Механизмы обработки очередей FIFO

Элементарная очередь с последовательным прохождением пакетов, работающая по принципу "первым пришел – первым ушел" (first-in first-out – FIFO). По сути, здесь нет никакой приоритезации.

PQ. Очереди приоритетов

Priority Queuing (PQ) обеспечивает безусловный приоритет одних пакетов над другими. Всего 4 очереди: high, medium, normal и low. Обработка ведется последовательно (от high до low), начиная с высокоприоритетной очереди, и до ее полной очистки не переходит к менее приоритетным очередям. Таким образом, возможна монополизация канала высокоприоритетными очередями. Трафик, приоритет которого явно не указан, попадет в очередь по умолчанию (default).

CQ. Произвольные очереди

Custom Queuing (CQ) обеспечивает настраиваемые очереди. Предусматривается управление долей полосы пропускания канала для каждой очереди. Поддерживается 17 очередей. Системная 0 очередь зарезервирована для управляющих высокоприоритетных пакетов (маршрутизация и т.п.) и пользователю недоступна.

Очереди обходятся последовательно, начиная с первой. Каждая очередь содержит счетчик байтов, который в начале обхода содержит заданное значение и уменьшается на размер пакета, пропущенного из этой очереди. Если счетчик не 0, то пропускается следующий пакет целиком, а не его фрагмент, равный остатку счетчика.

WFQ. Взвешенные справедливые очереди

Weighted Fair Queuing (WFQ) автоматически разбивает трафик на потоки (flows). По умолчанию их число равно 256, но может быть изменено. Если потоков больше, чем очередей, то в одну очередь помещается несколько потоков. Принадлежность пакета к потоку (классификация) определяется на основе ToS, IP-адреса источника, IP-адреса назначения, порта источника и порта назначения (протокол IP). Каждый поток использует отдельную очередь.

Обработчик WFQ (scheduler) обеспечивает равномерное (fair – справедливое) разделение полосы между существующими потоками. Для этого доступная полоса делится на число потоков, и каждый получает равную часть. Кроме того, каждый поток получает свой вес (weight), с некоторым коэффициентом обратно пропорциональный IP-приоритету (TOS). Вес потока также учитывается обработчиком.

В итоге WFQ автоматически справедливо распределяет доступную пропускную способность, дополнительно учитывая ToS. Потоки с одинаковыми IP-приоритетами ToS получат равные доли полосы пропускания; потоки с большим IP-приоритетом – большую долю полосы. В случае перегрузок ненагруженные высокоприоритетные потоки функционируют без изменений, а низкоприоритетные высоконагруженные – ограничиваются.

Вместе с WFQ работает RSVP . По умолчанию WFQ включается на низкоскоростных интерфейсах.

WRED. Взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения

Взвешенный алгоритм произвольного раннего обнаружения (Weighted Random Early Detection – WRED) предоставляет различные уровни обслуживания пакетов в зависимости от вероятности их отбрасывания и обеспечивает избирательную установку параметров механизма RED на основании значения поля IP-приоритета. Другими словами, алгоритм WRED предусматривает возможность более интенсивного отбрасывания пакетов, принадлежащих определенным типам трафика, и менее интенсивного отбрасывания всех остальных пакетов.

CBWFQ

Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) соответствует механизму обслуживания очередей на основе классов. Весь трафик разбивается на 64 класса на основании следующих параметров: входной интерфейс, лист доступа (access list), протокол, значение DSCP, метка MPLS QoS.

Общая пропускная способность выходного интерфейса распределяется по классам. Выделяемую каждому классу полосу пропускания можно определять как в абсолютном значении (bandwidth в kbit/s) или в процентах (bandwidth percent) относительно установленного значения на интерфейсе.

Пакеты, не попадающие в сконфигурированные классы, попадают в класс по умолчанию, который можно дополнительно настроить и который получает оставшуюся свободной полосу пропускания канала. При переполнении очереди любого класса пакеты данного класса игнорируются.

LLQ

Low Latency Queuing (LLQ) – очередность с низкой задержкой. LLQ можно рассматривать как механизм CBWFQ с приоритетной очередью PQ (LLQ = PQ + CBWFQ).

PQ в LLQ позволяет обеспечить обслуживание чувствительного к задержке трафика. LLQ рекомендуется в случае наличия голосового (VoIP) трафика. Кроме того, он хорошо работает с видеоконференциями.

Технология MPLS

Основное достоинство TCP/IP – его многофункциональность и гибкость. Вот уже три десятка лет этот протокол является основным для сети Internet, объединяющей сейчас более 500 миллионов пользователей. За это время семейство TCP/IP, с одной стороны, пополнилось протоколами прикладного уровня, (такими как HTTP – гипертекстовый протокол, SMTP – почтовый протокол, FTP – протокол пересылки файлов и многие другие) а с другой – обрело совместимость со всеми популярными стандартами физического, канального и сетевого уровней, в том числе и X.25. Однако широкие возможности сети TCP/IP не отменяют ее недостатки. Основные из них – это проблемы безопасности и гарантии качества связи. И если задачу по обеспечению безопасности IP-сети еще можно решить, используя различные механизмы шифрования и защиты (например стандарты IPSec), то проблема отсутствия гарантированной скорости передачи данных, которую требуют такие чувствительные к задержкам приложения, как системы передачи голоса и видео, пока остается нерешенной.

Что касается протокола X.25, то в нем изначально была заложена высокая надежность. Когда X.25 создавался, преобладали аналоговые системы передачи данных и медные линии связи. Стремясь нивелировать невысокое качество каналов того времени, стандарт использует систему обнаружения и коррекции ошибок, что существенно повышает надежность связи, но зато замедляет общую скорость передачи данных. Кроме того, каждый коммутатор, через который проходит пакет информации, выполняет анализ его содержимого, что также требует времени и больших процессорных мощностей. С появлением оптоволоконных сетей столь высокие требования надежности, реализуемые X.25, стали излишними – достоинство протокола превратилось в его недостаток. Скорость передачи по протоколу Х.25 не превышает 64 Кб/с.

Протоколом, призванным исправить недостатки X.25, стал Frame Relay. Он использует тот же принцип виртуальных каналов, однако анализ ошибок осуществляется только на пограничных точках сети, что привело к существенному увеличению скорости (в настоящее время – до 45 Мб/с ). Существенным достоинством протокола стала возможность приоритезации разнородного трафика (включая данные, голос и видео), то есть пакетам различных приложений могут предоставляться различные классы обслуживания, благодаря чему пакеты с более высоким приоритетом доставляются "вне очереди". Эти преимущества Frame Relay были развиты при создании технологии асинхронной передачи (АТМ).

Протокол ATM разбивает весь трафик на пакеты строго фиксированной длины (их называют ячейками), которые асинхронно мультиплексируются в единый цифровой тракт в соответствии с присвоенным приоритетом. Благодаря малой длине ячеек (53 байта), можно организовать одновременную передачу потока данных сразу нескольких служб, критичных ко времени доставки – ячейки с данными различных приложений будут вставляться в поток попеременно, обеспечивая каждому приложению необходимую скорость обмена данными. Технология ATM обеспечивает совместный пропуск трафика на скоростях от 1,5 Мб/с до 40 Гб/с. Как Frame Relay, так и ATM обеспечивают высокую степень безопасности — благодаря тому, что весь трафик в магистральной сети не маршрутизируется, а коммутируется на основе локальных меток DLCI (Frame Relay) или VPI/VCI (АТМ) по виртуальным каналам, к которым несанкционированный пользователь не может подключиться, не изменив таблицы коммутации узлов сети.

Однако, при создании сетей с большим количеством точек доступа по виртуальным каналам, тот самый, "телефонный" принцип соединения, заложенный еще в технологии X.25 начинает доставлять определенные неудобства пользователям. Виртуальные сети (VPN) на основе протоколов Frame Relay и ATM становятся слишком громоздкими и трудно управляемыми. Действительно, чтобы обеспечить связь "каждый с каждым" необходимо выполнить операции по конфигурированию каждого канала. Сколько? Количество виртуальных каналов можно посчитать по формуле N*(N – 1)/2, где N – количество точек доступа. Допустим, что у компании 50 подразделений. В таком случае ей придется организовать 2450 двунаправленных каналов или 4900 однонаправленных. То есть при увеличении числа точек доступа вероятность ошибки в конфигурировании сети возрастает в квадратичной прогрессии. Да и стоить такая сеть будет немало, ведь операторы обычно требуют оплату в зависимости от количества каналов. Построение же сети на основе протокола ATM является и само по себе достаточно дорогой технологией, не считая необходимости адаптации оконечного оборудования к ATM. Поэтому сейчас этот протокол используется в основном для предоставления услуг на магистральном уровне, для передачи больших объемов информации.

По данным операторов сетей, до 90% от информации, пересылаемой в сетях Frame Relay и ATM, составляет IP-трафик. Таким образом, абсолютно логичной выглядит идея объединить в одной технологии те преимущества, что дает протокол IP, одновременно предоставляя гарантию качества и надежность протоколов ATM и Frame Relay.

В 1996 году Ipsilon, Cisco, IBM и несколько других компаний объединили свои фирменные разработки и создали технологию многопротокольной коммутации на основе меток ( MPLS – Multiprotocol Label Switching ). Основная идея разработки состояла в том, чтобы реализовать возможность передачи трафика по наименее загруженным маршрутам IP-сети и обеспечить легкость конфигурирования VPN с одновременной поддержкой гарантии качества передачи, а также присвоения приоритетов различным видам трафика.

Введение в MPLS

Многопротокольная коммутация по меткам MPLS – технология, разработанная рабочей группой по созданию интегрированных услуг IETF. Это новая архитектура построения магистральных сетей, которая значительно расширяет имеющиеся перспективы масштабирования, повышает скорость обработки трафика и предоставляет огромные возможности для организации дополнительных услуг.

ТехнологияMPLS сочетает в себе возможности управления трафиком, присущие технологиям канального уровня, и масштабируемость и гибкость протоколов, характерные для сетевого уровня. Являясь результатом слияния механизмов разных компаний, она впитала в себя наиболее эффективные решения каждой. MPLS соединила в себе надежность ATM, удобные и мощные средства доставки и обеспечения гарантированного качества обслуживания IP-сетей, — такая интеграция сетей позволяет получить дополнительную выгоду из совместного использования протоколов IP и ATM.

Главная особенность технологииMPLS – отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адреса в его заголовке, что позволяет осуществлять коммутацию пакетов значительно быстрее. В соответствии с протоколом MPLS маршрутизаторы и коммутаторы присваивают на каждой точке входа в таблицу маршрутизации особую метку и сообщают эту метку соседним устройствам.

Наличие таких меток позволяет маршрутизаторам и коммутаторам, поддерживающим технологию MPLS, определять следующий шаг в маршруте пакета без выполнения процедуры поиска адреса. На сегодняшний день существуют три основные области применения MPLS:

управление трафиком;

поддержка классов обслуживания (CoS);

организация виртуальных частных сетей (VPN).

Расположение технологии MPLS в семиуровневой модели ВОС показано на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Плоскости MPLS

Сетевой уровень – это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" – это, по сути, независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом). Так как две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих маршрутов.

Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, а также вопросы упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

"Multiprotocol" в названии технологии означает "многопротокольный". Это говорит о том, что технология MPLS применима к любому протоколу сетевого уровня, т.е. MPLS – это своего рода инкапсулирующий протокол, способный транспонировать информацию множества других протоколов высших уровней модели OSI. Таким образом, технология MPLS остается независимой от протоколов уровней 2 и 3 в сетях IP, ATM и Frame Relay, а также взаимодействует с существующими протоколами маршрутизации, такими как протокол резервирования ресурсов RSVP или сетевой протокол преимущественного выбора кратчайших маршрутов OSPF.

Представленная на рис. 4.5 плоскость пересылки данных MPLS не образует полноценного уровня, она "вклинивается" в сети IP, ATM или Frame Relay между 2-м и 3-м уровнями модели OSI, оставаясь независимой от этих уровней. Можно сказать, что одновременное функционирование MPLS на сетевом уровне и на уровне звена данных приводит к образованию так называемого уровня 2.5, где, собственно, и выполняется коммутация по меткам.

Основные понятия

Комитет IETF определил три основных элемента технологии MPLS:

метка;

FEC – класс эквивалентности пересылки;

LSP – коммутируемый по меткам тракт;

Рассмотрим каждый из них подробно.

Метка – это идентификатор фиксированной длины, определяющий класс эквивалентности пересылки FEC. Метки имеют локальное значение, т.е. привязка метки к FEC используется только для пары маршрутизаторов. Метка используется для пересылки пакетов от верхнего маршрутизатора к нижнему, где, являясь входящей, заменяется на исходящую метку, имеющую также локальное значение на следующем участке пути. Метка передается в составе любого пакета, при этом ее место в пакете зависит от используемой технологии канального уровня.

Протокол MPLS поддерживает различные типы меток: это может быть 4-байтовая метка, которая вставляется между заголовками канального и сетевого уровня. Являясь протокольно независимой, она может использоваться для инкапсуляции пакетов любого протокола сетевого уровня. Это может быть метка идентификаторов виртуального канала и виртуального пути (VCI/VPI) или метка идентификатора соединения канального уровня (DLCI).

Размер метки составляет 4 байта. Идентификатор самой метки занимает первые 20 бит. Информация об уровне качества обслуживания в сети MPLS передается в поле CoS, занимающем следующие три бита в поле метки.

Стек меток

Пакет, передаваемый по сети MPLS, как правило, содержит не одну, а несколько меток. Такой набор меток образует стек. Основное назначение стека меток – поддержание древовидности множества трактов LSP, заканчивающихся в одном входном LSR, а, кроме того, в том, чтобы использовать метки при создании так называемых LSP- туннелей.