускания и мгновенно, в режиме реального времени, обеспечивать канальный ресурс в любой точке сети.

ИНТЕГРАЦИЯ WDM/OTN И ОПТИЧЕСКИЕ ИС

Технология WDM лежит в основе обеспечения высокой производительности и емкости оптической сети. В свою очередь, технология оптических транспортных сетей (OTN) помогает просто и эффективно управлять формированием нагрузки, передаваемой по каналам WDM. Объединив обе технологии, мы получим системы WDM/OTN, способные предоставить прозрачные, экономичные и коммутируемые транспортные службы с низким временем задержки, а кроме того, позволяющие применить к пропускной способности принцип виртуализации, согласно которому соединения для IP-трафика можно «брать» из общего пула ресурсов пропускной способности и «возвращать» обратно — вне зависимости от состояния отдельных оптических линий связи.

Благодаря таким конвергентным системам, способным выделять необходимые транспортные ресурсы и переконфигурировать их в реальном времени, пропускная способность из статичного и неэффективно используемого ресурса может превратиться в ресурс, доступный по запросу и предоставляемый для определенных потоков трафика в нужное время и в нужной точке сети.

Рисунок 3. Примеры микросхем PIC различной производительности.

Чтобы сделать эти конвергентные решения экономически эффективными, необходима интеграция на уровне компонентов. И хотя отдельные WDM- и коммутационные системы функционально похожи, их объединение, выполненное без низкоуровневой интеграции, приведет к тому, что стоимость перекрестных соединений значительно возрастет, а требования, связанные с выделением дополнительного технологического пространства и ростом энергопотребления, окажутся слишком высокими. Полноценная конвергенция без ущерба для плотности системы требует специальной технологии интеграции. Такая технология использована в оптических интегральных микросхемах (PIC), где на одном чипе объединены функции множества дискретных оптических компонентов, как это сделано в цифровых интегральных микросхемах (см. Рисунок 3).

Оптические интегральные микросхемы имеют массу преимуществ: это уменьшение размеров оборудования, снижение энергопотребления и общих затрат, значительное повышение надежности систем за счет сокращения числа волоконных соединений, обычно связывающих оптические компоненты и зачастую являющихся причиной отказов. Благодаря использованию технологии PIC, интегрированные системы OTN/WDM обеспечивают высокий уровень плотности и оптимальное соотношение цены и производительности.

Итак, в облачных средах, где профиль трафика непредсказуем, построение оптической сети на основе интеграции технологии WDM и цифровой коммутации OTN обеспечивает высокую гибкость и скорость, динамичное выделение пропускной способности и эффективное использование сетевых ресурсов. Облачные среды требуют быстрого выделения всех ресурсов — не только ЦОД, но и сетевых инфраструктур. Дополненные технологией GMPLS, эти решения позволяют сделать пропускную способность по-настоящему «эластичной» и предоставляют возможность выделять ее по запросу. Чтобы достичь столь высокого уровня конвергенции сети, необходимо использовать инновационные оптические технологии, такие, например, как высокопроизводительные оптические интегральные микросхемы.

Крис Лю — вице-президент Infinera по сетевой стратегии. С ним можно связаться по адресу: cliou@infinera.com.