Операторы, предлагающие услуги IP на базе инфраструктуры ATM, выбрали не самое плохое решение. Однако ограничения модели «IP поверх АТМ» вынуждают администраторов искать выход из сложившейся ситуации и пытаться изменить стратегию миграции.

Вместе с увеличением требований к сети вследствие расширения спектра предлагаемых услуг IP можно ожидать дефицита производительности и масштабируемости. Тем операторам, кто хотел бы отказаться от асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM), можно предложить два пути миграции: к базирующейся на передаче ячеек инфраструктуре с многопротокольной коммутацией меток (Multi-Protocol Label Switching, MPLS) или к аналогичной инфраструктуре, но основанной уже на передаче пакетов. Успех первого способа будет, по всей видимости, кратковременным: он лишь замедлит окончательный переход к основанной на пакетной передаче инфраструктуре MPLS из-за небольшого количества преимуществ по сравнению с предшествующей структурой IP поверх АТМ.

ЯЧЕЙКИ И ПАКЕТЫ

Подходы, основанные на передаче ячеек и пакетов, схожи в том, что в плоскости управления маршрутизатора с коммутацией меток (Label Switching Router, LSR) применяются только протоколы на базе IP, среди которых — протокол выбора кратчайшего пути первым (Open Shortest Path First, OSPF), протокол «промежуточная система — промежуточная система» (Intermediate System to Intermediate System Protocol, IS-IS), протокол распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP) и протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP). Поэтому в случае использования LSR с ячейками нет необходимости в применении специфичных для АТМ адресов и протоколов маршрутизации.

Однако семантика метки в этих подходах неодинакова: в случае MPLS на базе пакетов метка в явном виде стоит перед передаваемым пакетом в виде так называемой «прокладки» (shim header). А в случае MPLS на базе ячеек метка неявным образом присутствует в полях АТМ VPI/VCI. Как бы то ни было, результирующий просмотр с целью определения направления дальнейшего продвижения (Forwarding Lookup) реализуется достаточно просто аппаратными средствами в виде специализированных интегральных схем (Applications Specific Integrated Circuit, ASIC). Существенное различие состоит в том, что MPLS на базе пакетов позволяет вставлять несколько «прокладок» одну за другой и таким образом, наряду с передачей IPv4, предоставить такие службы, как VPN.

MPLS на базе ячеек не предусматривает организации стека заголовков. Поэтому в сети ATM/MPLS отсутствует фундаментальный инструмент масштабирования для транспорта в одной сети LSP с ячеистой топологией нескольких служб (см. Рисунок 1). Следовательно, в случае технологии АТМ/ MPLS для каждого приложения требуется специализированная распределительная сеть LSP. Это повышает количество используемых в сети меток. Плоская иерархия и отсутствие изоляции между транспортом и приложениями создают заметную нагрузку на плоскость управления коммутаторов ATM/ MPLS, поскольку каждый узел MPLS в ядре должен знать о каждом приложении для обработки сигнального трафика.

В случае же MPLS на базе пакетов требуется создать лишь транспортную сеть. «Приложения» IPv4, IPv6 и передача VPN используют ее совместно, а для дифференциации служит вторая «внутренняя» метка.

РАСТУЩАЯ СЛОЖНОСТЬ

Фактически микросхемы для сегментирования и сборки со скоростью больше OC-12/STM-4 (622 Мбит/с) так никогда и не появились на рынке. Обусловленное этим фактом параллельное использование линий OC-12 послужило причиной возникновения узких мест вплоть до ядра сети. Помимо этого, из-за дополнительных накладных расходов при управлении маршрутизирующим оборудованием растет сложность сети.

Традиционная структура «IP поверх АТМ» использует доступную пропускную способность неэффективно. Наибольшие накладные расходы возникают из-за наполовину заполненных ячеек: один пакет подтверждения приема сообщения ТСР размером 40 байт из-за добавления заголовка AAL-5 и заголовка SNAP уже не умещается в одной ячейке и занимает две по 53 байт каждая — всего 106 байт. Поскольку подобные пакеты представляют собой достаточно большую часть общего трафика Internet, это вызывает потери в размере 20% для магистральной линии: из фактически доступной скорости 598 Мбит/с для линии ОС-12/STM-4 напрасно теряются 120 Мбит/с — такие потери называют «налог на ячейку» (см. Рисунок 2).

В традиционных структурах IP поверх АТМ поддержка служб IP ограничена: в отношении качества услуг дифференцированные сервисы (Differentiated Services, DiffServ) в IP и CoS не так хорошо подходят к механизмам АТМ, таким, как QoS. Преобладающий метод проектирования сети состоит в том, чтобы как можно больше трафика оставить на уровне ячеек во избежание появления узких мест. Администраторы соединяют все маршрутизаторы посредством прямых виртуальных каналов (Virtual Channel, VC). К сожалению, при этом часто остаются без внимания динамические особенности протоколов маршрутизации в зависимости от состояния канала (Link State Routing Protocol), IS-IS или OSPF, которые обо всех изменениях (сообщение о состоянии канала — Link State Advertisement, LSA)) обмениваются посредством лавинной маршрутизации: маршрутизатор рассылает информацию всем соседям. Проверив поле с порядковым номером в этих LSA, каждый маршрутизатор сам локально принимает решение о его отправке в зависимости от того, получал ли он такое сообщение ранее. Полносвязная топология виртуальных каналов приводит к эффекту гигантского умножения LSA («шторму LSP»). В худшем случае отказ отдельного маршрутизатора оборачивается генерацией N3 обновлений в сети. В средней сети с сотней маршрутизаторов достаточно быстро (в течение 200 мс) могут быть отправлены до одного миллиона LSA. Это приводит к возникновению чрезмерной нагрузки при использовании протоколов внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol, IGP) и нередко завершается общим отказом системы.

MPLS НА БАЗЕ ПАКЕТОВ

Уже имеющиеся структуры MPLS, основанные на пакетной передаче данных, доказали, что они в состоянии преодолеть описанные выше проблемы. Узкие места с сегментированием и повторной сборкой отпадают сами собой, поскольку MPLS на базе пакетов не привязана к АТМ в качестве механизма передачи данных. Инфраструктура ячеек АТМ становится также излишней, пропускная способность используется эффективнее. Управлять двумя инфраструктурами не нужно, потому что достаточно одной плоскости управления IP/ MPLS, а трафик проходит через осуществляющие передачу кадров коммутаторы. Кроме того, MPLS на базе пакетов поддерживает модель DiffServ/QoS, так как передающие кадры LSR считывают и записывают биты EXP в стек меток MPLS, где содержится информация о DiffServ. Такие LSR позволяют реализовать определяемое в соответствии с DiffServ поведение на каждом транзитном узле (Per-Hop Behavior, PHB): обработка пакета при его продвижении производится на каждом узле в соответствии с приоритетом c учетом битов DiffServ. Таким образом, LSR предлагает несколько уровней сервиса.

Еще одним преимуществом использования системы является упразднение сложной топологии в пределах промежуточного уровня на базе каналов. При возникновении сбоев это предотвращает описанное умножение LSA в результате лавинной маршрутизации в IGP.

MPLS С КОММУТАЦИЕЙ ЯЧЕЕК

В пользу временной миграции на структуры MPLS на базе ячеек говорит многое. Однако преимущества объединения обеих плоскостей управления ограничиваются снижением нагрузки на IGP и упрощенным управлением CoS. Более того, это имеет силу лишь тогда, когда оператор собирается предлагать только услуги, основанные на передаче кадров. В таком случае необходимы два типа устройств: маршрутизатор IP и коммутатор АТМ. Если же оператор собирается и впредь предоставлять сервисы АТМ параллельно с услугами на базе кадров, то все преимущество теряется, управление CoS снова становится сложным. Поэтому переход на MPLS с коммутацией ячеек можно рекомендовать лишь тем из провайдеров, кто желает сохранить свою инфраструктуру АТМ, не имеет средств для инвестиций в новые LSR на базе кадров, верит в будущее сетей на основе ячеек и отдает предпочтение транспорту с коммутацией ячеек вместо трафика кадров.

Вдобавок к уже упомянутым недостаткам MPLS с коммутацией ячеек не в состоянии полностью поддерживать резервный механизм MPLS Fast Reroute. Причина в том, что АТМ LSR работают обычно в режимах передачи по требованию вниз по потоку (Downstream on Demand) и консервативного сохранения меток (Conservative Label Retention). При отказе маршрута у находящегося вниз по потоку LSR необходимо запрашивать новые метки. А LSR, базирующиеся на передаче кадра, используют другие режимы: без запроса вниз по потоку (Unsolicited Downstream) и либерального сохранения меток (Liberal Label Retention). Каждому префиксу могут быть приписаны несколько меток (соответствие меток). Таким образом, резервный путь имеется всегда, несмотря на изменение направления.

Если есть насущная необходимость в том, чтобы трафик ячеек АТМ и впредь проходил через базирующуюся на передаче пакетов инфраструктуру MPLS, это возможно сделать посредством VPN второго уровня и трансляции ячеек (Cell Relay). Причем сетевой стек в известной степени ставится с ног на голову (см. Рисунок 3): АТМ из несущего протокола становится приложением, которое маршрутизаторы обслуживают наряду с прочим трафиком кадров. Для обеспечения бесперебойного потока упакованных ячеек АТМ значение битов ЕХР в MPLS задается равным 101 (т. е. 5), и при перегрузке ему обеспечивается приоритетная обработка. Подобные возможности устраняют высказываемые поначалу опасения сообщества пользователей АТМ в отношении QoS.

ВИДЫ МИГРАЦИИ

Для краткосрочной миграции в направлении MPLS с коммутацией ячеек нужно лишь модернизировать программное обеспечение и маршрутизирующие процессорные модули для коммутаторов АТМ. Однако при достижении оператором пределов производительности и масштабируемости, переход к MPLS на базе пакетов становится уже неизбежен. Общая стоимость поэтапной миграции выше, чем немедленная трансформация от «IP поверх АТМ» к MPLS на базе пакетов. Кроме того, сообщество провайдеров едва ли обладает опытом для миграции от MPLS с коммутацией ячеек к MPLS на базе пакетов. Поэтому сказать, каковы будут последствия перехода в крупной корпоративной сети, нельзя.

Если в будущем планируются приложения на базе кадров, то пакетная MPLS, без сомнения, является лучшим решением. Провайдерам, сомневающимся в перспективах технологий с преобладающим использованием кадров, следует оставаться с имеющейся инфраструктурой АТМ и продолжать применять IP поверх ATM для поддержки своих услуг с передачей кадров. Тем, однако, кто верит в будущее кадров и хочет защитить свои инвестиции в АТМ, следует отказаться от прежней инфраструктуры и направить дальнейшие инвестиции на MPLS на базе пакетов.

Ханнес Гредлер — консультант в области профессиональных услуг в компании Juniper. С ним можно связаться по адресу: http://www.juniper.de.


? AWi Verlag

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями