Коммутирующие маршрутизаторы

Маршрутизатор выполняет две функции: он вычисляет маршрут и передает (продвигает) пакет.

Первая (и основная) функция позволяет определять оптимальные маршруты передачи данных через распределенную сеть. Маршрутизатор справляется с этой своей обязанностью совместно с одним из протоколов маршрутизации. Марш­рутизаторы, участвующие в выборе оптимального маршрута, обмениваются информацией о сетевой топологии с помощью протоколов маршрутизации. Именно они помогают принять оптимальное решение о передаче трафика между двумя точками в распределенной сети. Приняв определенное решение, маршру­тизатор пересылает пакеты следующему маршрутизатору на выбранном пути.

Вторая функция маршрутизатора отвечает за обработку входящего трафика и последующую передачу его на определенный порт.

Обе функции обычно реализуются маршрутизатором с помощью специаль­ного программного обеспечения, которое по функциональной насыщенности лишь незначительно уступает операционным системам. Что и отражается в названии — например, на многих маршрутизаторах фирмы Cisco устанавливает­ся Cisco IOS. С другой стороны, такое многообразие обязанностей маршрутиза­тора и сложность его программного обеспечения неизбежно приводит к определенным задержкам при обработке трафика.

Современные распределенные сети с новым характером трафика очень кри­тичны ко всем видам задержек. Такие сети требуют применения новых марш­рутизаторов с минимальными задержками при обработке и очень высокой производительностью.

Существует два способа повышения производительности маршрутизации: ис­пользование высокоскоростных аппаратных маршрутизаторов и применение технологий коммутации третьего уровня.

Если предположить, что маршрутизация реализуются с помощью программ­ного обеспечения, работающего на традиционных процессорах, то максимальная пропускная способность маршрутизатора составит сотни тысяч пакетов в секун­ду, и задержка будет относительно высока. Такая производительность более чем достаточна, когда маршрутизатор используется для работы с низкоскоростными каналами связи. Однако при организации взаимодействия в локальных сетях масштаба предприятия традиционные программные маршрутизаторы становятся узким местом в сети, так как им приходится обрабатывать огромное число пакетов (чем быстрее канал связи, тем большое число пакетов приходит на маршру­тизатор в единицу времени). Эти ограничения становятся достаточно заметны­ми уже для сетей Fast Ethernet.

Даже специальные решения, например Cisco NetFlow, которые призваны уменьшить количество процессов, задействованных при обработке одного паке­та, не устраняют полностью проблемы повышения производительности.

Новое поколение маршрутизаторов призвано устранить основные ограниче­ния старых маршрутизаторов. Такие маршрутизаторы часто называются аппа­ратными. Они работают на скорости, соотносимой по порядку величины со скоростью канала связи (wire speed router). В этом случае производительность сети определяется не скоростью работы маршрутизатора, а пропускной способ­ностью канала связи — маршрутизатор перестает быть узким местом.

Используя современные разработки, некоторые производители маршрутиза­торов, такие как фирма Foundry Networks, разработали устройства нового поко­ления, которые могут маршрутизировать IP-трафик со скоростью, соотносимой со скоростью каналов связи (даже если речь идет о Gigabit Ethernet), и с задерж­кой, характерной для коммутаторов.

Фирма Cisco разрабатывает маршрутизатор, известный под названием BFR (Big Fast Router), который может обрабатывать трафик со скоростью 80 Гбит/с. Данный маршрутизатор может посостязаться в пропускной способности с боль­шинством коммутаторов. Однако необходимо учитывать, что его не планируется использовать в локальных сетях.

Использование аппаратной маршрутизации повышает производительность маршрутизатора до 7-11 миллионов пакетов в секунду. В старых маршрутизато­рах эта величина составляет менее 1 миллиона пакетов в секунду. В результа­те аппаратные и алгоритмические новшества, применяемые в маршрутизаторах, позволяют сократить время задержки при обработке пакетов до 10 мкс — даже на гигабитных скоростях. Такое значительное снижение задержки при­водит к выравниванию времени обработки ячеек в сетях ATM с временем об­работки кадров в традиционных сетях, расширенных по технологии Gigabit Ethernet.

Аппаратный маршрутизатор может устанавливаться в сети как просто очень мощный коммутатор, хотя, в отличие от последнего, маршрутизатор, естествен­но, может осуществлять маршрутизацию пакетов протокола IP. В результате на новых устройствах коммутация и маршрутизация осуществляются со скоростью канала связи (вплоть до гигабитных скоростей) при микросекундной задержке.

Аппаратные маршрутизаторы исключают снижение производительности, ас­социировавшееся ранее с обработкой трафика между подсетями. Как следствие, они значительно упрощают сетевое планирование и дают неоспоримые преиму­щества менеджерам по информационным технологиям.

Так как эти устройства не вводят в сеть новые протоколы, они легко и просто интегрируются в существующую сетевую инфраструктуру. Демонстрируя за­мечательную гибкость, аппаратный маршрутизатор может функционировать, с одной стороны, как высокопроизводительный коммутатор, а с другой стороны, после определенной настройки он может повысить скорость обработки IP-тра­фика и снизить нагрузку на существующий сетевой маршрутизатор.

Широко распространенной практикой при проектировании сети является стремление избежать маршрутизируемых участков с их значительной задерж­кой. Например, серверы организаций часто включаются (именно с этой целью) в ту же подсеть протокола IP, что и их первичные клиенты. Однако когда сервер расположен в центре данных, а не в рабочей группе, требуется дополнительный коммутатор и вертикальные каналы связи. При использовании аппаратных мар­шрутизаторов нет необходимости избегать маршрутизируемых участков и подо­бные проблемы отпадают.

Аппаратные маршрутизаторы могут работать в сетях совместно с традицион­ными маршрутизаторами, так как они также поддерживают протоколы маршру­тизации, в основном RIP или OSPF. При этом возможна постепенная замена в сетях традиционных маршрутизаторов на маршрутизаторы нового поколения. Более того, аппаратные маршрутизаторы могут рассматриваться в качестве «соседей» при работе протоколов маршрутизации. Многие из современных ап­паратных маршрутизаторов поддерживают протокол резервирования ресурсов RSVP.

Новое поколение аппаратных маршрутизаторов обеспечивает групповую пе­редачу информации по протоколу IP, поддерживая групповые протоколы марш­рутизации, такие как DVMRP, PIM, MOSPF и сопутствующий им протокол IGMP. Реализация групповой передачи позволяет маршрутизаторам интеллек­туально поддерживать приложения, обеспечивающие передачу аудио и видеоин­формации.

Протоколы групповой маршрутизации служат для построения деревьев до­ставки до каждого члена группы, а сопутствующие протоколы, такие как IGMP, используются конечными станциями для регистрации получателей в определен­ной группе. Это позволяет маршрутизаторам передавать групповые пакеты толь­ко на те свои порты, на которых были зарегистрированы получатели.

Большинство аппаратных маршрутизаторов могут работать только с протоко­лом IP. Однако в последнее время появляются аппаратные маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPX. Все аппаратные маршрутизаторы предоставля­ют функции многопортового моста на втором уровне с поддержкой немаршру­тизируемых протоколов, таких как NetBIOS, DEC LAT и др. Функции моста выполняются с той же производительностью, что и при маршрутизации.

Большинство аппаратных маршрутизаторов, например, маршрутизаторы фирм Foundry Networks и Bay Networks, поддерживают интерфейсы только локальных сетей и предназначены для работы в сетях масштаба предприятия (рис. 17.2). Эти устройства не обладают совместимостью с глобальными сетями. Они не поддерживают WAN-интерфейсы, протоколы политики маршрутизации (EGP, BGP) и таблицы маршрутизации больших размеров.

Существуют аппаратные маршрутизаторы, например маршрутизатор Cisco 12000/GSR (Gigabit Switch Router), которые имеют интерфейсы для глобальных сетей. Эти маршрутизаторы предназначены для использования провайдерами услуг Internet. Такие устройства могут поддерживать высокоскоростные интер­фейсы (ОС-3 и ОС-12), но стоят дороже и настраиваются сложнее, что, впрочем, неудивительно. Поэтому, ввиду относительно высокой стоимости, они менее подходят для использования в небольших распределенных сетях.

Рис. 17.2. Модульный аппаратный маршрутизатор линии Accelar фирмы Bay Networks

Аппаратные маршрутизаторы, так же, как и коммутаторы, состоят из не­скольких основных компонентов: память, интерфейсные микросхемы, источни­ки питания и т. д. Основные узлы этих маршрутизаторов реализованы на микросхемах ASIC. То есть используется та же стандартная технология, которая применяется и при создании коммутаторов. Как результат, стоимость аппарат­ного маршрутизатора ненамного отличается от стоимости коммутатора. Поэтому вскоре при построении сети можно будет использовать только аппаратные мар­шрутизаторы. Применение аппаратных маршрутизаторов снимет большинство проблем, возникающих при использовании коммутаторов.

Сеть на аппаратных маршрутизаторах предоставит максимум контроля за трафиком, повышенную масштабируемость, безопасность (например, с помощью фильтрации пакетов по всей сети) и т. д. Небольшие подсети устранят необхо­димость создания виртуальных сетей для ограничения широковещания. Давайте рассмотрим пример сети, построенной на базе аппаратных маршрутизаторов, которая связывает центральный офис и две удаленные площадки. В данном при­мере используются четыре аппаратных маршрутизатора, связанных друг с дру­гом в кольцо (рис. 17.3). Так как маршрутизаторы поддерживают функции выбора оптимального маршрута для трафика и умеют при обрывах каналов связи его перенаправлять, то выход из строя одного из магистральных каналов не приведет к полной остановке работы сети.

Однако при использовании аппаратных маршрутизаторов, построенных на специализированных микросхемах ASIC, остаются некоторые ограничения. Такие маршрутизаторы не решают всех проблем сети. Одним из ограничений аппаратных маршрутизаторов является неполная поддержка протоколов сетево­го уровня, то есть эти устройства пригодны сегодня для использования исклю­чительно в «чистых» сетях (в которых работает, например, только протокол IP или только IPX). Другим недостатком аппаратных маршрутизаторов является то, что не устранена необходимость в их административном управлении.

В большинстве случаев выбор аппаратного маршрутизатора производится со­гласно тем же принципам, что и выбор традиционного маршрутизатора. Основ­ными моментами, на которые нужно обратить внимание, являются:

q Поддерживаемые интерфейсы.Аппаратные маршрутизаторы обычно поддерживают различные интерфейсы: 10/100 Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM. В качестве среды передачи информации может использоваться как витая пара, так и оптоволоконный кабель. При определении интерфейсов нужно четко представлять, для какой цели и в каком месте сети будут устанавливаться аппаратные маршрутизаторы.

q Поддерживаемые протоколы. Все аппаратные маршрутизаторы поддер­живают маршрутизацию протокола IP. Однако не все маршрутизаторы под­держивают протоколы, обеспечивающие маршрутизацию на магистральном уровне. Важно точно представлять, какие протоколы поддерживаются конкретным маршрутизатором: протоколы сетевого уровня, протоколы маршрутизации (OSPF, RIP и т. д.), протоколы груп­повой маршрутизации (DVMRP, MOSPF, PIM). Необходимо учитывать и дополнительные возможности, которые помогают в администрировании сети, например, передачу запросов DHCP и RARP (Reverse ARP). Пони­мание того, какие протоколы будут использоваться в сети, является необ­ходимым условием для правильного выбора аппаратного маршрутизатора.

q Производительность. Естественно, новое поколение аппаратных маршру­тизаторов служит для повышения скорости маршрутизации трафика. Про­изводители приводят данные, согласно которым скорость аппаратных маршрутизаторов достигает 7-11 миллионов пакетов в секунду, а будущие модели смогут удвоить эту величину. Однако важно понять, при каких условиях достигается данная скорость, так как не все сети имеют одина­ковый характер трафика. Факторы, которые влияют на производитель­ность аппаратных маршрутизаторов, это: поддержка группового трафика, резервирование пропускной способности каналов связи по протоколу RSVP и т. д. Реализация каждой из этих функций может потребовать дополнительной обработки пакетов. Поэтому самым правильным шагом яв­ляется анализ статистики работы маршрутизатора при различном ха­рактере трафика, так как маршрутизатор должен поддерживать заданную производительность в различных средах с минимальными отклонениями.

q Плотность интерфейсов. Аппаратные маршрутизаторы отличаются также по числу поддерживаемых интерфейсов. Аппаратные маршрутизаторы могут быть технически реализованы как в виде шасси, так и в виде стека маршру­тизаторов в одной стойке. Число слотов и число интерфейсов на одном слоте являются достаточно важными характеристиками маршрутизатора, так как они определяют масштабируемость устройства. Сейчас большинство марш­рутизаторов поддерживают большое число интерфейсов Fast Ethernet и не­большое количество интерфейсов Gigabit Ethernet (обычно, около двух). Кроме того, важно учесть наличие функций повышения надежности. Напри­мер, возможность замены вышедших из строя слотов в «горячем» режиме. Количество поддерживаемых интерфейсов влияет на число маршрутизато­ров, требующихся в сети и, в конечном счете, на ее стоимость.