Магистраль на базе коммутации ячеек

При использовании для построения магистрали сети технологии коммутации ячеек объединение всех коммутаторов Ethernet уровня рабочих групп осуществ­ляют высокопроизводительные коммутаторы ATM. Работая на втором уровне эталонной модели OSI, эти коммутаторы передают 53-байтовые ячейки фикси­рованной длины вместо кадров Ethernet переменной длины. Такая концепция построения сети подразумевает, что коммутатор Ethernet уровня рабочей груп­пы должен иметь выходной порт ATM с функцией сегментации и сборки (SAR), который преобразовывает кадры Ethernet переменной длины в ячейки ATM фиксированной длины перед передачей информации на магистральный комму­татор АТМ.

Для глобальных сетей базовые коммутаторы ATM способны обеспечить связь отдаленных регионов. Также работая на втором уровне модели OSI, эти ком­мутаторы в сети WAN могут использовать каналы Т1/Е1 (1.544/2.0 Мбит/с), канал 73 (45 Мбит/с) или канал ОС-3 технологии SONET (155 Мбит/с). Для обеспечения городской связи можно развернуть сеть MAN с использованием технологии ATM.

Та же самая магистральная сеть ATM может использоваться для связи между собой телефонных станций. В будущем в рамках телефонной модели кли­ент/сервер эти станции могут быть заменены голосовыми серверами в локаль­ной сети. В этом случае возможность гарантирования качества обслуживания в сетях ATM становится очень важной при организации связи с клиентскими пер­сональными компьютерами.

Маршрутизация

Как уже было отмечено, маршрутизация — это третий и самый высокий уровень в иерархической структуре сети. Маршрутизация, которая работает на третьем уровне эталонной модели OSI, используется для организации сеансов связи, к которым относятся:

q Сеансы связи между устройствами, расположенными в различных вирту­альных сетях (при этом каждая сеть является обычно отдельной IP-под­сетью);

q Сеансы связи, которые проходят через глобальные/городские сети.

Одна из стратегий построения корпоративной сети состоит в установке ком­мутаторов на нижних уровнях общей сети. Затем локальные сети связываются с помощью маршрутизаторов. Маршрутизаторы требуются для того, чтобы разде­лить IP-сеть большой организации на множество отдельных IP-подсетей. Это необходимо для предотвращения «широковещательного взрыва», связанного с работой таких протоколов, как ARP. Чтобы сдержать распространение нежела­тельного трафика по сети, все рабочие станции и серверы необходимо разбить на виртуальные сети. В этом случае маршрутизация управляет взаимодействием между устройствами, принадлежащими к различным виртуальным локальным сетям.

Такая сеть состоит из маршрутизаторов или серверов маршрутизации (логи­ческое ядро), магистрали сети на базе коммутаторов ATM и большого коли­чества коммутаторов Ethernet, расположенных на периферии. За исключением особых случаев, например, использования видеосерверов, которые подключают­ся непосредственно к магистрали ATM, все рабочие места и серверы должны подключаться к коммутаторам Ethernet. Такое построение сети позволит лока­лизовать внутренний трафик внутри рабочих групп и предотвратить перекачку такого трафика через магистральные коммутаторы ATM или маршрутизаторы.

Объединение коммутаторов Ethernet осуществляют коммутаторы ATM, обыч­но расположенные в том же самом отделении. Следует отметить, что может потребоваться несколько коммутаторов ATM, чтобы обеспечить достаточное ко­личество портов для подключения всех коммутаторов Ethernet. Как правило, в этом случае используется связь на 155 Мбит/с по многомодовому оптоволокон­ному кабелю.

Маршрутизаторы располагаются в стороне от магистральных коммутаторов ATM, так как эти маршрутизаторы необходимо вынести за маршруты основных сеансов связи. Такое построение делает маршрутизацию необязательной. Это зависит от типа сеанса связи и от вида трафика в сети. Маршрутизации нужно стараться избегать при передаче видеоинформации в реальном времени, так как она может вносить нежелательные задержки. Маршрутизация не нужна для связи между устройствами, расположенными в одной виртуальной сети, даже если они находятся в различных зданиях на территории большого предприятия. Кроме того, даже в ситуации, когда маршрутизаторы требуются для проведения определенных сеансов связи, размещение маршрутизаторов в стороне от магис­тральных коммутаторов ATM позволяет минимизировать число переходов мар­шрутизации (под переходом маршрутизации понимается участок сети от пользователя до первого маршрутизатора или от одного маршрутизатора до дру­гого). Это позволяет не только снизить задержку, но и уменьшить нагрузку на маршрутизаторы.

Маршрутизация получила широкое распространение как технология связи локальных сетей в глобальной среде. Маршрутизаторы предоставляют разно­образные услуги, рассчитанные на многоуровневый контроль канала передачи. Сюда относятся общая схема адресации (на сетевом уровне), не зависящей от того, как формируются адреса предыдущего уровня, а также преобразование од­ного формата кадра контрольного уровня в другой.

Маршрутизаторы принимают решения о том, куда направлять поступающие пакеты данных, исходя из содержащейся в них информации об адресах сетевого уровня. Эта информация извлекается, анализируется и сопоставляется с содер­жимым таблиц маршрутизации, что позволяет определить, в какой порт следует отправить тот или иной пакет. Затем из адреса сетевого уровня вычленяется адрес канального уровня, если пакет следует передать в сегмент такой сети, как Ethernet или Token Ring.

Помимо обработки пакетов маршрутизаторы параллельно осуществляют об­новление таблиц маршрутизации, которые используются для определения места назначения каждого пакета. Маршрутизаторы создают и ведут эти таблицы в динамическом режиме. В результате маршрутизаторы могут автоматически реа­гировать на изменение состояния сети, например, на возникновение перегрузки или повреждение каналов связи.

Определение маршрута — это достаточно сложная задача. В корпоративной сети коммутаторы ATM должны функционировать примерно так же, как и мар­шрутизаторы: обмен информацией должен проходить с учетом топологии сети, доступных маршрутов и стоимости передачи. Коммутатору ATM эта информа­ция крайне необходима, чтобы выбрать наилучший маршрут для конкретного сеанса связи, инициируемого конечными пользователями. К тому же, определе­ние маршрута не ограничивается одним лишь принятием решения о пути, по которому пройдет логическое соединение после формирования запроса на его создание

Коммутатор ATM может выбрать новые маршруты, если по каким-либо при­чинам каналы связи окажутся недоступными. При этом коммутаторы ATM до­лжны обеспечивать надежность сети на уровне маршрутизаторов.

Чтобы создать расширяемую сеть с высокой экономической эффектив­ностью, необходимо перенести функции маршрутизации на периферию сети и обеспечить коммутацию трафика в ее магистрали. ATM является единственной сетевой технологией, которая способна сделать это.

Смысл распределенной маршрутизации состоит в том, чтобы осуществлять маршрутизацию ближе к пользователям, на выходе из локальной сети. Функ­ции маршрутизации возлагаются на недорогие многоуровневые коммутаторы и устройства доступа, соединяющие локальные сети с магистралью ATM. На этом уровне трафик представляет собой гораздо более управляемый поток данных. Объем трафика, который требуется маршрутизировать, здесь составляет всего лишь десятки тысяч, а не десятки миллионов пакетов в секунду. При таком подходе маршрутизация оказывается значительно более простой задачей и мо­жет осуществляться с меньшими затратами. Сеть с распределенной маршру­тизацией имеет практически неограниченные возможности для дальнейшего расширения. Каждый новый маршрутизатор, добавляемый к такой сети, одно­временно с новыми рабочими станциями пропорционально увеличивает ее на­дежность и реализует более оптимальные маршруты передачи данных. Именно это свойство технологии ATM важно для построения крупных корпоративных сетей. При этом такая сеть чрезвычайно проста по своей структуре и не зависит от протокола.

Существуют различные способы и технологии распределения маршрутиза­ции в рамках одной корпоративной сети. Это позволяет значительно упростить настройку и управление сетью. Так, например, технология фирмы RND Net­works — Central Access Routing (маршрутизация с центральным доступом, CAR) — разработана для упрощения подключения к центральной сети удален­ных отделений. Основой технологии является концентрация сложных функций маршрутизации в маршрутизаторах большой производительности, расположен­ных в центральном офисе предприятия. При этом в удаленных отделениях воз­можна установка достаточно простых в обслуживании и в настройке устройств (Router Access Node, узел доступа к маршрутизатору). При такой схеме сети все решения по маршрутизации трафика выполняются центральным маршрутизато­ром, а с удаленных устройств эти функции сняты. Как следствие, облегчаются подключение и эксплуатация удаленных устройств. Все работы выполняются только в центральном офисе.

В технологии CAR вводится понятие региональных доменов маршрутиза­ции (Regional Routing Domains — RRD). Каждый региональный домен может содержать один или более центральных маршрутизаторов и некоторое количе­ство устройств в удаленных отделениях. Центральные маршрутизаторы регио­нальных доменов могут связываться между собой, формируя таким образом распределенную сеть предприятия. При такой схеме устройства удаленных от­делений передают свой трафик вне зависимости от получателя только цент­ральному маршрутизатору своего регионального домена, который обеспечивает доставку.

Коммутация

Коммутация ATM в сетевой магистрали, в частности, предоставляет:

q Широкую полосу пропускания при относительно низкой стоимости;

q Задание качества обслуживания одновременно для всех потоков данных с эффективным распределением полосы пропускания и учетом приоритетов каждого потока;

q Минимальное время задержки для приложений реального времени;

q Рассылку групповых сообщений.

Маршрутизация, осуществляемая многоуровневыми коммутаторами и устройствами доступа, позволяет направить трафик по кратчайшему пути между двумя сегментами сети в обход ее центральных узлов. В результате получается сеть без промежуточных звеньев; каждый сегмент такой сети оказывается логи­чески связанным с любым другим ее сегментом.

Процесс маршрутизации подразумевает выбор оптимальных маршрутов и не­посредственное управление пакетами. Эти две функциональные задачи могут быть разделены. Выбор маршрутов осуществляется небольшим числом мощных серверов маршрутизации, входящих в ядро сетевой магистрали. Ими могут быть существующие магистральные маршрутизаторы или коммутаторы ATM с соот­ветствующим программным обеспечением. Эти серверы используют традицион­ные протоколы маршрутизации, например, OSPF или RIP.

Вычисленные серверами маршруты передаются устройствам доступа, поддер­живающим распределенную маршрутизацию при помощи усовершенствованно­го протокола NHRP (Next Hop Resolution Protocol, протокол разрешения (адреса) следую всего перехода). Эти устройства и осуществляют непосредствен­ное управление пакетами. Кроме того, устройства доступа анализируют первые пакеты каждого нового потока данных, чтобы определить, целесообразно ли в данном случае установление прямого маршрута. Во время этого анализа первые пакеты направляются адресату через маршрутизатор, используемый по умолча­нию. Такой подход уменьшает общую стоимость сети и позволяет сократить время задержка при передаче первых пакетов.

Вторым альтернативным вариантом построения магистрали сети является технология коммутации Fast/Gigabit Ethernet для локальной или городской сети и Frame Rеlay для глобальной сети. Эта логическая структура может быть применена для тех сетей, которые не требуют гарантированного качества обслу­живания при передаче мультимедийного трафика в реальном времени.

Логическую иерархию коммутации можно представить тремя уровнями. Ниж­ний уровень служит для объединения периферийных сетей Ethernet, средний уровень представляет собой либо локальную сеть Fast/Gigabit Ethernet, либо сеть MAN, либо магистральную сеть WAN на базе технологии Frame Relay. Верх­ний уровень иерархии отвечает за маршрутизацию.

Магистральная сеть обеспечивается за счет связывания всех коммутаторов Ethernet мощными магистральными коммутаторами Ethernet. Работая на ка­нальном уровне модели OSI, эти магистральные коммутаторы используют кана­лы типа точка-точка на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) или 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet) с поддержкой полнодуплексного режима передачи.

Для организации глобального взаимодействия возможно использование ком­мутаторов Frame Relay. Также работая на канальном уровне модели OSI, они используют каналы Т1/Е1 (1.544-2.0 Мбит/с) или каналы ТЗ (45 Мбит/с). В некоторых случаях магистраль WAN можно организовать в виде связей точка-точка между маршрутизаторами (например, через каналы SDH). В этом случае передача между маршрутизаторами происходит в кадрах протокола РРР. Таким образом для связи в пределах города может быть развернута сеть MAN на базе коммутации кадров.

Выделение маршрутов

Крайне важно уметь выделить основные маршруты, по которым будет протекать трафик в корпоративной сети (рис. 2.3). Это позволяет детализировать ее функ­циональную схему и применить математические методы оценки различных по­казателей, например, теорию очередей. Практическое использование этой теории рассматривается в последнем разделе этой главы. Проведение инструментальной оценки выбранных вариантов построения корпоративной сети вносит в наш ме­тодологический подход обратную связь: если вычисленные параметры не удов­летворяют разработчика сети или ее будущего пользователя, необходимо вновь вернуться к первичной стадии разработки и выбрать другие варианты построе­ния. Следует отметить, что каждый из перечисленных ниже маршрутов описан достаточно расплывчато, и для проведения инструментальной оценки необходи­ма его детализация.

Маршрут А связывает одни конечные станции с другими станциями или с серверами, расположенными в различных виртуальных локальных сетях. Этот маршрут пересекает несколько IP-подсетей. Как следствие, необходимо исполь­зование маршрутизации. В классической реализации трафик должен пройти через маршрутизатор, который собирает ячейки ATM в пакеты, выполняет марш­рутизацию, а затем разбивает пакеты на ячейки для того, чтобы их повторно направить в сеть ATM.

В ближайшем будущем появится намного больше альтернативных стратегий, в которых маршрутизатор заменяется сервером маршрутизации, помогая комму­таторам ATM непосредственно установить связь между конечными станциями, не обращаясь к маршрутизатору. Эти стратегии основываются на новых стан­дартах, например, технологии МРОА. В будущем значительно снизится негатив­ное влияние неэффективного выделения подсетей. Но до этого времени организации должны правильно формировать подсети и переопределять их по мере необходимости так, чтобы маршрут А использовался относительно редко (например, только для доступа к данным другого отделения).

Маршрут Б связывает конечные станции с серверами, расположенными в одной и той же виртуальной локальной сети, но не подключенными непосредст­венно к одному коммутатору Ethernet. Этот маршрут «захватит» коммутаторы Ethernet на обоих концах, а также один или несколько магистральных коммута­торов ATM, формирующих виртуальное соединение между коммутаторами Ethernet. Маршрут Б используется большинством конечных станций, взаимо­действующих с серверами. На этом маршруте маршрутизация не применяется.

Маршрут В регламентирует связь типа точка-точка между конечными стан­циями, расположенными в одной и той же виртуальной локальной сети, но не связанными непосредственно одним коммутатором Ethernet. Этот маршрут на­чинается с канала связи между коммутатором Ethernet и конечной станцией и проходит через один или несколько магистральных коммутаторов ATM, создаю­щих виртуальное соединение между коммутаторами Ethernet. Такой сеанс связи может использоваться, например, для проведения видеоконференций или со­вместной работы с приложениями. Если два пользователя часто общаются по тому маршруту, вероятно, лучше их поместить в одну виртуальную локальную сеть. На этом маршруте маршрутизация не применяется.

Маршрут Г связывает конечные станции с другими станциями или сервера­ми, непосредственно подключенными к одному коммутатору Ethernet. Такой маршрут захватывает только этот коммутатор Ethernet, а магистральные комму­таторы ATM и маршрутизация не задействуются.

Маршрут Д регламентирует связь точка-точка между конечными станциями, подключенными к одному коммутатору Ethernet. Маршрут захватывает только данный коммутатор Ethernet. Такой сеанс связи может использоваться для про­ведения видеоконференций или для совместной работы с приложениями. Ма­гистральные коммутаторы ATM и маршрутизация не применяются.

Сетевые шаблоны

В следующих ниже разделах приведены сетевые шаблоны, наиболее часто ис­пользуемые при проектировании сетей.