Пакеты вместо ячеек на магистрали

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.

? AWi Verlag