Общие вопросы выбора технологий

Когда же технологии маршрутизации оказывается недостаточно? Это происходит в том случае, когда сети, построенные на маршрутизаторах, перерастают в своем развитии некий естественный предел, обусловленный функциональными возможностями маршрутизаторов. Как правило, такое “насыщение” возникает в результате широкого внедрения новых приложений. В таких ситуациях первой реакцией на жалобы пользователей, недовольных увеличением времени реакции сети, может быть внедрение высокоскоростных коммутаторов на границе локальной сети и магистрали АТМ. Когда пользователи, находящиеся в разных подсетях, обмениваются данными между собой, весь этот трафик проходит через магистральные маршрутизаторы, что становится особенно критично при резком увеличении трафика. Даже при установке быстрых маршрутизаторов, способных обрабатывать до 500 000 пакетов в секунду, они все равно становятся узким местом применительно к трафику между подсетями.

Маршрутизаторы вносят задержку в силу самой своей природы — ведь они отвечают за разрешение адресов, определение оптимального маршрута и фильтрацию пакетов. В результате большое количество переходов в сети, которые трафик должен пройти для достижения получателя, приводит к значительному повышению суммарной задержки. При этом, так как пакеты обрабатываются множеством устройств и обрабатываются, вообще говоря, по-разному, общая задержка претерпевает непредсказуемые изменения и ни в коем случае не является детерминированной (предсказуемой) величиной, что неприемлемо для мультимедийных приложений.

Маршрутизаторы обычно принимают пакеты сетевого уровня от устройств, принадлежащих одной подсети, и передают их устройствам в других подсетях. Данная операция не предусматривает установление соединения и, каждый пакет внутри потока данных обрабатывается маршрутизатором отдельно, независимо от других. Этот процесс повторяется на каждом маршрутизаторе в сети. Так как пакеты могут принадлежать к разным протоколам сетевого уровня, каждый маршрутизатор в сети должен поддерживать многопротокольный стек. Это обстоятельство не только приводит к появлению избыточности в оборудовании и программном обеспечении, но также усложняет управление сетью в целом, так как каждый маршрутизатор в сети должен независимо настраиваться, поддерживаться и управляться администратором (или независимыми администраторами, что еще более усложняет задачу).

В некоторых случаях для повышения производительности маршрутизаторы могут заменяться высокоскоростными коммутаторами АТМ. Однако в этом случае теряются многие важнейшие достоинства маршрутизаторов. Таким образом, возникает потребность в решении, которое бы обеспечивало интеграцию функций маршрутизаторов с функциями коммутаторов АТМ, избавленное от возникновения различного рода узких мест и больших задержек трафика. Ясно, что такое решение должно объединять в себе достоинства технологии АТМ с преимуществами существующих локальных сетей (например, Ethernet), сохраняя уже сделанные инвестиции в сетевое оборудование и инфраструктуру.

Тезис ведущих производителей “коммутировать по возможности, маршрутизировать по необходимости” призывает организации внедрять у себя коммутаторы повсеместно. Маршрутизаторам же этот тезис не оставил практически никаких шансов на их широкое применение в будущем.

В последнее время внедрение коммутаторов в сети носит лавинообразный характер. Администраторы совершенно справедливо обосновывают необходимость широкого развертывания коммутаторов следующими соображениями:

Исходя из вышесказанного, можно было бы сделать вывод, что коммутаторы предоставляют возможность увеличения пропускной способности сети и не требуют при этом чрезмерных усилий. Однако практика показывает, что не все так просто.

Так как коммутаторы “выросли” из мостов, они унаследовали многие негативные стороны последних. Основным недостатком является то, что при использовании исключительно коммутаторов, сеть получается “плоской”. Главной проблемой таких сетей является влияние неконтролируемого широковещательного трафика на производительность.

Говоря о широковещании и связанных с ним проблемах, можно выделить два основных типа широковещательных пакетов. Это пакеты, запрашивающие статус сетевого устройства или его доступность в настоящий момент, и пакеты, которые объявляют об услугах, предоставляемых определенными устройствами. Примерами первых пакетов могут служить сообщения, генерируемые протоколом ARP, или запросы на разрешение NetBIOS-имени в сетях Microsoft. Примером второго типа пакетов могут служить сообщения протоколов маршрутизации RIP IP, OSPF, RIP/SAP IPX и т. д. В табл.1 приведены общий перечень протоколов, вызывающих широковещательный трафик, и частота его появления.

Таблица 1. Перечень протоколов, вызывающих широковещательный трафик

Широковещательный трафик может достигать значительного объема в больших сетях с сотнями устройств (300 и более). Увеличение широковещательного трафика снижает полезную пропускную способность сети, что отрицательно сказывается на работе приложений, критичных к задержкам.

В некоторых ситуациях может возникнуть так называемый “широковещательный шторм” — взрывной всплеск широковещания, который полностью занимает всю полосу пропускания сети. Кроме того, так как широковещательный трафик принимается всеми устройствами в сети (серверами, рабочими станциями и т. д.), то для его анализа, вообще говоря, требуется дополнительное процессорное время. Таким образом, при создании сети сколько-нибудь значительного размера необходимо предусмотреть ограничение области широковещания.

До некоторого времени при проектировании все следовали основному правилу, которое гласило, что 80 % сетевого трафика должно оставаться в рабочей группе, и только остающимся 20 % трафика разрешается циркулировать между группами. Однако с появлением новых приложений, особенно мультимедийных, в современных корпоративных сетях изменился характер трафика — теперь значительно большая его часть приходится на связь между рабочими группами. Наблюдается постепенный сдвиг в сторону поддержки связей типа точка-точка между любыми устройствами в сети, в том числе, принадлежащими различным рабочим группам.

Использование мультимедийных приложений и услуг, например, проведение аудио- и видеоконференций, привело к увеличению потребности в групповой передаче данных. Как следствие, все больше и больше данных переносится по магистрали сети, а не циркулирует в отдельных рабочих группах, построенных на базе коммутаторов и концентраторов. А это приводит к тому, что для взаимодействия отдельных подсетей требуется более широкое использование маршрутизаторов, чем когда-либо ранее.

Таким образом, знакомое всем правило 80/20 преобразуется в другое правило — 20/80, то есть 20 % трафика остается в рабочей группе, а 80 % трафика относится к взаимодействию групп между собой. Такое изменение, помимо приведенных выше соображений, обусловлено также бурным развитием корпоративных интрасетей.

Как видно, провозглашенный производителями тезис “коммутировать по возможности, маршрутизировать по необходимости” не является абсолютно безоговорочным — маршрутизация в современных сетях все еще требуется достаточно часто. И, как следствие, уже не является сюрпризом то, что производители разрабатывают альтернативные технологии, комбинирующие коммутацию и маршрутизацию. За счет использования этих новых технологий производители пытаются решить две основные проблемы:

• Уменьшение показателя “стоимость/производительность”. Производители очень хотели бы объединить все достоинства маршрутизаторов с высокой производительностью и низкой стоимостью коммутаторов
• Повышение масштабируемоести в глобальных сетях. Еще одной причиной комбинирования коммутации и маршрутизации является попытка решить проблему, возникающую в сетях АТМ и Frame Relay. В таких сетях все граничные маршрутизаторы находятся как бы на расстоянии одного перехода друг от друга — это происходит за счет формирования виртуальных каналов (в случае Frame Relay — DLCI, в случае АТМ — VPI/VCI) между ними даже в сложной, смешанной топологии. Однако увеличение числа виртуальных каналов на втором уровне приводит к быстрому росту отношения числа определяемых на третьем уровне маршрутов к числу маршрутизаторов.

Например, если N — это число узлов, то формула для числа виртуальных однонаправленных соединений всех узлов друг с другом имеет вид N(N-1) (сумма арифметической прогрессии). Используя эту формулу, легко вычислить, что для связи 5 узлов потребуется 20 виртуальных (однонаправленных!) соединений. При добавлении всего лишь одного узла потребуется уже 30 виртуальных соединений.

Каждый маршрут в таблице маршрутизации требует выделения дополнительной памяти и нуждается в обработке с учетом протокола маршрутизации. Это приводит к значительной загрузке маршрутизаторов служебными функциями. Поэтому сейчас производители коммутаторов АТМ и Frame Relay для глобальных сетей начинают принимать меры, которые позволили бы объединить виртуальные каналы в небольшое число путей между узлами. В результате уменьшается число маршрутов, с которыми приходится иметь дело маршрутизаторам.