Интеграция маршрутизации и коммуникации

Для более глубокого понимания процессов, происходящих при коммутации третьего уровня, необходимо рассмотреть современное состояние развития мар­шрутизаторов, их техническую и программную реализацию и дать сравнитель­ный анализ маршрутизаторов и коммутаторов. Это чрезвычайно актуально, так как новые технологии коммутации и маршрутизации находят все более широкое применение в современных сетях, в том числе, в сетях ATM. Ярким примером тому может служить технология МРОА.

Распределенные сети уже достаточно давно включают в свой состав активное сетевое оборудование различного типа — мосты, коммутаторы и маршрутиза­торы. Активное оборудование управляет трафиком в сети так, чтобы данные терялись как можно реже и попадали к адресатам как можно быстрее. Сети с иерархически соединенным активным оборудованием доказали свою жизнеспо­собность на практике и служат основой для построения больших распределен­ных корпоративных сетей.

При чтении книги у вас, не исключено, могло сложиться впечатление, что в теории и практике построения распределенных сетей не происходит каких-либо значительных изменений. Однако, если говорить о достаточно сложном актив­ном сетевом оборудовании, то следует учесть, что оно реализует множество функций. Те или иные устройства могут «перехватывать» функции друг друга, ограничивая тем самым роль своих конкурентов. Сейчас коммутаторы по своим функциональным возможностям приближаются к маршрутизаторам, а по неко­торым параметрам даже опережают их. Сегодняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что несколько лет назад делали только маршрутизаторы.

Соответственно, не могли не измениться теория и практика построения кор­поративных сетей. Сравнивать сегодня коммутаторы и маршрутизаторы по стандартным критериям, таким как функциональность, производительность и соотношение цена/производительность, нельзя. Чтобы определить место каждо­го устройства, необходимо учитывать совокупность всех параметров и прини­мать во внимание конкретную задачу, возлагаемую на устройство в данной сети.

Основное назначение коммутаторов состоит в том, чтобы с помощью внут­ренней высокоскоростной магистрали одновременно поддерживать несколько соединений между сетевыми устройствами. Коммутаторы способны реально по­высить пропускную способность сети в несколько раз. Это становится возмож­ным благодаря разбиению сети на несколько взаимосвязанных сегментов. При правильном распределении трафика совокупная пропускная способность ком­мутируемой сети равняется произведению числа сегментов на пропускную способность исходной сети. Однако увеличение производительности за счет применения коммутации сопряжено с появлением некоторых неудобств, от ко­торых очень трудно избавиться. Совершенно «плоская» коммутируемая сеть не может направлять трафик туда, куда это необходимо (например, при управле­нии сетью). Кроме того, такая сеть может просто перестать функционировать при возникновении так называемого широковещательного шторма. При неисп­равности сетевого адаптера или кабеля, когда в сеть поступают испорченные кадры, для поиска источника этих кадров необходимо будет изолировать и про­вести анализ практически всех сегментов сети поочередно.

Популярность коммутаторов на уровне подразделений продолжает расти. Это связано с тем, что установка коммутаторов обойдется дешевле, чем развер­тывание, скажем, ATM или Gigabit Ethernet. Обе эти технологии предполагают значительные капиталовложения. Коммутаторы же позволяют повысить отда­чу от уже сделанных инвестиций. Кроме того, продвижению коммутаторов на рынке способствует простота их установки.

С помощью коммутаторов обычно реализуются виртуальные сети. Только интеллектуальный коммутатор может обеспечить эффективную коммутацию уз­лов в сети, физически не соединенных друг с другом (не находящихся в одном сегменте). Применение виртуальных сетей помогает администраторам сети упростить и удешевить перемещение пользователей, добавление членов групп, изменение конфигурации сети.

Анализ рекомендаций ведущих специалистов говорит о том, что коммутато­ры еще много лет будут основным средством при построении сетей. Особенно после появления коммутаторов ATM, имеющих порты с различными сетевыми интерфейсами. Организациям очень выгодно подключать свои сети к магистра­ли ATM через такие коммутаторы.

Коммутаторы за последние годы развивались весьма интенсивно. Они обес­печивают заведомо надежную установку соединений, так как их работа основана на сквозной организации связи, без вычисления.маршрута для каждого кадра или ячейки. Коммутаторы третьего уровня как бы переносят выполнение марш­рутизации ближе к пользователю, на каждый порт. В коммутируемой среде не только маршрутизация распределяется по всей сети, но также увеличивается отказоустойчивость, так как выход из строя одного устройства не повлияет на работоспособность большинства пользователей сети. Сегодняшние коммутаторы имеют полосу пропускания 75 Гбит/с и скорость передачи 10.5 млн. кадров в секунду.

Основное назначение маршрутизаторов заключается в пересылке пакетов по их сетевым иерархическим адресам, обеспечении безопасности передаваемой ин­формации, управлении трафиком и предоставлении необходимого качества об­служивания.

Маршрутизаторы функционируют на третьем уровне модели OSI и обеспе­чивают интеллектуальную обработку пакетов. Так как маршрутизаторы работа­ют с такими протоколами, как IP, они способны реализовывать независимую обработку пакетов любой пары абонентов.

Однако резкое увеличение числа работающих пользователей, рост популяр­ности внутрикорпоративных интрасетей и применение новых, более требователь­ных к пропускной способности приложений, привело к тому, что традиционные маршрутизаторы, применявшиеся до недавнего времени в больших распределен­ных сетях, перестают справляться с нагрузкой. А широкое внедрение высоко­скоростных технологий, таких как Fast Ethernet, ATM, lOOVG-AnyLan и т. д. приводит к постоянному увеличению трафика в распределенных сетях и эта тенденция неизменна.

Существует несколько причин, вследствие которых маршрутизаторы стано­вятся узкими местами в распределенной сети. Одна из них заключается в том, что маршрутизатор обязан выполнять все функции по обработке пакетов, соответствующие третьему уровню семиуровневой модели OSI. В частности, в отличие от коммутатора, которому для принятия решения о коммутации на определенный порт необходимо исследовать только одно поле поступившего кадра — МАС-адрес получателя (при этом можно даже не принимать весь кадр), и коммутатора ATM, которому достаточно просмотреть идентификаторы вирту­ального канала (VCI) и виртуального пути (VPI), маршрутизатору требуется прочитать весь пакет и исследовать при этом множество его полей. В распреде­ленных сетях, в которых между любой парой отправитель-получатель сущест­вует множество возможных маршрутов, перечисленные причины приводят к резкому уменьшению производительности. Это связано с большой потерей вре­мени на поиск данных в таблицах маршрутизации и, естественно, такой поиск длится намного дольше, чем просмотр таблицы МАС-адресов или таблицы с VCI/VPI. Сюда же следует добавить время, затрачиваемое на выполнение спе­циальных функций, таких как фильтрация пакетов, шифрование и т. д.

Повышение производительности маршрутизаторов возможно при примене­нии некоторых специальных технических решений. К ним, в первую очередь, следует отнести:

q увеличение скорости работы центрального процессора;

q реализацию новых технологий кэширования данных;

q увеличение количества памяти, отводимой под буфер приема.

Увеличение скорости центрального процессора является наиболее общим подходом к повышению производительности маршрутизаторов. Однако это ре­шение может удовлетворить лишь сиюминутные потребности определенных сетей. На это есть много причин, одна из которых состоит в том, что процес­сорам маршрутизаторов просто не угнаться за стандартными популярными процессорами в конечных станциях. Повышение характеристик процессоров ко­нечных станций влечет за собой разработку все более мощных приложений, ко­торые, в свою очередь, требуют расширения полосы пропускания. В этой гонке процессор маршрутизатора будет всегда отставать.

Реализация технологии кэширования предусматривает, прежде всего, вы­деление и классификацию потоков данных, проходящих через маршрутизатор. При этом под потоком понимается трафик между одной определенной парой отправитель-получатель. Разделение трафика на потоки и последующее кэширо­вание потоков позволяет осуществлять более быстрый поиск в таблице марш­рутизации, по сравнению с последовательным поиском в таблице для каждого пакета в общем трафике. Узким местом технологии кэширования является воз­можность переполнения памяти, отводимой под кэш, при большом числе раз­личных потоков (в «часы пик» сети).

Увеличение памяти, отводимой под буфер приема пакетов, потенциально увеличивает производительность маршрутизатора и безусловно снижает вероят­ность возникновения ситуаций, в которых IP-пакеты отбрасываются маршрути­затором из-за его сильной загрузки. Недостатком такого метода является то, что протоколы стека TCP/IP, используемые на конечных станциях, постоянно пы­таются повысить эффективность использования сети путем увеличения скорос­ти передачи пакетов. Скорость передачи пакетов увеличивается до тех пор, пока посылаемые пакеты не начинают отбрасываться. Поэтому отбрасывать пакеты маршрутизатору рано или поздно придется. Вместе с тем, увеличение памяти, отводимой под буфер, вызывает появление задержек при обработке пакетов маршрутизатором, так как пакеты будут проводить больше времени в очере­дях, что приведет к увеличению времени прохождения пакета через распреде­ленную сеть.

Таким образом, практика показывает, что внедрение этих решений в боль­шинстве случаев является недостаточным для обработки трафика большого объема. Это становится особенно заметным в сети Internet. Поэтому уже доста­точно давно назрела необходимость разработки принципиально новой концеп­ции маршрутизации пакетов, при которой стало бы возможным значительное уменьшение и даже полное устранение задержек при обработке. При этом такая концепция должна унаследовать все достоинства, присущие маршрутизаторам: защищенность передаваемых данных, ограничение областей широковещания и т. д. С другой стороны, хотелось бы перенять от коммутаторов одно из основных их достоинств — невысокую стоимость в расчете на порт.

Можно сказать, что сейчас наметилась и воплощается в жизнь тенденция сближения маршрутизаторов и коммутаторов по функциональным возможнос­тям. Появление коммутаторов, работающих на третьем (сетевом) уровне эталон­ной модели OSI, может свести еще имеющиеся между ними различия на нет. Сегодня производители коммутаторов проектируют новые изделия так, чтобы они идеально вписывались в структуру сложных современных сетей, имеющих в своем составе много маршрутизаторов. Существует даже мнение, что совре­менные коммутаторы повышают производительность сетей, построенных на базе маршрутизаторов. Основная идея совместного использования маршрутизаторов и коммутаторов состоит в следующем: задействовать коммутаторы для увеличе­ния пропускной способности, а маршрутизаторы применять для сегментации.

Реально вопрос о полном отказе от маршрутизаторов никогда не ставился. Их необходимость в глобальных сетях всегда была очевидна. Тем более техно­логия маршрутизаторов не стоит на месте и тоже постоянно совершенствуется. Сегодня появилось новое поколение маршрутизаторов, которое использует все передовые достижения. Маршрутизаторы глобальных сетей превосходят комму­таторы по соотношению цена/производительность. Более того, для глобальных сетей применение только маршрутизаторов позволяет повысить надежность по сравнению с совместным использованием маршрутизаторов и коммутаторов. Маршрутизаторы последних поколений сняли ограничения по масштабируемос­ти к высоким скоростям передачи данных, значительно уменьшили время задержки при обработке пакетов и улучшили управляемость. Повысилась плотность расположения портов, что означает уменьшение количества устройств, необхо­димых для построения сети. Маршрутизаторы сейчас обладают многими досто­инствами коммутации. Они могут работать на самых быстрых линиях и их коммутационные возможности достаточны для любых приложений. Претерпева­ет изменения и внутренняя структура маршрутизаторов. Появляются маршрути­заторы с параллельными распределенными многопроцессорными структурами, во многом напоминающими схожие структуры в коммутаторах.

Спор о достоинствах применения коммутаторов и маршрутизаторов в сетях не утихнет очень долго. Это связано с тем, что и те, и другие устройства имеют свои положительные стороны, но их достоинства лежат как бы в разных плос­костях. Так что, в принципе, говорить о полной взаимозаменяемости этих устройств достаточно сложно. Всегда найдутся такие положительные стороны маршрутизаторов, которыми коммутаторы не будут обладать еще очень долго. Так что эти два направления — маршрутизаторы и коммутаторы — продолжают развиваться своими несколько различающимися путями. Однако существует и третье направление — нетрадиционные программно-аппаратные решения ве­дущих фирм-производителей. Вбирая положительные качества коммутаторов и маршрутизаторов, они формируют как бы новый класс устройств, обладаю­щих быстродействием коммутаторов и интеллектуальностью маршрутизаторов. Более того, сейчас вырабатываются новые концепции, позволяющие устранить или, по крайней мере, максимально сократить задержки при обработке пакетов.

Дата добавления: 2015-07-13