Предпосылки появления новой сетевой архитектуры
Архитектура IP-коммутации
Преимущества IP-коммутации
IP-коммутация в глобальных сетях

Похоже, что это единственный способ, которым можно обеспечить в Internet передачу аудио- и видеоинформации в сколько-нибудь значительных объемах и с приемлемым качеством.

Боб Меткалф

Беспрецедентное развитие в конце XX в. информационной и коммуникационной отраслей предопределило появление новых технологий, обеспечивающих предоставление услуг мультимедиа в широкополосных сетях. Такие технологии и концепции отражают большие изменения на рынке телекоммуникаций, среди которых можно выделить следующие:

  • создание новой глобальной сетевой инфраструктуры на базе широкополосных сетей и суперскоростных глобальных магистралей;
  • принципиальные изменения на рынке дополнительных услуг (value added services), где доминирующую роль начинают играть услуги сетей мобильной связи и Internet;
  • появление на рынке новых типов "игроков" - брокеров, розничных продавцов и т. д., что обуславливает более жесткую конкуренцию и изменение стоимости услуг.
  • В основе глобальных изменений рынка - во-первых, использование Internet как среды предоставления услуг, а во-вторых, либерализация рынка телекоммуникаций, всем участникам которого приходится объединять усилия в создании более гибких и эффективных сетевых архитектур. Ключевой вопрос для сетей будущего -качественное и экономически оправданное предоставление пользователю услуг мультимедиа, например видео/аудио по запросу (Video/Audio on Demand). Ясно, что для этого требуются новые сетевые архитектуры, обладающие, кроме высокой производительности, "интеллектом" сегодняшних IP-сетей.

    Базовой сетевой архитектурой национальных и глобальных опорных магистралей сейчас является ATM. Спектр разрабатываемых для нее интеллектуальных надстроек достаточно широк - B-ISDN, B-IN, UMTS и др. Однако перечисленные технологии, во-первых, направлены на решение проблем, которые характерны, главным образом, для сетей общего пользования, а во-вторых, не предлагают решений для интеграции IP-сетей с сетями ATM. Одним из наиболее привлекательных решений этой задачи является достаточно новая и весьма перспективная технология IP-коммутации для сетей ATM, разработанная компанией Ipsilon Networks. В данной статье предлагается краткий обзор основных принципов IP-коммутации и обсуждаются предпосылки появления этой технологии.

    Предпосылки появления новой сетевой архитектуры

    Одним из принципиальных вопросов, который неизбежно встает перед крупными провайдерами услуг Internet и операторами сетей общего пользования, является выбор между "интеллектом" динамической маршрутизации и скоростью передачи по широкополосным магистралям. IP-маршрутизаторы предлагают эффективное управление и сегментацию крупных сетей, но обеспечивают ограниченную пропускную способность. Коммутаторы же, наоборот, обеспечивают высокую производительность, но не обладают "интеллектом" IP-маршрутизации. В результате IP-сети сегодня - это сочетание отдельных маршрутизаторов, соединенных между собой либо заказными выделенными линиями, либо посредством коммутаторов frame relay или АТМ. Как правило, крупные IP-сети являются иерархическими, поскольку состоят из нескольких региональных сетей маршрутизаторов, которые связаны глобальной магистралью маршрутизаторов (national backbone).

    До внедрения сетей, построенных по технологии frame relay или АТМ, для соединения нескольких удаленных узлов требовалось создать сеть выделенных линий с топологией "звезда" или "сеть". Топология "звезда" оптимальна с точки зрения затрат, так как позволяет минимизировать количество глобальных соединений, но при ее использовании приходится пожертвовать избыточностью линий. Более дорогой, но и более надежной является топология "сеть". В обоих случаях основной идеей является применение выделенных линий для соединения маршрутизаторов в некотором числе узлов. На рис. 1, а показана топология простой сети, состоящей из четырех маршрутизаторов, связанных между собой выделенными линиями. Такие сети легко расширяются с помощью введения иерархии, но плохо поддаются масштабированию. Здесь под термином "масштабирование" понимается способность сети увеличивать производительность пропорционально увеличению ее размера. Например, объединение группы, состоящей из n узлов, в соответствии с топологией "полносвязная сеть" требует n(n-1)/2 выделенных линий. Чем больше узлов, тем больше требуется выделенных линий для их соединения, а следовательно, больше маршрутизаторов и интерфейсов в каждом из них, что делает создание IP-сети довольно дорогостоящим.

    Picture 1(1x1)

    Рисунок 1.
    Примеры построения IP-сетей:
    а - маршрутизаторы связаны между собой выделенными линиями;
    б - маршрутизаторы объединены через коммутационное "облако" ATM или frame relay.

    В последнее время технологии frame relay и ATM стали все чаще рассматриваться в качестве альтернативы выделенным линиям при создании "полносвязной сети". Соединение в соответствии с этими технологиями подразумевает создание выделенных каналов от маршрутизатора до опорной сети, а затем установление постоянных виртуальных каналов (Permanent Virtual Channel - PVC) от коммутационного "облака" к другим маршрутизаторам. На рис. 1,б показана простая сеть, состоящая из четырех маршрутизаторов, объединенных через "облако" frame relay или ATM. Однако такие сети также обладают рядом недостатков, проявляющихся по мере увеличения их размеров, обусловленного, в свою очередь, стремительным развитием Internet.

    В отличие от сетей, построенных на основе Ethernet, FDDI и других LAN-технологий, сети ATM и frame relay не имеют широковещательного множественного доступа (Non-Broadcast Multiple Access - NBMA). Неспособность маршрутизаторов таких сетей работать в широковещательном режиме приводит к дублированию широковещательных пакетов (например, управляющих пакетов обновления маршрута), относящихся к каждому идентификатору соединения (Data Link Connection Identifier - DLCI) в случае frame relay и к идентификаторам виртуального пути/виртуального канала (Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier - VPI/VCI) - при использовании АТМ-интерфейса маршрутизатора. Дублирование широковещательных пакетов обновления маршрута приводит к сокращению полезного процессорного времени и, следовательно, уменьшению ширины входного канала сети NBMA, делая крупномасштабную сеть, построенную в соответствии с топологией "полносвязная сеть", неэкономичной. Управлять такой сетью сложно, а иногда и практически невозможно, так как в этом случае необходимо "вручную" разместить и настроить n(n-1)/2 DLCI или VPI/VCI, где n - число логических входов в "облако".

    Альтернативой "полносвязной сети" является неполносвязная сетевая топология. В сети, построенной в соответствии с такой топологией все маршрутизаторы, окружающие "облако" коммутаторов, соединены с ним, при этом прямое соединение маршрутизаторов друг с другом не обязательно. Цель такого подхода - привести избыточность соединений в соответствие с ограничением на число PVC в сети. В неполносвязной сетевой топологии наличие выделенного PVC для каждой пары маршрутизаторов не является необходимостью: маршрутизаторы, не связанные между собой логически, соединяются посредством "общего" маршрутизатора, который, в свою очередь, связан с каждым из них через PVC. Таким образом, уменьшается число выделенных линий и VPI/VCI, приходящихся на каждый узел, что, в конечном счете, уменьшает широковещательную нагрузку на маршрутизатор. Однако уменьшение нагрузки происходит за счет увеличения числа транзитных пунктов маршрутизации (router hops) и уменьшения общей надежности сети. Два маршрутизатора, физически подключенных к одному облаку, вынуждены пересылать данные через третий маршрутизатор, что влечет за собой увеличение задержки, усложнение сети, да и вообще может свести на нет выгоды такого подхода.

    Еще одной проблемой сети, включающей в себя "облако" коммутаторов, являются операции IP-мультикастинга (многоадресной рассылки, т. е. передачи потока данных нескольким пользователям одновременно). Для эффективного выполнения подобного рода операций требуется полное представление о топологии всей сети, поскольку в противном случае пакеты IP-мультикастинга могут без необходимости подвергаться дублированию и передаваться через одни и те же транспортные соединения. Однако при использовании оборудования, ориентированного на соединение, топология "облака" коммутаторов неизвестна окружающим его маршрутизаторам. Так, при топологии "полносвязная сеть" каждый маршрутизатор, подключенный к "облаку", считает, что на пути до любого другого маршрутизатора "облака" есть по крайней мере один транзитный пункт. По мере поступления пакетов многоадресной рассылки, которые приходят на такой маршрутизатор и предназначены для нескольких узлов, подключенных к различным точкам "облака", эти пакеты будут дублироваться (рис. 2,б). В случае сети маршрутизаторов дублирование окажется более разумным (рис. 2,а).

    Picture 2(1x1)

    Рисунок 2.
    IP-мультикастинг в сети маршрутизаторов (а) и через "облако" NBMA (б).

    Указанные проблемы делают весьма сложным выбор между коммутацией и маршрутизацией при создании современной IP-сети. Для операторов сетей общего пользования этот вопрос стоит еще более остро. Развитие инфраструктуры существующей сети коммутаторов и высокоскоростных каналов связи требует внедрения дорогостоящих маршрутизаторов, которые неспособны работать с той же скоростью, что и коммутаторы, а это является весьма существенным недостатком. В результате обычно используется компромиссный вариант, который требует управления двумя независимыми сетями, а именно сетью NBMA ("облаком", состоящим из выделенных линий, frame relay- или ATM-коммутаторов) и сетью, объединяющей между собой большое число маршрутизаторов. Как уже было сказано, эти сети ничего "не знают" друг о друге, так как маршрутизаторам неизвестна топология "облака", а коммутаторы из "облака" не умеют разбираться в данных IP-маршрутизации. Отсутствие общего "интеллекта" создает проблемы при масштабировании и управлении сетью, в том числе приводит к неэффективности операций многоадресной рассылки.

    Архитектура IP-коммутации

    Компания Ipsilon Networks разработала уникальный метод интеграции технологии высокоскоростной коммутации с IP-маршрутизацией, который дает возможность операторам сетей общего пользования и провайдерам услуг Internet создавать крупные IP-сети, не жертвуя при этом масштабируемостью и функциональностью IP-маршрутизаторов или производительностью высокоскоростных коммутаторов. Этот метод основан на двух идеях:

  • IP-маршрутизация может осуществляться поверх коммутационного оборудования ATM при помощи программного обеспечения Ipsilon, управляющего ATM-коммутаторами;
  • IP-пакеты можно классифицировать по типам на основе какой-либо их общей характеристики.
  • Основываясь на этих положениях, Ipsilon объединила IP-маршрутизацию и высокоскоростную коммутацию и создала новый класс сетевых устройств - IP-коммутаторы (IP Switch, IPS). Эти устройства могут динамически переключать режимы пересылки пакетов - с использованием стандартной IP-маршрутизации (hop-by-hop) или через коммутатор ATM - в зависимости от типа потока. На рис. 3 показаны базовые компоненты IP-коммутатора. Обратите внимание, что ПО Ipsilon заменяет протоколы обмена сигналами, ориентированные на соединения (SSCOP, Q.2931 и др.), а также протоколы маршрутизации и мостовых соединений (такие как LANE, PNNI, MPOA, NHRP) на протоколы IP-маршрутизации (например, RIP, OSPF, BGP), являющиеся на сегодня стандартами де-факто в Internet.

    Picture 3(1x1)

    Рисунок 3.
    Компоненты IP-коммутатора.

    Структура и принципы функционирования IPS

    IPS состоит из высокоскоростного коммутационного механизма ATM (ATM switching fabric) и контроллера IPSC (IP Switch Controller). IPSC представляет собой стандартную станцию на основе процессора Intel Pentium Pro, оборудованную шиной PCI, с программным обеспечением Ipsilon. IPSC может быть как внешним устройством, подключенным к одному из портов низлежащего коммутатора через установленную непосредственно в IPSC сетевую интерфейсную карту, так и внутренним, интегрированным в коммутационный механизм ATM. ПО Ipsilon, установленное в IPSC, выполняет все функции IP-маршрутизации (включая поддержку стандартных протоколов, таких как RIP, OSPF и DVMRP) и включает в себя алгоритмы классификации потоков. Низлежащий коммутатор - это стандартный ATM-коммутатор, который поддерживает протокол GSMP (General Switch Management Protocol), а соответственно, управляется IPSC.

    При создании IP-коммутации преследовалась также цель эффективного использования оборудования Intel за счет прохождения через него лишь малой доли трафика и перекладывания большей части нагрузки на коммутатор ATM. Для того чтобы IPS мог использовать все преимущества связанного с ним коммутатора ATM, ПО IPS определяет, в каких случаях следует обрабатывать пакет непосредственно в коммутационном оборудовании (без привлечения программной обработки). ПО Ipsilon осуществляет выбор, классифицируя пакеты IP как часть либо долговременного (long-lived), либо кратковременного (short-lived) потока; при этом IP-поток рассматривается как последовательность пакетов, пересылаемых из некоторого источника некоторому адресату и имеющих общие характеристики (например, протокол, номер порта TCP/UDP и др.). Далее долговременные и кратковременные потоки будем называть соответственно ll- и sl-потоками. Архитектура IP-коммутации позволяет обрабатывать потоки дифференцированно: ll-потоки (например, при передаче файлов или загрузке изображений из WWW) обрабатываются в коммутационном оборудовании, а sl-потоки (например, запросы DNS) передаются стандартным образом (hop-by-hop) через IPSC.

    На рис. 4 показано, как функционирует IPS. Рассмотрим в качестве примера поток трафика, следующий из некоторого узла-источника (upstream node) в IPS, а затем в узел-адресат (downstream node). Узлом-адресатом может быть любое устройство типа граничного маршрутизатора, мультиплексора доступа, хоста/сервера либо другой IPS. По умолчанию IP-пакеты передаются стандартным образом без установления соединения через VPI/VCI в IPS, а затем в узел-адресат (рис. 4, шаг 1). Ячейки поступают в IPS через порт коммутатора ATM, пересылаются в IPSC и опять собираются в IP-пакеты для обработки по маршрутизационным таблицам, а потом передаются с помощью ПО Ipsilon так же, как и обычным маршрутизатором.

    Picture 4(1x1)

    Рисунок 4.
    Схема функционирования IPS
    1- передача IP-пакетов стандартным методом (hop-by-hop). IPSC и узел-адресат принимают независимые решения о классификации потоков;
    2 - IPSC посылает узлу-источнику сообщение, требующее, чтобы он использовал указанный VC для пересылки пакетов, принадлежащих данному потоку;
    3 - последующий трафик направляется по указанному VC;
    4 - узел-адресат также посылает узлу-источнику (т. е. IPS) сообщение, требующее, чтобы он использовал указанный VC для пересылки пакетов, принадлежащих данному потоку;
    5- последующий трафик направляется по указанному VC;
    6- трафик уникально идентифицирован на входе и выходе. Последующий трафик этого потока IP-коммутатор направляет непосредственно в оборудование ATM

    Программное обеспечение Ipsilon осуществляет также классификацию потока и определяет, следует ли обрабатывать пакеты, относящиеся к этому потоку, непосредственно в ATM-коммутаторе, минуя IPSC. Если ПО Ipsilon принимает решение, что некоторый поток должен быть скоммутирован, то в узел-источник посылается сообщение о таком перенаправлении потока, чтобы последующие IP-пакеты, принадлежащие этому потоку, пересылались через канал ATM с использованием заданного VPI/VCI (рис. 4, шаги 2 и 3). Узел-адресат также может выдать сообщение о перенаправлении потока, осуществив его классификацию. В этом случае сообщение передается соседу узла-источника IPS (upstream neighbor), а затем (рис. 4, шаги 4 и 5) пакеты, принадлежащие некоторому потоку, "привязываются" к определенному VC как в узле-источнике, так и в узле-адресате IPS. Последующие пакеты, принадлежащие этому потоку, будут полностью обрабатываться в ATM-коммутаторе, освобождая IPSC от необходимости их маршрутизировать или обрабатывать (рис. 4, шаг 6). Чем больше пакетов IP-трафика динамически переводятся в коммутационный механизм ATM, тем ближе производительность обработки пакетов IPS к производительности ATM-коммутатора; при правильном построении сети она может достигать комбинированной скорости всех портов коммутатора ATM.

    Протоколы IP-коммутации

    Компанией Ipsilon разработаны протоколы, поддерживающие функционирование IPS (рис. 5). Первый из них - протокол GSMP - позволяет ПО Ipsilon управлять и обмениваться сообщениями с ATM-коммутатором. Второй - Ipsilon Flow Management Protocol (IFMP) - осуществляет связь между соседними устройствами, позволяя им генерировать и принимать сообщения о переадресации и отвечать на них. Спецификации этих протоколов изданы IETF в качестве документов RFC.

    Picture 5(1x1)

    Рисунок 5.
    Протоколы IP-коммутации.

    Преимущества IP-коммутации

    Предлагаемая компанией Ipsilon технология IP-коммутации обладает рядом несомненных преимуществ. Во-первых - и это основное преимущество - она оптимизирована для обработки достаточно интенсивных потоков информации. Чем большую часть трафика программное обеспечение Ipsilon характеризует как ll-потоки, тем ближе пропускная способность IPS к производительности ассоциированного с ним ATM-коммутатора. Используя статистические данные по Internet и алгоритмы классификации потоков, компания Ipsilon установила, что более 90% трафика следует обрабатывать аппаратно.

    Во-вторых, благодаря применению стандартного оборудования как для IPS, так и для коммутационной структуры (процессоров Intel и высокоскоростных коммутаторов ATM) обеспечивается оптимальное соотношение цена/производительность.

    В-третьих, при IP-коммутации для управления сетью используется стандартное ПО IP-маршрутизации, что позволяет масштабировать сеть с IP-коммутацией так же просто, как сеть с IP-маршрутизацией. Кроме того, IP-коммутация позволяет масштабировать любой узел сети гораздо проще, чем при использовании самых совершенных маршрутизаторов.

    В-четвертых, IPS-коммутация упрощает управление сетью, состоящей из высокоскоростных коммутаторов и обычных IP-маршрутизаторов, так как все устройства сети управляются стандартным ПО IP-маршрутизации.

    И наконец, в-пятых, IPS оставляют далеко позади обычные маршрутизаторы, коммутаторы ATM и frame relay там, где необходимы операции IP-мультикастинга и градация качества сервиса (QoS - Quality of Service).

    IP-мультикастинг

    При передаче идентичных пакетов различным получателям по одной или нескольким линиям связи существенно повышается нагрузка на сеть. Поэтому появилась необходимость в эффективных протоколах, позволяющих вести передачу в режиме многоадресной рассылки (мультикастинга). Протоколы мультикастинга позволяют передающему узлу пересылать только один экземпляр данных разным получателям, а не несколько копий каждому. При операциях многоадресной рассылки взаимодействие мультикастинговых адресов с IP-протоколами маршрутизации (например, DVMRP, PIM, MOSPF) и протоколом IGMP (Internet Group Management Protocol) позволяет сети дублировать мультикастинговые пакеты только в оптимальных для этого точках сети, сокращая тем самым использование полосы пропускания и освобождая ресурсы сети.

    Как и стандартная маршрутизация, IP-коммутация реализует стандартные IP-протоколы многоадресной рассылки. В настоящее время ПО Ipsilon поддерживает протоколы маршрутизации DVMRP и IGMP. Однако, в отличие от традиционных маршрутизаторов, IP-коммутаторы могут дублировать пакеты аппаратно, используя оборудование ATM, а не программно. Благодаря этому сокращаются затраты ресурсов процессора и памяти. Такая реализация IP-мультикастинга легче масштабируется, чем программные решения на основе традиционных маршрутизаторов и, естественно, более эффективна.

    В отличие от коммутаторов ATM и frame relay IPS реализует IP-мультикастинг, используя стандартные IP-протоколы многоадресной рассылки. А поскольку IPS воспринимается остальными устройствами сети как стандартный маршрутизатор (хотя и более быстрый), отпадает необходимость в дополнительных протоколах или ПО для реализации IP-мультикастинга в гетерогенной среде, содержащей IPS и традиционные маршрутизаторы. Следует заметить, что ATM Forum еще не решил проблемы, связанные с IP-мультикастингом, в готовящейся спецификации MPOA. В NHRP обработка операций многоадресной рассылки также является слабым местом. В настоящее время не существует других реализаций IP-мультикастинга на основе коммутаторов ATM и работающих протоколов маршрутизации, кроме IPS компании Ipsilon.

    IP-коммутация и качество сервиса

    При рассмотрении QoS следует выделять два события: запрос пользователем или приложением некоторого уровня качества сервиса и выполнение этого запроса различными сетевыми устройствами. Поскольку IPS управляются так же, как и традиционные IP-маршрутизаторы, они могут использовать любой метод из арсенала традиционного маршрутизатора, необходимый для выполнения запроса на некоторый уровень качества сервиса, в том числе и применять протокол RSVP. Однако для маршрутизаторов фирмы Ipsilon выполнение запросов на QoS - гораздо более простая задача, чем для традиционных маршрутизаторов, поскольку IPS используют встроенную в коммутационное оборудование ATM технологию очередей (queuing feature). Хотя реализации этой технологии могут различаться в разных ATM-коммутаторах (что может приводить к заметной разнице в их производительности), в общих чертах они одинаковы и подразумевают манипуляцию с буферами для присвоения приоритета некоторым потокам ячеек. Программное обеспечение Ipsilon может размещать запросы на QoS непосредственно в коммутационном механизме ATM, в отличие от традиционных маршрутизаторов, способных выполнять эти запросы только программным образом, что приводит к значительным затратам ресурсов процессора и памяти.

    Пока протокол RSVP не стал стандартом, получившим достаточно широкую поддержку со стороны производителей приложений, компания Ipsilon использует для реализации QoS комбинацию ПО классификации потоков и аппаратной обработки очередей оборудованием ATM. Это позволяет администраторам сетей, использующим IPS, присваивать приоритеты приложениям (на основе адреса порта TCP или UDP) и пользователям (на основе IP-адреса).

    В данное время ATM Forum пытается найти способ встраивания запросов на QoS непосредственно в оборудование ATM, используя его способность работы с очередями. Основной проблемой является то, что запросы на QoS инициируются получателем данных и пересылаются источнику, тогда как в ATM установление соединения инициируется источником перед началом передачи. Разрешить это противоречие весьма сложно. ATM Forum также столкнулся с трудностями при разработке спецификации прикладного программного интерфейса (API), которая позволит приложениям использовать встроенную в ATM возможность работы с QoS.

    IP-коммутация в глобальных сетях

    Применение IP-коммутации в глобальных сетях позволяет операторам, которые ранее предлагали только услуги на основе ATM или frame relay, обеспечивать также IP-услуги по разумным ценам. Сегодня операторы предпочитают предоставлять дополнительные услуги (value added services), нежели обеспечивать простейшие соединения. Хотя frame relay и ATM обеспечивают много преимуществ по сравнению с арендуемыми выделенными линиями, они являются только первым шагом к предоставлению дополнительных услуг; использование IP-коммутации существенно расширит спектр этих возможностей.

    В то время как внимание компании Ipsilon главным образом направлено на рынок локальных сетей, IP-коммутация определяет архитектуру глобальных сетей, предназначенных для предоставления IP-услуг. Основное различие между локальной и глобальной IP-коммутацией заключается в применяемом аппаратном обеспечении - коммутаторы ATM в глобальных сетях имеют более высокую пропускную способность и более подходящий интерфейс оборудования операторов сетей общего пользования. Создавая глобальную сеть на основе IP-коммутации, операторы сетей и провайдеры услуг Internet должны применять высокоскоростные IP-коммутаторы для построения магистральной сети, а также поддерживающие протокол IFMP устройства доступа. Ими могут быть маршрутизаторы доступа (access routers), размещенные непосредственно у абонента, или устройства доступа, расположенные в точках предоставления услуг (points-of-presence) независимого провайдера услуг Internet (служат точками доступа в высокоскоростную магистраль с IP-коммутацией для абонентов данного провайдера). Таким образом, глобальная сеть с IP-коммутацией может обеспечивать полный набор услуг IP/Internet некоторому числу корпоративных абонентов, а также предоставлять магистраль региональным провайдерам услуг Internet. На рис. 6 показана глобальная сеть, состоящая из IP-коммутируемой магистрали, обслуживающей эти два типа абонентов.

    Picture 6(1x1)

    Рисунок 6.
    IP-коммутация в глобальной сети.

    Для большинства операторов сетей является проблематичным использование существующей инфраструктуры ATM и frame relay для предоставления IP-услуг. IP-коммутация позволяет операторам решить эту проблему путем размещения "интеллекта" IP-маршрутизации поверх существующей сети ATM или frame relay. Применяя IP-маршрутизацию, операторы могут в дополнение к традиционным услугам ATM и frame relay предоставлять услуги IP-коммутации с помощью той же самой инфраструктуры сети. Они могут сами решать, какую часть своей сети оставить под традиционные услуги ATM и frame relay, а какую отвести под IP-услуги; при этом часть сети, отведенная под IP-коммутацию, фактически становится высокопроизводительной сетью IP-услуг.

    Любой ATM-коммутатор может осуществлять IP-коммутацию, поддерживающую протокол GSMP, который требует применения всего около 2 тыс. строк программного кода в коммутаторе. Контроллер IPSC, работающий на базе ПО Ipsilon, может также использоваться для управления некоторым набором портов или логических интерфейсов на ATM-коммутаторе. IP-коммутацию можно выполнять только на некоторой части ATM-коммутатора, в то время как оставшаяся часть ресурсов коммутатора продолжает использоваться для поддержки традиционных услуг ATM или frame relay, как показано на рис. 7.

    Picture 7(1x1)

    Рисунок 7.
    Добавление IP-коммутации к ATM-коммутатору.

    Контроллер IPSC применяет протокол GSMP в качестве интерфейса с низлежащей платформой ATM, и поэтому может быть либо совмещен с определенным коммутатором (или полностью интегрирован с ним), либо физически отделен от него с помощью глобальных ATM-соединений. Более того, данный контроллер может управлять несколькими портами различных коммутаторов или виртуальными путями с помощью каскадного соединения коммутаторов (cascading switches). На рис. 8 показана глобальная сеть ATM с реализованной в ней IP-коммутацией. В данном примере оператор сети может предоставлять как IP-услуги, так и ATM-услуги, используя существующую инфраструктуру сети ATM.

    Picture 8(1x1)

    Рисунок 8.
    Глобальная сеть ATM с IP-коммутацией.

    Преимущества IP-коммутации в глобальных сетях

    Технология IP-коммутации решает многие проблемы сетей маршрутизаторов, соединенных через "облако" NBMA. В глобальной сети с IP-коммутацией границы "облака" существенно размыты, так как все устройства сети поддерживают IP и поэтому имеют полное представление о топологии сети. В результате сеть ведет себя как сеть с IP-маршрутизацией, но при этом имеет все преимущества высокоскоростной коммутации. Так как основная доля IP-трафика в сети распознается программным обеспечением Ipsilon как требующая коммутации, то потенциальная пропускная способность IPS сопоставима с возможностями ATM-коммутатора. Более того, поскольку сеть состоит из ряда соединений "точка-точка" между устройствами, применяющими протоколы IP-маршрутизации, то полностью устраняются проблемы дублирования при широковещательных передачах в "облаке" NBMA и трудности, связанные с обеспечением эффективного IP-мультикастинга.

    Отказоустойчивость. Архитектура IP-коммутации - это скорее архитектура отказоустойчивой IP-сети, чем сети коммутаторов, использующих коммутируемые виртуальные каналы (Switched Virtual Channel - SVC) в соответствии с протоколами NHRP или MPOA. Вместо того чтобы заставлять ATM-коммутаторы устанавливать сквозное (end-to-end) соединение для каждого потока IP-пакетов (что привело бы к значительной нагрузке на протоколы обмена сигналами, используемые для установления соединений), архитектура IP-коммутации позволяет маршрутизировать sl-потоки и направлять в соответствующий коммутатор только ll-потоки. В результате достигается более эффективная обработка sl-потоков, чем при ориентированной на установление соединения архитектуре, а также более эффективная обработка ll-потоков, чем при использовании стандартной архитектуры сети, основанной на маршрутизации по методу store-and-forward.

    Кроме того, в методе классификации потоков Ipsilon для повышения производительности используется программное кэширование (soft-state cashing). Аппаратное же кэширование (hard-state cashing) применяется для информации, которая является важной для правильного функционирования сети. Поскольку программное кэширование позволяет IP-коммутатору вернуться к каналу, используемому по умолчанию, без информирования соседей, то сеть IP-коммутаторов более отказоустойчива, чем сеть ATM-коммутаторов, которые должны полностью восстанавливать сквозное соединение в случае неудачи.

    Качество сервиса. IP-коммутация позволяет операторам сетей и провайдерам услуг Internet максимально использовать потенциал качества сервиса сетей ATM. Известно, что оборудование ATM имеет встроенные аппаратные средства обеспечения QoS. По протоколу GSMP IP-коммутация обеспечивает прямой доступ к параметрам QoS коммутатора ATM, что позволяет провайдерам предлагать, в зависимости от величины оплаты, различные уровни обслуживания, используя одно и то же коммутационное оборудование и одни и те же каналы связи. В отличие от традиционных маршрутизаторов, возможности которых ограничены ресурсами процессора, IP-коммутатор может поддерживать различные уровни QoS без значительного ухудшения производительности. Параметры QoS могут быть установлены либо администратором (на основе политики управления сетью), либо с помощью протокола RSVP.

    Как показано на рис. 9, абоненты, желающие получить более высокий уровень обслуживания, могут подписаться на дополнительные услуги сети. Долговременные IP-потоки таких абонентов будут идентифицироваться программным обеспечением Ipsilon на основе их уникальных IP-адресов и направляться через оборудование ATM на более высокий уровень QoS, чем остальной трафик. В дополнение к этому, абонент услуг IP-коммутации может запрашивать различные уровни QoS для различных приложений.

    Picture 9(1x1)

    Рисунок 9.
    QoS в IP-коммутации.

    * * *

    Развитие Internet и увеличение требований к IP-услугам привели к необходимости создания инфраструктуры такого же уровня, как в сетях общего пользования, но полностью от них независимой. Хотя технология IP-маршрутизации стала стандартом де-факто управления передачей данных в этой новой инфраструктуре (подобно концепции системы сигнализации # 7 в мире коммутации каналов), традиционные маршрутизаторы просто не успевают за темпами роста требований к производительности со стороны быстро увеличивающегося трафика Internet. Традиционные глобальные IP-сети, основанные на маршрутизаторах и выделенных линиях, достаточно дороги и трудно масштабируются для удовлетворения растущих запросов к полосе пропускания. Архитектуры высокоскоростной коммутации, такие как ATM и frame relay, на данный момент составляют ядро многих сетей IP-услуг. Однако данные технологии все еще остаются "закрытыми" от IP, так как они не поддерживают "интеллект" IP-маршрутизаторов. Сети, основанные на нескольких маршрутизаторах, связанных между собой посредством высокоскоростных коммутаторов ATM и frame relay, становятся все более сложными и трудноуправляемыми из-за неспособности IP-маршрутизаторов взаимодействовать с "облаком" высокоскоростных коммутаторов.

    Очевидно, что сети с IP-коммутацией являются весьма привлекательной альтернативой сетям, основанным на традиционных маршрутизаторах, которые связаны выделенными линиями или высокоскоростными коммутаторами. При добавлении "интеллекта" IP-маршрутизации к высокоскоростным коммутаторам реализуются такие, на первый взгляд несовместимые, цели, как минимизация транзитных пунктов в сети и обеспечение полного представления о топологии сети. Решаются также проблемы маршрутизации IP-пакетов по "облаку" NBMA без потери преимуществ, предоставляемых использованием высокоскоростных коммутаторов. Таким образом, архитектура IP-коммутации является легко масштабируемым и управляемым "фундаментом" для построения высокоскоростного межсетевого обмена.

    Операторам существующих сетей ATM и frame relay IP-коммутация предлагает возможность применения этих сетей (или их части) для предоставления высокоскоростных IP-услуг. Более того, вместо простого предоставления канала связи операторы могут использовать свои существующие сети для предоставления полосы IP-коммутации и дополнительных IP-услуг (включая QoS) либо непосредственно абонентам, либо через других провайдеров. Это означает, что IP-коммутация дает возможность операторам сохранять инвестиции в уже реализованные в их сетях технологии.


    Самуйлов К.Е., Исаева Т.В. - Российский университет дружбы народов; тел: (095) 952 2823, электронная почта: Konstantin.Samouylov@mx.pfu.edu.ru, Tatiana.Issaeva@mx.pfu.edu.ru.

    Поделитесь материалом с коллегами и друзьями