Маршрутизатор выполняет две функции: он вычисляет маршрут и передает (продвигает) пакет.
Первая (и основная) функция позволяет определять оптимальные маршруты передачи данных через распределенную сеть. Маршрутизатор справляется с этой своей обязанностью совместно с одним из протоколов маршрутизации. Маршрутизаторы, участвующие в выборе оптимального маршрута, обмениваются информацией о сетевой топологии с помощью протоколов маршрутизации. Именно они помогают принять оптимальное решение о передаче трафика между двумя точками в распределенной сети. Приняв определенное решение, маршрутизатор пересылает пакеты следующему маршрутизатору на выбранном пути.
Вторая функция маршрутизатора отвечает за обработку входящего трафика и последующую передачу его на определенный порт.
Обе функции обычно реализуются маршрутизатором с помощью специального программного обеспечения, которое по функциональной насыщенности лишь незначительно уступает операционным системам. Что и отражается в названии — например, на многих маршрутизаторах фирмы Cisco устанавливается Cisco IOS. С другой стороны, такое многообразие обязанностей маршрутизатора и сложность его программного обеспечения неизбежно приводит к определенным задержкам при обработке трафика.
Современные распределенные сети с новым характером трафика очень критичны ко всем видам задержек. Такие сети требуют применения новых маршрутизаторов с минимальными задержками при обработке и очень высокой производительностью.
Существует два способа повышения производительности маршрутизации: использование высокоскоростных аппаратных маршрутизаторов и применение технологий коммутации третьего уровня.
Если предположить, что маршрутизация реализуются с помощью программного обеспечения, работающего на традиционных процессорах, то максимальная пропускная способность маршрутизатора составит сотни тысяч пакетов в секунду, и задержка будет относительно высока. Такая производительность более чем достаточна, когда маршрутизатор используется для работы с низкоскоростными каналами связи. Однако при организации взаимодействия в локальных сетях масштаба предприятия традиционные программные маршрутизаторы становятся узким местом в сети, так как им приходится обрабатывать огромное число пакетов (чем быстрее канал связи, тем большое число пакетов приходит на маршрутизатор в единицу времени). Эти ограничения становятся достаточно заметными уже для сетей Fast Ethernet.
Даже специальные решения, например Cisco NetFlow, которые призваны уменьшить количество процессов, задействованных при обработке одного пакета, не устраняют полностью проблемы повышения производительности.
Новое поколение маршрутизаторов призвано устранить основные ограничения старых маршрутизаторов. Такие маршрутизаторы часто называются аппаратными. Они работают на скорости, соотносимой по порядку величины со скоростью канала связи (wire speed router). В этом случае производительность сети определяется не скоростью работы маршрутизатора, а пропускной способностью канала связи — маршрутизатор перестает быть узким местом.
Используя современные разработки, некоторые производители маршрутизаторов, такие как фирма Foundry Networks, разработали устройства нового поколения, которые могут маршрутизировать IP-трафик со скоростью, соотносимой со скоростью каналов связи (даже если речь идет о Gigabit Ethernet), и с задержкой, характерной для коммутаторов.
Фирма Cisco разрабатывает маршрутизатор, известный под названием BFR (Big Fast Router), который может обрабатывать трафик со скоростью 80 Гбит/с. Данный маршрутизатор может посостязаться в пропускной способности с большинством коммутаторов. Однако необходимо учитывать, что его не планируется использовать в локальных сетях.
Использование аппаратной маршрутизации повышает производительность маршрутизатора до 7-11 миллионов пакетов в секунду. В старых маршрутизаторах эта величина составляет менее 1 миллиона пакетов в секунду. В результате аппаратные и алгоритмические новшества, применяемые в маршрутизаторах, позволяют сократить время задержки при обработке пакетов до 10 мкс — даже на гигабитных скоростях. Такое значительное снижение задержки приводит к выравниванию времени обработки ячеек в сетях АТМ с временем обработки кадров в традиционных сетях, расширенных по технологии Gigabit Ethernet.
Аппаратный маршрутизатор может устанавливаться в сети как просто очень мощный коммутатор, хотя, в отличие от последнего, маршрутизатор, естественно, может осуществлять маршрутизацию пакетов протокола IP. В результате на новых устройствах коммутация и маршрутизация осуществляются со скоростью канала связи (вплоть до гигабитных скоростей) при микросекундной задержке.
Аппаратные маршрутизаторы исключают снижение производительности, ассоциировавшееся ранее с обработкой трафика между подсетями. Как следствие, они значительно упрощают сетевое планирование и дают неоспоримые преимущества менеджерам по информационным технологиям.
Так как эти устройства не вводят в сеть новые протоколы, они легко и просто интегрируются в существующую сетевую инфраструктуру. Демонстрируя замечательную гибкость, аппаратный маршрутизатор может функционировать, с одной стороны, как высокопроизводительный коммутатор, а с другой стороны, после определенной настройки он может повысить скорость обработки IP-трафика и снизить нагрузку на существующий сетевой маршрутизатор.
Широко распространенной практикой при проектировании сети является стремление избежать маршрутизируемых участков с их значительной задержкой. Например, серверы организаций часто включаются (именно с этой целью) в ту же подсеть протокола IP, что и их первичные клиенты. Однако когда сервер расположен в центре данных, а не в рабочей группе, требуется дополнительный коммутатор и
вертикальные каналы связи. При использовании аппаратных маршрутизаторов нет необходимости избегать маршрутизируемых участков и подобные проблемы отпадают.Аппаратные маршрутизаторы могут работать в сетях совместно с традиционными маршрутизаторами, так как они также поддерживают протоколы маршрутизации, в основном RIP или OSPF. При этом возможна постепенная замена в сетях традиционных маршрутизаторов на маршрутизаторы нового поколения. Более того, аппаратные маршрутизаторы могут рассматриваться в качестве “соседей” при работе протоколов маршрутизации. Многие из современных аппаратных маршрутизаторов поддерживают протокол резервирования ресурсов RSVP.
Новое поколение аппаратных маршрутизаторов обеспечивает групповую передачу информации по протоколу IP, поддерживая групповые протоколы маршрутизации, такие как DVMRP, PIM, MOSPF и сопутствующий им протокол IGMP. Реализация групповой передачи позволяет маршрутизаторам интеллектуально поддерживать приложения, обеспечивающие передачу аудио и видеоинформации.
Протоколы групповой маршрутизации служат для построения деревьев доставки до каждого члена группы, а сопутствующие протоколы, такие как IGMP, используются конечными станциями для регистрации получателей в определенной группе. Это позволяет маршрутизаторам передавать групповые пакеты только на те свои порты, на которых были зарегистрированы получатели.
Большинство аппаратных маршрутизаторов могут работать только с протоколом IP. Однако в последнее время появляются аппаратные маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPX. Все аппаратные маршрутизаторы предоставляют функции многопортового моста на втором уровне с поддержкой немаршрутизируемых протоколов, таких как NetBIOS, DEC LAT и др. Функции моста выполняются с той же производительностью, что и при маршрутизации.
Большинство аппаратных маршрутизаторов, например, маршрутизаторы фирм Foundry Networks и Bay Networks, поддерживают интерфейсы только локальных сетей и предназначены для работы в сетях масштаба предприятия. Эти устройства не обладают совместимостью с глобальными сетями. Они не поддерживают WAN-интерфейсы, протоколы политики маршрутизации (EGP, BGP) и таблицы маршрутизации больших размеров.
Существуют аппаратные маршрутизаторы, например маршрутизатор Cisco 12000/GSR (Gigabit Switch Router), которые имеют интерфейсы для глобальных сетей. Эти маршрутизаторы предназначены для использования провайдерами услуг Internet. Такие устройства могут поддерживать высокоскоростные интерфейсы (ОС-3 и ОС-12), но стоят дороже и настраиваются сложнее, что, впрочем, неудивительно. Поэтому, ввиду относительно высокой стоимости, они менее подходят для использования в небольших распределенных сетях.
Аппаратные маршрутизаторы, так же, как и коммутаторы, состоят из нескольких основных компонентов: память, интерфейсные микросхемы, источники питания и т. д. Основные узлы этих маршрутизаторов реализованы на микросхемах ASIC. То есть используется та же стандартная технология, которая применяется и при создании коммутаторов. Как результат, стоимость аппаратного маршрутизатора ненамного отличается от стоимости коммутатора. Поэтому вскоре при построении сети можно будет использовать только аппаратные маршрутизаторы. Применение аппаратных маршрутизаторов снимет большинство проблем, возникающих при использовании коммутаторов.
Сеть на аппаратных маршрутизаторах предоставит максимум контроля за трафиком, повышенную масштабируемость, безопасность (например, с помощью фильтрации пакетов по всей сети) и т. д. Небольшие подсети устранят необходимость создания виртуальных сетей для ограничения широковещания. Однако при использовании аппаратных маршрутизаторов, построенных на специализированных микросхемах ASIC, остаются некоторые ограничения. Такие маршрутизаторы не решают всех проблем сети. Одним из ограничений аппаратных маршрутизаторов является неполная
поддержка протоколов сетевого уровня, то есть эти устройства пригодны сегодня для использования исключительно в “чистых” сетях (в которых работает, например, только протокол IP или только IPX). Другим недостатком аппаратных маршрутизаторов является то, что не устранена необходимость в их административном управлении.В большинстве случаев выбор аппаратного маршрутизатора производится согласно тем же принципам, что и выбор традиционного маршрутизатора. Основными моментами, на которые нужно обратить внимание, являются: