УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБЪЕДИНЕНИЯ КАНАЛОВ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области телекоммуникации, связи и передачи данных.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В компьютерных сетях агрегирование каналов (англ. Link aggregation) - технологии объединения нескольких параллельных каналов передачи данных в один логический. Это позволяет увеличить пропускную способность каналов и повысить их надежность в случае отказа одного из каналов.
Принцип агрегирования каналов применяется для многих технологий (например: сети Ethernet, инверсное мультиплексирование, Multilink РРР).
Для сетей Ethernet существует открытый стандарт IEEE 802.3ad, IEEE 802.1aq, однако многие компании еще используют для своих продуктов патентованные или закрытые технологии.
Из уровня техники известно использование в операционной системе Линукс параллельно нескольких Ethernet-адаптеров. Выглядит агрегирование каналов при этом следующим образом. Допустим, есть два адаптера Ethernet: eth0 и eth1. Их можно объединить в псевдо-Ethernet-адаптер bond0. На bond0 можно настроить один IP-адрес. Для программного обеспечения нет никакой разницы между eth0 (eth1) и bond0 (исключая немногие служебные утилиты, которые как раз и предназначены для операций непосредственно с адаптерами).
Из уровня техники известно изобретение «Methods for intelligent NIC bonding and load-balancing» (US 8644328 B2, опубликовано
04.02.2014). Данный метод описывает общий способ агрегирования каналов с использованием равномерной загрузки пакетов пересылаемых данных. Недостатком данного изобретения является то, что не предполагается использование различных типов агрегирования каналов параллельно и одновременно для повышения производительности и надежности работы устройства для приема и передачи данных.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Данная полезная модель направлена на устранение недостатков, присущих существующим решениям.
В качестве реализации полезной модели предложено устройство для приема и передачи данных, содержащее, по крайней мере: один сетевой интерфейс с поддержкой технологии 3G, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии 4G, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии Wi-Fi, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии WiMAX, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии Ethernet, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии Bluetooth, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии BGAN, один блок приема и передачи данных, один блок обработки данных, средство обмена информацией; при этом средство обмена информацией соединено со всеми вышеперечисленными блоками и с вышеуказанными сетевыми интерфейсами; при этом вышеупомянутый блок обработки данных способен образовывать путем объединения двух вышеупомянутых сетевых интерфейсов в блоке приема и передачи данных один или более логических каналов приема и передачи данных без ограничения по поддерживаемым стандартам связи и технологий, по которым они выполнены; при этом вышеупомянутые логические каналы приема и передачи данных могут объединяться в логические пары каналов приема и передачи данных; при этом вышеупомянутые логические каналы приема и передачи данных и логические пары каналов приема и передачи данных могут работать в заранее установленных режимах объединения каналов приема и передачи данных. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном исполнении.
Технический результат от использования полезной модели заключается в балансировке нагрузки на сетевые интерфейсы за счет комбинации существующих типов объединения каналов, что позволяет повысить
производительность и надежность работы устройства для приема и передачи данных.
Указанный технический результат достигается тем, что при агрегировании каналов приема и передачи данных, в том числе поддерживающих различные стандарты приема и передачи, от одного или разных провайдеров, предполагается использование различных режимов агрегирования каналов параллельно и одновременно для повышения производительности и надежности работы устройства для приема и передачи данных.
При этом блок приема и передачи данных устройства может быть выполнен с возможностью поддержки следующих стандартов связи: LTE; HSPA+; HSUPA; HSDPA; UMTS; CDMA EVDO Rev 0, Rev A; Mobile WiMAX; Wi-Fi 802.11 a,b,g&n.
В состав устройства может быть включен блок управления, выполненных с возможностью получать и передавать данные от блока обработки данных.
Управление устройством может осуществляться при помощи удаленного доступа через сеть Интернет или локальную вычислительную сетью.
Устройство может быть выполнено с возможностью принимать и передавать потоковое видео. При передаче потокового видео блок обработки данных устройства может использовать кодек Н.264, и/или Н.265, и/или Windows Media, и/или On2 VP6 Pro, и/или RealVideo
Устройство может работать в режиме, когда при агрегировании каналов данных, получившиеся пары сетевых интерфейсов, объединенные в логические каналы, работают в режиме объединения каналов balance-xor, а пары логических каналов - в режиме balance-rr;
Устройство может работать в режиме, когда при агрегировании каналов данных, получившиеся пары сетевых интерфейсов, объединенные в логические каналы, работают в режиме объединения каналов balance-alb, а пары логических каналов - в режиме active-backup;
Устройство может работать в режиме, когда при агрегировании каналов данных, получившиеся пары сетевых интерфейсов, объединенные в логические каналы, и пары логических каналов работают в режиме balance-tlb. Для данных режимов возможна детальная настройка самим пользователем устройства, включающая выбор сетевых интерфейсов для их последующего объединения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В данном устройстве под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).
Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).
Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.
Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.
Ниже будут рассмотрены некоторые термины, которые в дальнейшем будут использоваться при описании изобретения.
Сетевой интерфейс - дополнительная функциональная часть устройства, позволяющая этому устройству взаимодействовать с другими устройствами сети, в том числе, принимать и передавать сигнал, содержащий данные.
Трафик или интернет-трафик (англ. Traffic - «движение», «грузооборот») - объем информации, передаваемой через компьютерную сеть за определенный период времени. Количество трафика измеряется как в пакетах, так и в битах, байтах и их
производных: килобайт (Кб), мегабайт (Мб) и т.д.
Транк - канал связи (англ. channel, data line) - система технических средств и среда распространения сигналов для односторонней передачи данных от источника к получателю. В случае использования проводной линии связи, средой распространения сигнала может являться оптическое волокно или витая пара. Канал связи является составной частью канала передачи данных.
Объединение физических каналов (Link Aggregation) между двумя коммуникационными устройствами в один логический канал позволяет активно задействовать избыточные альтернативные связи в локальных сетях. В данном контексте термин «локальные сети» служит для обозначения технологий канального уровня, наподобие Ethernet, и необходимых для их работы устройств - коммутаторов, сетевых адаптеров и маршрутизаторов (в последнем случае имеется в виду соответствующий слой аппаратного и программного обеспечения).
Именно на канальном уровне протоколов локальных сетей проявляются особенности использования избыточных связей, такие, как дублирование и зацикливание кадров в петлевидных маршрутах. И хотя эти проблемы могут быть решены на более высоком сетевом уровне маршрутизаторами IP/IPX и программными средствами операционных систем, поддержка избыточных связей столь экономичными и широко распространенными устройствами локальных сетей, как коммутаторы второго уровня, обладает рядом преимуществ. Прежде всего, это снижение стоимости сети, так как многие ее участки строятся без привлечения относительно дорогих маршрутизаторов (коммутаторов третьего уровня). Кроме того, скорость реакции на обрыв связи часто повышается.
Агрегирование каналов применяется достаточно широко наряду с другим, принципиально отличающимся, способом использования избыточных связей - алгоритмом построения покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm,
STA). Он переводит избыточные связи в «горячий» резерв, оставляя в рабочем состоянии только минимальный набор каналов, необходимый для обеспечения связности сегментов сети. В этом случае повышается надежность сети, поскольку при отказе какого-либо соединения в строй автоматически вводятся резервные связи, и через небольшой промежуток времени работоспособность сети восстанавливается.
Агрегирование каналов может применяться для связи как между двумя коммутаторами локальной сети или между портами маршрутизатора, так и между компьютером и коммутатором (чаще всего последний вариант используется для высокоскоростных и ответственных серверов). В двух последних случаях все сетевые адаптеры или порты маршрутизатора, которые входят в транк, имеют один и тот же сетевой адрес (или одни и те же адреса, так как транк, подобно обычному порту/адаптеру, может иметь их несколько). Поэтому для протокола IP или другого протокола сетевого уровня порты транка неразличимы, что соответствует концепции единого логического канала, лежащей в основе агрегирования.
Очевидно, что агрегирование каналов приводит к повышению и производительности (вместо одного канала одновременно используется несколько), и надежности работы устройства приема и передачи данных. Но все современные методы агрегирования обладают существенным ограничением - они принимают во внимание только связи между двумя соседними коммутаторами, полностью игнорируя все, что происходит вне этого участка сети.
При этом для повышения производительности работы устройства приема и передачи данных используется следующий подход: происходит объединение нескольких сетевых интерфейсов в один канал с более высокой скоростью (IP трафик балансируется между всеми доступными интерфейсами
пропорционально пропускной способности каждого канала независимо от типа трафика на третьем и более высоких уровнях модели OSI).
Для увеличения надежности работы устройства приема и передачи данных используется другой подход: происходит дублирование трафика между всеми каналами. Это необходимо когда требуется не увеличение скорости, а гарантия доставки трафика до адресата. Технология является клиент-серверной, со стороны клиента устанавливаются соединения с сетью интернет через все доступные сетевые интерфейсы, далее устанавливаются шифрованные соединения с сервером (отдельное соединение для каждого интерфейса). Далее весь трафик от маршрутизатора в сеть интернет инкапсулируется в созданные шифрованные соединения и передается на сервер. После чего сервер его расшифровывает и передает в публичную сеть интернет. Возможно также присвоение статического IP-адреса для маршрутизатора клиента и, где бы он не находился, в публичный интернет трафик будет выходить только с этого IP-адреса. Это бывает необходимо в случае, если клиенту нужно соблюдать политику безопасности, а также иметь статический IP-адрес для написания ACL со стороны корпоративных брандмауэров.
Для осуществления возможности использовать оба этих подхода в различных вариациях предлагается устройство для приема и передачи данных, содержащее: один сетевой интерфейс с поддержкой технологии 3G, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии 4G, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии Wi-Fi, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии WiMAX, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии Ethernet, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии Bluetooth, один сетевой интерфейс с поддержкой технологии BGAN, один блок приема и передачи данных, один блок обработки данных, средство обмена информацией; при этом средство обмена информацией соединено со всеми вышеперечисленными блоками и с вышеуказанными сетевыми
интерфейсами; при этом вышеупомянутый блок обработки данных способен образовывать путем объединения двух вышеупомянутых сетевых интерфейсов в блоке приема и передачи данных один или более логических каналов приема и передачи данных без ограничения по поддерживаемым стандартам связи и технологий, по которым они выполнены; при этом вышеупомянутые логические каналы приема и передачи данных могут объединяться в логические пары каналов приема и передачи данных; при этом вышеупомянутые логические каналы приема и передачи данных и логические пары каналов приема и передачи данных могут работать в заранее установленных режимах объединения каналов приема и передачи данных. Все перечисленные элементы находятся в едином конструктивном исполнении. Блок приема и передачи данных устройства может быть выполнен с возможностью поддержки следующих стандартов связи: LTE; HSPA+; HSUPA; HSDPA; UMTS; CDMA EVDO Rev 0, Rev A; Mobile WiMAX; Wi-Fi 802.11 a,b,g&n. В качестве средства обмена информацией в устройстве может выступать компьютерная шина.
Устройство может выступать как приемник сигнала, содержащего данные, так и передатчик (ретранслятор) такого сигнала.
Устройство может работать в следующих режимах:
1. «Базовый».
В этом режиме используется гибрид 2-х общеизвестных способов объединения каналов balance-xor и balance-rr.
- balance-xor - передача пакетов распределяется между объединенными интерфейсами по формуле ((МАС-адрес источника) XOR (МАС-адрес получателя)) % число интерфейсов. Один и тот же интерфейс работает с определенным получателем. Режим дает балансировку нагрузки и отказоустойчивость. Фактически передача производится на основе установленной по умолчанию политики простой передачи хэша.
- balance-rr - обеспечивает балансировку нагрузки и отказоустойчивость. В данном режиме пакеты отправляются "по кругу" от первого интерфейса к последнему и сначала. Если выходит из строя один из интерфейсов, пакеты отправляются на остальные оставшиеся.
Принцип заключается в «делении» сетевые интерфейсы на пары, которые, в свою очередь, будут организовывать «пары между парами». В этом режиме пара из двух сетевых интерфейсов будет использовать режим balance-xor, а «пара из пар» будет работать в режиме balance-rr. Такой метод позволяет получить значительное увеличение скорости приема информации одновременно с резервированием каждого из сетевых интерфейсов. Эта функция удобна как для частного применения, так и для использования оборудования в подвижных объектах, таких как наземный общественный транспорт.
2. «Дуплексный»
В этом режиме используется гибрид balance-alb и active-backup.
- balance-alb - адаптивная балансировка нагрузки (более совершенная). Обеспечивает балансировку нагрузки как исходящего (TLB, transmit load balancing), так и входящего трафика (для IPv4 через ARP) Включает распределение нагрузки при передаче, а также распределение нагрузки при получении для трафика IPV4. Распределение нагрузки при получении достигается с помощью запросов/ответов протокола ARP.
- active-backup - активное резервное копирование - один интерфейс работает в активном режиме, остальные в ожидающем. Если активный интерфейс по каким-то причинам теряет соединение, управление передается одному из ожидающих. То есть используется одно активное подключение. Различные подключения активируются только в случае отказа активного подключения. Во избежание помех агрегированный МАС-адрес виден только из одного
порта (сетевой интерфейс). В данном режиме обеспечивается отказоустойчивость.
В этом режиме пара из двух сетевых интерфейсов будет использовать режим balance-alb, а «пара из пар» будет работать в режиме active-backup.
Данный метод позволяет получить надежный дуплексный сбалансированный канал связи с параллельным резервированием, что дает возможность применение данного метода для приема и передачи информации приблизительно с одинаковой скоростью. Данный алгоритм будем удобен для работы в различного рода базах данных, географически удаленно расположенных друг от друга.
3. «Поток»
В этом режиме используется алгоритм balance-tlb в двухступенчатом режиме.
- balance-tlb - адаптивная балансировка нагрузки. При balance-tlb входящий трафик получается только активным интерфейсом, исходящий - распределяется в зависимости от текущей загрузки каждого интерфейса.
Иными словами исходящий трафик распределяется в соответствии с текущей нагрузкой (рассчитывается относительно скорости) на каждое подключение. Входящий трафик принимается текущим подключением. В случае отказа принимающего подключения другое подключение принимает на себя МАС-адрес неисправного принимающего подключения. Обеспечивается отказоустойчивость и распределение нагрузки исходящего трафика.
Это позволяет получить двойное резервирование с многократным увеличением скорости передачи. Данный алгоритм найдет применение в случаях, когда скорость передачи является более приоритетной. Это особенно актуально для передачи видео «в одну сторону». Это такие сферы применения как телевидение, МЧС, различного рода видеонаблюдение и т.д. Т.е. случаи, когда крайне важно доставить видеопоток в прямом эфире с минимальными потерями качества.
Специалисту в данной области, очевидно, что конкретные варианты реализации устройства для приема и передачи данных с возможностью объединения каналов приема и передачи данных были описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема полезной модели.