Модель обработки приоритетных очередей в маршрутизаторах

Работает он следующим  образом (рисунок 1.4): узел-источник до передачи данных, требующих определённого нестандартного качества обслуживания (например, постоянной полосы пропускания для передачи видеоинформации), посылает по сети специальное сообщение в формате протокола RSVP.

Y- ресурсы оборудования

X- необходимое количество ресурсов

Рисунок 1.4 – Алгоритм работы обработки приоритетных очередей по протоколу RSVP

Это сообщение о пути (path message) содержит данные о типе передаваемой информации и требуемой пропускной способности. Оно передаётся между маршрутизаторами по всему пути от узла-отправителя до адреса назначения, при этом определяется последовательность маршрутизаторов, в которых необходимо зарезервировать определённую полосу пропускания.

Маршрутизатор, получив такое сообщение, проверяет свои ресурсы с целью определения возможности выделения требуемой пропускной способности. При её отсутствии маршрутизатор запрос отвергает. Если требуемая пропускная способность достижима, то маршрутизатор настраивает алгоритм обработки пакетов таким образом, чтобы указанному потоку всегда предоставлялась требуемая пропускная способность, а затем передаёт сообщение следующему маршрутизатору вдоль пути.

В результате, по всему пути от узла-отправителя до адреса назначения резервируется необходимая пропускная способность с целью обеспечения  запрашиваемого качества обслуживания.

Протокол RSVP, помимо использования  для сигнализации требований к качеству обслуживания (архитектура QoS IntServ), используется также для сигнализации MPLS TE LSP (MultiProtocol Label Switching Traffic Engineering Label-Switched Path). Для  сигнализации MPLS TE LSP используется модифицированная версия протокола — RSVP-TE (RFC 3209, RFC 5420).

1.3 Ограничения параметров модели обработки приоритетных очередей в маршрутизаторах по ресурсам коммутационного оборудования

Для выполнения данной задачи может  использоваться следующее оборудование- маршрутизаторы и коммутаторы 2 и 3 уровня. Рассмотрим их техническую архитектуру.

Маршрутизаторы  для базовых сетей и удаленных  офисов имеют разную архитектуру, поскольку  к ним предъявляются разные функциональные и операционные требования. Маршрутизаторы базовых сетей обязательно должны быть расширяемыми.

Маршрутизаторы  локальных сетей подразделения, для которых, как правило, заранее  устанавливается фиксированная  конфигурация портов, содержат только один процессор, управляющий работой  трех или четырех интерфейсов. В  них используются примерно те же протоколы, что и в маршрутизаторах базовых  сетей, однако программное обеспечение  больше направлено на облегчение инсталляции и эксплуатации, поскольку в большинстве удаленных офисов отсутствуют достаточно квалифицированные специалисты по сетевому обслуживанию.

Маршрутизатор базовой сети состоит из следующих  основных компонентов: сетевых адаптеров, зависящих от протоколов и служащих интерфейсами с локальными и глобальными  сетями; управляющего процессора, определяющего  маршрут и обновляющего информацию о топологии; основной магистрали. После поступления пакета на интерфейсный модуль он анализирует адрес назначения и принимает команды управляющего процессора для определения выходного порта. Затем пакет по основной магистрали маршрутизатора передается в интерфейсный модуль, служащий для связи с адресуемым сегментом локальной или глобальной сети.

В роли маршрутизатора может выступать рабочая станция  или сервер, имеющие несколько  сетевых интерфейсов и снабженные специальным программным обеспечением. Маршрутизаторы верхнего класса – это, как правило, специализированные устройства, объединяющие в отдельном корпусе множество маршрутизирующих модулей.

По определению, основное назначение маршрутизаторов  – это маршрутизация трафика сети. Процесс маршрутизации можно разделить на два иерархически связанных уровня:

1. Уровень  маршрутизации.

На этом уровне происходит работа с таблицей маршрутизации. Таблица маршрутизации  служит для определения адреса (сетевого уровня) следующего маршрутизатора или  непосредственно получателя по имеющемуся адресу (сетевого уровня) и получателя после определения адреса передачи выбирается определенный выходной физический порт маршрутизатора. Этот процесс  называется определением маршрута перемещения  пакета. Настройка таблицы маршрутизации  ведется протоколами маршрутизации. На этом же уровне определяется перечень необходимых предоставляемых сервисов;

2. Уровень  передачи пакетов.

Перед тем  как передать пакет, необходимо: проверить  контрольную сумму заголовка  пакета, определить адрес (канального уровня) получателя пакета и произвести непосредственно отправку пакета с  учетом очередности, фрагментации, фильтрации и т.д. Эти действия выполняются  на основании команд, поступающих  с уровня маршрутизации.

Определение маршрута - коммутаторы высокого класса должны обеспечивать высокую производительность и плотность портов, а также поддерживать широкий спектр функций управления. Такие устройства зачастую кроме традиционной коммутации на MAC-уровне выполняют функции маршрутизации. Простые и дешевые коммутаторы имеют обычно небольшое число портов и не способны поддерживать функции управления.

Одним из основных различий является используемая в коммутаторе архитектура. Поскольку  большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC, устройство этих микросхем и  их интеграция с остальными модулями коммутатора (включая буферы ввода-вывода) играет важнейшую роль. Коммутаторы, реализующие также функции сетевого уровня (маршрутизацию), оснащены, как  правило, RISC-процессорами для выполнения ресурсоемких программ маршрутизации.

Контроллеры ASIC для коммутаторов сети делятся на 2 класса - большие ASIC, способные обслуживать множество коммутируемых портов (один контроллер на устройство) и небольшие контроллеры ASIC, обслуживающие несколько портов и объединяемые в матрицы коммутации.

Существует 3 варианта архитектуры коммутаторов:

- на основе коммутационной матрицы (cross-bar);

- с разделяемой многовходовой памятью (shared memory);

- на основе общей высокоскоростной шины.

Эти три способа взаимодействия могут комбинироваться в одном коммутаторе.

Коммутаторы на основе коммутационной матрицы.

Коммутационная  матрица (cross-bar) – основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Однако, реализация матрицы возможна только для определенного числа портов, причем сложность схемы возрастает пропорционально квадрату количества портов коммутатора.

На рисунок 1.4 показана блок-схема коммутатора с архитектурой, используемой для поочередного соединения пар портов.

Рисунок 1.4 - . Коммутационная матрица

В любой  момент такой коммутатор может обеспечить организацию только одного соединения (пара портов). При невысоком уровне трафика не требуется хранение данных в памяти перед отправкой в  порт назначения. Однако, коммутаторы cross-bar требуют буферизации на входе  от каждого порта, поскольку в  случае использования единственного  возможного соединения коммутатор блокируется. Несмотря на малую стоимость и  высокую скорость продвижения на рынок, коммутаторы класса cross-bar слишком  примитивны для эффективной трансляции между низкоскоростными и высокоскоростными  интерфейсами.

Коммутаторы с разделяемой памятью (shared memory switch) имеют  общий входной буфер для всех портов.

Буферизация данных перед их рассылкой приводит к возникновению задержки. Однако, коммутаторы с разделяемой памятью, как показано на рисунок 1.5 не требуют организации специальной внутренней магистрали для передачи данных между портами, что обеспечивает им более низкую цену по сравнению с коммутаторами на базе высокоскоростной внутренней шины.

Входные блоки процессоров портов соединяются  с переключаемым входом разделяемой  памяти, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с переключаемым  выходом этой памяти. Переключением  входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. В разделяемой памяти менеджер организует несколько очередей данных, по одной для каждого выходного  порта.

Рисунок 1.5 - Архитектура разделяемой памяти

Входные блоки процессоров  передают менеджеру портов запросы  на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди  подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и  тот переписывает часть данных кадра  в очередь определенного выходного  порта. По мере заполнения очередей менеджер производит также поочередное подключение  выхода разделяемой памяти к выходным блокам процессоров портов, и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.

Память должна быть достаточно быстродействующей для поддержания  скорости переписи данных между N портами  коммутатора. Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта.

Коммутаторы с общей шиной (backplane) используют для связи процессоров портов высокоскоростную шину, используемую в режиме разделения времени.

На рисунок 1.6 показана блок-схема коммутатора с высокоскоростной шиной, связывающей контроллеры ASIC. После того, как данные преобразуются в приемлемый для передачи по шине формат, они помещаются на шину и далее передаются в порт назначения. Для того, чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть, по крайней мере, в несколько раз выше (формула 2.1) скорости поступления данных во входные блоки процессоров портов. Кроме этого, кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом.

                                          (2.1)

где

N – количество портов;

Cpi – максимальная производительность протокола, поддерживаемого i портом коммутатора).

Рисунок 1.6 - Архитектура общей шины

Размер  такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Поскольку шина может  обеспечивать одновременную передачу потока данных от всех портов, такие  коммутаторы часто называют «неблокируемыми» (non-blocking), т. е. они не создают пробок на пути передачи данных.

Комбинированные коммутаторы

У каждой из описанных архитектур есть свои преимущества и недостатки, поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются  в комбинации друг с другом. Пример такого комбинирования приведен на рисунок 1.7.

Рисунок 1.7 - Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины

Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством  портов (например, от 2 до 12), выполненных на основе специализированной БИС, реализующей архитектуру коммутационной матрицы. Если порты, между которыми нужно передать кадр данных, принадлежат одному модулю, то передача кадра осуществляется процессорами модуля на основе имеющейся в модуле коммутационной матрицы. Если же порты принадлежат разным модулям, то процессоры общаются по общей шине. При такой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить быстрее, чем при межмодульной передаче, так как коммутационная матрица - наиболее быстрый, хотя и наименее масштабируемый способ взаимодействия портов. Скорость внутренней шины коммутаторов может достигать нескольких Гбит/с, а у наиболее мощных моделей - до 20-30 Гбит/с.

Можно представить и другие способы комбинирования архитектур, например использование разделяемой  памяти для взаимодействия модулей.

Характеристики, влияющие на производительность коммутаторов

Производительность коммутатора - то свойство, которое сетевые интеграторы  и администраторы ждут от этого устройства в первую очередь.

Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:

• скорость фильтрации кадров;
• скорость продвижения кадров;
• пропускная способность;
• задержка передачи кадра.

Кроме того, существует несколько  характеристик коммутатора, которые  в наибольшей степени влияют на указанные  характеристики производительности. К  ним относятся:

• тип коммутации - «на лету» или с полной буферизацией;
• размер буфера (буферов) кадров;
• производительность внутренней шины;
• производительность процессора или процессоров;
• размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и  продвижения кадров - это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными  показателями, они не зависят от того, каким образом технически реализован коммутатор.