Для более глубокого понимания процессов, происходящих при коммутации третьего уровня, необходимо рассмотреть современное состояние развития маршрутизаторов, их техническую и программную реализацию и дать сравнительный анализ маршрутизаторов и коммутаторов. Это чрезвычайно актуально, так как новые технологии коммутации и маршрутизации находят все более широкое применение в современных сетях, в том числе, в сетях АТМ. Ярким примером тому может служить технология MPOA.
Распределенные сети уже достаточно давно включают в свой состав активное сетевое оборудование различного типа — мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Активное оборудование управляет трафиком в сети так, чтобы данные терялись как можно реже и попадали к адресатам как можно быстрее. Сети с иерархически соединенным активным оборудованием доказали свою жизнеспособность на практике и служат основой для построения больших распределенных корпоративных сетей.
Сейчас коммутаторы по своим функциональным возможностям приближаются к маршрутизаторам, а по некоторым параметрам даже опережают их. Сегодняшние корпоративные коммутаторы умеют многое из того, что несколько лет назад делали только маршрутизаторы.
Соответственно, не могли не измениться теория и практика построения корпоративных сетей. Сравнивать сегодня коммутаторы и маршрутизаторы по стандартным критериям, таким как функциональность, производительность и соотношение цена/производительность, нельзя. Чтобы определить место каждого устройства, необходимо учитывать совокупность всех параметров и принимать во внимание конкретную задачу, возлагаемую на устройство в данной сети.
Основное назначение коммутаторов состоит в том, чтобы с помощью внутренней высокоскоростной магистрали одновременно поддерживать несколько соединений между сетевыми устройствами. Коммутаторы способны реально повысить пропускную способность сети в несколько раз.
Это становится возможным благодаря разбиению сети на несколько взаимосвязанных сегментов. При правильном распределении трафика совокупная пропускная способность коммутируемой сети равняется произведению числа сегментов на пропускную способность исходной сети. Однако увеличение производительности за счет применения коммутации сопряжено с появлением некоторых неудобств, от которых очень трудно избавиться. Совершенно “плоская” коммутируемая сеть не может направлять трафик туда, куда это необходимо (например, при управлении сетью). Кроме того, такая сеть может просто перестать функционировать при возникновении так называемого широковещательного шторма. При неисправности сетевого адаптера или кабеля, когда в сеть поступают испорченные кадры, для поиска источника этих кадров необходимо будет изолировать и провести анализ практически всех сегментов сети поочередно.Популярность коммутаторов на уровне подразделений продолжает расти. Это связано с тем, что установка коммутаторов обойдется дешевле, чем развертывание, скажем, АТМ или Gigabit Ethernet. Обе эти технологии предполагают значительные капиталовложения. Коммутаторы же позволяют повысить отдачу от уже сделанных инвестиций. Кроме того, продвижению коммутаторов на рынке способствует простота их установки.
С помощью коммутаторов обычно реализуются виртуальные сети. Только интеллектуальный коммутатор может обеспечить эффективную коммутацию узлов в сети, физически не соединенных друг с другом (не находящихся в одном сегменте). Применение виртуальных сетей помогает администраторам сети упростить и удешевить перемещение пользователей, добавление членов групп, изменение конфигурации сети.
Анализ рекомендаций ведущих специалистов говорит о том, что коммутаторы еще много лет будут основным средством при построении сетей. Особенно после появления коммутаторов АТМ, имеющих порты с различными сетевыми интерфейсами. Организациям очень выгодно подключать свои сети к магистрали АТМ через такие коммутаторы.
Коммутаторы за последние годы развивались весьма интенсивно. Они обеспечивают заведомо надежную установку соединений, так как их работа основана на сквозной организации связи, без вычисления маршрута для каждого кадра или ячейки. Коммутаторы третьего уровня как бы переносят выполнение маршрутизации ближе к пользователю, на каждый порт. В коммутируемой среде не только маршрутизация распределяется по всей сети, но также увеличивается отказоустойчивость, так как выход из строя одного устройства не повлияет на работоспособность большинства пользователей сети. Сегодняшние коммутаторы имеют полосу пропускания 75 Гбит/с и скорость передачи 10.5 млн. кадров в секунду.
Основное назначение маршрутизаторов заключается в пересылке пакетов по их сетевым иерархическим адресам, обеспечении безопасности передаваемой информации, управлении трафиком и предоставлении необходимого качества обслуживания.
Маршрутизаторы функционируют на третьем уровне модели OSI и обеспечивают интеллектуальную обработку пакетов. Так как маршрутизаторы работают с такими протоколами, как IP, они способны реализовывать независимую обработку пакетов любой пары абонентов.
Однако резкое увеличение числа работающих пользователей, рост популярности внутри корпоративных интрасетей и применение новых, более требовательных к пропускной способности приложений, привело к тому, что традиционные маршрутизаторы, применявшиеся до недавнего времени в больших распределенных сетях, перестают справляться с нагрузкой. А широкое внедрение высокоскоростных технологий, таких как Fast Ethernet, АТМ, 100VG-AnyLan и т. д. приводит к постоянному увеличению трафика в распределенных сетях и эта тенденция неизменна.
Существует несколько причин, вследствие которых маршрутизаторы становятся узкими местами в распределенной сети. Одна из них заключается в том, что маршрутизатор обязан выполнять все функции по обработке пакетов, соответствующие третьему уровню семиуровневой модели OSI. В частности, в отличие от коммутатора, которому для принятия решения о коммутации на определенный порт необходимо исследовать только одно поле поступившего кадра — МАС-адрес получателя (при этом можно даже не принимать весь кадр), и коммутатора АТМ, которому достаточно просмотреть идентификаторы виртуального канала (VCI) и виртуального пути (VPI), маршрутизатору требуется прочитать весь пакет и исследовать при этом множество его полей. В распределенных сетях, в которых между любой парой отправитель-получатель существует множество возможных маршрутов, перечисленные причины приводят к резкому уменьшению производительности. Это связано с большой потерей времени на поиск данных в таблицах маршрутизации и, естественно, такой поиск длится намного дольше, чем просмотр таблицы МАС-адресов или таблицы с VCI/VPI. Сюда же следует добавить время, затрачиваемое на выполнение специальных функций, таких как фильтрация пакетов, шифрование и т. д
.Повышение производительности маршрутизаторов возможно при применении некоторых специальных технических решений. К ним, в первую очередь, следует отнести:
Увеличение скорости центрального процессора является наиболее общим подходом к повышению производительности маршрутизаторов. Однако это решение может удовлетворить лишь сиюминутные потребности определенных сетей. На это есть много причин, одна из которых состоит в том, что процессорам маршрутизаторов просто не угнаться за стандартными популярными процессорами в конечных станциях. Повышение характеристик процессоров конечных станций влечет за собой разработку все более мощных приложений, которые, в свою очередь, требуют расширения полосы пропускания. В этой гонке процессор маршрутизатора будет всегда отставать.
Реализация технологии кэширования предусматривает, прежде всего, выделение и классификацию потоков данных, проходящих через маршрутизатор. При этом под потоком понимается трафик между одной определенной парой отправитель-получатель. Разделение трафика на потоки и последующее кэширование потоков позволяет осуществлять более быстрый поиск в
таблице маршрутизации, по сравнению с последовательным поиском в таблице для каждого пакета в общем трафике. Узким местом технологии кэширования является возможность переполнения памяти, отводимой под кэш, при большом числе различных потоков (в “часы пик” сети).Увеличение памяти, отводимой под буфер приема пакетов, потенциально увеличивает производительность маршрутизатора и, безусловно, снижает вероятность возникновения ситуаций, в которых IP-пакеты отбрасываются маршрутизатором из-за его сильной загрузки. Недостатком такого метода является то, что протоколы стека TCP/IP, используемые на конечных станциях, постоянно пытаются повысить эффективность использования сети путем увеличения скорости передачи пакетов. Скорость передачи пакетов увеличивается до тех
пор, пока посылаемые пакеты не начинают отбрасываться. Поэтому отбрасывать пакеты маршрутизатору рано или поздно придется. Вместе с тем, увеличение памяти, отводимой под буфер, вызывает появление задержек при обработке пакетов маршрутизатором, так как пакеты будут проводить больше времени в очередях, что приведет к увеличению времени прохождения пакета через распределенную сеть.Таким образом, практика показывает, что внедрение этих решений в большинстве случаев является недостаточным для обработки трафика большого объема. Это становится особенно заметным в сети Internet. Поэтому уже достаточно давно назрела необходимость разработки принципиально новой концепции маршрутизации пакетов, при которой стало бы возможным значительное уменьшение и даже полное устранение задержек при обработке. При этом такая концепция должна унаследовать все достоинства, присущие маршрутизаторам: защищенность передаваемых данных, ограничение областей широковещания и т. д. С другой стороны, хотелось бы перенять от коммутаторов одно из основных их достоинств — невысокую стоимость в расчете на порт.
Можно сказать, что сейчас наметилась и воплощается в жизнь тенденция сближения маршрутизаторов и коммутаторов по функциональным возможностям. Появление коммутаторов, работающих на третьем (сетевом) уровне эталонной модели OSI, может свести еще имеющиеся между ними различия на нет. Сегодня производители коммутаторов проектируют новые изделия так, чтобы они идеально вписывались в структуру сложных современных сетей, имеющих в своем составе много маршрутизаторов. Существует даже мнение, что современные коммутаторы повышают производительность сетей, построенных на базе маршрутизаторов. Основная идея совместного использования маршрутизаторов и коммутаторов состоит в следующем: задействовать коммутаторы для увеличения пропускной способности, а маршрутизаторы применять для сегментации.
Реально вопрос о полном отказе от маршрутизаторов никогда не ставился. Их необходимость в глобальных сетях всегда была очевидна. Тем более технология маршрутизаторов не стоит на месте и тоже постоянно совершенствуется. Сегодня появилось новое поколение маршрутизаторов, которое использует все передовые достижения. Маршрутизаторы глобальных сетей превосходят коммутаторы по соотношению цена/производительность. Более того, для глобальных сетей применение только маршрутизаторов позволяет повысить надежность по сравнению с совместным использованием маршрутизаторов и коммутаторов. Маршрутизаторы последних поколений сняли ограничения по масштабируемости к высоким скоростям передачи данных, значительно уменьшили время задержки при обработке пакетов и улучшили управляемость. Повысилась плотность расположения портов, что означает уменьшение количества устройств, необходимых для построения сети. Маршрутизаторы сейчас обладают многими
достоинствами коммутации. Они могут работать на самых быстрых линиях и их коммутационные возможности достаточны для любых приложений. Претерпевает изменения и внутренняя структура маршрутизаторов. Появляются маршрутизаторы с параллельными распределенными многопроцессорными структурами, во многом напоминающими схожие структуры в коммутаторах.Спор о достоинствах применения коммутаторов и маршрутизаторов в сетях не утихнет очень долго. Это связано с тем, что и те, и другие устройства имеют свои положительные стороны, но их достоинства лежат как бы в разных плоскостях. Так что, в принципе, говорить о полной взаимозаменяемости этих устройств достаточно сложно. Всегда найдутся такие положительные стороны маршрутизаторов, которыми коммутаторы не будут обладать еще очень долго. Так что эти два направления — маршрутизаторы и коммутаторы — продолжают развиваться своими несколько различающимися путями. Однако существует и третье направление — нетрадиционные программно-аппаратные решения ведущих фирм-производителей. Вбирая положительные качества коммутаторов и маршрутизаторов, они формируют как бы новый класс устройств, обладающих быстродействием коммутаторов и интеллектуальностью маршрутизаторов. Более того, сейчас вырабатываются новые концепции, позволяющие устранить или, по крайней мере, максимально сократить задержки при обработке пакетов.