نظام ECMP في شبكات الحاسوب

يُعد التوجيه متعدد المسارات المتساوي التكلفة “ECMP” أسلوباً لدمج مسارين أو أكثر إلى وجهة في وحدة واحدة، بحيث يتم توزيع حركة المرور إلى تلك الوجهة وليس بالضرورة بالتساوي بين المسارات، كما يتم دعم “ECMP” بواسطة “EIGRP9.4.4” وتطبيقات حالة الارتباط “OSPF” و”IS-IS”، وعلى مستوى “Ethernet” يتم دعم “ECMP” إن لم يكن بالاسم بواسطة “TRILL” و”SPB” أي “2.7 TRILL” و”SPB”، كما أنّه مدعوم من قبل “BGP” للتوجيه الداخلي.

ما هو نظام ECMP

تعدد المسارات المتساوية التكلفة “ECMP”: هو استراتيجية توجيه شبكة تسمح بنقل حركة المرور لنفس الجلسة أو التدفق أي حركة المرور من نفس المصدر والوجهة عبر مسارات متعددة بتكلفة متساوية، كما إنّها آلية تتيح لك تحميل حركة مرور الرصيد وزيادة النطاق الترددي من خلال الاستفادة الكاملة من النطاق الترددي غير المستخدم على الروابط إلى نفس الوجهة.

• “ECMP” هي اختصار لـ “Equal-Cost-Multiple-Path”.

• “EIGRP” هي اختصار لـ “Enhanced-Interior-Gateway-Routing-Protocol”.

• “TRILL” هي اختصار لـ “TRansparent-Interconnection-of-Lots-of-Links”.

• “OSPF” هي اختصار لـ “Open-Shortest-Path-First”.

• “SPB” هي اختصار لـ “Shortest-Path-Bridging”.

• “BGP” هي اختصار لـ “Border-Gateway-Protocol”.

أساسيات نظام ECMP

عند إعادة توجيه حزمة يجب أن تحدد تقنية التوجيه مسار الخطوة التالية التي يجب استخدامها، وعند اتخاذ القرار يأخذ الجهاز في الاعتبار حقول ترويسة الحزمة التي تحدد التدفق، وعند استخدام “ECMP” يتم تحديد مسارات الخطوة التالية ذات التكلفة المتساوية بناءً على حسابات القياس المتري وخوارزميات التجزئة، أي أنّ المسارات ذات التكلفة المتساوية لها نفس التفضيلات والقيم المترية ونفس التكلفة للشبكة.

تحدد عملية “ECMP” مجموعة من أجهزة التوجيه وكل منها عبارة عن قفزة تالية مشروعة متساوية التكلفة نحو الوجهة، كما يُشار إلى المسارات التي تم تحديدها على أنّها مجموعة “ECMP” نظراً لأنّه يعالج وجهة القفزة التالية فقط، ويمكن استخدام “ECMP” مع معظم بروتوكولات التوجيه.

يتم تكوين مجموعة متعددة المسارات متساوية التكلفة “ECMP” عندما يحتوي جدول التوجيه على عدة عناوين للقفزة التالية لنفس الوجهة بتكلفة متساوية، والمسارات ذات التكلفة المتساوية لها نفس التفضيلات والقيم المترية، حيث إذا كان هناك مجموعة “ECMP” للمسار النشط يستخدم “OS” خوارزمية تجزئة لاختيار أحد عناوين الخطوة التالية في مجموعة “ECMP” للتثبيت في جدول إعادة التوجيه.

• “OS” هي اختصار لـ “operating-system”.

مبدأ عمل نظام ECMP

يمكنك تكوين نظام تشغيل بحيث يتم تثبيت عدة إدخالات المرحلة التالية في مجموعة “ECMP” في جدول إعادة التوجيه، وعلى أجهزة “Networks” يمكن إجراء موازنة الحمل لكل تدفق لنشر حركة المرور عبر مسارات متعددة بين أجهزة التوجيه، وعلى أجهزة أمان “Networks” يتم فحص عناوين وبروتوكولات “IP” للمصدر والوجهة لتحديد تدفقات حركة المرور الفردية.

يتم إعادة توجيه الحزم لنفس التدفق على نفس الواجهة ولا تتغير الواجهة عند وجود إضافات أو تغييرات على مجموعة “ECMP” وهذا مهم لميزات مثل مصدر “NAT”، حيث يتم تنفيذ الترجمة فقط أثناء المسار الأول لإنشاء الجلسة لأنفاق “IDP” و”ALG” وأنفاق “VPN” القائمة على المسار، حيث إذا وصلت حزمة إلى واجهة معينة في مجموعة “ECMP” يضمن جهاز الأمان إعادة توجيه حركة المرور العكسية عبر نفس الواجهة.

البديل الأبسط لـ “ECMP” هو ربط القناة والمعروف أيضاَ باسم تجميع الارتباط وغالباَ ما يعتمد على “IEEE 802.3ad” في ربط القناة ويتم التعامل مع رابطين متوازين من “Ethernet” كوحدة واحدة، وفي كثير من الحالات يكون من الأسهل والأرخص ربط اثنين أو ثلاثة روابط إيثرنت بسرعة “1 جيجابت في الثانية” بدلاً من ترقية كل شيء لدعم “10 جيجابت في الثانية” وربط القناة ينطبق، ومع ذلك في ظروف محدودة على سبيل المثال يجب أن تكون القناتان من نوع “Ethernet” ويجب أن تمثل ارتباطاً واحداً.

في حالة عدم وجود ربط القناة لا تعني التكلفة المتساوية بالضرورة تأخير انتشار متساوي، وحتى بالنسبة لوصلين متوازيين قصيرين، قد تعني تأخيرات الانتظار في قائمة الانتظار على ارتباط واحد عدم الاحتفاظ بأمر تسليم الحزمة، ونظراً لأنّ “TCP” عادةً ما يفسر تسليم الحزم خارج الطلب كدليل على فقدان الحزمة “13.3 TCP Tahoe” و”Fast Retransmit”، فقد يؤدي ذلك إلى أعداد كبيرة من عمليات إعادة الإرسال الزائفة.

ولهذا السبب عادة ما يتم تكوين “ECMP” لإرسال جميع الحزم الخاصة بأي اتصال “TCP” واحد عبر رابط واحد فقط وعلى النحو الذي تحدده وظيفة التجزئة، وبعض تطبيقات ربط القنوات تفعل الشيء نفسه والنتيجة هي أنّ “ECMP” الذي تم تكوينه بهذه الطريقة يجب أن يرى العديد من اتصالات “TCP” المتوازية من أجل استخدام جميع المسارات المشاركة بشكل متساوٍ بشكل معقول.

ومع ذلك في حالات خاصة قد يكون من العملي تكوين “ECMP” للتبديل بين المسارات على أساس كل حزمة باستخدام الإرسال الدائري، ويحقق هذا الأسلوب عادةً موازنة تحميل أفضل بكثير بين المسارات وفي مرافق مركز البيانات يُعد أداء الشبكة أمراً بالغ الأهمية، وعادة ما تكون متطلبات أداء النظام عالية الإنتاجية وحساسة لفقدان الحزمة، بالإضافة إلى ذلك يتطلب مركز البيانات أيضاً روابط زائدة عن الحاجة من أجل تجنب حدوث فشل في الشبكة.

يمكن أن يؤدي تطبيق طبولوجيا مثل الشجرة الدهنية إلى حل مشكلة احتياجات الارتباط الزائدة، ومع ذلك فإنّ استخدام الروابط الزائدة التي تستخدم فقط كنسخ احتياطية يعتبر غير فعال، ومطلوب آلية توجيه يمكنها استغلال إمكانات الروابط الحالية بشكل كافٍ، والتوجيه متعدد المسارات بتكلفة متساوية “ECMP” هو مخطط توجيه يمكن تنفيذه لحل المشكلة، ومع تنفيذ الشبكة المعرفة بالبرمجيات “SDN” على الشبكة سيكون إنشاء مخطط التوجيه هذا أكثر سهولة.

يستخدم مخطط “ECMP” خوارزمية “Dijkstra” المعدلة للبحث عن أقصر مسار ويستخدم طريقة تجزئة “modulo-n” في اختيار مسار التسليم، وتم تنفذ مخطط “ECMP” على طوبولوجيا الشجرة الدهنية مع الشبكة القائمة على “SDN”، حيث أنّ الشبكة التي تنفذ “ECMP” يمكن أن توفر فرقاً في سرعة النقل يبلغ “60.14 ميجابت في الثانية” عند مقارنتها بالتوجيه الثابت في سيناريو اختبار حركة مرور النطاق الترددي “20 ميجابت في الثانية”، كما يمكن أن توفر شبكة “ECMP” خسارة أقل للحزم بنسبة “15.72%” مقارنة بشبكات التوجيه الثابتة.

• “IP” هي اختصار لـ “Internet-Protocol”.

• “SDN” هي اختصار لـ “Software-Defined-Networking”.

• “TCP” هي اختصار لـ “Transmission-Control-Protocol”.

• “ALG” هي اختصار لـ “Application-level-gateway”.

• “IDP” هي اختصار لـ “identity-provider”.

• “VPN” هي اختصار لـ “Virtual-Private-Network”.

• “NAT” هي اختصار لـ “network-address-translation”.

خوارزميات تصميم شبكات IP مع تمكين توجيه ECMP

تحسين وتوجيه طوبولوجيا الشبكة المعشقة “MENTOR” عبارة عن شبكة خوارزمية تصميم إرشادي فعالة تعين تدفق حركة المرور أثناء تحديد الروابط المراد تثبيتها، و”MENTOR” مناسب لتصميم الشبكات المصنفة على أنّها تبديل حزمة دارة افتراضية مثل “Frame Relay” و”ATM” و”MPLS”، ومع ذلك لا يمكن تطبيق “MENTOR” مباشرة على شبكات تبديل حزم البيانات مثل شبكة توجيه “IP” البحتة.

وذلك لأنّ تدفقات حركة المرور التي تحددها “MENTOR” الأصلية ليست دائماً أقصر مسار للتوجيه بناءً على تخصيص وزن ارتباط “IP”، ولحل هذه المشكلة اقترح نسخة معدلة من “MENTOR” تسمى “MENTOR-II”، حيث يتم تعيين أوزان الارتباط المناسبة للروابط المثبتة بحيث يتم توجيه حركة المرور دائمًا على المسار بأقل مسافة.

ومع ذلك إنّ تدفقات حركة المرور المعينة من قبل “MENTOR-II” تقتصر على توجيه مسار واحد، كما أنّ “Enhance-MENTOR” قادرة على تخصيص حركة المرور باستخدام التوجيه المتساوي التكلفة متعدد المسارات “ECMP”، ويتم النظر في ثلاثة خيارات من “E-MENTOR” مع توجيه مسار واحد فقط و”E-MENTOR” مع توجيه “ECMP” فقط، و”E-MENTOR” الذي يأخذ في الاعتبار توجيه “ECMP” إذا كان مفيداً كما يتم تقييم الخيارات الثلاثة لـ “E-MENTOR” من حيث تكلفة التثبيت وتكلفة التوجيه والموثوقية لـ 729 من ظروف تصميم الشبكة.

• “MENTOR” هي اختصار لـ “mesh-topology-Optimizing-refinement”.

• “ATM” هي اختصار لـ “Asynchronous-Transfer-Mode”.

• “MPLS” هي اختصار لـ “Multiprotocol-Label-Switching”.