Матричная KVM-коммутация: сравнение решений
Несмотря на то, что явление матричной коммутации далеко не ново и даже относительно востребовано, мне не удалось найти объективного сравнения имеющихся сегодня решений Matrix KVM, а по долгу службы понадобилось. Руководствуясь принципом «учи других и сам поймёшь», я написал то, что вы сейчас читаете. Буду рад, если мой опыт кому-то пригодится. Также приветствую экспертные комментарии и мнения бывалых, кому приходилось работать с подобными системами.
Но сначала небольшое лирическое отступление для тех, кто не совсем понимает, о чём речь.
На сегодняшний день я убеждён: KVM – это весьма перспективная и при этом единственная технология, позволяющая построить функциональную, гибкую и управляемую матричную сеть из чего угодно:
Ну а пока будем довольствоваться тем, что есть. Всё, что вам потребуется для управления чем угодно из вышеперечисленного, — это дисплей и клавиатура с мышью (ну или джойстик, или тачпад, или трекбол, или руль с педалями – кому что больше нравится). Ну и, само собой, какое-то из решений матричной коммутации.
— Но что тут особенного? — спросите вы. – Ведь существуют тонкие клиенты, GSM-модули, да и IP-консоли со встроенным KVM-переключателем далеко не новинка. Всё это тоже позволяет удалённо управлять оборудованием, не вставая с дивана.
— Тоже, но не так же, — загадочно отвечу я.
Во-первых, мировое господство должно приносить удовольствие. Поэтому капризные к программному обеспечению и медлительные тонкие клиенты отметаются сразу (после обновления ОС на вашей стиральной машинке вам придётся не только встать с дивана, но и, весьма вероятно, перетянуть сам диван).
Во-вторых, как известно, власть имущие часто страдают паранойей. И специально для параноиков KVM предоставляет возможность удалённого управления не через уязвимый TCP/IP или GSM протокол, а напрямую через кабели, которые можно только перерубить, но этого никто не сможет сделать, потому что вы их спрячете в закрытой серверной, за которой, кстати, также сможете наблюдать удалённо.
В-третьих, разделяй и властвуй. Совсем не обязательно взваливать на себя всю ношу по управлению миром. Можно набрать десяток-другой расторопных помощников и раскидать обязанности между ними. Но а) их надо контролировать, б) даже самые добросовестные помощники могут падать в обмороки, поэтому необходимо предусмотреть их оперативную взаимозаменяемость. Кроме того, рано или поздно может понадобиться обучать новых помощников, перед тем как подпускать их к полноправному управлению. И всё это предусмотрено во всех без исключения решениях Matrix KVM, которые позволяют администратору тонко настраивать права доступа для групп пользователей или для каждого пользователя в отдельности, а пользователям – мгновенно переключаться между управляемыми системами.
Но самое главное отличие от других способов удалённого подключения в том, что KVM-технологии предоставляют возможность распределения сигналов с одного источника с единовременным их вещанием на множество рабочих мест. То есть с одной и той же системы видео можно вывести на дисплеи Васи и Феди, а аудио – в наушники Пети. А управлять всей системой при этом будет Геннадий Петрович. На этом принципе как раз основана работа большинства командно-контрольных пунктов. И как раз именно это и есть матричная коммутация.
Итак, матричная коммутация – это когда множество пользователей может подключаться к множеству систем в любых динамически настраиваемых комбинациях:
Строим матричную сеть
При построении матричной сети решаются две глобальные задачи:
Итак, какие требования мы учитываем, решая эти две задачи?
Удлинение сигналов
Стандарты передаваемых сигналов. Стандартный набор – это видео, аудио и USB HID или PS/2. Иногда нужно USB 2.0, реже – USB 3.0 и RS-232, ещё реже – другие периферийные сигналы.
Между тем, видео и аудио из стандартного набора также могут быть аналоговыми или цифровыми. А цифровое видео может быть DVI, DP, HDMI и пр. В общем, тоже весьма разным.
Качество видео и скорость передачи данных. Физика неумолима: чем выше разрешение видео, тем ниже скорость передачи сигнала на большие расстояния. Между тем, наиболее продвинутые системы матричной коммутации позволяют передавать на огромные расстояния видео в разрешении 4K, и задержка при этом будет измеряться миллисекундами.
Другое дело, что с повышением доступного разрешения видео прямо пропорционально растёт цена KVM-удлинителя.
Среда и максимальное расстояние передачи данных. Возможна коммутация 1) напрямую по оптике (Fiber MM или SM) или витой паре (CATx); 2) по IP-сети.
При коммутации напрямую от каждого удлинителя (и от трансмиттеров, и от ресиверов) к матрице необходимо протянуть отдельный провод, то есть для матрицы фактически нужно построить отдельную кабельную систему.
При коммутации over IP трансмиттеры подключаются к обычному сетевому коммутатору, а ресиверы подключаются к стандартным сетевым розеткам на пользовательских рабочих местах. С KVM over IP можно использовать стандартную, уже имеющуюся сетевую инфраструктуру. Также для построения матриц KVM over IP не нужен матричный коммутатор.
При прямом подключении чем больше расстояние передачи видеосигнала, тем больше в нём потерь и искажений. Для KVM over IP расстояние роли не играет. См. диаграмму:
Организация матрицы
Параметры, за которые отвечает непосредственно матричный коммутатор:
Размер матрицы. Масштабируемость. Возможное количество подключаемых пользователей и систем. Матрицы могут быть со статическими портами (отдельно Input, отдельно Output) или динамическими (I/O), с ограниченным количеством портов или модульно расширяемые. Понятно, что наиболее гибкие и удобные для масштабирования решения основаны на матричных коммутаторах модульной архитектуры с динамическими портами, поэтому сравнивать мы будем именно такие решения.
Создание групп и гибкость настройки прав пользователей. Возможности управления правами могут быть разными. Так, например, одни пользователи должны иметь права управлять системой, другие – только просматривать, а третьи вообще не должны иметь права подключаться и пр. К тому же разные матричные коммутаторы представляют свои, фирменные интерфейсы управления, которые тоже могут быть удобными в большей или меньшей степени.
Инструменты централизованного управления подключениями. Через веб-интерфейс, через софт на консоли управления, через удалённое OSD-меню и т.п.
Отказоустойчивость. Возможность резервирования сети, возможность горячей замены компонентов матричного коммутатора, резервное питание.
Прочие фишки. Автоматические бэкапы, централизованное обновление прошивок, русификация меню, копирование настроек, выгрузка логов и пр.
Ну и последний критерий, который относится в большей степени не к матричному коммутатору, а к решению целиком:
Скорость и удобство переключения между системами, возможность создания мультисистемных многомониторных рабочих мест. Максимальное количество мониторов на одну систему, максимальное количество систем, которыми может управлять один пользователей. Возможности переключения между системами (перемещением курсора мыши, через OSD-меню, через пульт управления и пр.).
Собственно, это все основные параметры, которыми могут отличаться решения матричной коммутации KVM-сигналов. Между тем, далеко не по всякому решению можно найти настолько подробную информацию (и часто обо всех возможностях систем не знают даже официальные дистрибьюторы оборудования).
Поэтому я пока могу сравнить решения по некоторым — основным — параметрам.
Matrix KVM: сравнение решений
Решения матричной коммутации для сравнения отбирались самые масштабные (позволяющие подключить не менее 100 точек) и масштабируемые. Это флагманские решения наиболее именитых в РФ и Европе производителей KVM-оборудования: Aten, Adder, Guntermann&Drunck, IHSE, Rose Orion, Thinklogical.
Сначала — краткие описания решений, чуть ниже — сравнительная таблица основных параметров.
Важно. По поводу выписанных здесь плюсов и минусов. Я отмечал не то чтобы достоинства и недостатки, но те параметры, которыми то или иное решение отличается от себе подобных, и параметры, которые отвечают за гибкость систем в целом. В конкретном проекте вполне может подойти любое из перечисленных решений, в зависимости от поставленных задач.
KVM over IP. Сеть строится исключительно на удлинителях (KE69xx), которыми можно управлять централизованно через Java-приложение, установленное на любой сервер, подключенный к той же IP-сети.
Adder
KVM over IP. В основе матрицы также удлинители (ALIF), которые могут работать либо автономно (в т.ч. в конфигурации «точка-точка»), либо под управлением так называемого центра (сервера) управления — A.I.M. (AdderLink Infinity Manager), который позволяет управлять подключениями и распределять KVM-сигналы централизованно. Также имеется возможность создания мультисистемных мультимониторных АРМ (потребуется USB-переключатель CSS-PRO4).
Guntermann&Drunck
Сеть строится на базе матричного коммутатора с динамическими портами.
Сеть строится на базе модульного матричного коммутатора.
Rose Orion
Сеть строится на базе матричного коммутатора.
Thinklogical
Сеть строится на базе матричного коммутатора.
Ну, в общем, вот и всё. Надо бы подвести какие-то итоги, но не буду. Кроме того что ещё раз попрошу: если у кого-то есть опыт работы с какими-либо системами матричной коммутации сигналов KVM, мне было бы очень интересно узнать о нём.
Что такое матричные коммутаторы (KVM)
В этой статье мы расскажем, для решения каких задач подходят матричные коммутаторы, чем они отличаются от KVM-переключателей, какова база создания матрицы, а также разберем, как выбрать KVM-оборудование.
Что умеют матричные коммутаторы
Матричный коммутатор – это оборудование, которое умеет подключать удаленные рабочие места к серверам, входящим в матрицу, в настраиваемых комбинациях.
Коммутация происходит на аппаратном уровне. Пользователи подключаются к различным машинным комплексам, имеющим разъемы USB, PS/2, RS232 и т.д., с установленным программным обеспечением, стандартным или специализированным. Спектр подключаемых устройств огромен: от камер видеосъемки до автоматизированных станков на производствах.
Рис.1. Варианты переключения сигналов с матричным коммутатором 4×4
Подобные несложные системы возможно спроектировать и реализовать без участия KVM, например с применением виртуальных рабочих столов.
KVM-технологии и специализированное оборудование нужны тогда, когда требуется создать многофункциональную систему, способную адаптироваться к новым условиям. Этому способствует сам принцип работы KVM – функционирование на аппаратном уровне. Это значит, что на производительность системы не влияет ПО подключенного оборудования. Это важно в проектах, требующих специальное оборудование и специально написанные программы, например, в системах удаленного администрирования промышленными производственными установками.
Матричный коммутатор расширяет функционал матричной сети и позволяет системному администратору централизованно управлять всеми сеансами подключения, давая тому или иному пользователю сети определенные права на управление.
Благодаря матричной коммутации создаются многоуровневые матрицы, динамически конфигурируемые, с четким разграничением возможностей пользователей и администраторским управлением данными.
Матричный коммутатор и KVM-переключатель сигналов: в чем разница
Нередко даже специалисты в IT-сфере путают эти понятия, заменяя в обиходе одно понятие другим. Да, функции этих устройств похожи, и тем не менее их следует различать.
KVM-переключатель
Рис. 2. KVM-переключатель 8×32 NTI UNIMUX
Основная задача KVM-переключателя отражена в названии устройства. Аппарат переключает сигналы между удаленными рабочими станциями и серверами.
Среди моделей переключателей существуют устройства, по своим характеристикам приближенные к коммутаторам: они умеют давать доступ управления сессиями.
Матричный коммутатор
Матричные коммутаторы умеют переключать сигналы между системами и обеспечивать мультивещание. Это значит, система позволяет множеству специалистов подключиться к матрице, распределять сигналы различных типов между разными удаленными рабочими местами. Это актуально, когда, например, нужно вывести видеосигнал на одну удаленную консоль, а аудиосигнал – на вторую. Также администратор может координировать полномочия всех подключенных пользователей, настраивая многочисленные комбинации подключений.
Рис. 3. Мультивещательная система, созданная посредством технологии матричной коммутации. KVM-переключатель не подходит для решения этой задачи
Благодаря матричной коммутации один пользователь способен подключиться сразу к нескольким серверам. Переключение между ними осуществляется мгновенно благодаря настройке горячих клавиш или OSD-меню.
Передовые производители KVM-оборудования (британская Adder и немецкая IHSE) предлагают клиентам еще более совершенные технологии. Так, например, возможно так называемое «бесшовное» подключение, когда переключение между системами осуществляется простым передвижением курсора мыши на соседний монитор.
О FreeFlow, технологии производителя Adder, подробнее читайте здесь.
Как строится KVM-матрица (обзор основных принципов: KVM over IP и «точка – точка»)
Матричный коммутатор – это центральный аппарат, вокруг которого строится KVM-матрица. В систему входит и другое KVM-оборудование: удлинители сигналов видео, аудио, USB и др. Передатчики и приемники, составляющие KVM-удлинитель, подсоединяются к матричному коммутатору двумя способами. Первый – режим «точка – точка»: передатчик и приемник подключаются к матричному коммутатору так: трансмиттер ↔ матричный коммутатор ↔ ресивер. Второй способ подключения – по IP-сети (см. рис.4).
Рис. 4. Схема матричной коммутации KVM over IP на примере KVM-решения AdderLink INFINITY
Эти способы отличаются по наибольшей длине передачи сигнала. При подключении через кабель с помощью коаксиального кабеля можно передать сигнал на расстояние до 500 метров, витой пары – до 140 метров и оптоволоконному кабелю – до 10 км. При использовании второй модели KVM over IP лимита на наибольшую допустимую длину передачи сигнала нет.
Если матричная коммутация построена по принципу KVM over IP, можно настроить доступ к системе как в локальной сети, так и с выходом в глобальную сеть. В связи с этим в IT-сфере бытует миф о недостаточной надежности коммутации KVM over IP.
Развенчать этот миф довольно просто, если понять принцип в основе коммутации. В матрице, созданной посредством IP-сети, подключение осуществляется с помощью обычного сетевого коммутатора. В случае с системой KVM over IP эту роль берет на себя сервер управления, который также подключается к IP-сети с помощью сетевого коммутатора. Это значит, что безопасность сети целиком обусловлена настройками и защищенностью сетевого коммутатора. Матричная сеть бывает открытой и закрытой. Если настроить матрицу закрытого типа, то есть без прямого подключения к интернету, ее можно считать такой же надежной, как при кабельном подключении.
Принцип KVM over IP – более совершенная технология, если сравнить с кабельным подключением. И вот почему.
Рекомендации по выбору матричного коммутатора: на что обратить внимание
Очевидно, что матричный коммутатор является частью общей системы. Нужно учитывать запросы и особенности всей матрицы и возможности KVM-удлинителей сигнала.
Необходимые типы сигналов
Матрицы, в которых важна передача звуковых или видео сигналов, управляются AV-коммутаторами. Если же нужна дополнительная поддержка управления с удаленной рабочей станции, понадобится KVM-коммутатор.
AV-коммутаторы нужны для поддержки систем наблюдения или при организации цифровых вывесок, то есть там, где оператор не управляет системой, а только переключает сигналы и просматривает видео. Если источник сигнала располагается вблизи от экрана, куда выводится сигнал, AV-коммутация не требует даже KVM-удлинителей.
Наибольшее число подключенных аппаратов
Наибольшее число подключенных к KVM-матрице машин и удаленных рабочий станций ограничено или собственно коммутатором (при подключении «точка – точка»), или сервером (при выборе KVM over IP).
Матричные коммутаторы, предполагающие кабельное подключение, имеют статические или динамические порты.
Статические порты
Если в техническом описании к коммутатору указана характеристика в формате MxN, где M – число входов, N – число выходов.
Допустим, в описании есть информация 8х4. Это значит, что максимальное количество серверов или ПК равно 8, в допустимое число пользователей системы – 4. Больше 12 устройств подключить не получится.
Матричные коммутаторы с динамическими портами
Коммутаторы более современные предполагают большую гибкость в оснащении устройствами. В любой момент матрицы, построенные вокруг таких коммутаторов, можно масштабировать. Такие решения популярны в сфере среднего и крупного бизнеса, с прицелом на будущее.
Рассмотрим на примере. На рисунке 7 ниже – 30-портовый AdderView DDX30. Из тридцати портов семь статических. К ним можно подключить пользовательские устройства. Двадцать три остальных свободно могут быть использованы как для подсоединения машин, так и новых удаленных рабочих станций.
Рис. 5. Матричный коммутатор AdderView DDX30
Чтобы не ошибиться в выборе матричного коммутатора, необходимо просчитать варианты масштабирования матрицы на ближайшие несколько лет. Имейте в виду: если вы выберете коммутатор с несколькими статическими портами, через два года они могут «закончиться», то есть понадобятся больше машин или пользователей. Если такая ситуация возникла, поможет только приобретение и подключение к первому еще одного матричного коммутатора (каскадирование).
Рис. 6. Матричный коммутатор IHSE Draco tera Enterprise (до 576 динамических портов)
Некоторые коммутаторы предполагают масштабирование за счет настройки добавочных интерфейсных модулей. К примеру, в отдельных матричных коммутаторах немецкого производителя IHSE встроено до 576 портов. Да, масштабировать матрицу будет легко, но остро встает вопрос о целесообразности приобретения такого оборудования из-за дороговизны решения.
Отказоустойчивость
Отказоустойчивость – важная характеристика, определяющая надежность всей системы. Это целый комплекс из параметров, которые обязательно нужно изучить. Мы составили список вопросов, ответив на которые легко проанализировать выбранный вариант.
Коммутирование матриц что такое
После того, как технология коммутации привлекла общее внимание и получила высокие оценки специалистов, многие компании занялись реализацией этой технологии в своих устройствах, применяя для этого различные технические решения. Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейсными портами по внутренней скоростной шине (рисунок 4.1). Однако, это были скорее пробные устройства, предназначенные для освоения самой компании технологии коммутации, а не для завоевания рынка.
Рис. 4.1. Коммутатор на процессоре общего назначения
Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая скорость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между интерфейсными модулями.
Для ускорения операций коммутации нужны были специализированные процессоры со специализированными средствами обмена данными, как в первом коммутаторе Kalpana, и они вскоре появились. Теперь коммутаторы используют заказные специализированные БИС, которые оптимизированы для выполнения основных операций коммутации. Часто в одном коммутаторе используется несколько специализированных БИС, каждая из которых выполняет функционально законченную часть операций.
Часто эти три способа взаимодействия комбинируются в одном коммутаторе.
Коммутаторы на основе коммутационной матрицы
Рис. 4.2. Коммутационная матрица
Рис. 4.3. Реализация коммутационной матрицы 4х4 с помощью двоичных переключателей
Коммутаторы с общей шиной
Коммутаторы с общей шиной используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени. Эта архитектура похожа на изображенную на рисунке 4.1 архитектуру коммутаторов на основе универсального процессора, но отличается тем, что шина здесь пассивна, а активную роль выполняют специализированные процессоры портов.
Пример такой архитектуры приведен на рисунке 4.4. Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть по крайней мере в N/2 раз выше скорости поступления данных во входные блоки процессоров портов. Кроме этого, кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас подразделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку АТМ с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол АТМ, если коммутатор поддерживает эти технологии.
Рис. 4.4. Архитектура общей шины
Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту.
Шина, так же как и коммутационная матрица, не может осуществлять промежуточную буферизацию, но так как данные кадра разбиваются на небольшие ячейки, то задержек с начальным ожиданием доступности выходного порта в такой схеме нет.
Коммутаторы с разделяемой памятью
Рис. 4.5. Архитектура разделяемой памяти
Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных кадра в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение выхода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.
Память должна быть достаточно быстродействующей для поддержания скорости переписи данных между N портами коммутатора. Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта.
Комбинированные коммутаторы
У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в комбинации друг с другом. Пример такого комбинирования приведен на рисунке 4.6.
Рис. 4.6. Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины
Можно представить и другие способы комбинировании архитектур, например, использование для взаимодействия модулей разделяемой памяти.
Модульные и стековые коммутаторы
Первый тип коммутаторов обычно предназначен для организации небольших рабочих групп.
Модульные коммутаторы на основе шасси чаще всего предназначены для применения на магистрали сети. Поэтому они выполняются на основе какой-либо комбинированной схемы, в которой взаимодействие модулей организуется по быстродействующей шине или же на основе быстрой разделяемой памяти большого объема. Модули такого коммутатора выполняются на основе технологии «hot swap», то есть допускают замену на ходу, без выключения коммутатора, так как центральное коммуникационное устройство сети не должно иметь перерывов в работе. Шасси обычно снабжается резервированными источниками питания и резервированными вентиляторами, в тех же целях. В целом такие коммутаторы напоминают маршрутизаторы высшего класса или корпоративные многофункциональные концентраторы, поэтому иногда они включают помимо модулей коммутации и модули повторителей или маршрутизатров.
С технической точки зрения определенный интерес представляют стековые коммутаторы. Эти устройства представляют собой коммутаторы, которые могут работать автономно, так как выполнены в отдельном корпусе, но имеют специальные интерфейсы, которые позволяют их объединять в общую систему, которая работает как единый коммутатор. Говорят, что в этом случае отдельные коммутаторы образуют стек.
Структура стека коммутаторов, соединяемых по скоростным специальным портам, показана на рисунке 4.7.
Рис. 4.7. Стек коммутаторов, объединяемых по высокоскоростным каналам
Компания Cisco предложила другой подход к организации стека. Ее коммутатор Catalyst 3000 (ранее называвшийся EtherSwitch Pro Stack) также имеет специальный скоростной интерфейс 280 Мб/с для организации стека, но с его помощью коммутаторы соединяются не друг с другом, а с отдельным устройством, содержащим коммутационную матрицу 8(8, организующую более высокопроизводительный обмен между любыми парами коммутаторов.
