شبكات الـ Content Switching

عندما نتكلم عن تصميم الشبكات ، نجد إن ساحتنا العربية دائما ما تتمركز مواضيعها حول  R&S و WiFi  ونتجاهل المجالات الأخرى المتفدمة ترتقي والتي تساهم في إثراء ملعوماتنا . وقد رأيت أن أثناء تنفيذ المشاريع المتعلقة بالشبكات للمؤسسات يتطلب منك دراية في كل المجالات كونك تكلف لحل مشكلة معينة في حينها تواجه أجهزة وسيرفرات لم تتعامل معها من قبل. ولا نقل انك ستحترف كل شي ولكن أقول : “لك ركز في شيء وأتقنه وخذ من كل شيء ثمرة” . فإذا كنت تهوى الشبكات اللاسلكية فأأكد لك أنك لن تصبح خبيرا في هذا المجال اذا لم تكن لديك معلومات جيدة عن R&S . ومن هذا الباب أنني نسعى لكتابة مقالات بعيدا عن تلك الشائعة والتي أصبح الأغلبية لديها فكرة عنها . وأننا نسعى أن نرتقي نحن كمهندسين عرب لنستغني عن المنصب الوظيفي الذي يحتله الوافد . ومن هنا ، تضع بين نكتب لكم مقال لم يذكر أبداً في الساحة العربية من قبل وهو بعنوان :

شبكات الـ Content Switching والذي سنتكلم عن أهم مفاهيمه الرئيسية بإسلوب مبسط ومفهوم .

نبذة عن شبكات الـ Content Switching :

إن مصطلح Content Switching يبدو للأغلبية مصطلح جديد ولم يسمعوا به من قبل . المقصود بهذا المصطلح هو تصميم شبكات عالية الأداء وذات حلول متعددة تسهام في زيادة أداء الشبكة وعمل نسخ إحتياطة وتسريع تلبية الطلبات وإيجاد عدة مسارات وتوصيلات تتبادل في نقل البيانات . وتندرج مواضيع كثيرة متفرعة تحت هذه التقنية والتي من أمثلتها Caching  و disaster recovery و load balancing .

كيف تعمل شبكات الـ Content Switching :

إن عمل هذه شبكات هذا النوع يختلف حسب بنيتها . ولعل أبسط مثال سنوضحه لك هو Load Balancing كون معظم التقنيات في هذا النوع من الشبكات تتمحور حول هذا الموضوع .

 يستخدم  load balancing لتوزيع الطلبات بين عدة أجهزة أو عدة مسارات بهدف زيادة أداء الشبكة وإيجاد مسار أخر تلقائيا في حال تعطل أحد المسارات . ولتوضيح ذلك أكثر ، نضع بين يدك هذا المخطط ونشرحه لك :

من خلال المثال السابق لاحظ وجود عدة web server  تؤدي نفس الغرص . ووضعت بشكل متعدد لجعل الخدمة متاحة في حال تعطل بعمل أحدهما كبديل. فليس من المعقول سيرفر إستضافة يحتوي على 9999 موقع ويب يتم إزالته للصيانة وتتوقف كل تلك المواقع . وعودةً للمخطط فإننا نلاحظ وجود ايبي 10.1.1.10    وهذا الأيبي يمثل كل السيرفرات ويسمى VIP او Virtual IP . فعندما يقومالـ Client بعمل طلب فإن SLB او Server Load Balancing يقوم بعمل ترجمة لأحد عنوان السيرفر عن طريق DNS كما تعلم . ثم يتم أختيار أحد السيرفرات لتلبية الطلب وذلك وفق للإعدادت المبرمجة على SLB .

الأجهزة المستخدمة شبكات الـ Content Switching :

لتصميم هذا النوع من الشبكات ستحتاج إلى أجهزة مختلفة حسب تصميم الشبكة الخاص بك ، ولكن نحن سنذكر لك بعض الأجهزة الأساسية والتي تصنعها شركة سيسكو والتي تندرج تحت سلسة Content Service Switche او CSS :

جهاز CSS 11501 :

هذا الجهاز يستطيع أن ينقل البيانات بين أربع طبقات من Layer 4 وحتى layer 7 . وقد صممته شركة سيسكو ليتعامل خصيصا مع للتطبيقات التي تتعامل مع المعاملات الألكترونية . وهذا الجهاز يعد مناسبً لعمل load balancing لسيرفرات الويب الصغيرة. ويستطيع النقل بسرعة إجمالية تصل إلى 6Gbps .

جهاز CSS 11503 :

هذا الجهاز مكون من 3 slots ويحتوي على قطعة واحدة SMC وبها منفذين Gigabyte Ethernet .ويستطيع النقل بسرعة إجماليىة تصل إلى 20Gpbs .

جهاز CSS 11506:

هذا هو أقوى الأجهزة في سلسلة CSS التي تقدمها سيسكو . حيث يستطيع النقل بسرعة إجمالية تصل إلى 40Gpbs  كما يحتوي على slots فارغة لإضافة modules . ويمكن تشغيل فيه 12 منفذ GE .

ألية عمل أجهزة Content Service Switch :

أجهزة CSS لم تصمم لتعمل كأجهزة عادية مثل Routers ولكنها صممت خصيصا للعمل في شبكات Content Switching وأن الية عملها تختلف عن بقية الأجهزة ولننظر الأمثلة :

عندما يقوم الـ Client بطلب الخدمة ، تعبر البيانات عبر جهاز CSS قبل وصول الطلب إلى السيرفر . ونحن هنا نمقل اتصال على Layer 5 . والذي يحتاج لقراءة header الخاص بطبقة application أو presentation قبل تقديم الخدمة . وهذه الحالة شائعة عند إعداد CSS ليعمل Load balancing لـ HTTP URL . ففي هذه الأثناء يقوم CSS بتأسيس الإتصال بينه وبين الـ Client قبل تحويل الطب إلى السيرفر وذلك عن طريق TCP three-way handshake  كما يظهر في المخطط التالي :

حيث أن CSS هنا يعمل حاله حال Proxy لصالح السيرفر وفيقوم بالرد لـ SYN packets المرسلة من الـ Client بـ SYN/ACK بدل من أن يجعل السيرفر يرد مباشرتاً وتسمى هذه العملية Binding Delay . والفائدة منها هي أنها تسمح للـ CSS أن يقوم بجمع المعلومات التي يحتاجها من الـ Client لتحديد إلى أي سيرفر يتذهب الطلب ويتم تحديد ذلك وفق عدة قوانين ومنها :

• Content rule match
• Service availability
• Service load  
• Cookies  
• Source IP address

وبعد أن قام الـ CSS بتحديد السيرفر الذي سينفذ الخدمة ، يقوم بتأسيس الإتصال مع السيرفر ومزاوجته مع اتصال الـ Client أيضاُ بإستخدام TCP three-way handshake and كما يتضح من المخطط التالي :

وفي حال قام ذلك الـ Client بعمل عدد طلبات متتالية بنفس نوع البروتوكول ، فأن الـ CSS هنا مباشرتا يقوم بتأسيس أتصال مع السيرفر المقدم لتلك الخدمة وهذه الحالة تسمى persistence . لكن أيضا ما زال الـ CSS يحتاج أن يتوخى الحذر لأنه أحيانا قد يكون بحاجة لنقل الطلب لسيرفر أخر في حال ذلك السيرفر تعطل أو في حال قام الـ Client بشكل مفاجيء بطلب خدمة أخرى كما يظهر في المخطط التالي حينما قام الـ CSS بتحويل الطلب لسيرفر أخر وعمل مزاوجة مع أتصال الـ Client :

Cache Load Balancing

وبعد أن تكلمنا عن أحد أنواع الـ Content Switching ، سنتطرق لنوع أخر وهو Caching  . وهو أحد المصطلحات الشائعة في مجال الشبكات والذي يقصد به حفظ الطلبات التي تتكرر بحيث عند طلبها في المرات القادمة لا يحتاج السيرفر أن يقوم بطلبها من جهة أخرى أو من سيرفر أخر وإنما تكون مخزنة لديه ويرسلها مباشرتا للجهة التي طلب البيانات . وإليك المخطط التالي للتوضيح :

هنا يقوم الـCleint بطلب صفحة وهي www.networkset.net/img.jpg  . يذهب الطلب إلي cache ويقوم بالبحث عن هذه الصفحة في ذاكرة الكاش ولا يجدها بما أنها تطلب لأول مرة في الشبكة وبتالي يطلبها الـ cache من سيرفر أخر ويحضرها ويخزنها معه ويرسلها بعد ذلك للـ Client . ولاحظ في الخطوة 5 يقوم العميل بطلب نفس الصفحة أو المحتوى وأنظر في الخطوة 6 الكاش قام بالإستجابة وإرسال الصفحة دون الحاجة للطلبها من سيرفر أخر كونها مخزنة معه .

Load Balancing Streaming Video Servers

شبكات نقل الفيديو هي أحد الشبكات المبنية على الـ content switching design وهي تعتبر شبكات ضخمة جدا تحتاج إلى أداء خارق لتوفير نقل فيديو بجودة عالية . كما أنها تحتاح لسيرفرات كثيرة جدا ووحدات نسخ احتياطي . وأبسط مثال لهذا النوع من الشبكات موقع يوتيوب الشهير الذي يتلقى مليارات الطلبات لمشاهدة الفيديو لذا هنا يستخدم load balancing بشكل رئيسي لتوفير live content او محتوى مباشر وكذلك VOD  أو Video On Demand وهو البث الغير مباشر . وذلك بالإعتماد على بروتوكولات Streaming والتي من أمثلتها RSTP و MMS . وهنالك عدة أنواع من السيرفرات المستخدمة لنقل الفيديو وأشهر Apple QuickTime  و RealMedia الذي يستخدم بروتوكول RSTP .

Virtual Private Network Load Balancing أو VPNLB

إن فكرة Load Balancing وإستخدامها مع VPN هي توزيع  VPN sessions وتقسيمها بين السيرفرات أو الأجهزة التي تعمل على حماية الإتصال بـ IPsec . وللتوضيح أكثر ، أن طلبات الإتصال بـ VPN يتم تجميعها على شكل Frames وكل واحد من هذه الفريمات يمثل جهاز. وهذا المخطط سيوضح أكثر :

من خلال المخطط نلاحظ وجود طلبان VPN . فعند عمل هذا الطلب فإن كل جهاز سيكون لديه VIP موجود في Content Switch Module أو CSM . وأن الجهازان الذان عملا VPN session تكون هي الأجهزة الوحيدة التي تعلم بـ VIP وdeviceReal IP . ومن هنا يقوم Load Balancer بتحديد الأجهزة التي ستقوم بحجز إتصال في شبكة VPN وذلك بالإعتمال على خوارزمية معينة يستخدم معها VIPs الخاص بالأجهزة . كذلك يقوم هنا Load balancer بمراقبة الـ traffic المرسلة والمستقبلة بين الجهازان ويتأكد أنها ترسل بين جهازان متزامنان بالإتصال وأي جهاز يفشل في تلقي البيانات يتم حذفه من IPsec Frames حتى يتمكن load balancer مرة أخرى من توزيع sessions بطريقة فعالة . ولعلك تفهم من هنا أن إستخدام VPNLB يزيد من سرعة اتصال VPN كذلك بزيادة عدد الطلبات للوصول الى VPN لا يقل الإداء الشبكة .

هنالك الكثير والكثير حول هذا الموضوع لم أرغب بذكرة حتى لا يطول المقال وحتى لا نكثر من تفاصيل كثيرة لا يجد فيها بعض القراء نصيبهم من الملعومة ولكنني لخصت لكم الأساس بصورة واضحة . وأشكر الله تعالى الذي وفقني في كتابة هذا المقال وأسأله الزيادة من العلم .