Cекция "Kомпьютерные и информационные технологии в технических системах, экономике, науке и образовании" ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТЕВОГО МАРШРУТИЗАТОРА Борисова Л.Ф. (кафедра электрооборудования, МГТУ) В последние годы вопросы объединения нескольких локальных вычислительных сетей (ЛВС), причем часто расположенных в разных местах, являются наиболее актуальными для крупных компаний. Наиболее популярными аппаратными средствами для этих целей в настоящее время являются коммутаторы, маршрутизаторы и маршрутизирующие коммутаторы. Коммутаторы являются протоколонезависимыми устройствами. Они работают на уровне 2 модели OSI/OSI и имеют ограниченные возможности по управлению трафиком. Аппаратная реализация обработки пакетов обеспечивает высокую производительность. Главным недостатком сетевых технологий на основе коммутаторов является то, что все их базовые функции работают при существовании только одного логического пути между двумя любыми устройствами в сети. Объединение ЛВС или сетевых сегментов с помощью коммутаторов возможно только при использовании сетевой топологии остовного дерева, которая исключает наличие альтернативных путей и характеризуется низкой структурной надежностью. Маршрутизация заключается в возможности передавать пакеты данных между сетями любых типов. Маршрутизаторы работают на уровнях 3 и 4. Уровень 4 осуществляет продвинутые функции защиты. Применение маршрутизаторов позволяет использовать ячеистые сетевые топологии, обеспечивая альтернативные пути доставки сообщений. Используя свои маршрутные таблицы, маршрутизатор способен выбирать оптимальные пути для передачи пакетов данных. Недостатком современных маршрутизаторов является то, что они дороги и работают по существу как обычные оптимизированные компьютеры под управлением специальных программ. Процесс обработки пакетов данных маршрутизатором сложен и длителен, он требует затрат процессорного времени и памяти. Раньше использование маршрутизаторов экономически оправдывалось низким межсетевым трафиком. Резкое увеличение межсетевого трафика в последние годы сделало невыгодным широкое использование маршрутизаторов. Однако во многих случаях маршрутизаторы незаменимы. Идея объединить достоинства коммутаторов и маршрутизаторов реализована в маршрутизирующих коммутаторах. С их помощью станции могут устанавливать соединение с пересылкой пакетов в соответствии с уровнем 2, действуя как традиционный коммутатор, или выступать в роли маршрутизатора, обрабатывая пакеты на уровне 3. Аппаратная реализация коммутатора уровня 3 сложна, поэтому производители ограничиваются для реализации процедуры маршрутизации достаточно узким спектром наиболее часто используемых протоколов: IP, IPX, RIP, OSPF. Маршрутизирующие коммутаторы, несмотря на высокую стоимость, прочно завоевывают рынок аппаратных средств компьютерных сетей. Однако они обладают теми же структурными ограничениями, что и коммутаторы. Неудобством перевода сети на использование маршрутизирующих коммутаторов является необходимость в значительных финансовых вложениях, связанная с частичной или полной заменой аппаратных средств сети. Альтернативным решением, позволяющим использовать преимущества маршрутизаторов в сети, является повышение их производительности. Одним из возможных решений является замена топологии сети на логически регулярную. Тогда сетевая информация, необходимая для процедуры маршрутизации, может быть заложена в номера узлов сети, а определение путей сведено к выполнению простых математических процедур над номерами узлов корреспондирующих пар. Предлагается подход, позволяющий использовать в качестве основы для построения подобной структуры графы кодовых пересечений (Кузнецова, 1984, Борисова,1993а). Использование такого подхода позволит избавить маршрутизатор от основного недостатка – необходимости хранения и обработки маршрутных таблиц, величина которых находится в квадратичной зависимости от числа узлов в сети. По существу это путь программной оптимизации функций маршрутизатора. Освобожденная память маршрутизатора может быть использована, например, для реализации продвинутых функций из уровня 4. Достоинством данного подхода по сравнению с использованием маршрутизирующих коммутаторов является то, что он не требует дополнительного оборудования и является экономически выгодным. Изменение быстродействия маршрутизатора в результате принятия процедуры бестабличной маршрутизации можно показать на примере маршрутизатора Freeway компании National. Freeway относительно дешевый маршрутизатор, обеспечивающий скорость трансляции 12000 пакет/с (Brian Edem, Avi Barel, Karen Parker, 1992). Сравнительно небольшую скорость трансляции обеспечивает лишь один процессор, что в свою очередь определяет небольшую стоимость Freeway. Ядро ЦП маршрутизатора Freeway составляет микроконтроллер NS32GX320 компании National и его подсистема памяти. Ядро работает с тактовой частотой до 25 МГц, что соответствует пиковому быстродействию 12 млн. операция/с. Подсистема памяти ЦП представляет собой один банк из 32 ДЗУПВ емкостью 4 или 16 Мбайт в зависимости от того, используется ли 1- или 4-Мбайт модуль памяти. Порт управления/состояния соединяется с 1-Кбит ЭСППЗУ, которое используется для хранения физических сетевых адресов каждого сетевого интерфейса и другой информации, которая служит для управления конфигурацией и инициализацией маршрутизатора. Сетевое ядро маршрутизатора Freeway служит для организации фактического трафика данных. Оно состоит из подсистемы памяти (памяти пакетов), процессорного интерфейса (буфера данных), набора ИС ВОИ ЛВС и четырех контроллеров сети Ethernet компании National. Маршрутизатор Freeway реализует протоколы TCP и IP в качестве своих функций уровня 4 и 3 соответственно. Программные средства TCP/IP получают необходимую информацию из таблиц маршрутизации, которые ведет отдельный программный модуль Routed. Модуль Routed формирует информацию о сетевых соединениях при помощи протокола информации о маршрутизации RIP. Модуль Routed взаимодействует с другими главными машинами и маршрутизаторами, передавая им информацию о том, к каким сетям имеется доступ. Эта информация используется затем для обновления таблиц маршрутизации на уровне IP. При обработке 1 пакета маршрутизатор Freeway выполняет около 600 команд. На обработку 1 пакета уходит приблизительно (600/12*106)=50 мкс в пиковом режиме. Реально в среднем затрачивается приблизительно 70 мкс., т. е. в 1,4 раза больше. Такое время обработки обеспечивает максимальную скорость передачи пакетов (1/70*10-6)=14000 пакет/с. Гарантируемая скорость маршрутизатора Freeway в 1,2 раза ниже – приблизительно 12000 пакет/с. Код BSD предусматривает ведение двух таблиц маршрутизации – для главных ЭВМ и для сетей. Freeway вначале обращается к сетевой таблице, а затем к главной. Полный отказ от использования маршрутных таблиц при реализации бестабличной маршрутизации в маршрутизаторе Freeway сократит обработку 1 пакета на 100 команд по сравнению с принятым порядком обработки. Тогда обработка одного пакета составит около 500 команд. С учетом быстродействия ЦП на это в пиковом режиме работы затратится (500/12*106)=41 мкс. Всреднем получаем (41*1,4)=57 мкс. Таким образом, среднее время обработки 1 пакета сокращается на (70-57)=13 мкс. Такое время обработки 1 пакета может обеспечить скорость передачи пакетов (1/57*10-6)=17000 пакет/с. Или с учетом реального фактора всреднем получаем: (17*103/1,2)=14000 пакет/с. Таким образом, скорость обработки пакетов в маршрутизаторе возрастает на 18%. Литература. 1. Кузнецова Л.Ф. Об одном классе топологий локальных сетей связи. Рук. деп. в ЦНТИ “Информсвязь”, 28.09.84г., № 502, с. 1-10, 1984. 2. Борисова Л.Ф. Некоторые структурные свойства графов кодовых пересечений. Мурманск, МГАГФ, Материалы НТК МГАРФ, с. 21-22, 1993а. 3. Brian Edem, Avi Barel, Karen Parker. Low-cost routers can tame complex global internets. ED, No. 6, p. 61-74, 1992. © МГТУ 2000 webmaster@mstu.edu.ru
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТЕВОГО МАРШРУТИЗАТОРА Борисова Л.Ф. (кафедра электрооборудования, МГТУ) В последние годы вопросы объединения нескольких локальных вычислительных сетей (ЛВС), причем часто расположенных в разных местах, являются наиболее актуальными для крупных компаний. Наиболее популярными аппаратными средствами для этих целей в настоящее время являются коммутаторы, маршрутизаторы и маршрутизирующие коммутаторы. Коммутаторы являются протоколонезависимыми устройствами. Они работают на уровне 2 модели OSI/OSI и имеют ограниченные возможности по управлению трафиком. Аппаратная реализация обработки пакетов обеспечивает высокую производительность. Главным недостатком сетевых технологий на основе коммутаторов является то, что все их базовые функции работают при существовании только одного логического пути между двумя любыми устройствами в сети. Объединение ЛВС или сетевых сегментов с помощью коммутаторов возможно только при использовании сетевой топологии остовного дерева, которая исключает наличие альтернативных путей и характеризуется низкой структурной надежностью. Маршрутизация заключается в возможности передавать пакеты данных между сетями любых типов. Маршрутизаторы работают на уровнях 3 и 4. Уровень 4 осуществляет продвинутые функции защиты. Применение маршрутизаторов позволяет использовать ячеистые сетевые топологии, обеспечивая альтернативные пути доставки сообщений. Используя свои маршрутные таблицы, маршрутизатор способен выбирать оптимальные пути для передачи пакетов данных. Недостатком современных маршрутизаторов является то, что они дороги и работают по существу как обычные оптимизированные компьютеры под управлением специальных программ. Процесс обработки пакетов данных маршрутизатором сложен и длителен, он требует затрат процессорного времени и памяти. Раньше использование маршрутизаторов экономически оправдывалось низким межсетевым трафиком. Резкое увеличение межсетевого трафика в последние годы сделало невыгодным широкое использование маршрутизаторов. Однако во многих случаях маршрутизаторы незаменимы. Идея объединить достоинства коммутаторов и маршрутизаторов реализована в маршрутизирующих коммутаторах. С их помощью станции могут устанавливать соединение с пересылкой пакетов в соответствии с уровнем 2, действуя как традиционный коммутатор, или выступать в роли маршрутизатора, обрабатывая пакеты на уровне 3. Аппаратная реализация коммутатора уровня 3 сложна, поэтому производители ограничиваются для реализации процедуры маршрутизации достаточно узким спектром наиболее часто используемых протоколов: IP, IPX, RIP, OSPF. Маршрутизирующие коммутаторы, несмотря на высокую стоимость, прочно завоевывают рынок аппаратных средств компьютерных сетей. Однако они обладают теми же структурными ограничениями, что и коммутаторы. Неудобством перевода сети на использование маршрутизирующих коммутаторов является необходимость в значительных финансовых вложениях, связанная с частичной или полной заменой аппаратных средств сети. Альтернативным решением, позволяющим использовать преимущества маршрутизаторов в сети, является повышение их производительности. Одним из возможных решений является замена топологии сети на логически регулярную. Тогда сетевая информация, необходимая для процедуры маршрутизации, может быть заложена в номера узлов сети, а определение путей сведено к выполнению простых математических процедур над номерами узлов корреспондирующих пар. Предлагается подход, позволяющий использовать в качестве основы для построения подобной структуры графы кодовых пересечений (Кузнецова, 1984, Борисова,1993а). Использование такого подхода позволит избавить маршрутизатор от основного недостатка – необходимости хранения и обработки маршрутных таблиц, величина которых находится в квадратичной зависимости от числа узлов в сети. По существу это путь программной оптимизации функций маршрутизатора. Освобожденная память маршрутизатора может быть использована, например, для реализации продвинутых функций из уровня 4. Достоинством данного подхода по сравнению с использованием маршрутизирующих коммутаторов является то, что он не требует дополнительного оборудования и является экономически выгодным. Изменение быстродействия маршрутизатора в результате принятия процедуры бестабличной маршрутизации можно показать на примере маршрутизатора Freeway компании National. Freeway относительно дешевый маршрутизатор, обеспечивающий скорость трансляции 12000 пакет/с (Brian Edem, Avi Barel, Karen Parker, 1992). Сравнительно небольшую скорость трансляции обеспечивает лишь один процессор, что в свою очередь определяет небольшую стоимость Freeway. Ядро ЦП маршрутизатора Freeway составляет микроконтроллер NS32GX320 компании National и его подсистема памяти. Ядро работает с тактовой частотой до 25 МГц, что соответствует пиковому быстродействию 12 млн. операция/с. Подсистема памяти ЦП представляет собой один банк из 32 ДЗУПВ емкостью 4 или 16 Мбайт в зависимости от того, используется ли 1- или 4-Мбайт модуль памяти. Порт управления/состояния соединяется с 1-Кбит ЭСППЗУ, которое используется для хранения физических сетевых адресов каждого сетевого интерфейса и другой информации, которая служит для управления конфигурацией и инициализацией маршрутизатора. Сетевое ядро маршрутизатора Freeway служит для организации фактического трафика данных. Оно состоит из подсистемы памяти (памяти пакетов), процессорного интерфейса (буфера данных), набора ИС ВОИ ЛВС и четырех контроллеров сети Ethernet компании National. Маршрутизатор Freeway реализует протоколы TCP и IP в качестве своих функций уровня 4 и 3 соответственно. Программные средства TCP/IP получают необходимую информацию из таблиц маршрутизации, которые ведет отдельный программный модуль Routed. Модуль Routed формирует информацию о сетевых соединениях при помощи протокола информации о маршрутизации RIP. Модуль Routed взаимодействует с другими главными машинами и маршрутизаторами, передавая им информацию о том, к каким сетям имеется доступ. Эта информация используется затем для обновления таблиц маршрутизации на уровне IP. При обработке 1 пакета маршрутизатор Freeway выполняет около 600 команд. На обработку 1 пакета уходит приблизительно (600/12*10