ARIS-технологія комутації третього рівня

Швидке зростання трафіку в магістральних IP-мережах змушує виробників обладнання шукати способи підвищення їх пропускної спроможності. Один з таких способів - комутація третього рівня.

Зараз вже майже всі погоджуються, що переможцем у "війні протоколів" став IP. Відповідно до опублікованого деякий час назад прогнозом компанії Gartner Group, до 2000 р IP буде використовуватися приблизно о восьмій-дев'ятій раз ширше, ніж SNA, IPX і інші протоколи, причому велику перевагу IP позначиться як в локальних, так і в глобальних мережах. Для цього є цілий ряд причин: на ньому базується всесвітня мережа Internet; це стандартний відкритий протокол, який підтримується практично всіма платформами; він здатний до подальшого розвитку і "інтелектуалізації".

Маршрутизації АБО КОМУТАЦІЯ?

Сучасні IP-мережі використовують в своїй роботі маршрутизатори. Існує цілий ряд протоколів, що забезпечують в IP-мережах маршрутизацію повідомлень до точки призначення, зокрема RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Border Gateway Protocol), розроблені Cisco Systems закриті протоколи IGRP (Internet Gateway Routing Protocol) і EIGRP (Enhanced Internet Gateway Routing Protocol) і ін.

Всі ці протоколи діють у такий спосіб. У маршрутизаторах зберігаються таблиці, де той чи інший спосіб описана топологія мережі. Коли пакет з даними прибуває в маршрутизатор, напрямок його подальшої передачі визначається по вмісту в ньому адресою призначення. Протоколи маршрутизації відрізняються один від одного в першу чергу тим, яким чином маршрутизатори збирають інформацію про топологію мережі і як обчислюється напрямок подальшої передачі пакета.

Передача пакетів між пристроями здійснюється на канальному рівні (для цього в IP-мережах можуть використовуватися найрізноманітніші технології, наприклад Ethernet, frame relay, ATM), а адреса призначення є поле в пакеті третього рівня. Якщо при передачі пакета на канальному рівні здійснюється його розбирання на менші блоки (наприклад, осередки фіксованої довжини в мережі ATM), то для правильної маршрутизації пакета його треба спочатку зібрати, для чого необхідно певний час. Крім того, потрібно прийняти рішення про подальшу передачу кожного пакету, на що теж потрібен час, - причому воно тим більше, чим ширший мережу.

Тим часом, інтенсивність трафіку в IP-мережах зростає. Все активніше обговорюються вигоди від передачі мультимедійних потоків (голосу і відеофрагментів) в реальному часі через IP-мережі. Відповідно, вони повинні не тільки мати високу пропускну здатність, але і гарантувати надання замовленої додатком смуги пропускання. Традиційним маршрутизаторів стає все важче справлятися з вирішенням цих завдань, а затримки, пов'язані з необхідністю обробки кожного пакету, виявляються все помітніше.

Спроби "обійти" накладні витрати, пов'язані з маршрутизацією пакетів в IP-мережах, привели до виникнення ідеї IP-комутації. Ця технологія побудована приблизно на тих же принципах, що і комутація в мережах ATM. Якщо два вузла "хочуть" обмінятися інформацією, то спочатку вони повинні побудувати якийсь віртуальний шлях через мережу, який зв'яже їх між собою ( Мал. 1 ). Кожному фрагменту такого віртуального шляху присвоюється унікальна мітка (в мережах АТМ це пара номерів - віртуального тракту і віртуального каналу), що відрізняє його від всіх інших фрагментів; ця мітка записується в певне поле переданого по мережі пакета.

У комутаторі зберігається так звана таблиця заміни міток (label-swap table), по якій і визначається, куди треба передавати яке надійшло на вхід повідомлення. на Мал. 1 повідомлення, що надходять на вхід комутатора 1 через Порт 1 і мають мітку 3/5, передаються на вихід через Порт 3; при цьому мітка замінюється на 4/2. На комутатор 2 всі повідомлення, що надходять на вхід через Порт 2 і мають мітку 4/2, передаються на вихід через Порт 6; мітка замінюється на 6/8. З якого порту на який слід передавати повідомлення і як замінювати їх мітки - визначається при побудові віртуального шляху на початку обміну інформацією.

Схема заміни міток в комутованій мережі

Зрозуміло, що такий спосіб передачі інформації через мережу економічніше маршрутизації. По-перше, тут не витрачається час на складання / розбирання пакетів. По-друге, рішення про пересилання повідомлення приймається на основі аналізу короткого поля мітки, та й таблиці заміни міток, як правило, коротше таблиць маршрутизації (таблиці заміни міток відповідають локальної топології з'єднання безпосередніх сусідів даного комутатора, а в таблицях маршрутизації описується топологія всієї мережі в цілому або, як мінімум, значних її областей).

ЯК НЕ заблукали серед трьох комутаторів

Існує цілий ряд технологій IP-комутації; вони розрізняються способами побудови віртуальних шляхів передачі повідомлень. В цілому, їх зазвичай ділять на дві групи. Перша - комутація на основі потоків повідомлень. Так працюють протоколи Next Hop Resolution Protocol (NHRP), розроблений робочою групою IETF, і IFMP / GSMP, запропоновані свого часу компанією Ipsilon (про це дуже докладно розповідається в статті Д. Самуйлова і Т. Ісаєвої, опублікованій в шостому номері "Мереж" за минулий рік). Друга група - комутація на основі топології мережі; саме до цієї групи відноситься технологія ARIS.

При роботі за першою схемою під потоком повідомлень розуміється послідовність пакетів, що виходять з одного і того ж джерела, що мають один і той же адресу призначення і передаються через одні й ті ж порти комутатора. Перші кілька пакетів потоку передаються з використанням маршрутизаторів. Потім складаються таблиці заміни міток (на основі того, яким чином передавався від комутатора до комутатора даний потік інформації), і таким чином будується віртуальний шлях передачі повідомлень, що належать до даного потоку. Після цього повідомлення слідують тільки по побудованій віртуальному шляху, не звертаючись до маршрутизаторів. Якщо віртуальний шлях розривається (наприклад, через відмову каналу зв'язку), то в справу знову включаються маршрутизатори, і вибудовується новий шлях.

У протоколах IP-комутації на основі топології мережі віртуальні шляху передачі повідомлень будуються за допомогою інформації про топології мережі, що генерується за допомогою застосування традиційних протоколів маршрутизації повідомлень в IP-мережі (наприклад, OSPF і BGP). Таблиці заміни міток, що забезпечують передачу повідомлень від будь-якого граничного комутатора до будь-якого іншого граничного комутатора, шикуються заздалегідь. Комутатор, через який пакет потрапляє в мережу, називається вхідним, а той, через який він виходить з мережі, - вихідним.

Отримавши пакет, вхідний комутатор перевіряє його IP-адресу призначення. Потім, за заздалегідь складеною таблиці, він визначає, на який комутатор (з сусідніх) слід передати цей пакет і яку мітку використовувати при передачі. Подальша передача пакета по мережі здійснюється за допомогою заздалегідь складених таблиць заміни міток. На вихідному комутаторі відбувається збірка IP-пакетів, а потім вони передаються відповідно до IP-адресою призначення.

З останнім способом IP-комутації пов'язана одна проблема: якщо не вжити спеціальних заходів, то число елементів в таблиці заміни міток зростає пропорційно квадрату числа комутаторів мережі. Тому, на перший погляд, для великих мереж даний підхід не годиться. Однак існують алгоритми побудови віртуальних шляхів, при використанні яких число елементів таблиці зростає пропорційно першого ступеня числа комутаторів в мережі. Саме так влаштований протокол IP-комутації ARIS (Aggregate Route-based IP Switching), запропонований і реалізований компанією IBM.

АРІЯ ПРО ARIS

Протокол ARIS призначений для управління потоками інформації в мережах, що складаються з інтегрованих комутаторів / маршрутизаторів (Integrated Switch / Router, ISR). Під цим терміном розуміється комутатор другого рівня, здатний підтримувати будь-якої протокол маршрутизації IP (наприклад, OSPF) і протокол ARIS. ISR може виконувати як маршрутизацію пакетів на третьому рівні, так і комутацію пакетів на другому рівні.

Прикладом такого пристрою є комутатор ATM під назвою 8265 Nways ATM Switch, що випускається компанією IBM, в який вбудований модуль IBM 8210 MSS (Multiprotocol Switched Services; додаткову інформацію про технології можна прочитати в статті "Технологія Multiprotocol Switched Services компанії IBM", опублікованій в листопадовому номері "Мереж" за минулий рік). Надалі ми будемо розглядати IP-мережі, де в якості технології канального рівня використовується ATM. Однак всі протоколи IP-комутації, і ARIS в тому числі, здатні працювати в будь-яких мережах, в яких на канальному рівні працює будь-яка коммутируемая технологія - від Switched Ethernet до frame relay.

Використання протоколу ARIS дозволяє будувати комутовані тракти передачі даних через мережу ISR від вхідного вузла мережі до вихідного. Поняття вхідного і вихідного вузла мають сенс тільки в тому випадку, коли вони відносяться до певного віртуальному шляху; той же самий комутатор може бути вхідним для одних шляхів і вихідним для інших.

Ключовим в ARIS є поняття ідентифікатора вихідний системи, або Egress ID. За кожним з Egress ID "коштує" одна або кілька систем, до яких можна отримати доступ через вихідний вузол мережі. Саме за цими ідентифікаторами і розрізняються віртуальні шляху, які будуються при роботі під ARIS. До кожного Egress ID веде рівно один віртуальний шлях.

Щоб зрозуміти це, звернемося до Мал. 2 . Тут проілюстровано інше ключове поняття протоколу ARIS - злиття комутованих віртуальних шляхів. Комутований віртуальний шлях, пов'язаний з певним ідентифікатором вихідний системи, має форму дерева, коріння якого знаходиться на вихідному ISR, а гілки спрямовані до всіх вхідних ISR. Формування цього дерева відбувається наступним чином.

( 1x1 ) Малюнок 2.
Схема комутованого віртуального шляху в протоколі ARIS

Спочатку в вихідний ISR завантажується ідентифікатор вихідний системи. Наприклад, Комутатор 4 на Мал. 2 є вихідним для вихідний системи Мережа А. В результаті роботи протоколу ARIS буде побудований комутований віртуальний шлях, що зв'язує всі вхідні ISR з вихідним ISR комутатор 4 і, далі, з вихідною системою Мережа А.

Всі комутатори, що входять до складу мережі, обмінюються повідомленнями INIT. Таким чином пристрої "знайомляться" і повідомляють один одному, які мітки вони можуть використовувати для позначення віртуальних шляхів. Після цього вихідний ISR (в нашому випадку - Комутатор 4) відправляє свого сусіда (комутатор 3) повідомлення Establish. У ньому містяться ідентифікатор вихідний системи, пропонована мітка сегмента, що з'єднує Комутатор 3 і Комутатор 4 в рамках вибудовується віртуального шляху, і список ISR, через які даний шлях вже пройшов (в описуваному випадку шлях тільки починає вибудовуватися, тому в списку буде фігурувати лише сам Комутатор 4).

Отримавши повідомлення Establish, Комутатор 3 з'ясовує, чи знаходиться той ISR, від якого надійшло дане повідомлення, на допустимому шляху до вихідного ISR. Для цього використовується наявна у комутатора таблиця маршрутизації, яка складається в момент побудови мережі та підтримується протягом усього часу її існування; для таких цілей і необхідний протокол IP- маршрутизації.

Крім того, Комутатор 3 з'ясовує, чи не містяться в надісланому йому списку цикли. Якщо все в порядку, Комутатор 3 вносить ще один Egress ID в свою таблицю маршрутизації і записує мітку віртуального шляху, що веде до цього Egress ID, в відповідну таблицю. Потім Комутатор 3 посилає комутатор 4 підтвердження.

Далі, Комутатор 3 привласнює мітки віртуальних каналах, провідним від нього до всіх вузлів мережі (крім комутатор 4, якому він тільки що послав підтвердження), і посилає відвідування таких сайтів (в нашому випадку - Вузлам 1, 2 і 5) повідомлення Establish. Мітки віртуальних шляхів, що ведуть до вузлів, від яких після цього прийшли підтвердження (в нашому прикладі ми вирішили обійтися без викрутасів: підтвердження приходять від усіх вузлів), заносяться в таблицю заміни міток. Причому всіх шляхах, що входять в Комутатор 3 і веде до Egress ID Мережа А, ставиться у відповідність один і той же вихідний віртуальний шлях. Саме таким чином і забезпечується злиття шляхів, про який ми говорили вище. За рахунок того, що до кожного Egress ID веде лише один шлях, розміри таблиць заміни міток, які застосовуються при IP-комутації, ростуть пропорційно числу ідентифікаторів вихідних систем, а не їх квадрату (що мало б місце, якби не використовувалися спеціальні алгоритми).

За Egress ID можуть "ховатися" найрізноманітніші системи - і просто кінцева система, і IP-маршрутизатор, що працює під протоколом OSPF. В останньому випадку весь трафік, адресований системам, до яких можна "дістатися" через цей маршрутизатор, слід по одному і тому ж віртуальному шляху. Сам маршрутизатор служить шлюзом між областю мережі, де використовується IP-комутація, і областю, побудованої за традиційною схемою. Нарешті, засобами ARIS можна забезпечити багатоадресну розсилку IP-повідомлень (мультікастінга). При цьому будується дерево, в корені якого знаходиться вузол, який здійснює мультікастінга, а гілки ведуть до членів групи, які отримують даний потік під LGPL.

НА ШЛЯХУ ДО СТАНДАРТИЗАЦІЇ

Не так давно комітет IETF (Internet Engineering Task Force) утворив нову робочу групу MPLS (Multiprotocol Label Switching). Вона покликана розробити стандарт, який об'єднує маршрутизацію на мережевому рівні і комутацію на канальному. В рамках цієї діяльності в IETF було подано дві заявки, засновані на використанні протоколів IP-комутації на базі топології мережі. Одна з них - ARIS, а друга Tag Switching від компанії Cisco Systems. Ми обов'язково будемо розповідати вам про діяльність MPLS.

Олександр Крейнес - оглядач журналу "Мережі". З ним можна зв'язатися за допомогою електронної пошти за адресою [email protected] .