WHITE PAPER
Otimizando a performance da rede para melhorar a performance dos
seus sistemas
Abril 2013
Para enfrentar a
latência, ganhando
seu controle, você
precisa entender as
necessidades de seus
aplicativos, usando-as
para ditar a maneira
como você usa os
recursos da WAN
Sumário Executivo
As aplicações de negócios crescem continuamente em complexidade. Gerentes de TI têm
a tarefa de continuar a lidar com antigas aplicações, adicionar novas e espremer cada bit
de desempenho possível dos recursos existentes.
O objetivo real não deveria ser gastar menos ou poupar mais. Em última análise, é criar
o maior valor de negócio a partir de poucos recursos.
O impacto que a Wide Area Network (WAN) tem sobre o processo global de negócios
está crescendo. Uma característica da WAN, mais do que qualquer outra, é a chave para
melhorias significativas no desempenho de suas aplicações: latência. Latência não é uma
questão simples de resolver, pois se manifesta em muitas áreas de sua rede.
Para lidar com a latência e ter seu controle, você precisa entender os requisitos das suas
aplicações, usando-os para direcionar a maneira como você emprega seus recursos de
WAN.
Introdução
As aplicações de negócios de hoje são muito diferentes daqueles que rodavam até
poucos anos atrás. Nos últimos tempos, as empresas têm sido forçadas a automatizar os
processos de forma muito mais agressiva. Progressivamente elas tem se voltado aos seus
departamentos de TI, procurando maneiras de espremer cada bit de performance a partir
de seus recursos. Com a virtualização, os servidores foram ainda mais exigidos – já que
eliminou-se a duplicação de dados por meio da consolidação de data centers, além da
terceirização de sistemas.
Então, onde estamos agora? Na década de 1980, as aplicações rodavam em
computadores; hoje, as aplicações funcionam em redes. Nós trabalhamos em ambientes
distribuídos, tiramos vantagem da colaboração, compartilhamos documentos e mais do
que nunca usamos recursos on-line. Os ambientes conversam entre si e, sem a presença
de uma rede, isso não seria viável.
O desafio para a área de TI neste complexo mar de mudança é assegurar que as
aplicações não somente funcionem; precisam continuamente buscar formas de otimizar
sua performance.
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Um Exemplo de Aplicação
A otimização de desempenho de uma aplicação requer uma compreensão de todo
o processo de negócio que este suporta. Veja a Figura 1. Este é um exemplo de
um ambiente multi-camada que suporta um sistema de automação de pontode-venda. De uma perspectiva do negócio, o processo funciona assim: a pessoa
que trabalha no caixa escaneia a etiqueta da mercadoria e o código de barras é
transmitido para o terminal.
Figura 1 - Exemplo de Rede WAN multicamadas para uma rede varejista
Do terminal, uma busca é feita junto ao servidor da loja para localizar o valor,
atualizando o status do inventário. Além disso, o software instalado no servidor
rastreia o inventário e, se necessário, libera uma ordem automatizada para
reabastecer o estoque local junto ao armazém regional. Os dados regionais são
coletados em uma base regular, que alimenta outra base de dados nacional,
permitindo a extração de relatórios de venda e análises de mercado.
Do ponto de vista da rede, os dados são transportados a partir das localizações
individuais de cada loja para o data center regional. Estes links podem variar,
desde linhas privadas de baixa velocidade até soluções multiponto como MultiProtocol Label Switching (MPLS). Normalmente, as conexões utilizadas entre os
data centers regionais e o data center nacional são de altas velocidades, devido ao
volume de dados a serem transferidos e também para conferir maior confiabilidade.
Fatores para performance no processo de negócio
Embora seja importante entender todo o cenário, neste white paper vamos nos
concentrar em como esse modelo afeta o desempenho geral das aplicações que
ele suporta. Ao examiná-los, surgem vários fatores que agruparemos baseados na
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forma como se relacionam. Há quatro áreas gerais que têm um impacto sobre o
desempenho geral do sistema: o processo, a Rede de Área Local (LAN), os recursos
de computação ou servidores, e a Wide Area Network (WAN). Veja a Figura 2.
Figura 2 - Fatores para performance no processo de negócio, dentro do exemplo varejista.
Cada uma dessas esferas pode ser examinada e aperfeiçoada. Primeiramente
considere o processo de negócio propriamente dito. Dentre os fatores que
influenciam sua eficiência, podemos listar a quantidade de terminais para checkout, o volume de transações e a produtividade do empregado.
Em seguida, vemos a LAN. Como ela foi projetada? Quantos dispositivos ele suporta
e em que velocidade essa LAN opera? Depois, considere os atuais servidores nos
data centers. São usadas máquinas reais e/ou virtuais? E que tipo de storage é
usado?
Por fim, temos a WAN que é utilizada para conectar todas as diferentes camadas
em conjunto. Como ela foi desenhada? Que tipos de serviços são utilizados? Quais
são seus parâmetros de performance? A influência da WAN no desempenho de
aplicativos é tão significante quanto os outros fatores que mencionamos antes – e,
para algumas partes da aplicação, é o fator primordial.
Fatores de Desempenho da WAN
A Normalmente, a primeira coisa a se considerar quando tratamos da eficiência
da WAN é a velocidade ou a largura de banda. Para outras aplicações, também
poderíamos considerar a disponibilidade ou a confiabilidade do serviço. Depois,
há a escalabilidade ou a elasticidade do serviço: quão bem ela está ajustada para
fornecer as quantidades corretas de largura de banda ou a classe de conectividade
que as aplicações precisam? Se você está usando streaming de vídeo ou voz sobre
IP, você pode até querer saber qual jitter o serviço está sujeito.
Características WAN
que influenciam
o desempenho do
aplicativo:
Disponibilidade – a quantidade
de tempo que uma rede está
disponível para processamento
Largura de banda – capacidade,
ou o volume de dados que pode
trafegar sobre uma rede
Escalabilidade – o quanto o
serviço se ajusta (ou permite
ampliação) para fornecer as
quantidades corretas de largura
de banda que um aplicativo
necessita.
Latência – a quantidade de
tempo que uma mensagem leva
para ser transportada de um
ponto a outro da rede
Todos esses fatores influenciam no desempenho; no entanto, a latência (a
quantidade de tempo que uma mensagem leva para ser transportada de um ponto
a outro na rede) é a principal característica da WAN que afeta a performance de
uma aplicação.
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A menor latência
Há muito poucas aplicações
que requerem latências
absolutamente baixas. O que
geralmente se procura é uma
latência baixa e consistente.
Todavia existem algumas
aplicações que se beneficiam
de ter as latências mais baixas
possíveis. Para estas aplicações,
o mais rápido serviço de WAN
disponível é um comprimento
de onda DWDM, ou mais
simplesmente, uma onda.
A latência de rede em larguras
de banda muito elevadas
contribui muito pouco na
fração da latência total. À
medida que a rede torna-se
mais rápida, a distância física
entre os pontos finais se torna
o fator limitativo na redução da
latência. As soluções DWDM
são ativadas diretamente
dos cabos de fibra que ligam
os centros de serviços das
operadoras. Eles trabalham no
domínio óptico, o que significa
que a informação circula
principalmente na forma de
luz, não como sinais eléctricos.
Projetar e manter estas
ligações ultrarrápidas exige
um conhecimento bastante
específico. Mesmo algo tão
simples como uma junção de
cabos de fibra ótica é algo que
requer atenção redobrada. Se
você tem o tipo de aplicação
que precisa da menor latência
possível, a Level 3 é líder no
fornecimento de rotas de alta
velocidade, graças a nossa
extensa rede de fibra ótica ao
redor do globo
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Considere o exemplo dos sistemas de varejo. A título de ilustração, em vez de enviar a
informações sistêmicas através de um pacote eletrônico, vamos enviá-las via serviço postal.
Sabendo que a disponibilidade do serviço é fundamental, se o caminhão do correio não
tem capacidade suficiente para carregar todas as cartas, isso impedirá o funcionamento da
aplicação. Se o veículo tiver atrasos na entrega – por exemplo: às vezes, demorando cinco
dias e, noutras vezes, levando dez dias para entregar a correspondência – isso também
interromperá o sistema. Entretanto, nesses cenários, precisamos entender que a aplicação
não está somente com uma performance ruim – ela está com defeito.
Agora vamos assumir que não tenhamos qualquer uma dessas questões: os caminhões são
sempre pontuais, sempre disponíveis, com a capacidade de carga especificada. Porém, ele
consistentemente leva cinco dias para entregar uma mensagem entre o ponto A e o ponto
B. Nesse caso, a aplicação funciona, só não está executando suas tarefas da melhor forma.
Se for possível pedir para os caminhões aumentarem a velocidade, os benefícios serão
óbvios. Se pudermos encurtar o tempo de viagem dos caminhões, teremos um impacto
imediato sobre o desempenho da aplicação.
A latência é um problema-chave no desempenho na WAN. Muitas vezes, planejadores de
TI pegam atalhos comprando caminhões maiores e melhores – mais capacidade e maior
disponibilidade fora da WAN. Porém, primeiramente, eles deveriam pensar na latência.
Latência
Latência não é uma questão simples. Certamente, a adição de mais capacidade ou largura
de banda reduz as latências, mas só até um certo ponto. Uma vez que a velocidade da rede
atinge um determinado patamar, a velocidade da rede contribui para uma porção muito
pequena do total da latência. Veja a Figura 3:
Figura 3 - Fontes de Latência de uma Rede WAN
A latência é influenciada pela combinação dos seguintes pontos:
• a velocidade dos servidores mais a rede local;
• a velocidade de comutação dos routers;
• a distância física entre os pontos;
• e a largura de banda disponível da WAN para suportar a aplicação.
A Figura 3 mostra o percentual que cada um destes fatores contribui na latência de
um pacote de 256 bytes viajando a aproximadamente 800 Km/h ao longo de um hop,
utilizando equipamento padrão de rede.
Há duas coisas para apontarmos aqui. Primeiro, há alguns fatores sobre os quais você
não tem influência. Por exemplo, a distância que o pacote tem que viajar é fixa. No
caso do nosso exemplo de varejo, provavelmente você determinou a localização das
lojas pelas regiões onde você entende que pode vender mais, não porque elas
estão situadas nas rotas mais curtas de rede.
Em segundo lugar, tenha em conta que a largura de banda de rede disponível
não é o mesmo que a largura de banda total do link WAN. Nenhuma rede
suporta apenas uma aplicação. Num mesmo momento, o sistema do pontode-venda está usando a rede, o gerente da loja verifica e-mails, o sistema de
climatização ajusta as temperaturas no interior da loja e executa um streaming
de música da Internet para o sistema de áudio da loja.
Resumindo, a latência é impactada por fatores fixos que podemos entender –
porém sem muito espaço para influenciá-los – e por outros fatores variáveis
com os quais podemos lidar.
Contenção e Latência
Essas variáveis podem ser descrita em termos de contenção. Reconsidere a
aplicação usando o exemplo postal. Quando o caminhão aparece para pegar a
correspondência, há todos os tipos de mensagens esperando transporte. Algumas
são importantes e outras são menos prioritárias. Como organizar o que entra
primeiro no caminhão? Ou melhor, todas elas devem ser enviadas nesse caminhão?
Se há recursos ilimitados, não temos com que nos preocupar: basta comprar um
caminhão maior. Mas e se não temos recursos ilimitados e queremos usar cada
centímetro quadrado dentro desse caminhão? O que será levado e o que ficará em
espera?
Alguns serviços de WAN não conseguem tomar essa decisão. O caminhão aparece
e carrega as correspondências até que fique lotado. O que se encaixa vai e tudo o
que não cabe é deixado para trás. Se outro caminhão estacionar, essas mensagens
serão as próximas a se despachar.
Para algumas aplicações, isso não é um problema: suas mensagens não são
sensíveis ao tempo e se chegarem fora de ordem ou com quantidades variadas de
atraso não haverá problema. Entretanto, noutros sistemas, isso seria um desastre.
Como afirmamos anteriormente, a solução típica para os planejadores de TI é
comprar mais largura de banda. No entanto, existem formas mais eficientes para
endereçar essa questão. Isso requer uma compreensão de como suas aplicações
reagem à latência - e compreender como sua WAN funciona.
Requisitos de WAN para Aplicações
Cada aplicação coloca diferentes exigências sobre a WAN. Veja os requisitos do
exemplo de aplicação da Tabela 1. Uma aplicação comum como e-mail possui
requisitos mínimos. Ela geralmente requer pequenas quantidades de largura de
banda por usuário e não é severamente afetada por latência ou jitter.
VoIP não requer muita largura de banda e é tolerante a latência, porém é muito
sensível ao jitter. Por fim, considere um sistema de telepresença; ele requer grande
quantidade de banda e está sujeito a degradação do sinal em virtude de latência
excessiva, conforme mostra a tabela.
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Aplicação
Mensagem de e-mail
Largura
de banda
requerida
Sensibilidade
a erros
Sensibilidade
à Latência
Sensibilidade
ao Jitter
Burstiness
Muito baixa
Baixa
Baixa
Baixa
Média
Voz (TDM)
Baixa
Baixa
Baixa
Alta
Baixa
Voz sobre IP (VoIP)
Baixa
Média
Baixa
Alta
Baixa
Navegação na internet (não-crítica)
Média
Média
Média
Média
Média
Navegação na internet - SaaS
Alta
Média
Alta
Média
Média
Videoconferência
Alta
Média
Média
Alta
Alta
Muito Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Média
Média
Alta
Média
Alta
Telepresença
Trabalho remoto
Streaming Media
Armazenamento em rede
Virtualização de Servidor (WAN)
Comunicações Unificadas
Alta
Alta
Média
Alta
Alta
Muito Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Média
Média
Média
Média
Alta
Tabela 1 - Requisitos de aplicações em WAN
A latência é impactada
por fatores fixos que
podemos entender
– porém sem
muito espaço para
influenciá-los – e por
outros fatores variáveis
com os quais podemos
lidar.
Continuando, considere outro cenário onde a rede precisa suportar essas três
aplicações: telepresença, VoIP e e-mail. Telepresença é a aplicação mais pesada.
Como ela requer muita largura de banda, é um desafio suportá-la eficazmente;
até por isso ela geralmente é realizada em períodos de tempo determinados.
Pode-se comprar largura de banda suficiente para suportar todos os aplicativos
sem prejuízo, entretanto pagaremos por uma enorme largura de banda que ficará
sem uso por longos períodos de tempo. Dito isso, vamos avaliar o funcionamento
da WAN.
A WAN em Linha Privada
O tipo mais comum de conectividade WAN é a linha privada ou Circuito de Divisão
de Tempo Multiplexados (TDM). A rede TDM tem sido presente por um longo tempo.
É o legado do mundo de voz, que exigiu muitas conexões de baixa velocidade,
individuais e com alta qualidade. Esta tecnologia suporta altíssima disponibilidade,
porém frequentemente demanda recursos backup dedicados. Em termos de
latência, ela é tipicamente mais baixa em comparação a outras tecnologias. Não
tem as menores latências, contudo é muito consistente (baixíssimo delay). Por isso
que sistemas TDM não admitem jitter.
Linhas privadas suportam enormes capacidades; muitos serviços de rede são
baseados em linhas privadas como a conectividade de backbone. Todavia, esse
serviço não é muito escalável ou elástico. Isso acontece em virtude do mapeamento
dedicado que é necessário para montar um circuito. E tantas configurações
disponíveis traduzem-se em opções limitadas de velocidade.
Linhas privadas também têm uma característica única. Lembre-se do caminhão
postal? Pense numa linha privada que seja realmente confiável, ela é um caminhão
carga-pesada. Ele funciona bem e viaja sempre à mesma velocidade. Sua caçamba
tem um tamanho fixo e é bem protegida para não quebrar suas encomendas.
Entretanto ele sempre carrega um mesmo volume. Não há problema se você
respeitar esse limite; contudo se você sobrecarrega-lo, os itens extras não caberão
e ficarão para trás. Tecnicamente falando: a contenção é forçada no seu roteador,
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na sua localidade. Se você sobrecarrega a sua linha privada, o roteador será
forçado a acumular esses dados, eventualmente descartando-os.
O TDM é um serviço de alta qualidade - mas tem um preço. Primeiramente, ele
custa mais por conta da confiabilidade (que você pode ou não precisar). Segundo,
não é tão flexível em termos de contenção. Por outro lado, se você não saturá-lo,
pode-se contar com a consistência de sua latência.
A Internet como WAN
Pensando em acesso a grandes larguras de banda a baixo custo, é difícil superar a
Internet pública. Muitas empresas dependem da Internet como o acesso que nós
mostramos em nosso modelo multi-camadas (ver figura 1). Mas como um serviço
de WAN, sua milhagem pode variar. Bem, vamos considerar como a Internet
pública pode ser caracterizada como um serviço de WAN.
A disponibilidade do serviço estaria sujeita a vários fatores. Primeiro, há a
disponibilidade de serviço do seu provedor. Alguns provedores de acesso vão lhe
dar uma garantia de disponibilidade, e outros não. Em seguida, há a confiabilidade
da própria Internet. E aqui há uma espécie de dicotomia.
A Internet é muito resiliente. Falhas acontecem e muitas vezes elas são contornadas
sem que os usuários tomem conhecimento. Dentro da Internet, as falhas são
desviadas e o tráfego flui por diferentes caminhos. Para a maioria das aplicações
de Internet isso é ótimo. Mas para um VoIP isso poderia significar uma queda
de ligação que não poderá ser reestabelecida. Isso não é muito crítico para um
usuário em lazer; todavia, pode ter um impacto significativo nos negócios.
Como você está confiando em um serviço que é formado pela cooperação de
muitos provedores – cada um destes com suas diferentes redes – você nunca
terá certeza de como seus dados vão chegar. Devemos dizer que a forma como
a Internet funciona não é completamente indefinida. Algumas operadoras (por
exemplo, a Level 3) gerenciam sua rede bem de perto. Contudo, é na latência
onde a Internet apresenta seu maior impacto. Sabendo que o tráfego pode pegar
diversos caminhos até alcançar o seu destino, o tempo de chegada pode variar.
Por outro lado, diferentemente de um serviço de linha privada, pode-se trabalhar
com contenção dentro da rede. Como sua mensagem não ser descartada, ela
poderá ser retida ou atrasada em seu caminho para o seu destino. Obviamente,
o jitter também é uma preocupação, como o caminho e o tempo de viagem que
podem variar entre cada pacote.
Um aspecto bastante positivo sobre a Internet é que você pode obter grandes
quantidades de largura de banda, facilmente escaláveis. A largura de banda é
criada com base em volumes e não em intervalos de tempo; não há larguras de
banda pré-definidas. Os únicos limites são ditados pela tecnologia de entrega.
Algo que você pode fazer para ajudar a trazer consistência no funcionamento da
sua WAN pela Internet é usar o mesmo provedor em todas as suas conexões. Dessa
forma você manterá o máximo possível do seu tráfego dentro da mesma rede. No
linguajar da Internet, você irá mantê-lo num sistema autônomo único. Isso é ainda
mais relevante quando se trata de cloud computing: se você utiliza serviço de
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computação na nuvem, saiba qual provedor seu prestador de serviços usa e prefira
empregar o mesmo provedor.
MPLS – a última tecnologia em WAN
Any-to-Any distributed
connectivity:
forma de arquitetura digital em
que sistemas computacionais
se comunicam e interoperam
com outros sistemas, criando
‘conexões lógicas’ ao invés de
conexões físicas.
Em outras palavras, o cliente
pode ligar qualquer dispositivo
de qualquer ponto de entrada
da rede, para qualquer
distribuidor, em qualquer
momento.
A Multi-Protocol Label Switching (MPLS) não é um serviço em si mesmo. Como
o TDM, a MPLS é uma tecnologia usada para criar serviços. Alguns dos serviços
criados pelo MPLS são a Ethernet Virtual Private Line (EVPL) e a Virtual Private
LAN Service (VPLS). A EVPL é um serviço de ponto-a-ponto e, em muitos aspectos,
semelhante a um serviço de linha privada. A VPLS, no entanto, é um serviço
“any-to-any connectivity”, como a Internet pública, porém funcionando através de
recursos virtuais da rede privada.
A maioria dos serviços baseados em MPLS usa mecanismos de restauração da
malha. Isto significa que, na eventualidade de uma falha de rede, a rede irá
executar um reencaminhamento no entorno da área afetada. Trata-se de uma
estratégia de proteção mais eficiente, no entanto, não é tão robusta quanto às
linhas privadas. Em termos de delay ou latência, a rede pode ser muito rápida.
Elas normalmente têm menos hops do que as redes de Internet e oferecem um
roteamento mais consistente.
Em termos de capacidade, as redes MPLS podem oferecer tanta largura de banda
tanto quanto qualquer outro tipo de serviço. Velocidades acima de um gigabit são
comuns, e muitos fornecedores, como a Level 3, oferecem conexões de 10-gigabits.
No quesito escalabilidade e elasticidade, as redes MPLS são superiores à maioria
das outras tecnologias de WAN. Quando combinado com Ethernet, nenhum outro
serviço de WAN tem a capacidade da MPLS em corresponder à largura de banda
disponível necessária.
O recurso que dá essa flexibilidade MPLS é a Classe de Serviço (CoS). A exemplo da
Internet pública, a contenção pode acontecer dentro de uma rede MPLS. Porém, na
Internet, a contenção causa quantidades variáveis de atraso baseados puramente
na posição que uma mensagem tem na fila do roteador. Em uma rede MPLS,
as mensagens são marcadas com essa etiqueta CoS. Em caso de sobrecarga, as
mensagens identificadas com prioridade pelo CoS são enviadas primeiro.
Performance de rede viabilizando performance de
sistema
Vamos retomar o cenário abordado anteriormente, onde pretendíamos viabilizar
telepresença, VoIP e aplicações de e-mail em uma mesma rede. Uma rede MPLS
seria uma solução ideal.
Primeiramente, só teremos de contratar largura de banda suficiente para suportar
o número máximo de sessões simultâneas de telepresença mais a quantidade
mínima de chamadas VoIP simultâneas. Podemos usar os tags de CoS para
identificar o tráfego de telepresença como o tráfego de maior prioridade, marcar
o VoIP como prioridade normal, e os e-mails com a prioridade mais baixa. Quando
não houver chamadas de telepresença, a totalidade da largura de banda estará
disponível para VoIP e e-mail. No entanto, havendo uma sessão de telepresença,
esta terá prioridade. A rede ainda será capaz de suportar uma quantidade mínima
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de chamadas VoIP e e-mail, através da disponibilidade de espaço durante o
processo majoritário. Portanto, todo tráfego será devidamente tratado.
Conclusão
A performance dos sistemas dependem de diversos fatores. À medida que as
aplicações de negócio continuam a crescer em complexidade, dependendo da
dispersão geográfica da rede, deve-se considerar que a otimização da WAN
melhorará o desempenho de sua rede. Numa rede, há diversas variáveis a se
considerar; contudo, se você procura formas de otimizar uma aplicação sobre uma
WAN, a latência é o quesito mais importante. A chave para selecionar a tecnologia
de WAN mais adequada ao seu negócio é entender os requisitos de suas aplicações
e a forma como funciona sua WAN.
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A Level 3 Communications, Inc. (NYSE: LVLT) fornece serviços de comunicações locais, nacionais e globais para
clientes empresariais, governamentais e para operadoras. O abrangente portfolio de soluções gerenciadas e
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