IP-коммутация: проблемы и решения

, и вскоре несколько производителей АТМ-устройств подписали с ней соглашение об использовании IP-коммутации в своих коммутаторах.

В течение следующих шести месяцев был обнародован ряд решений, провозглашавшихся лучшими вариантами. В частности, компания Cisco Systems анонсировала технологию Tag switching, IBM - Aggregate Route based IP switching (ARIS)), Toshiba - Cell-switched router (CSR). В конечном счете, дебаты по технологии IP-коммутации привели к формированию рабочей группы Multiprotocol Label Switching (MPLS) в составе IETF. Эта группа призвана разработать решение, которое должно объединить предлагаемые методы.

Технология IP-коммутации призвана решить проблемы традиционных маршрутизаторов, перегруженных интенсивно растущим IP-трафиком и приобретающими все большую популярность мультимедийными приложениями, работающими в режиме реального времени через IP-сети (аудио- и видеоконференцсвязь). Все это требует не только высокой пропускной способности, но и гарантированного предоставления необходимой приложениям полосы пропускания. Идея IP-коммутации родилась на стыке технологий маршрутизации и коммутации, объединив возможность быстрой передачи пакетов, присущую коммутации, с «интеллектуальными» способностями маршрутизаторов.

Устройства IP-коммутации способны устанавливать соединения с пересылкой пакетов в соответствии со вторым уровнем, т. е. действуя как традиционный коммутатор, либо выступать в роли традиционного маршрутизатора, обрабатывая пакеты на третьем уровне с использованием обычных протоколов маршрутизации. В общем случае применяются так называемые «метки» - короткие служебные записи фиксированной длины, размещаемые в пакетах, ячейках, фреймах и указывающие следующему узлу порядок обработки/продвижения данных.

Предлагаемые методы IP-коммутации (и других сетевых протоколов) можно классифицировать следующим образом:

? в зависимости от способа назначения меток - основанные на потоках и на топологии. Первые присваивают метку, исходя из результатов анализа последовательности пакетов (потока), вторые - в зависимости от маршрутной информации (т. е. каждой метке соответствует маршрут(ы)). В чем разница между методами? Как правило, метки по маршрутам определяются заранее и хранятся в базе данных, а для потока назначаются после превышения некоторого минимального числа пакетов. Поэтому топологические методы, видимо, будут эффективно работать и при коротких потоках данных, а потоковые при этом, в лучшем случае, не будут создавать значительной нагрузки;

? в зависимости от масштабируемости: ориентированные на локальные сети или магистрали крупных корпораций либо провайдеров.

В данной статье предлагается краткий обзор технологий IP-коммутации, применимых в крупных корпоративных сетях и магистралях провайдеров услуг связи, - IP-коммутации (Ipsilon Networks); Cell Switched Router (CSR) компании Toshiba; Tag switching (Cisco Systems); ARIS (IBM); многопротокольной коммутации меток (MPLS) группы IETF.

IP-коммутация фирмы Ipsilon

Компания Ipsilon Networks (в настоящее время - подразделение Nokia Telecommications), рассмотрев варианты реализации IP через АТМ - LAN Emulation (LANE), Classical IP over ATM (IETF RFC 1483 и 1577), Multi-Protocol over ATM (MPOA) и др., - сочла эти подходы излишне сложными (что приводит к задержкам в реализации практических решений). В результате была предложена новая гибридная технология, названная IP- коммутацией.

Технология IP-коммутации компании Ipsilon основана на «потоковом» механизме обработки трафика. Каждый поток идентифицируется адресами и портами посылающей и принимающей сторон, применяемым протоколом, качеством обслуживания и др. Для идентификации пакетов используются идентификаторы виртуальных путей (Virtual Path Identifier, VPI) и виртуальных каналов (Virtual Circuit Identifier, VCI) технологии АТМ.

Технология Ipsilon базируется на предложенных фирмой протоколах GSMP (General Switch Management Protocol, RFC 1987) и IFMP (Ipsilon Flow Management Protocol, RFC 1953). GSMP обеспечивает управление проверкой целостности виртуальных путей между коммутаторами и (при необходимости) их изменением, а IFMP - управление соответствием между метками путей нижнего уровня (идентификаторами VPI/VCI) и логическими потоками данных (витуальными соединениями - virtual connection, VC). Согласно протоколу IFMP (рис. 1), для любого адресата в сети определяется «default» - путь между коммутаторами, по которому могут передаваться данные для этого адресата .

В общих чертах процесс передачи данных состоит в следующем. Сначала каждый IP-коммутатор на пути следования трафика собирает из ячеек пакеты, маршрутизирует их, снова разбирает на ячейки и пересылает следующему IP-коммутатору. Однако после анализа первого же пакета потока каждый коммутатор «решает», допускает ли политика администрирования пересылку данного потока с помощью технологии коммутации.

Приняв решение, коммутатор присваивает потоку индивидуальную метку. Для этого каждый IP-коммутатор посылает на вышележащий (по отношению к распространению потока) узел запрос Redirection Message с «просьбой» направлять пакеты данного потока по отдельному пути, метка которого выделяется из пула свободных меток коммутатора.

При обработке потока с меткой коммутатору уже не приходится производить сборку/разборку и маршрутизацию пакетов потока, поскольку он полностью характеризуется его входной и выходной метками. Надо лишь переадресовать пакет с входного порта на выходной и заменить его метку. Таким образом, можно значительно ускорить передачу данных.

Протокол IFMP способен не только работать поверх АТМ-сетей, но и задействовать метки пакетов IPv6. Возможно также использование протокола вместе с любой другой схемой присвоения меток пакетам (например, в соответствии с технологиями компаний Cisco, 3Com).

Описанная схема коммутации применима как для продолжительных потоков (передача мультимедиа, FTP, HTTP и др.), так и для коротких (в частности, генерируемых по протоколам DNS или SNMP). Правда, в последнем случае она не дает выигрыша в производительности.

Недостатком технологии IP-коммутации является необходимость поддержки протокола IFMP (в случае реализации фирмы Ipsilon - и протокола GSMP) всеми устройствами сети или, по крайней мере, ее ядра. Кроме того, отсутствует поддержка VLAN, возможны проблемы при масштабировании, поскольку число идентификаторов VC должно превышать количество потоков, что при резком увеличении числа потоков может привести к «взрыву» VC. Поддержка IPX реализована только с помощью туннелирования в IP.

Примером устройств, использующих технологию Ipsilon, является IP Switch 6400 этой же компании.

Cell Switch Router (CSR) фирмы Toshiba

Технология, предлагаемая компанией Toshiba, основана, как и технология Ipsilon, на «потоковом» механизме обработки трафика. Ключевым элементом сети является CSR - маршрутизатор с коммутацией ячеек (рис. 2).

CSR обеспечивает коммутацию ячеек на основе VPI/VCI-соединений и поддерживает функциональные возможности обычных IP-маршрутизаторов. Используя технологию коммутации ячеек, CSR устанавливает виртуальные соединения (VC), обеспечивая связь между соседними устройствами с помощью сигнализации ATM-UNI (вместо обычно применяемой в АТМ-сетях NNI). В процессе передачи возможно объединение множества виртуальных соединений в одну «трубу», названную «ATM Bypass-pipe».

Между соседними CSR-устройствами или между CSR и узлами, подключенными по каналам АТМ (маршрутизаторами), возможны два вида VC-соединений:

? default-VC (VC по умолчанию) - общее название соединений, используемых любыми коммуникационными приложениями для выбора обычных «hop-by-hop» IP-маршрутов. Все поступающие ячейки этих VC-соединений собираются в IP-дейтаграммы и обрабатываются на основе данных IP-заголовков. Установка VC-соединений происходит на базе классической IP-модели (Classical IP);

? dedicated-VC (заранее определенные VC). Этот тип соединений применяется коммуникационными приложениями (IP-потоками), которые определяются, например, любой комбинацией IP-адреса/порта назначения, IP-адреса/порта источника или меткой потока IPv6. Возможны связь с другими заранее определенными VC-соединениями, использующими тот же самый IP-поток, и построение единого АТМ-канала «Bypass-pipe» для этих потоков.

Входными/выходными устройствами канала «Bypass-pipe» могут быть любые маршрутизаторы CSR или ATM-коммутаторы, поддерживающие протокол управления Bypass-pipe. Путь передачи данных по каналу «Bypass-pipe» зависит от маршрутной информации на каждом CSR. На рис. 2 IP-пакеты от отправителя (маршрутизатора X.1) к получателю (маршрутизатору Z.1) передаются по маршруту X.1а CSR1а CSR2а Z.1 независимо от того, установлена ли связь на основе последовательных скачков «hop-by-hop» или канала «Bypass-pipe». Маршруты для индивидуальных соединений типа «Dedicated-VC», составляющих канал «Bypass-pipe» X.1а Z.1 (X.1а CSR1, CSR1а CSR2, CSR2а Z.1), определяются на основе протокола маршрутизации ATM типа PNNI, независимо от протоколов маршрутизации IP.

Например, механизм передачи IP-пакетов может быть следующим. Маршрутизатор X.1 проверяет идентификатор каждого IP-пакета, основываясь на IP-адресе получателя, совокупности адресов отправителя и получателя, идентификатор потока в IPv6. Любой из перечисленных идентификаторов может определить виртуальное соединение, по которому должен быть передан пакет.

CSR1/2 проверяет значение VPI/VCI каждой поступающей ячейки. Если в маршрутной АТМ-таблице существует соответствие между входящим и исходящим VPI/VCI-идентификаторами, ячейки направляются непосредственно в пункт назначения через модуль коммутации АТМ. В противном случае ячейки собираются в IP-пакет, который отправляется по виртуальному соединению на основе идентификаторов IP-пакета.

Устройства CSR могут динамически изменять маршруты для каналов «Bypass-pipes» при изменении маршрутных IP-таблиц. Кроме того, обеспечивается поддержка IP multicast over ATM и RSVP.

В качестве примера устройств, использующих технологию компании Toshiba, можно назвать магистральный маршрутизатор CSR 5300 и периферийный маршрутизатор CSR 3300 этой же компании.

Tag Switching фирмы Cisco

Технология «меток», основанная на концепции «Label swapping», разработана Cisco Systems для увеличения пропускной способности крупных сетей (типа WAN) с большим количеством маршрутизаторов. Она базируется на топологическом принципе. Основной процесс обработки меток состоит в следующем.

Периферийные маршрутизаторы и коммутаторы меток (рис. 3) применяют стандартные протоколы маршрутизации (например, EIGRP, BGP, OSPF) для формирования своих маршрутных таблиц (Forwarding Information Base, FIB). Они являются полноценными маршрутизаторами третьего уровня. Периферийные маршрутизаторы и коммутаторы меток, используя таблицы FIB для назначения и распределения меток с помощью протокола обмена тегами (TDP) в соответствии с принятыми алгоритмами назначения меток («снизу вверх», «сверху вниз», «снизу вверх по требованию»), формируют таблицу тегов (Tag Information Base, TIB).

Протокол распределения тегов (TDP) обеспечивает обмен метками между коммутаторами меток и периферийными маршрутизаторами. Для обмена с соседними коммутаторами меток и периферийными маршрутизаторами используется TDP, для хранения меток - база данных меток (TIB). Строки последней содержат входящий тег пакета и одну или несколько (в случае групповой рассылки) записей, включают в себя исходящий тег, выходной интерфейс, информацию канального уровня (например, MAC-адрес).

Когда периферийные маршрутизаторы принимают пакет для отправки его в сеть с коммутацией меток, они анализируют заголовок сетевого уровня, исполняют соответствующие услуги сетевого уровня, выбирают из таблиц маршрутизации направление передачи пакета, выделяют метку, присваивают ее полученному пакету и направляют пакет к следующему коммутатору метки. Коммутатор метки принимает теговый пакет, заменяет входящую метку исходящей, а входящие данные канального уровня - исходящими и направляет пакет следующему устройству, основываясь исключительно на информации метки (не анализируя заново заголовок сетевого уровня). Последний периферийный маршрутизатор удаляет метку из пакета и передает его адресату.

Коммутаторы меток - основа сети Tag Switching. Простая структура меток позволяет коммутаторам осуществлять быстрый поиск в таблицах и использовать высокопроизводительное оборудование, включая АТМ-коммутаторы.

Метки могут быть интегрированы в заголовок уровня 2 (например, в поле VCI для ячеек асинхронной системы передачи), в заголовок уровня 3 (например, в поле типа потока IPv6) или между заголовками уровней 2 и 3. Это позволяет применять коммутацию меток при использовании самых разных средств передачи данных - АТМ, Packet-over-SONET (POS), Ethernet и т. д. Коммутация меток также не привязана к IP: поскольку протоколы маршрутизации стандартизированы, коммутация меток может поддерживать множество протоколов третьего уровня.

Примером устройства, использующего технологию Tag Switching, является маршрутизатор Cisco 7500.

Технология ARIS фирмы IBM

ARIS (Aggregate Route-Based IP Switch) - это базирующийся на топологии механизм взаимодействия протоколов маршрутизации сетевого уровня с канальным уровнем передачи данных, предлагаемый компанией IBM. Коммутируемые соединения устанавливаются с помощью данных, получаемых из маршрутных таблиц (FIB).

Основой сети в рамках ARIS являются интегрированные маршрутизаторы/коммутаторы (ISR), способные поддерживать как протоколы маршрутизации, так и протокол ARIS. Согласно протоколу ARIS в сети устанавливается коммутируемое соединение между входным устройством ISR (коммутатором, через который пакет попадает в сеть) и выходным (коммутатором, через который пакет выходит из сети), рис. 4.

Весь трафик к одному адресату передается в рамках единого коммутируемого соединения благодаря анализу маршрутной информации периферийным устройством. Если IP-пакеты направляются к одному адресату, то периферийное устройство назначает пакетам «идентификатор выхода» (egress identifier, Egress ID), используемый для установления коммутируемого соединения между ISR-устройствами и управления им. Такие идентификаторы и отличают друг от друга виртуальные пути, которые строятся при работе под ARIS. К каждому Egress ID ведет ровно один виртуальный путь.

Коммутируемый виртуальный путь, определяемый идентификатором выходной системы, имеет форму дерева, где корень - выходной ISR, а ветви - входные ISR. Идентификаторы могут быть установлены на основе информации протоколов маршрутизации или определены администратором. ARIS поддерживает как IP, так и другие сетевые протоколы. На границе магистрали трафик снова разделяется на отдельные потоки.

Для управления коммутируемыми соединениями в ARIS используются несколько типов сообщений, пересылаемых непосредственно соединенными устройствами. Например, INIT - обнаружение «соседей» в сети, ESTABLISH - создание коммутируемого соединения, TEARDOWN - удаление коммутируемого соединения.

В ISR расширены возможности связи маршрутов с «идентификаторами выхода». Идентификатор может быть определен как для единственного маршрута, так и для группы. При наличии в маршрутизируемых пакетах данных об идентификаторах установливается коммутируемое соединение, в противном случае данные доставляются на основе традиционной маршрутизации.

Примером устройств, поддерживающих ARIS, является выпускаемый компанией IBM коммутатор 8265 Nways ATM Switch с модулем IBM 8210 MSS (Multiprotocol Switched Services).

Многопротокольная коммутация меток

С февраля 1997 г. в IETF действует рабочая группа по многопротокольной коммутации с использованием меток (MPLS). Основная цель рабочей группы MPLS состоит в том, чтобы стандартизировать технологию, объединяющую парадигму «label swapping» с традиционными протоколами маршрутизации сетевого уровня. Эта технология призвана интегрировать существующие технологии коммутации и способствовать их внедрению в современные корпоративные сети и сети провайдеров услуг Internet, что обеспечит эволюционное развитие существующих средств маршрутизации.

Сейчас усилия MPLS сосредоточены на IPv4 и IPv6. Однако декларируется поддержка и других сетевых протоколов (например, IPX, Appletalk, DECNET, CLNP). MPLS обеспечивает набор «базовых» механизмов:

? процедуры назначения меток. Сложность выбора решения состоит в том, что необходимо учесть технологии, основанные как на потоковом, так и на топологическом принципах присвоения меток;

? методы передачи. Одна из основных задач - ускорение передачи пакетов за счет использования короткой метки фиксированной длины. Разрабатываемые процедуры - просмотр меток в таблице, замена меток, проверка и др.;

? методы распределения меток. Определяют способы назначения меток определенным потокам, а также взаимодействия с протоколами маршрутизации.

Методы передачи, разрабатываемые MPLS, должны упростить процедуру отправления пакета, снизить стоимость передачи и улучшить функциональность устройств.

Технологиям MPLS требуется совместимость с широким диапазоном основных стандартов передачи данных канального уровня и с протоколами маршрутизации. Протоколы маршрутизации и протоколы группы MPLS основываются на распределенной модели вычислительной системы, что обуславливает необходимость в предотвращении (или обнаружении и корректной обработке) появления петлевых схем соединений.

Методы MPLS должны обеспечивать «агрегирование» информации из нескольких источников в единый поток, а также одно- и многоадресную передачу данных. Кроме того, необходимо, чтобы они предоставляли широкие возможности диагностирования и управления.

Эти и другие требования (предъявляемые к предложенным различными компаниями технологиям коммутации меток) показывают высоту «планки», устанавливаемой группой MPLS. Преемственность между традиционными технологиями и технологией коммутации меток, разрабатываемой группой MPLS, показана на рис. 5.

Окончательный вариант стандарта MPLS еще неизвестен; возможно, он будет опубликован в 1999 г. Тем не менее уже сейчас компания Cisco Systems выпустила коммутаторы TDX 8750 и MGX 8800, в которых реализована предстандартная версия протокола MPLS.

* * *

Итак, хотя крупнейшие производители сетевого оборудования предлагают свои подходы к IP-коммутации, необходимо осознавать, что пройдет не менее 1-2 лет до появления действительно стандартных решений. Однако это вовсе не означает, что не следует приобретать устройства, реализующие конкретные технологии IP-коммутации. Такие устройства вполне работоспособны и могут поднять быстродействие сети, причем обойдутся дешевле, чем дополнительные маршрутизаторы. При построении сетей нередко наблюдается ориентация на оборудование от одного производителя. В некоторой степени, это снижает напряжение, связанное с ожиданием стандартизованного решения.

С ними можно связаться по тел. (095)238-3711, (095)238-3777.