Технология коммутации на уровне 4 позволяет сбалансировать загрузку серверов и облегчить доступ к распределенным приложениям
Для обеспечения высокой сквозной пропускной способности сети и соответствующего качества обслуживания необходимо, чтобы загрузка оптимально распределялась между всеми элементами сети и поток данных между клиентами и серверами был равномерным.
Коммутаторы уровня 2 и 3 сыграли свою роль в повышении пропускной способности локальных сетей, однако сегодня они уже не справляются с нагрузкой. И здесь на помощь приходит новая технология - коммутация на уровне 4.
Технология коммутации на уровне 4 включает в себя возможности управления производительностью и трафиком коммутаторов уровня 2 и 3, дополняя их новыми интеллектуальными функциями, в том числе возможностями управления серверами и приложениями.
Новые коммутаторы используют информацию, которая содержится в заголовках пакетов и относится к уровню 3 и 4 стека протоколов, такую как IP-адреса источника и приемника, биты SYN/FIN, отмечающие начало и конец прикладных сеансов, а также номера портов TCP/UDP для идентификации принадлежности трафика к различным приложениям. На основании этой информации, коммутаторы уровня 4 могут принимать интеллектуальные решения о перенаправлении трафика того или иного сеанса.
Такие возможности могут очень пригодиться в крупных корпоративных центрах данных, сетях Internet-провайдеров и контент-провайдеров, где для поддержки одного приложения нередко используется сразу много разнородных компьютеров. Кроме того, данная технология поможет оптимизировать процессы тиражирования между многими физическими серверами.
Маршрутизаторы и коммутаторы уровня 3 перенаправляют индивидуальные пакеты, не учитывая тех, которые передавались ранее или будут передаваться после. Коммутаторы уровня 4 отслеживают каждый сеанс от начала до конца. Поэтому их можно было бы назвать "коммутаторами сеансов".
Если маршрутизаторы принимают решение о перенаправлении пакетов на основании информации о доступности сетевого узла и загруженности каналов, то коммутаторы уровня 4 используют информацию прикладного характера. Это позволяет выбрать для запроса пользователя подходящий по целому ряду критериев сервер. Таким образом, коммутатор уровня 4 представляет собой идеальный механизм распределения трафика и вычислительной нагрузки между несколькими серверами.
Устройство, способное выполнять коммутацию на уровне 4, действует как своеобразный VIP-интерфейс (Virtual IP) для подключенных к нему серверов. Адреса VIP устанавливаются для отдельных серверов или для группы серверов, на которых выполняются одно или общие приложения. Эти виртуальные адреса регистрируются в доменной службе имен DNS.
При запросе на услугу коммутатор уровня 4 отслеживает начало сеанса (пакет "SYN") и с помощью сложного алгоритма выбирает оптимальный для обработки данного запроса сервер. Затем с сеансом вместо VIP-адреса связывается реальный IP-адрес сервера, которому будет передаваться весь трафик в пределах данного сеанса. Для этого в коммутаторе имеется таблица соответствий, которая сопоставляет исходные IP-адреса TCP-портам выбранного сервера. Коммутатор уровня 4 перенаправляет запрос к этому серверу. Все последующие пакеты маршрутизируются в соответствии со сделанным выбором между клиентом и тем же самым сервером, пока коммутатор не обнаружит сигнал FIN, свидетельствующий о завершении сеанса.
Коммутаторы уровня 4 позволяют менять критерии выбора серверов в зависимости от конкретных задач. Например, таким критерием может быть число подключений для каждого сервера или распределение трафика, взвешенное в соответствии с пропускной способностью каждого сервера.
Традиционные специализированные продукты распределения загрузки как правило, способны устанавливать от 400 до 800 соединений в секунду для каждого устройства. Применение нового поколения устройств, сочетающих функции коммутации уровня 2 и 4 и использующих для аппаратной реализации распределения загрузки специальные заказные микросхемы, позволит увеличить этот показатель до 100 тыс. соединений в секунду.
Естественно, при распределении загрузки, решающее значение имеет алгоритм выбора лучшего сервера. В зависимости от степени детализации распределения загрузки, коммутаторы уровня 4 используют для этого эвристические алгоритмы выбора, такие как метод циклической взвешенной оценки, оценки наименьшего взвешенного числа соединений, метод оценки круговой задержки, а также метод с замкнутой обратной связью, который предусматривает использование информации, поступающей от самих серверов. Предпочтителен как раз последний из них, так как он позволяет учитывать особенности архитектуры конкретного сервера (например, объем доступной оперативной памяти, прерывания ввода/вывода, степень использования процессора), сведения о которых могут автоматически предоставляться специализированными адаптерами. Нынешние реализации метода с замкнутой обратной связью требуют, чтобы на каждом сервере были развернуты соответствующие программные агенты.
Коммутаторы уровня 4 по структуре и функциям значительно отличаются от существующего специализированного оборудования распределения загрузки. Традиционные устройства, как правило, имеют два порта, которые поддерживают протоколы глобальных сетей и работают на скоростях до 45 Мбит/с. Их стоимость составляет от 10 до 35 тыс. долл. Коммутаторы уровня 4 рассчитаны на приложения высокоскоростных сетей intranet и содержат достаточно много портов на 100 Мбит/с или 1 Гбит/с. Цена на подобные устройства колеблется от 12 до 15 тыс. долл.
Кроме управления распределением загрузки, коммутаторы уровня 4 имеют множество других функций, таких как контроль трафика на основе типа приложений и идентификаторов пользователей. Такие коммутаторы могут изменять приоритет трафика в зависимости от типов приложений. Наконец, коммутаторы уровня 4 умеют различать прикладные сеансы и привилегии пользователей и при этом являются непосредственным интерфейсом между серверами и клиентами, так что они могут служить отличным средством защиты серверов от несанкционированного доступа.