IP-коммутация как средство от заторов

IP-коммутация и связанные с ней технологии сочетают в себе управляемость маршрутизации с высокой скоростью коммутации, позволяя обеспечить своевременную доставку данных.

КОММУТАТОРЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ СНИЖАЮТ ПЕРЕГРУЗКИ
Раз, два - и готово

Некоторые администраторы сетей исповедуют принцип "Коммутация - где возможно, маршрутизация - где нужно". Эта максима родилась, вероятно, когда администраторы сетей осознали, что сегментирование сетей с помощью коммутаторов позволяет немедленно повысить производительность сети без значительного увеличения накладных расходов, традиционно связанных с маршрутизацией.

Когда компании начали связывать разрозненные системы друг с другом, маршрутизация обеспечивала максимально возможную целостность и надежность передачи трафика из одной сети в другую. Но с ростом размера и сложности сети, а также в связи со все более широким применением коммутаторов в локальных сетях базовые маршрутизаторы - зачастую они получали все данные, посылаемые коммутаторами, - стали с трудом справляться со своими задачами. Проблемы с трафиком, связанные с маршрутизацией, проявляются наиболее остро в средних и крупных компаниях, а также в деятельности операторов Internet, так как они вынуждены иметь дело с большими объемами IP-трафика, причем трафик этот должен передаваться своевременно и эффективно.

"С подключением настольных систем непосредственно к коммутаторам на 10/100 Мбит/с между ними и магистралью оказывается все меньше промежуточных устройств, - говорит Мэри Петроски, главный эксперт в The Burton Group. - Чем выше скорость подключения настольных систем, тем более скоростной должна быть магистраль. Кроме того, на каждом уровне устройства должны справляться с приходящим трафиком, иначе возникновения заторов не избежать".

Маршрутизаторы часто критикуют за то, что они становятся причиной заторов трафика. Независимо от того, какой именно маршрутизатор не справляется со своей задачей - центральный, краевой или какой-то иной, - ясно одно - чем крупнее сеть, тем больше проблем с трафиком. Но недавние разработки в области IP-коммутации - упрощенный метод пересылки данных между двумя точками - обещают "разгрузить" маршрутизаторы и их администраторов.

По мере того как все большее число компаний сталкивается с проблемами, связанными с маршрутизацией и коммутацией, некоторые производители сетевого оборудования начинают предлагать продукты, сочетающие скорость коммутации с управляемостью и защищенностью маршрутизации. Задачу миграции от традиционных сетей на базе маршрутизаторов к более быстрым коммутируемым сетям обещают решить несколько архитектур и продуктов, причем все они должны появиться на рынке уже к концу этого года.

IP-КОММУТАЦИЯ

В марте 1996 года компания Ipsilon Networks анонсировала стратегию, названную IP-коммутацией. По словам Ларри Блэра, вице-президента Ipsilon по маркетингу, суть этой технологии, если не вдаваться в подробности, состоит в ускорении IP. "Наше оборудование может заменить маршрутизаторы или взаимодействовать с ними", - говорит он. Ipsilon реализовала свою интегрированную технологию маршрутизации и коммутации в таких продуктах, как IP Switch ATM 1600 с объединительной панелью ATM и пропускной способностью до 5,3 млн. пакетов в секунду.

Схема Ipsilon работает следующим образом: IP-коммутатор анализирует поступающие данные, и если посылка короткая (например, запрос к серверу), то он обрабатывает пакеты точно так же, как маршрутизатор. Отличие проявляется, когда коммутатор идентифицирует поток, т. е. длительную последовательность пакетов от конкретного отправителя конкретному получателю. В этом случае коммутатор определяет посредством анализа заголовка пакета и сравнения этого заголовка с определенными пользователем правилами, что такая последовательность является потоком. После этого он решает, что наилучший способ обработки пакета состоит в передаче его нижележащей структуре ATM и быстрой коммутации пакетов. (Какой трафик составляет поток, а какой нет, можно увидеть из Рисунка 1.)

Утверждая, что продукты Ipsilon способны занять место традиционных маршрутизаторов от Cisco Systems и других поставщиков, Блэр тут же добавляет, что Ipsilon закрывает не только маршрутизацию, но и IP. "Если спросить, какой протокол наиболее важен для компании, то большинство респондентов наверняка ответит, что IP. Мы вовсе не собираемся исключить маршрутизацию вообще, но появление Internet и Intranet еще более усугубляет наметившуюся тенденцию к унификации. Если 30% трафика в сети представляют собой пакеты IP, то тогда коммутацию можно и нужно рассматривать в качестве одного из вариантов".

Наряду с поддержкой стандартных протоколов маршрутизации RIP, OSPF, BGR и CIP, Ipsilon разработала также собственный протокол, получивший название протокола управления потоком (Ipsilon Flow Management Protocol, IFMP). Благодаря этому протоколу несколько коммутаторов IP могут взаимодействовать друг с другом и хостами. Продукты, поддерживающие IFMP, среди которых маршрутизаторы, коммутаторы и концентраторы нескольких поставщиков, могут идентифицировать потоки пакетов. Потоки отождествляются с высокоcкоростными виртуальными соединениями ATM, а не маршрутизируются пакет за пакетом через сеть. IFMP получил также поддержку еще нескольких поставщиков, таких как 3Com, Cascade Communications и IBM.

Ipsilon опубликовала также общий протокол управления коммутатором (General Switch Management Protocol, GSMP) для управления оборудованием ATM. Оба, IFMP и GSMP, имеют статус RFC. Кроме того, информацию о них можно получить на узле www.ipsilon.com.

ЕЖЕГОДНАЯ МИГРАЦИЯ

Несмотря на все преимущества решения Ipsilon, и оно не избежало критики. В общем она сводится к тому, что IP отдается предпочтение по сравнению с другими протоколами. Несмотря на то что многие компании используют IP и в глобальных и в локальных сетях, во многих сетях по-прежнему преобладают другие протоколы, такие как IPX компании Novell. В ответ на эту критику Ipsilon объявила, что намерена поддерживать IPX.

IP-коммутация обеспечивает также несколько уровней качества услуг (QoS). Ввиду того что IP-коммутаторы сами определяют характеристики потока для передачи трафика наиболее эффективным образом, они могут также принимать решение о требуемом QoS в зависимости от определения потока и гарантировать его с помощью RSVP или аппаратного обеспечения коммутатора. IP-коммутаторы способны также поддерживать многоадресную рассылку IP-пакетов с помощью процессов классификации потоков.

Стратегии миграции для компаний, заинтересованных в IP-коммутации, не представляют собой чего-либо сверхсложного, как утверждает Блэр. Если вы знаете, что такое IP-маршрутизация, то вам известно, что такое IP-коммутация. Приобретать новые знания или вкладывать средства в обучение не надо. Он предлагает начать с пилотной программы, когда IP-коммутаторы работали бы бок о бок с имеющимися маршрутизаторами, а затем постепенно добавлять коммутаторы. "Мы не требуем, чтобы потребитель пересмотрел архитектуру своей сети, потому что это задача отнюдь не тривиальная. Люди хотят, чтобы медленный трафик стал быстрее, и мы можем это сделать с помощью IP-коммутации".

Метод Ipsilon представляется весьма действенным, но, как и любая новая технология, не имеющая многолетней истории проб и ошибок, он воспринимается весьма скептически. Петроски по этому поводу говорит: "IP-коммутация весьма любопытная технология, и Ipsilon позволяет заказчикам контролировать те типы потоков, которые коммутатор способен идентифицировать. Однако я никогда не была сторонником этой схемы".

И такое мнение выглядит вполне обоснованным. Основной повод для недовольства вызывает стремление Ipsilon контролировать разработки в области IP-коммутации. Компания готова предоставить остальным права на реализацию IP-коммутации при условии, что Ipsilon будет сохранять контроль над реальной разработкой технологии. "Наши протоколы, такие как IFMP, открыты, но мы намерены двигаться как можно быстрее, чтобы наглядно продемонстрировать интероперабельность новой технологии и стимулировать создание совместимых реализаций", - поясняет Блэр. Поэтому Ipsilon относится весьма прохладно к самой возможности принятия протоколов в качесте стандарта одной из организаций по стандартизации, а конкретно IETF. "Стандарты, к сожалению, имеют один серьезный недостаток - процесс их принятия занимает чересчур много времени, и здесь не обходится без компромиссов". Ipsilon предпочла сделать общедоступную реализацию и открыть базовый код.

Петроски добавляет, что из-за того, что Ipsilon намеревается сохранять контроль над разработками в области IP-коммутациии, поставщики могут отказаться от ее поддержки. Цена также говорит не в пользу Ipsilon: потратиться придется не только на приобретение нового оборудования, но и на его адаптацию.

НАВЕШИВАНИЕ ЯРЛЫКОВ

Ipsilon была первой компанией, выдвинувшей альтернативу традиционной маршрутизации, но теперь она далеко не единственная. С момента "выхода в свет" IP-коммутации не менее полудюжины компаний анонсировали собственные полномасштабные стратегии или отдельные продукты. Осенью 1996 года, всего полгода спустя после того как Ipsilon ввела в оборот термин IP-коммутация, Cisco объявила, что она разрабатывает свой собственный метод для решения вопросов производительности и масштабируемости маршрутизаторов. Сразу же после представления архитектуры тег-коммутации на компанию посыпались обвинения в защите обширной инсталлированной базы маршрутизаторов ее производства от таких компаний, как Ipsilon. Это положило начало войне между Cisco и Ipsilon, войне, подогреваемой компьютерной прессой.

По версии Cisco, специалисты компании обратили внимание на некоторые проблемы, касающиеся прежде всего операторов Internet. Это была не столько производительность, сколько масштабируемость магистралей Internet. Поэтому Cisco начала работать над технологией в надежде решить проблемы, относящиеся к самому сердцу Internet. Во всяком случае, так утверждает Пол Макнаб, менеджер линии продуктов для IOS. "Внутри Internet от маршрутизации никуда не деться. Люди должны это понять", - говорит он.

Сеть, поддерживающая тег-коммутацию, состоит из нескольких компонентов: краевые тег-маршрутизаторы на границе сети, тег-коммутаторы и протокол Tag Distribution Protocol (TDP) для рассылки информации о пакетах.

Вместо обработки каждого пакета всеми маршрутизаторами поочередно в целях определения его получателя тег-коммутация использует теги - короткие метки фиксированной длины, - сообщающие маршрутизаторам и коммутаторам, что делать с пакетом, имеющим такой тег. Устройства, поддерживающие TDP, умеют выставлять теги и читать их. Вместо подробного разбора заголовка пакета с целью определения оптимального пути его доставки TDP-совместимые устройства просто считывают тег.

TDP - протокол третьего уровня, причем он работает со стандартными протоколами маршрутизации типа OSPF и RIP. После создания обычной таблицы маршрутизации TDP использует ее в целях распространения информации о тегах. Эта информация посылается тег-маршрутизаторам, строящим базу данных. С этого момента при получении краевым тег-маршрутизатором пакета для пересылки по использующей теги сети он просматривает заголовок с целью определения нужного пути. Затем он добавляет тег к пакету и посылает его следующему узлу. Следующим узлом является обычно тег-коммутатор: он не просматривает заголовок вовсе, а коммутирует пакет просто на основании информации, содержащейся в теге.

"При тег-коммутации, являющейся по сути упрощенной схемой маршрутизации, Cisco помещает теги между MAC- и IP-адресом, причем таблица маршрутизации получается намного короче. Так, тег-коммутаторы узнают (во многом аналогично маршрутизаторам), где другие устройства находятся до появления потоков данных, - говорит Петроски. - Таким образом, тег-коммутаторы знают маршруты до появления в сети пакетов".

"Тег-коммутация не отменяет маршрутизаторов, - подчеркивает Макнаб. - Если пакет должен пройти через пять маршрутизаторов, чтобы, выйдя из точки А, достичь точки Б, что ж, прекрасно. Мы делаем следующее: создаем соединение канального уровня между всеми маршрутизаторами, так что им не надо просматривать таблицы маршрутизации для того, чтобы определить, куда отправить пакет". Макнаб добавляет, что, даже если пакет проходит через области, где тег-коммутация не поддерживается - скажем, магистраль с маршрутизаторами у оператора Internet, - тег-коммутация применима и в этом случае. Конечно, такие маршрутизаторы не поддерживают TDP, но пакеты-то они передают: просто в этом случае вы не сможете воспользоваться всеми преимуществами тег-коммутации. Вследствие того что тег-коммутация индифферентна по отношению к трафику (в отличие от

IP-коммутации), весь трафик - и короткие посылки и длительные потоки - коммутируется с большой скоростью. IP-коммутация же позволяет коммутировать только длительные потоки.

Как и IP-коммутация, тег-коммутация позволяет использовать преимущества нижележащего оборудования ATM, но при этом вы не обязаны применять ATM.

Если Ipsilon хочет контролировать разработки других компаний в области IP-коммутации, то Cisco обратилась в IETF в надежде стандартизовать метод упрощенной маршрутизации. Рабочая группа IETF по многопротокольной маршрутизации с метками (Multiprotocol Label Switching, MPLS) начала недавно работать над стандартизацией, так что окончательный вариант появится только через некоторое время.

Отсутствие стандартов заставляет экспертов усомниться в перспективности тег-коммутации, но это не единственная причина для скептицизма. Петроски считает, что, используя такие схемы, как тег- и IP-коммутация, организация не только приобретает новое оборудование и/или модифицирует существующее, но и видоизменяет архитектуру сети. Если у вас есть 100 маршрутизаторов и некоторые из маршрутов меняются в какой-то момент, то вы должны сообщить об этом всем 100 маршрутизаторам. Иначе может оказаться, что вы посылаете пакеты в черную дыру. Если администратор сети относится с прохладцей к реконфигурации тег-сети при замене маршрутизаторов или маршрут от одной станции к другой меняется, то такая опасность становится вполне реальной.

ПО ПУТИ

Вскоре после того как Cisco анонсировала тег-коммутацию в сентябре 1996 года, некоторые другие компании представили свои собственные стратегии IP-коммутации или близкие к ней технологии.

В декабре 1996 года IBM выдвинула предложение в области IP-коммутации - Aggregate Route-Based IP Switching (ARIS). Как и Cisco, IBM совместно с рабочей группой MPLS разрабатывает отраслевой стандарт.

ARIS, часть стратегии IBM в области коммутируемых виртуальных сетей, сводит число коммутируемых путей в сети к минимуму, так что несколько маршрутов могут разделять один и тот же коммутируемый путь. Для этого подхода имеется следующее основание: если каждому маршруту через сеть соответствовал бы свой собственный коммутируемый путь, то такое решение не было бы масштабируемым.

3Com собирается представить свою быструю IP-технологию в третьем квартале 1997 года. Fast IP обеспечивает быструю IP-коммутацию в сетях Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Token Ring, ATM и даже Gigabit Ethernet. Он также объединяет несколько отраслевых стандартов, включая IEEE 802.1Q, определяющий поле тега внутри каждого кадра для идентификации виртуальных локальных сетей, и Next Hop Routing Protocol, позволяющий отправителю определить адрес получателя или следующего узла на пути к получателю.

Когда Fast IP-совместимый клиент хочет отправить пакет конкретному адресату, он посылает NHRP-запрос (содержащий MAC- и IP-адреса отправителя и получателя) на следующий маршрутизатор по пути. Маршрутизатор осуществляет фильтрацию и выполняет процедуры управления; если он знает получателя, то запрос будет коммутироваться ему. Если маршрутизатор не знает, где по пути находится конечная станция, он передаст запрос следующему маршрутизатору. В конце концов запрос достигнет маршрутизатора, знающего получателя, и дальше он будет коммутироваться, как утверждает Дуг Шерман, менеджер по маркетингу систем в 3Com.

Fast IP контролируется настольными системами и серверами, а не маршрутизаторами или коммутаторами. Клиентам необходима модернизация ПО, ее 3Com собирается предлагать бесплатно. После обновления клиенты получат преимущества Fast IP независимо от того, какие коммутаторы и маршрутизаторы работают в сети. В качестве варианта, функциональность Fast IP может быть встроена в коммутатор, тогда он тоже будет иметь возможность инициализировать этот процесс. 3Com собирается сделать собственное программное обеспечение Fast IP для своего семейства многофункциональных и краевых коммутаторов локальных сетей, а также для своей линии сетевых плат.

Cascade Communications представила в декабре 1996 года IP Navigator - собственного ставленника в мире IP-коммутации. Решение Cascade отличается тем, что он нацелено на владельцев сетей связи и операторов Internet. Ввиду того что многие сети представляют собой комбинации различных протоколов и топологий, IP Navigator обеспечивает качество услуг по frame relay и ATM. "Мы интегрировали краевой и базовые маршрутизаторы в наши коммутаторы. Тем самым удалось ликвидировать основные узкие места, благодаря тому что функция маршрутизации стала распределенной, - говорит Фред Саммартино, директор по маркетингу IP в Cascade. - Internet может быть и находится на краю пропасти, но до краха еще далеко".

В январе 1997 года Cascade, 3Com и IBM объявили о совместном проекте с целью реализации IP-коммутации из конца в конец в масштабах предприятия и всей Internet. Компании собираются объединить свои технологии с помощью таких стандартов, как NHRP, интеграция IP-коммутации между локальной и глобальной сетями и интеграция IP-коммутации между локальными сетями.

Не осталась в стороне и израильская компания RND, предложившая технологию FIRST (Fast Intranet Routed Switching Technology). FIRST осуществляет сквозную маршрутизацию и работает "в одной упряжке" с другой технологией RND, высокоскоростной пересылкой пакетов IPX и IP, - PowerIP. Технология PowerIP/FIRST функционирует следующим образом. При установлении соединения между двумя хостами IP сперва вычисляется путь между этими станциями, затем запрос передается на уровень протокола HRP, на котором происходит проверка административных ограничений. Если сквозная маршрутизация оказывается запрещена, то пакеты будут обрабатываться на основе таблиц быстрой пересылки (FFT - Fast Forwarding Tables). Если запрета нет, то PowerIP вычисляет кратчайший маршрут и пересылает запрос на уровень протокола VPRP, который устанавливает между станциями виртуальный канал на уровне коммутации. Стандартно устанавливается временный (session-based) виртуальный маршрут (SVR), действительный только до окончания сеанса связи, но при необходимости для хостов, требующих повышенной пропускной способности, можно задавать постоянные (permanent) виртуальные маршруты (PVR). Зоны сквозной маршрутизации PowerIP/FIRST - Power Domains - по сути образуют виртуальные сети, которые благодаря полной совместимости (на уровне IP) с существующими стандартами могут быть объединены через глобальные сети средствами стандартной маршрутизации.

Другие продукты и решения, такие как DirectIP-коммутация компании Nbase Communications и Secure Fast Virtual Networking компании Cabletron, предлагают заказчикам иные варианты ускорения трафика в сетях.

ПРОБЛЕМА ВЫБОРА

Ввиду того, что такие упрощенные схемы маршрутизации, как IP- и тег-коммутация, не прошли широкой апробации на практике, отрасль весьма настороженно относится к предложениям Ipsilon и Cisco. Петроски, исследовавшая упрощенную маршрутизацию и написавшая 50-страничный отчет на эту тему (его можно найти на узле www.tbg.com), утверждает, что, несмотря на некоторое сходство стандартов, администраторам сетей не следует торопиться с кардинальным изменением инфраструктуры их сети. "При таком обилии незавершенных протоколов модернизировать оборудование и затем менять его снова, когда стандарты будут готовы, не имеет смысла", - считает она и добавляет, что компании не должны ограничивать свой выбор только одним методом. Так, например, она предлагает обратить внимание на коммутаторы третьего уровня - маршрутизаторы, способные обрабатывать пакеты очень быстро. Их описание см. во врезке "Раз, два - и готово".

Хотя Cisco, IBM и другие тесно сотрудничают с IETF, никаких признаков того, что все они могут сойтись на одном или нескольких отраслевых стандартах, нет. Но как и любая новая технология, способная помочь вашей компании, IP-коммутация, или упрощенная коммутация - называйте ее как угодно, - заслуживает пристального внимания.

КОММУТАТОРЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ СНИЖАЮТ ПЕРЕГРУЗКИ

Раз, два - и готово

Такие решения, как IP-коммутация Ipsilon или тег-коммутация Cisco, призваны разрешить все ваши проблемы, связанные с маршрутизацией. Однако эти схемы предусматривают замену большей части имеющегося оборудования или его переконфигурацию.

Компании, желающие снизить загруженность маршрутизаторов на уровне локальной сети и при этом избавить себя от необходимости глубоко вникать в сложные архитектурные схемы, могут выбрать новое поколение так называемых коммутаторов третьего уровня. Хотя сравнение таких устройств не всегда возможно, как правило, они представляют собой быстрые маршрутизаторы, обеспечивающие высокую пропускную способность, причем организации не надо производить кардинальные перемены в существующем оборудовании и архитектуре сети.

Свои способы решения задач маршрутизации предлагают несколько поставщиков. В 1996 году Madge Networks представила свою архитектуру MadgeOne для коммутируемых сетей. Она позволяет поддерживать самый разнообразный трафик, в том числе голос, видео и другие типы мультимедийного трафика.

Как часть этой архитектуры компания анонсировала стратегию многоуровневой коммутации для локальных сетей, IP/IPX-коммутация дополняется функциями маршрутизации; таким образом она позволяет решить многие застарелые проблемы традиционных маршрутизаторов. Коммутирующий модуль IP/IPX для концентратора LANswitch сочетает коммутацию на втором уровне с маршрутизацией на третьем. Многоуровневый коммутатор может сам выбирать, какой метод лучше в данной конкретной ситуации (см. Рисунок).

В конце марта 1997 года Hewlett-Packard представила технологию HP NetReady, благодаря которой коммутаторы производства Hewlett-Packard приобретают функции коммутации третьего уровня. Эта технология является частью AdvanceStack Switch 800T и AdvanceStack Switch 2000 c автоматизированным управлением широковещательным трафиком (HP Automated Broadcast Control, ABC). ABC имеет все те же возможности управления широковещательным трафиком, что и обычный маршрутизатор, но при этом обладает гораздо более высокой производительностью.

Bay Networks также выдвинула свое предложение для коммутации третьего уровня. Пятислотовое шасси будет поддерживать Ethernet, Fast Ethernet и ATM. Модуль управления отображает IP-адреса на MAC-адреса. Кроме того, он хранит эту информацию для последующего использования.

Коммутацию третьего уровня не оставили без внимания и многочисленные производители Gigabit Ethernet, появившиеся менее года назад. Foundry Networks анонсировала семейство продуктов FastIron для Gigabit Ethernet, среди которых FastIron Gigabit Multilayer Switch. Продукт, осуществляющий коммутацию второго и третьего уровня, будет производить первичную обработку трафика для маршрутизаторов. Foundry заявляет, что благодаря многоуровневой обработке продукт позволит сократить трафик через существующие маршрутизаторы на 80%. Он гарантирует качество услуг и поддерживает виртуальные локальные сети.

Другой новоявленный производитель Gigabit Ethernet, компания Rapid City Communications, разработала полностью интегрированное семейство маршрутизирующих коммутаторов на основе единой технологии Rapid City. Они осуществляют коммутацию и маршрутизацию со скоростью линии, а также поддерживают QoS, многоадресную рассылку IP-трафика и виртуальные локальные сети.

Эксперты рассматривают коммутаторы третьего уровня как жизнеспособное средство интеграции маршрутизации с коммутацией. "Коммутаторы третьего уровня позволят администраторам сетей решить насущные проблемы маршрутизации и без применения более сложных схем, - говорит Мэри Петроски, старший аналитик Burton Group. - Они представляют собой гораздо более дешевую альтернативу IP-коммутации, к тому же вам не придется иметь дело с совершенно новым алгоритмом".