Коммутаторы ATM: испытания продолжаются

Технология ATM существует уже свыше пяти лет, но лишь сейчас начала обретать конкретные очертания. ATM Forum не без помощи Международного союза электросвязи (МСЭ) принял все стандарты, необходимые для построения масштабируемых сетей ATM, которые поддерживают передачу трафика локальных сетей (в общей сложности созданы около 100 стандартов и разрабатываются еще 30). Осталось лишь выяснить, какие стандарты и функции поддерживают разные производители и какие из них потребуются для построения работоспособной ATM-сети. Именно с этой целью компания The Tolly Group выявила и протестировала более 50 функций из самых разных областей ATM.

Сотрудники компании The Tolly Group в течение нескольких месяцев тестировали функции и определяли производительность коммутаторов производства 3Com, Cisco Systems, Digital Equipment, FORE Systems, Hitachi Computer Products, IBM, Madge Networks, Olicom и Xylan. (Подробные результаты испытаний можно найти на Web-сервере The Tolly Group, www.tolly.com; исследование продолжается, поэтому по мере поступления новых сведений они появляются на сервере.) Настоящая статья призвана рассказать о тех уроках, которые мы получили в процессе тестирования.

По своей природе ATM является универсальной технологией, которую можно применять и в локальных, и в территориально-распределенных сетях (WAN). Однако независимо от предполагаемого использования ATM надо хорошо понимать ее базовые принципы. К ним относятся протоколы обмена сигналами, механизмы управления трафиком, схемы буферизации, поддержка существующих локальных сетей, а также функции маршрутизации и мостовой связи. Именно об этом мы и поговорим.

Опора на ячейки

Главная сила АТМ состоит в том, что данная технология целиком работает на самом нижнем уровне, уровне ячеек. Все функции более высоких уровней, начиная с маршрутизации на третьем уровне и кончая внедрением в локальные сети, могут быть сведены к операциям с потоками ячеек, передаваемым со скоростью работы канала или коммутирующей матрицы.

Эта особенность станет более понятной, если обратиться к принципам работы механизмов маршрутизации. В традиционных сетях маршрутизатор должен принимать отдельное решение по пересылке каждого пакета данных. При передаче данных в сетях АТМ ПО маршрутизации (может находиться на коммутаторах или на специальных маршрутизирующих устройствах) устанавливает сквозные маршруты из точки A в точку B, по которым передаются все данные со скоростью работы канала.

Чтобы выяснить, какой коммутатор обеспечивает наивысшую производительность, нужно сравнить коммутирующие матрицы и типы используемых интерфейсов. Архитектура коммутатора большой роли не играет. Необходимо, чтобы матрица была неблокирующей, т. е. ячейки передавались с любого порта на любой другой с одной и той же скоростью и без потерь. Наши предыдущие тестирования показали, что многие коммутирующие матрицы, которые их производители объявляли неблокирующими, на самом деле таковыми не являются. По результатам нынешних испытаний, все коммутаторы имели действительно неблокирующие матрицы.

Услуги АТМ

Обмен сигналами в ходе формирования канала - один из важнейших процессов, выполняемых коммутатором ATM. Простейший процесс такого рода реализуется с помощью UNI (User-to-Network Interface); при этом конечная станция получает возможность обмениваться информацией с коммутатором.

Помимо UNI в масштабируемых сетях ATM, содержащих много коммутаторов, должен быть реализован интерфейс между отдельными участками сети, или NNI (Network-to-Network Interface). Используемый в сетях АТМ протокол "динамической" маршрутизации PNNI Version 1.0 (Private Network-to-Network Interface) основан на идее иерархии групп коммутаторов и в значительной степени аналогичен применяемому сейчас в IP-сетях протоколу OSPF (Open Shortest Path First). PNNI помогает коммутаторам создавать виртуальные коммутируемые каналы (switched virtual circuit, SVC), вычислять кратчайшие пути передачи данных и формировать новые маршруты в обход отказавших каналов связи.

Не следует даже рассматривать вопрос о покупке коммутатора, не поддерживающего UNI (Version 3.0, 3.1 или самой последней версии, 4.0) и PNNI. Независимо от того, какая версия UNI в них реализована, коммутаторы, поддерживающие PNNI 1.0 (сгодятся и нестандартные версии PNNI, но тогда сеть должна состоять из устройств одного производителя), начинают обмениваться сигналами сразу после их соединения между собой и подключения к ним конечных станций. Не нужно также приобретать коммутаторы и адаптеры для конечных станций, поддерживающие разные версии UNI и PNNI, поскольку при этом невозможно установить соединение.

Некоторые продвинутые функции, вроде обеспечения качества сервиса (QoS) и многоуровневой PNNI-маршрутизации, могут потребовать от пользователя более серьезной работы по конфигурированию, однако многие производители присылают на установку сложных сетей своих инженеров. Причем, вопреки распространенному заблуждению, сети на базе АТМ отнюдь не являются значительно более сложными, чем традиционные сети; проблемы возникают при установке любой сети на базе маршрутизаторов. В каком-то смысле сети ATM даже проще иных. Например, в 40-байтном ATM-адресе содержатся как эквивалент MAC-адреса, так и IP-адрес. При поверхностном взгляде столь большой размер адресного пространства вызывает замешательство, но если разобраться получше, станет ясно, что это вполне оправданно.

Тем не менее производители стараются облегчить жизнь пользователя. Так, 3Com, Digital, FORE, Madge и Olicom начали выпускать коммутаторы, поддерживающие автоматическое распознавание и конверсию UNI 3.X. Автоматическое распознавание означает, что коммутатор способен выяснить, какая версия UNI применяется на конечной станции. Конверсия UNI 3.X позволяет коммутатору подключать станции с UNI 3.1 к станциям с UNI 3.0.

UNI и PNNI нужны для того, чтобы можно было создавать SVC между двумя и более станциями и чтобы станции могли "узнать", какой виртуальный канал им следует использовать. Основной обмен сигналами происходит при образовании и разрыве SVC; после установления SVC выполняются лишь периодические опросы с целью определения целостности связи. Это означает, что главным мерилом производительности коммутатора является количество соединений, устанавливаемых и разрываемых за одну секунду. The Tolly Group обнаружила, что все коммутаторы можно разбить на три категории: менее 30, 88-126 и более 300 (FORE) соединений в секунду. Как правило, чем больше значение данного показателя, тем лучше, особенно в сложных сетях.

Продвинутые функции управления трафиком

В ATM предполагается, что трафик любого типа можно передавать с использованием одного из четырех базовых классов сервиса. Постоянная скорость передачи (constant bit rate, CBR) используется для передачи равномерного несжимаемого голосового потока; переменная скорость (variable bit rate, VBR) - для передачи неравномерно возникающего, критичного к задержкам трафика (типа видео со сжатием); доступная скорость (available bit rate, ABR) - для передачи неравномерного трафика от локальных сетей; неопределенная скорость передачи (unspecified bit rate, UBR) - для передачи всех остальных типов трафика. ATM-коммутатор распределяет свои ресурсы, насильственно "загоняя" трафик в перечисленные классы сервиса. Если трафик "пытается "выйти" из-под контроля, нарушая установленные для него рамки, то соответствующие ячейки либо отбрасываются немедленно, либо помечаются как разрешенные для отбрасывания.

При проектировании кампусной сети ATM не стоит злоупотреблять использованием CBR и VBR, если только в этой сети не предполагается передавать чувствительный к задержкам трафик. Напротив, в сетях WAN, где наблюдается более серьезная конкуренция за полосу пропускания, а сосуществование трафика разных типов является обычным делом, поддержка CBR и VBR исключительно важна.

Класс VBR поддерживают относительно немногие из испытанных коммутаторов (изделия Cisco, FORE и Xylan), а вот CBR - более половины производителей (например, FORE, Digital, Hitachi и Xylan). С CBR работать проще, чем с VBR, поскольку для этого требуется только следить за пиковыми скоростями передачи ячеек. В то же время, при использовании VBR коммутатор должен устанавливать пиковые и средние скорости передачи ячеек, задержки передачи и даже ограничивать случайные всплески интенсивности потока.

Во время испытаний CBR и VBR работали безо всяких проблем. Коммутаторы отбрасывали все ячейки, пытавшиеся выйти за рамки, заданные нашими инженерами.

Поскольку стандарт на ABR был принят совсем недавно и данный класс сервиса распространен не слишком широко, мы его не тестировали. Впрочем, мы собираемся это проделать в будущем. Не тестировали мы и UBR. Дело в том, что в UBR попадает весь трафик, который не принадлежит к другим классам; при его использовании не дается никаких гарантий передачи ячеек. Соответственно, за трафиком на UBR никто не следит. Если коммутатору понадобится отбросить ячейки из потока данных, передаваемого на UBR, он выполнит это без каких-либо дополнительных действий, поэтому тестировать UBR бессмысленно. Возможно, когда-нибудь производители начнут предоставлять средства сохранения UBR-трафика.

Буферизация

Буферизация - это последняя возможность спасти ячейки от потерь, если механизмы управления не могут удержать входящий трафик в рамках пропускной способности коммутатора. Если учесть, что при использовании каналов OC-3 данные пересылаются на скорости 353 207 ячеек/с, то станет ясно: даже самые большие буферы переполняются за доли секунды. При установке сети не следует особенно рассчитывать на применение буферов; напротив, надо позаботиться о том, чтобы ресурсов коммутатора хватало на обслуживание трафика и чтобы осуществлялось правильное распределение классов сервиса.

При определении необходимого размера буфера требуется учитывать ряд факторов. Конечно, в случае затора большие буферы могут сохранить больше ячеек (и тем самым повысить пропускную способность устройства), однако в них используется дорогостоящая оперативная память. Кроме того, чем больше буфер, тем длиннее входные и выходные очереди и больше значения задержек.

Производители оборудования применяют несколько методов буферизации, различаются и размеры буферов. В коммутаторах от Digital, FORE, Hitachi, Olicom и Xylan на каждом из модулей имеются пулы буферов, которые, по мере необходимости, динамически распределяются по портам. В других коммутаторах, например изделии Cisco, используется и динамическое, и фиксированное распределение буферов одновременно. Благодаря динамическим буферам достигается большая гибкость в предоставлении буферной емкости наиболее перегруженным портам. В коммутаторах от FORE, Cisco и Hitachi применяются две сложные схемы управления буферами, которые способны повысить эффективность использования буфера, а в некоторых случаях - и пропускную способность в условиях затора.

Первая схема - интеллектуальное отбрасывание пакетов. Согласно этой схеме, прежде чем отбрасывать ячейку, следует выяснить, откуда она пришла. Если отбросить одну ячейку из LAN-трафика, то, скорее всего, будет передан повторно весь пакет, которому она принадлежала. Поэтому лучше отбросить три ячейки из одного пакета LAN-трафика, чем по одной ячейке из трех пакетов.

Вторая схема - постановка в очередь по виртуальным каналам. Фактически, здесь используется тот же подход, что и в первой схеме, но на уровне потоков данных. При постановке ячеек в очереди применяется определенный алгоритм обеспечения равнодоступности: например, из потока OC-3 будет отброшено больше ячеек, чем из конкурирующего с ним потока, передаваемого по 10-мегабитному каналу.

Наши испытания показали, что обе схемы позволяют достаточно эффективно управлять трафиком и работают в полном соответствии со своим предназначением.

Вывод: следует пользоваться коммутаторами с гибким динамическим распределением буферов, число которых должно быть достаточным для поддержания передаваемых типов трафика. Следует помнить, что чем неравномернее трафик, тем больше нужно буферов. Любую дополнительную возможность управления буферами, обеспечиваемую коммутатором, можно рассматривать как его дополнительное достоинство.

Интеграция с локальными сетями

ATM часто используется для создания магистральных каналов связи между локальными сетями. Поэтому ATM-коммутаторы должны поддерживать соответствующие интерфейсы, например Ethernet, Token Ring или FDDI. Эти интерфейсы могут находиться на дополнительных модулях, устанавливаемых в коммутатор или какое-нибудь внешнее устройство (например, коммутатор локальной сети или маршрутизатор, подключаемый к ATM-сети через канал связи с магистральной сетью). В любом случае, для поддержания взаимодействия между устройствами ATM и существующими локальными сетями потребуется ПО для эмуляции локальных сетей (LAN Emulation, LANE).

Совместимость технологии ATM с локальными сетями обеспечивают три основные услуги - Classical IP (RFC-1577), LANE 1.0 и Multi-Protocol over ATM (MPOA). Последняя технология представляет собой расширение LANE с поддержкой маршрутизации; поскольку она еще не слишком широко распространена, мы ее не тестировали, но в будущем непременно это сделаем.

В основе Classical IP и LANE лежит следующая схема. Клиент запрашивает соединение с сервером, где хранится база данных, обеспечивающая отображение клиентских АТМ-адресов на LAN-адреса. По каждому из необходимых ему LAN-адресов клиент получает АТМ-адрес, а затем применяет процедуру обмена сигналами для установки прямого соединения с соответствующими адресами. Разница состоит в том, что Classical IP работает только с IP, а в LANE обеспечивается поддержка разных протоколов локальных сетей.

Наличие услуг по объединению локальных сетей - еще один критерий первоначального отбора оборудования для сетей АТМ. За исключением случаев, когда коммутатор предполагается использовать в сетях, построенных только с применением АТМ (чаще всего - в крупных магистральных сетях), следует убедиться, что он поддерживает LANE.

Classical IP имеет смысл рассматривать лишь в том случае, когда в локальной сети применяется только IP, а подходящий по всем статьям коммутатор не поддерживает LANE. В наших испытаниях Classical IP поддерживали коммутаторы FORE, Olicom, Xylan и Hitachi, хотя все они могли работать и на LANE. У Classical IP нет никаких серьезных преимуществ перед LANE, но есть заметный недостаток - он не поддерживает маршрутизацию сообщений между IP-подсетями на уровне ATM.

В LANE 1.0 маршрутизация тоже не поддерживается, однако имеется возможность прямого расширения этой технологии до MPOA, где LAN-трафик можно маршрутизировать средствами ATM. В состав MPOA входит LANE 2.0, в котором обеспечиваются мостовая связь между сегментами, резервирование серверов и распределенные услуги. Это означает, что при установке нескольких серверов LANE каждый из них будет страховать другие на случай отказа и что в больших сетях можно распределять базу данных между несколькими серверами. Имеет смысл убедиться, что выбранный производитель поддерживает MPOA или собирается сделать это в будущем.

В LANE обеспечивается инкапсуляция кадров 802.3 (Ethernet) и 802.5 (Token Ring). Не стоит долго рассуждать, какой из этих стандартов выбрать. В сущности, инкапсуляция Token Ring нужна лишь для построения большой сети на базе технологии SRB (source-route bridging), когда использовать инкапсуляцию Ethernet нельзя. Во всех прочих ситуациях LANE на базе 802.3 обеспечивает все потребности в передаче данных, в том числе и для сетей Token Ring и FDDI. Коммутаторы многих производителей, в частности FORE, IBM и Xylan, поддерживают кадры данных размером более 1518 байт. Это позволяет легко передавать через ATM большие кадры, применяемые в Token Ring.

Что касается производительности при работе в LANE, то тут все очень напоминает ситуацию с SVC - время тратится в основном на установку и разрыв сеанса (когда для перевода MAC-адресов локальной сети в ATM-адреса приходится пользоваться услугами LANE). В остальное время между станциями поддерживается прямой АТМ-канал, а передачу данных ничего не замедляет.

Поэтому основной проблемой является не пропускная способность, а емкость (какому числу клиентов можно предоставлять услуги LANE и как долго им придется входить в систему по утрам и ждать восстановления связи после отказа). Следует строго выполнять все рекомендации производителя относительно числа пользователей одной эмулированной локальной сети (Emulated LAN, ELAN) или набора услуг LANE. После внедрения LANE 2.0 эта проблема потеряет остроту, поскольку можно будет устанавливать несколько серверов LANE и распределять клиентов между ними.

Мосты/маршрутизаторы

Следует помнить, что протокол LANE обеспечивает только мостовую связь. Как и в виртуальных локальных сетях, создаваемых на базе нескольких коммутаторов Ethernet, при использовании LANE можно построить только сеть с мостовой связью между сегментами. Чтобы связать между собой разные ELAN, надо обеспечить маршрутизацию сообщений. Как уже было сказано, данный механизм входит в состав MPOA.

В качестве промежуточного решения многие производители предлагают так называемые "однорукие" маршрутизаторы, по существу, представляющие собой традиционные маршрутизаторы с АТМ-интерфейсом. При выборе оборудования нужно убедиться, что производитель, в настоящее время не поддерживающий MPOA, имеет хотя бы "однорукий" маршрутизатор. При тестировании мы убедились, что механизмы такой маршрутизации при использовании практически любых комбинаций коммутаторов и коммутаторов/маршрутизаторов работают в соответствии с описаниями.

Бесспорно, применение механизмов мостовой связи и маршрутизации без выхода за пределы АТМ (UNI и PNNI) избавляет от необходимости организовывать какую бы то ни было дополнительную маршрутизацию. Обратное неверно: устройства MPOA и "однорукие" маршрутизаторы работают просто как средства представления информации в виде, пригодном для маршрутизации в сетях АТМ, по которым, собственно, весь трафик и передается.

Мы обсудили только самые важные из стандартов, необходимых для построения полностью работоспособной сети АТМ. К настоящему времени, однако, уже принят полный набор стандартов. Наши испытания подтверждают, что большинство производителей коммутаторов предлагает полностью отвечающие этим стандартам устройства.

Производители знают, что АТМ часто отпугивает своей сложностью, поэтому пытаются создавать устройства АТМ "с человеческим лицом". Например, в ряде продуктов имеется возможность использования значений АТМ-адресов, заданных по умолчанию, и услуг LANE. Несколько лет назад ничего подобного не было. Конечно, нельзя утверждать, будто при тестировании выяснилось, что теперь все способно работать без дополнительной настройки и что можно без труда разобраться в технологиях, применяемых в АТМ-сетях. И все же стоит затратить некоторые усилия, чтобы получить возможность маршрутизации и мостовой передачи информации на скоростях работы каналов - а именно это и обеспечивает АТМ.

Исследование рынка ATM-коммутаторов

Стремясь выявить различия между продуктами от разных производителей и предоставить читателям полные данные, на основе которых можно было бы принять решение о покупке, The Tolly Group применила свою модель Industry Study для исследования положения на рынке коммутаторов АТМ. Оценивались следующие основные параметры: производительность, поддержка интерфейсов для локальных сетей и ATM, управление трафиком (в том числе буферизация данных и наличие продвинутых функций), обмен сигналами и ATM-маршрутизация, службы поддержки существующих локальных сетей (LAN Emulation, Classical IP), а также ряд функций управления.

Приглашения к участию в испытаниях были разосланы всем производителям коммутаторов ATM. Работы над проектом финансировались участниками тестирования. Полная версия результатов тестирования бесплатно распространяется по всему миру; в течение 1998 г. в нее будут вноситься изменения (по мере тестирования новых продуктов).

ТАК РАБОТАЕТ "ОДНОРУКИЙ" МАРШРУТИЗАТОР...

(1x1)

1. Станция A передает IP-пакеты станции B, используя клиентское ПО LANE для определения АТМ-адреса IP-маршрутизатора.
2. С помощью LANE станция А устанавливает виртуальный канал передачи данных SVC1 для связи с "одноруким" маршрутизатором (IP-маршрутизатором, подключенным к ATM-коммутатору при помощи одного кабеля). Тот, в свою очередь, использует LANE для создания виртуального канала SVC2, завершая тем самым соединение со станцией B. При этом служба LANE работает как телефонный справочник, сообщая различным устройствам значения ATM-адресов, необходимые для создания SVC.
3. Виртуальные каналы SVC1 и SVC2 отображаются на виртуальные соединения, через которые проходят потоки ячеек 1 и 2. По дороге к станции B все данные должны проходить через маршрутизатор, причем выполняются постоянные преобразования данных из формата IP в АТМ и обратно.

... А ТАК - MPOA

(1x1)

1. Станция A передает IP-пакеты станции B.
2. Используя клиентское ПО LANE для определения ATM-адреса сервера маршрутизации, станция А устанавливает виртуальный канал передачи данных SVC1. Станция B "находит" сервер маршрутизации и устанавливает c ним связь через виртуальный канал SVC2, также используя LANE.
3. Сервер маршрутизации предоставляет станции A адрес АТМ станции B. Станция A устанавливает связь со станцией B через виртуальный канал SVC3.
4. Виртуальный канал SVC3 отображается на виртуальное соединение, через которое проходит поток ячеек 1. Начиная с этого момента, все пакеты от станции A передаются с помощью потока ячеек 1 на станцию B напрямую, в формате АТМ. Причем, в отличие от схемы с использованием "однорукого" маршрутизатора, не нужны какие бы то ни было промежуточные "скачки" или преобразования формата.