Пакетное кольцо – альтернатива SONET в городских сетях

Быстрый рост объема трафика данных в городских сетях остро ставит проблему недостаточной пропускной способностисуществующей инфраструктуры, основанной на технологии предварительного соединения каналов, такой, как SONET и ATM. Решение видят во внедрении пакетных колец, сочетающих надежность SONET и возможности сетей с коммутацией пакетов.

Пакетное кольцо, а точнее, Resilient Packet Ring (RPR), — новая технология, разработкой стандартов для которой занимается IEEE Workgroup 802.17, образованная в декабре 2000 г. Ее целью является создание реальной альтернативы SONET — сегодня основному транспорту для передачи информации в сетях масштаба города (Metro Area Networks — MAN). Для продвижения стандартов, базирующихся на технологии RPR, и позиционирования ее в качестве ключевой для объединения городских сетей был учрежден RPR Alliance, в который вошли все лидирующие компании индустрии. Однако, чтобы оценить будущее, необходимо хотя бы вкратце познакомиться с настоящим.

Традиционная архитектура городских сетей

Если посмотреть на структуру магистральных сетей в городе, то большая часть из них базируется на технологии SONET и имеет кольцевую топологию. Напомним, что изначально эта технология была разработана для передачи голоса и предназначалась для приложений, ориентированных на коммутацию каналов и соединения типа точка—точка. Из сильных сторон SONET отметим быструю восстанавливаемость (50 мс) и доступность (заветные для любого оператора связи "пять девяток" — 99,999%). Но по мере того как превалирующей в городских сетях стала передача данных, начали остро проявляться недостатки SONET в отношении этого типа трафика.

Прежде всего — это фиксированные каналы. Как уже упоминалось, между каждыми двумя узлами кольца SONET образуют соединения типа точка—точка. Такому соединению выделяется фиксированная часть полной полосы пропускания кольца. Для случая, показанного на рис. 1, а, это только 0,25 полной пропускной способности. Фиксированная полоса не сочетается со взрывным характером трафика, присущим передаче данных. Если же необходимо обеспечить логические связи типа решетки (mesh), то потери производительности будут еще больше: для пяти узлов (рис. 1, б) — это лишь 0,1 от полной полосы на каждую связь.

Трудности возникают и при выполнении многоадресной рассылки. Для ее осуществления в кольце SONET источник должен быть связан с каждым получателем отдельным логическим каналом, и для него генерируется новая копия фрагмента данных. Таким образом, по кольцу путешествует множество копий фрагмента, поглощая ресурсы. С этой точки зрения даже высокая отказоустойчивость превращается в минус, поскольку для ее обеспечения резервируется 50% пропускной способности двойного кольца.

Одной из основных причин недостаточной масштабируемости и неэффективного использования полосы пропускания служит механизм мультиплексирования с разделением по времени (TDM). Напомним, что его реализация предусматривает для каждого узла определенную последовательность временных слотов в общем потоке данных, из которых узлы в установленные отрезки времени считывают информацию, даже не подозревая (в случае многоадресной рассылки), что в следующем, "чужом" слоте находится ее очередная порция.

Многих из перечисленных выше недостатков лишены пакетные сети, в частности Ethernet. С достижением мультигигабитовых скоростей эта сеть покинула пределы офисов, где служила инструментом для разделения ресурсов, и постепенно вытесняет другие технологии в корпоративных сетях, даже в магистральных. Ethernet более эффективно использует имеющуюся полосу пропускания и является простым и дешевым решением для передачи данных. Однако городские сети традиционно базируются на оптоволоконном кольце, а технология Ethernet, оптимизированная для соединений точка—точка и топологии типа звезда, не обеспечивает требуемых характеристик. В частности, она не может использовать кольцо для быстрого восстановления. Для удаления петель в коммутируемых сетях Ethernet опирается на протокол остовного дерева (Spanning Tree Protocol — STP). Он, правда, позволяет создавать резервные пути, но время восстановления при обрыве волокна недопустимо велико, поскольку информация о неисправности должна последовательно передаваться к каждому вышерасположенному относительно потока данных узлу. Есть еще группировка (агрегация) каналов, но она предоставляет высокую надежность только на уровне каналов, и неприменима для резервирования путей. Кроме того, время восстановления канала здесь на порядок выше, чем для кольца SONET.

Еще одним недостатком сетей Ethernet является невозможность обеспечить для узлов равноправие при распределении ресурсов в глобальных масштабах. Поясним, что имеется в виду. На рис. 2 цепочка последовательно соединенных коммутаторов Ethernet подключена к Internet через один выходной порт, находящийся в коммутаторе A. Пусть каждый из узлов пытается направить в Internet трафик со скоростью 2 Gbps. Тогда, в типичном случае, для узла А будет выделена полоса пропускания 1 Gbps, для B — 500 Mbps, а для С и D — всего по 250 Mbps каждому. Вместе с увеличением числа узлов в цепочке будет расти и "неравноправие". Одно из решений этой проблемы заключается в ограничении предоставляемой полосы пропускания для каждого узла на уровне каналов. Например, можно ограничить входной трафик для узла значением 500 Mbps. Однако ограничение на уровне каналов не транслируется на уровень глобальной политики и создает проблемы эффективного использования полосы пропускания для механизма best efforts, согласно которому оборудование IP-коммутации старается доставить данные как можно быстрее.

Из приведенного выше краткого анализа видно, что ни SONET, ни Ethernet не являются идеальными решениями для управления трафиком в сетях с кольцевой топологией. Объединить их достоинства и избавиться от недостатков обещает…

…Технология пакетных колец

Протоколы RPR разрабатывались с целью предоставить сетевую технологию, полностью базирующуюся на пакетной форме трафика, которая, с одной стороны, обеспечивала бы масштабируемость и эффективные механизмы использования полной полосы пропускания, свойственные Ethernet, а с другой — высокую надежность, быстрое восстановление и глобальную равнодоступность, характерные для SONET.

Одно из основных преимуществ пакетного кольца заключается в том, что отправленный каким-либо узлом пакет дойдет до получателя независимо от направления обхода кольца. Поскольку все узлы "знают" о кольцевом соединении, они выполняют лишь три базовые операции: ввод пакета в кольцо, ретрансляцию и удаление пакета из кольца. Такой алгоритм существенно снижает непроизводительные расходы на обработку служебной информации для принятия решений о маршрутизации пакетов.

Что касается надежности, то она присуща кольцевой топологии изначально. В случае Ethernet обход поврежденного участка достигается с помощью протокола STP, тогда как в кольце только два прилегающих к разрыву узла выполняют действия по маршрутизации трафика на дублирующее кольцо. При этом время восстановления составляет менее 50 мс. Столь же эффективно RPR-протоколы реализуют равнодоступность подключенных к кольцу узлов к ресурсам магистрали. Каждому узлу может быть выделена предопределенная "справедливая" доля полной полосы пропускания. К примеру, если между двумя узлами нет перегрузки магистрали, то им в отличие от SONET может быть предоставлена полная пропускная способность данного участка кольца. При этом, поскольку политика равнодоступности реализуется по отношению ко всему кольцу, а не на уровне каналов, она легко транслируется на глобальный ресурс.

Если сравнивать с SONET, то пакетное кольцо лучше справляется и с многоадресной рассылкой (рис. 3). Используя базовые операции, соответствующие узлы могут извлекать пакет, а затем вновь вводить его в кольцо, пока узел-источник не удалит его из обращения. Это позволяет послать лишь один пакет как для многоадресной, так и для широковещательной посылки.

Отметим еще одно важное достоинство технологии пакетного кольца. Стандарт разрабатывается только для уровня управления доступом к среде (Media Access Control — MAC), для которого остаются прозрачными любые технологии физического уровня (physical layer). Следовательно, технология RPR будет совместима на физическом уровне с Ethernet, SONET и DWDM. Это значит, что пакетные кольца реализуются на существующих конфигурациях сетей SONET или служат вторым уровнем в сетях DWDM для одной или всех длин волн. Наконец, если имеется резервная оптоволоконная инфраструктура (dark fiber — темное оптоволокно), то пакетное кольцо может быть развернуто без замены существующего оборудования физического уровня. Пример объединения сетей на базе пакетного кольца приведен на рис. 4.

Что касается стандарта 802.17, то рабочая группа намерена завершить его разработку к началу 2003 г.