Архитектура и технологии сетей масштаба города
Классическим на сегодня подходом к
построению городских сетей является функциональная декомпозиция на уровни
доступа: опорная сеть (магистраль), уровень распределения/агрегации,
уровень доступа (клиентский доступ), см. рис. 1.
Рис.
1.
Для обеспечения повышенной надежности и резервирования
широко применяется топологическая модель кольца. Кольца обычно создают на
уровнях опорной сети и доступа (рис. 2).
Базовыми магистральными технологиями на сегодня являются следующие:
SONET/SDH, ATM, POS (Pocket over Sonet), EoSDH (Ethernet over SDH), DWDM,
CWDM, DPT/RPR, Fast/Gigabit/10 Gigabit Ethernet (рис. 4).
Рис. 5.
Основными достоинствами данной технологии
являются стандартизованность, масштабируемость и высокая надежность (время
восстановления порядка 50 мс).
К недостаткам можно отнести
ориентацию на передачу голосового трафика, фиксированную полосу
пропускания, не зависящую от загрузки каналов и неэффективное
использование колец.
SONET/SDH является самой зрелой и поэтому
самой распространенной технологией для построения магистральных каналов
передачи данных. Основная область ее применения – первичные сети
операторов связи. Мультиплексоры, объединенные оптическими линиями связи,
образуют единую среду, в которой прокладываются цифровые каналы между
оборудованием телефонных сетей или сетей передачи данных. Кроме того,
технология SONET/SDH может являться транспортной основой для более
современных протоколов, таких, как ATM, POS и
MPLS.
ATM
В свое время с целью создания
мультисервисной (для всех существовавших видов трафика: голос, видео,
интернет) и высокоскоростной технологии передачи данных появилась
Asynchronous Transfer Mode – ATM. Повсеместного распространения (несмотря
на известный лозунг "ATM everywhere") не получилось (в локальных сетях
победил Ethernet), но для построения магистралей ATM стала базовой на
многие годы.
Ориентация на высокие скорости определила наиболее
предпочтительную физическую среду передачи для ATM – оптическое волокно.
Очень часто магистральные сети ATM выполняются наложением на существующую
инфраструктуру SONET/SDH, что изначально предусмотрено стандартом (рис.
6). Однако данный метод неэффективен и, естественно, уступает
непосредственному соединению ATM-оборудования.
POS
Для решения проблемы накладных расходов в случае
передачи IP-трафика через сети SONET/SDH с использованием ATM была
разработана технология Packet Over Sonet/SDH (POS), непосредственно
инкапсулирующая данные в кадры SDH. Практически вы получаете интерфейс с
IP-адресом, который использует все преимущества транспортной оптической
технологии, не задействуя никаких промежуточных
протоколов.
EoSDH
Отвечая потребностям рынка по
передаче непосредственно Ethernet-трафика по наследованным оптическим
сетям, появилась технология Ethernet over SONET/SDH. Причем, если вначале
допускались только соединения типа точка-точка, то в дальнейшем появились
многоточечные каналы.
WDM
Непрерывно возрастающие
объемы трафика требуют повышения пропускной способности оптических
магистралей. Кроме тривиального повышения скоростей передачи существует и
другой способ решения данной задачи – уплотнение (мультиплексирование)
каналов. Наиболее развитой в настоящее время является технология
оптического спектрального уплотнения, называемая обычно
мультиплексированием с разделением по длине волны – Wavelength Division
Multiplexing (WDM).
Принцип ее действия очень прост: потоки данных
от отдельных источников переносятся световыми волнами разной длины
(каждому каналу принадлежит своя длина) и объединяются мультиплексором в
единый многочастотный сигнал, который передается по оптическому волокну.
На приемной стороне происходит обратное преобразование (см. рис.
7).
Рис. 8.
Данные одновременно передаются по двум
кольцам в противоположных направлениях (тем самым эффективно используя
пропускную способность). Поток данных в каждом кольце включает
непосредственно транспортируемые в данном кольце данные и контрольные
пакеты для соседнего кольца.
В итоге, стандарт 802.17 (вобравший в
себя DPT/RPR) позиционируется как высокоскоростная технология динамической
передачи IP-пакетов, предназначенная для решения задач построения нового
поколения сетей Metro. Для данной технологии физическая оптическая среда
совершенно прозрачна (это может быть SONET/SDH, WDM, Ethernet, Dark
Fiber).
Налицо и неоспоримые преимущества:
- во-первых, данный
протокол отвечает современным требованиям – он пакетно-ориентирован;
-
во-вторых, не требуется дополнительная прослойка типа ATM для доступа к
физической оптической среде;
- в-третьих, заложен высокий уровень
резервирования (все-таки кольца) и быстрая восстановимость в случае аварий
(50 мс);
- в-четвертых, очень эффективно используется емкость
оптических каналов за счет смешения контрольных и передаваемых
данных;
- и, в-пятых, потребители наконец-то поняли, почему им нужен
MPLS. Ведь интерфейсы оборудования в кольцах 802.17 получают IP-адреса и
все, что с этим связано. А если требуется QoS, Traffic Engeneering, VPN
или просто Layer 2 сервисы (например Ethernet соединения), то в данном
случае без MPLS не обойтись.
Ethernet (FE,GE,
xGE)
Технология Ethernet в своем стремительном развитии уже
давно перешагнула уровень локальных сетей. Она избавилась от коллизий,
получила полный дуплекс и гигабитные скорости.
Рис. 10.
В настоящее время отмечается подавляющее
преобладание IP-трафика в потребительских сетях. И вот уже для передачи
TDM-сигналов (например, для связи между цифровыми АТС) разрабатывается
протокол TDMoIP, эмулирующий TDM-каналы, прозрачные для всех протоколов и
сигнализаций. Если раньше пакеты транспортировались в сетях с
коммутированием каналов, то теперь все может измениться с точностью до
наоборот.
базовые контрольно-управляющие
технологии
VLAN
Без сомнения, базовой для
построения развитых Ethernet-сетей является технология виртуальных
локальных сетей – Virtual LAN (VLAN). Она позволяет создавать в едином
Ethernet-сегменте независимые логические области, ограничивающие на
канальном уровне пределы распространения трафика (в том числе и
широковещательного). Для этого (согласно стандарту IEEE 802.1Q) в
заголовок Ethernet-фрейма вводится дополнительная информация о
принадлежности к вилану (VLAN). Так получается вилан с помеченными кадрами
данных (Tagged VLAN), которые передаются по транковым линиям (802.1Q
Trunk). Это позволяет передавать по одному каналу данные нескольких
изолированных локальных сетей. Дальнейшая коммутация происходит с учетом
802.1Q-метки. На выходе из коммутатора (например, на стороне клиентского
порта) метка (Tag) убирается (это называется вхождением порта в
нетегированный вилан – Untagged VLAN).
Хрестоматийный и всячески
рекомендованный (сами знаете кем) дизайн сети под названием "эскимо"
("маршрутизатор на палочке" – "router on stick") выглядит следующим
образом: клиентские подсети изолируются друг от друга путем подключения к
раздельным виланам (через порты с Untagged VLAN), а связь между ними
организуется при помощи маршрутизатора (Layer 3 OSI) через 802.1Q транки
(содержащие Tagged VLAN), см. рис. 11.
Рис.
11.
На практике использование виланов дает возможность гибко
изменять логическую организацию сети независимо от реальной физической
топологии.
Q-in-Q
Непосредственным решением присущих
802.1Q-виланам ограничений (например, их максимальное число 4096) явилась
технология Q-in-Q. Ее концепция очень проста (как и все гениальное):
операторское устройство, получающее клиентский Ethernet-фрейм, добавляет
еще одну 802.1Q-метку, которая и принимается во внимание при дальнейшей
коммутации. Так получается целый блок меток, а сам процесс называется
стекированием виланов (802.1Q stacking). На выходе из провайдерской сети
дополнительная метка удаляется. Это позволяет строить полностью прозрачные
на канальном уровне (Layer 2 OSI) операторские сети класса
Metro.
STP
Как известно, в сетях Ethernet коммутаторы
поддерживают только древовидные, то есть не содержащие петель связи. И
именно технология Spanning Tree Protocol (STP) позволяет создавать
отказоустойчивые топологии канального уровня (Layer 2 OSI) типа "кольцо",
являясь совершенно прозрачной для вышестоящего стека сетевых протоколов
(IP).
Принцип действия STP выглядит следующим образом. После
активирования коммутаторы обмениваются специальными информационными
пакетами (BPDU) с помощью которых вначале выбирается корневой мост
(который будет в итоге находиться на вершине древовидной структуры) а
затем кратчайшие (в смысле пропускной способности) пути от каждого из
коммутаторов до корневого. В конечном итоге формируется логическая
беспетельная топология путем блокирования некоторых избыточных связей
(портов).
В настоящее время все большее признание получает Rapid
Spanning Tree Protocol (RSTP) – учитывающий ограничения и недостатки STP
стандарт.
OSPF
Протокол маршрутизации Open Shortest
Path First (OSPF) тоже находит себе применение в сетях Metro. Он позволяет
строить отказоустойчивые топологии сетевого уровня (Layer 3 OSI).
Вероятно, это идеологически неправильно, но, в случае организации
нескольких резервных каналов между маршрутизаторами, оправданно. Кроме
того, в отличие от STP, OSPF допускает использование всех имеющихся линий
связи.
MPLS
Самой передовой технологией для
построения операторских сетей является Multiprotocol Label Switching
(MPLS), как наиболее эффективная архитектура для передачи
IP-трафика.
Для продвижения данных по сети MPLS использует технику,
известную как коммутация пакетов по меткам. На входе в MPLS-домен пакеты
получают метки, которые определяют маршруты их следования, а на выходе –
удаляются. В ядре сети поддерживается только коммутация по меткам, что
обеспечивает решение основной задачи – быстрой передачи пакетов. Кроме
того, MPLS поддерживает и другие дополнительные сервисы: Traffic
Engineering (TE), QoS, VPN, EoMPLS и AToM. Их подробное рассмотрение
выходит за рамки текущего обзора.
заключение
Данная
публикация создавалась исключительно с целью структуризации комплекса
технологий построения городских сетей. Несомненно, что многие позиции
требуют более глубоких и развернутых описаний. Но, думаю, что главное было
определиться с понятиями и выделить основные тенденции развития сетей
Metro.
Теперь можно смело рассуждать о различных высоких материях и
со снисходительной улыбкой разглядывать рекламу ведущих производителей
сетевого оборудования. Кстати, светлое будущее, о котором они так много
говорят, может оказаться к вам гораздо ближе (и доступнее), чем
кажется.
Автор: Эдуард Афонцев
|
