Способы интеграции ATM и IP-технологий в глобальных сетях

Одно из основных достоинств ATM-методов и технологий коммутации ячеек заключается в обеспечении гарантированного качества обслуживания в глобальных ТКС. Этим определяется перспективность этих технологий для использования в ТКС нового поколения, в том числе в глобальных мультисервисных сетях новых поколений.

Вместе с тем и в связи с развитием сети Internet значительный интерес представляет также исследование возможности применения IP-технологии в качестве базовой сетевой технологии для проектирования глобальных ТКС нового поколения. Сегодня IP-технология становится всё более популярной в ТКС различного типа, в первую очередь в больших корпоративных ТКС. Всё чаще эта технология начинает применяться для транспортировки трафика в приложениях реального времени.

Однако традиционная форма IP-технологии не гарантирует высокое качество обслуживания. Поэтому возникает необходимость в разработке новых IP-методов и технологий, которые обеспечивают гарантированное качество обслуживания трафика реального времени в глобальных IP-ориентированных ТКС.

Одно из важнейших направлений улучшения качественных показателей доставки информации (например, уменьшение задержек пакетов при их передаче через IP-сеть) базируется на интеграции ATM- и IP-сетей на основе комплексирования (комбинации) методов ATM-коммутации и IP-маршрутизации. В этом случае маршрутизация потоков данных осуществляется на этапе установления виртуального пути, определяющего конкретный механизм коммутации. Затем по этому виртуальному пути осуществляется управляемая передача протокольных блоков.

Процедура маршрутизации информационных потоков обычно реализуется в доступном (пограничном) маршрутизаторе (Enge Router) или в специальном сервере ТКС. Интеграция маршрутизации и коммутации в глобальных ТКС нового поколения позволяет улучшить качество обслуживания, что проявляется в уменьшении задержек пакетов данных и увеличении производительности ТКС в целом.

Метод непосредственной (прямой) интеграции ATM- и IP-технологий заключается в соединении IP-маршрутизаторов через ATM-сеть с помощью постоянных виртуальных соединений и таблиц маршрутизации. Другие методы гибкой интеграции ATM- и IP-технологий направлены на упрощение или полное исключение использования сложных таблиц маршрутизации при IP-обработке потоков данных.

Эти методы можно условно разделить на две группы: трафик-ориентированные и сервер-ориентированные методы [12].

1.7.1. Трафик-ориентированный метод интеграции IP- и AM-технологий

В основе трафик-ориентированного метода IP-коммутации, разработанного в 1996 году компаниями Ipsilon и Toshiba, лежит понятие потока данных. При этом поток данных определяется как набор IP-пакетов (дейтаграмм), передаваемых между узлом-источником и узлом-получателем ТКС на интервале одного сеанса связи.

В зависимости от объёма передаваемых данных и длительности времени сеанса связи информационные потоки подразделяются на два класса:

- «долгоживущие» (Long-Living Flow, LLF) потоки данных (класс №1);

- «короткоживущие» (Short-Living Flow, SLF) потоки данных (класс №2).

В процессе сеанса связи прежде всего происходит классификация потока передаваемых данных, т.е. определение номера класса, к которому он принадлежит. В роли классификационных признаков могут использоваться объём потока (количество дейтаграмм), тип приложения и т.п.

Если поток данных относится к классу №1, то на основании адресной информации об источнике и приёмнике формируется временное виртуальное соединение через ATM-коммутаторы глобальной ТКС. Это соединение используется только в течение сеанса передачи пакетов данного потока и разрушается после завершения передачи.

Если поток данных относится к классу №2, IP-маршрутизаторы определяют маршруты передачи данных от узла-источника к узлу-приемнику для каждого пакета этого «короткоживущего» потока данных класса №2.

Таким образом, в случае «долгоживущих» потоков данных IP-маршрутизация реализуется «на лету» только для первого пакета, а для остальных пакетов потока класса №1 устанавливается оптимальный (например, кратчайший) путь через магистральную ATM-сеть от узла-источника к узлу-приемнику глобальной ТКС.

Описанный принцип IP-коммутации (маршрутизации) потоков данных трафик-ориентированного метода интеграции ATM- и IP-технологий в глобальных ТКС иллюстрируется рис. 1.3. Очевидно, что этот принцип не ухудшает показателей доставки «короткоживущих» потоков класса №2. Вместе с тем, он обеспечивает существенное улучшение этих показателей для «долгоживущих» потоков класса №1.

Тестирование сетевого оборудования, реализующего трафик-ориентированный метод интеграции ATM- и IP-технологий на базе комбинированных (гибридных) коммутаторов компании Ipsilon, показало, что производительность нового ТКС в 4-5 раз выше, чем у традиционных сетей, использующих только IP-маршрутизаторы.

1.7.2. Сервер-ориентированный метод интеграции и средства адаптации мульти-сервисных ATM-сетей

В 1997 году форум ATM рекомендовал в качестве стандарта интеграции ATM- и IP-сетей метод MPOA (Multi-Protocol over ATM), реализуемый на специальных серверах, подключенных к АТМ-коммутаторам. В основе этого метода лежит принцип «виртуальной маршрутизации» на базе MPOA-сервера, ATM-коммутатора и MPOA-клиента. Этот принцип обеспечивает своеобразную адаптацию IP-сетей к магистральным ATM-сетям, что играет важную роль в создании глобальных ТКС нового поколения.

Задача MPOA-сервера заключается в определении виртуального маршрута в ATM-сети на основе адресной информации, поступающей от MPOA-клиента. При этом IP-адреса автоматически преобразуются в ATM-адреса, MPOA-клиент идентифицирует потоки данных, поступающие от компьютера пользователя, и передает служебную информацию в MPOA-сервер, который реализует функции третьего (сетевого) уровня. В этом случае глобальная ТКС строится как однородная ATM-сеть, через ATM-коммутаторы которой устанавливаются временные виртуальные соединения по ATM-протоколам.

Рис. 1. 4. Принцип виртуальной ATM-маршрутизации (коммутации) потоков данных

Описанный принцип «виртуальной маршрутизации» в глобальных ТКС на базе ATM-коммутаторов и MPOA-серверов иллюстрируется рис. 1.4. Этот принцип обеспечивает централизованную интеграцию IP- и ATM-технологий в отличие от принципа децентрализованной IP-коммутации.

Сервер-ориентированный метод имеет преимущества по сравнению с трафик-ориентированным методом. Во-первых, он улучшает относительный показатель “производительность/стоимость”. Во-вторых, метод MPOA позволяет использовать традиционные IP-маршрутизаторы как часть IP-сетей или вообще отказаться от них. В-третьих, этот метод обеспечивает интеграцию IP-сетей с магистральными ATM-сетями без назначения новых IP-адресов.

В настоящее время (и на определённую перспективу) ATM-сети сохраняют ведущую роль как транспортная технология в магистральных сегментах крупномасштабных и глобальных ТКС, обеспечивающая гарантированную и высококачественную передачу данных и бизнес-трафика.

Основным требованием таких систем (корпоративных ТКС или ТКС общего пользования) является обеспечение мультисервисных возможностей. Мультисервисные ATM-сети предназначены для замены или интеграции базовых сетей передачи данных с различными протоколами (X.25, Frame Relay) и корпоративных IP-сетей в единую широкополосную сеть, представленную на рис. 1.5.

Рис.1.5. Мультисервисная сеть на базе средств сетевой адаптации и ATM-технологий.

Мультисервисные ATM-сети являются сегодня наиболее экономически эффективным решением для построения крупномасштабных и распределенных корпоративных ТКС. Поэтому важное значение приобретают средства адаптации различных протоколов с целью их автоматического преобразования в ATM-протоколы в узлах доступа мультисервисной ATM-сети.

При оценке перспектив внедрения описанных выше трафик- и сервер-ориентированных методов интеграции ATM- и IP-технологий в глобальные ТКС нового поколения необходимо учитывать современные достижения в сфере сетевого оборудования. Дело в том, что в последние годы на рынке сетевых устройств появились IP-маршрутизаторы нового поколения с высокими характеристиками (большая производительность, незначительная задержка), которые соответствуют характеристикам современных ATM-коммутаторов. Эти новые устройства, названные маршрутизирующими коммутаторами, могут привести к пересмотру перспектив использования рассмотренных методов интеграции ATM- и IP-технологий в глобальных TKC нового поколения.

Теоретические исследования последних лет в области разработки адаптивных нейросетевых маршрутизаторов и маршрутизирующих коммутаторов свидетельствуют о возможности создания таких принципиально новых сетевых устройств. Эти нейросетевые устройства обеспечивают массовый параллелизм и, как следствие, высокое быстродействие при поиске оптимальных маршрутов и их адаптации к изменяющейся сетевой среде и числу пользователей ТКС. Эти динамические и адаптивные маршрутизаторы могут быть реализованы в виде нейронных сетей Хопфилда (НСХ) и их модификаций [15, 18, 54, 69].

1.8. Особенности IP-маршрутизаторов нового поколения

Первые маршрутизаторы потоков данных в ТКС появились на рынке сетевых устройств около 15 лет назад. Однако они базировались на программируемой логике и имели низкую производительность. Вследствие этого они ограничивали развитие сетевых технологий и были причиной появления «узких мест» в ТКС. Это приводило к появлению новых задач и необходимости разработки методов их решения. Примером может служить появление метода IP-коммутации для эффективной интеграции ATM- и IP-сетей.

Развитие микроэлектроники позволило реализовывать маршрутизаторы ТКС на заказных интегральных схемах типа ASIC с высоким уровнем интеграции, которые позволили резко повысить производительность стандартных маршрутизаторов. Однако достигнутый уровень производительности IP-маршрутизаторов всё ещё значительно уступает производительности ATM-коммутаторов.

В последние годы ведущие производители сетевого оборудования объявили о разработке и возможности создания IP-маршрутизаторов нового поколения, производительность которых близка к производительности ATM-коммутаторов. Появление на сетевом рынке этих устройств может радикально изменить роль и значение IP-маршрутизаторов в корпоративных и глобальных ТКС нового поколения. Дело в том, что новое поколение маршрутизаторов с производительностью, достигающей сотен Гбит/с, позволит согласовать производительность узлов глобальных ТКС со всё возрастающей пропускной способностью магистралей, использующих волоконно-оптические каналы.

Отличительной чертой маршрутизаторов нового поколения является разделение происходящих в них процессов на два класса: вычисление маршрутов и передача пакетов. При этом вычисление маршрутизаторов происходит в центральном процессоре, а их управляемая передача реализуется на базе программно-аппаратной логики. Значительное увеличение производительности у маршрутизаторов нового поколения может привести к пересмотру перспектив использования ATM-технологий в глобальных мультисервисных ТКС в пользу использования IP-технологий поверх оптических транспортных систем, имеющих предельную пропускную способность. Однако для этого потребуется придать IP-маршрутизаторам функции гарантированного качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Еще важнее обеспечить эти функции в наперед заданном классе обслуживания (Class of Service, CoS).

CoS-концепция в глобальных ТКС нового поколения должна заменить классическую QoS-концепцию, реализованную в традиционных ATM-сетях и модернизированных IP-сетях. Эта новая концепция должна быть основой проектирования мультисервисных глобальных ТКС нового поколения.

Важно отметить, что IP-маршрутизация является более простым и дешёвым средством передачи информации, чем ATM-коммутация. Кроме того, она более приспособлена к обработке пакетного трафика, который будет основным видом трафика в глобальных ТКС нового поколения и связанных с ними распределённых ИКС.