Коммутаторы третьего уровня

Функции и технические характеристики маршрутизаторов

Маршрутизаторы

В разделе 7.3.2. были рассмотрены основные функции маршрутизаторов, которые состоят в составлении таблицы маршрутизации и организации передачи данных на основе этой таблицы через сложную составную сеть, состоящую из подсетей, построенных по разным локальным и глобальным технологиям.

Основными характеристиками маршрутизаторов являются: общая производительность в пакетах в секунду, набор поддерживаемых сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, набор поддерживаемых сетевых интерфейсов глобальных и локальных сетей.

К числу дополнительных функций маршрутизаторов относятся одновременная поддержка сразу нескольких сетевых протоколов и нескольких протоколов маршрутизации, возможность приоритетной обработки трафика, разделение функций построения таблиц маршрутизации и продвижения пакетов между маршрутизаторами разного класса на основании готовых таблиц маршрутизации. Это примеры тех функции, которые расширяют возможности основных функций, связанных с маршрутизацией трафика. Однако, современные аппаратные IP- маршрутизаторы снабжаются целым рядом дополнительных функций, которые превращают его в многофункциональное устройство по обработке трафика. Это автоматическая настройка стека TCP/IP на компьютерах сети по протоколу DHCP, средства защиты сети от внешних атак – межсетевые экраны и анализаторы вторжений, технологии трансляции сетевых адресов NAT, поддержка защищенных внешних соединений VPN, организация группового вещания по протоколу IGMP и многое другое.

С технической точки зрения типичный аппаратный маршрутизатор представляет собой сложный специализированный компьютер, работающий под управлением специализированной операционной системы, оптимизированной для выполнения операций построения таблиц маршрутизации и перемещения пакетов на основе этих таблиц. Многие такие системы в свое время разрабатывались на основе UNIX.

Маршрутизатор часто строится по многопроцессорной схеме, причем используется симметричная многопроцессорность. Наиболее рутинные операции обработки пакетов выполняются программно и аппаратно специализированными процессорами или чисто аппаратно большими интегральными схемами (БИС/АSIC). Более высокоуровневые действия выполняют программно универсальные процессоры.

По конструктивному исполнению наиболее часто встречаются маршрутизаторы с фиксированным количеством портов и модульные.

По областям применения маршрутизаторы делятся на: магистральные маршрутизаторы, маршрутизаторы региональных подразделений, маршрутизаторы удаленных офисов и маршрутизаторы локальных сетей – коммутаторы третьего уровня.

Магистральные маршрутизаторы – это наиболее мощные устройства, способные обрабатывать сотни тысяч или миллионы пакетов в секунду, оснащенные большим количеством интерфейсов локальных и глобальных сетей. Чаще всего магистральный маршрутизатор конструктивно выполняется по модульной схеме на основе шасси с большим количеством слотов – до 12-14. Большое внимание в магистральных маршрутизаторах уделяется надежности и отказоустойчивости маршрутизатора, которая достигается за счет системы терморегуляции, избыточных источников питания, модулей «горячей замены» (hot-swap) и симметричной многопроцессорности.

Маршрутизаторы региональных отделений – это обычно несколько упрощенные версии магистральных маршрутизаторов. Количество слотов в его шасси – обычно до 4-5. Возможны и решения с фиксированным количеством портов. Поддерживаемые интерфейсы локальных и глобальных сетей – менее скоростные.

Маршрутизаторы удаленных офисов соединяют, как правило, единственную локальную сеть удаленного офиса с центральной сетью или региональным отделением по глобальной связи, поэтому имеют небольшое фиксированное количество портов.. Маршрутизатор удаленного офиса в качестве резервной связи для выделенного канала может поддерживать работу по коммутируемой телефонной линии. Существует очень много типов маршрутизаторов удаленных офисов. Их производительность обычно составляет от 5 до 20-30 тысяч пакетов в секунду.

Маршрутизаторы локальных сетей (коммутаторы третьего уровня) предназначены для разделения крупных локальных сетей на подсети. Основное требование, предъявляемое к ним – высокая скорость маршрутизации, так как в такой сети все порты – скоростные, не менее 10 Мб/с.

Объем внешнего трафика в ЛВС постоянно растет. В недалеком прошлом наметился разрыв между производительностью типичного коммутатора в ЛВС и маршрутизатора, объединяющего подсети ЛВС.

Решение данной проблемы шло по двум направлениям:

1. отказ от маршрутизации там, где это возможно;

2. увеличение производительности маршрутизаторов.

Коммутаторы третьего уровня – это устройства, совмещающие функции коммутаторов и маршрутизаторов. Функции коммутации и маршрутизации могут совмещаться двумя способами:

2. классический способ – маршрутизация выполняется по каждому пакету, требующему передачи из сети в сеть, а коммутация – для пакетов, принадлежащих одной сети.

3. нестандартный способ – маршрутизируются первые несколько пакетов устойчивого потока, а все остальные пакеты этого потока коммутируются на основе MAC-адресов.

В первом способе, если кадр имеет MAC-адрес назначения, отличный от MAC-адреса порта маршрутизатора, то кадр коммутируется, а если кадр направлен непосредственно порту маршрутизатора, то маршрутизируется. Характерная особенность устройств данного типа – использование специализированных заказных БИС, многопроцессорность, распараллеливание с помощью специальных процессоров портов, как у коммутаторов. Максимальная скорость достигается, когда вместо универсальных или специализированных процессоров используются специализированные БИС, то есть используется не программная, а аппаратная реализация алгоритмов. Так как реализация жесткая, то в аппаратную часть переносятся несколько базовых сетевых протоколов (IP, IPX).

Во втором способе выявление долговременных потоков выполняется на основании совпадения адресов отправителей и получателей, поля качества обслуживания у определенного количества кадров в их IP-пакетах.Когда поток выявлен, первый коммутатор на пути следования потока выполняет нестандартную обработку пакета – он помещает в кадр канального протокола, например, Ethernet, не MAC-адрес порта следующего маршрутизатора, а MAC-адрес узла назначения. Как только эта замена произведена, кадр с таким MAC-адресом перестает поступать на блоки маршрутизации второго и последующих коммутаторов/маршрутизаторов, а проходит через блоки коммутации этих устройств. Процесс передачи пакетов действительно ускоряется, так как они не проходят многократно повторяющиеся этапы маршрутизации. В то же время маршрутизируются первые пакеты, поэтому сохраняется фильтрация широковещательного шторма, защита от несанкционированного доступа и другие преимущества сети, разделенной на подсети.

Основной проблемой данного подхода является то, на основании какой информации первый маршрутизатор узнает MAC-адрес узла назначения. Этот узел обычно находится за пределами непосредственно подключенных к первому маршрутизатору сетей, и протокол ARP здесь бессилен. Именно здесь начинаются различия между большинством фирменных технологий ускоренной маршрутизации. Многие компании разработали собственные протоколы определения таких адресов и передачи их между маршрутизаторами. Эти протоколы используют как распределенный подход, когда все маршрутизаторы в равной степени задействованы в определении MAC-адреса, так и централизованный, когда в сети существует выделенный маршрутизатор, который занимается такими задачами по запросам от других.