Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 12 2009
Алексей ШПАК  08 декабря 2009

Как разгрузить маршрутизаторы ядра IP-сети

Объем интернет-трафика удваивается ежегодно, а производительность маршрутизаторов повышается вдвое только раз в полтора года. Сегодня уже очевидно, что производительность, стоимость и энергопотребление маршрутизаторов уровня IP-ядра становятся главными сдерживающими факторами развития сетей связи и ИТ-индустрии в целом. Как их нейтрализовать?

Алексей ШПАК, заместитель директора отдела оптических сетей Huawei CISСовременная опорная IP-сеть крупных операторов связи строится по так называемой dual-homing-топологии, т.е. путем подключения граничных маршрутизаторов (PE) к двум маршрутизаторам ядра (P). Маршрутизаторы уровня ядра занимаются транзитом и маршрутизацией между граничными маршрутизаторами. Анализ трафика опорных IP-сетей показал, что около половины трафика, обрабатываемого Р-маршрутизатором, является транзитным, вследствие чего ресурсы дорогостоящих линейных плат маршрутизаторов используются не по прямому назначению. Это серьезно снижает эффективность функционирования оборудования и увеличивает стоимость сети и ее энергопотребление. Сократить или исключить эти издержки – важная цель операторов и производителей оборудования.

По оценкам зарубежных экспертов, производительность узлов опорной IP-сети в ближайшие годы будет измеряться терабитами в секунду. Экстенсивное наращивание производительности одного устройства в таких условиях неэффективно и труднореализуемо. С другой стороны, решения для оптических транспортных сетей (OTN) уже сейчас поддерживают мультитерабитную емкость коммутации на оптическом (ROADM) и электрическом (ODU) уровнях, равно как и традиционные преимущества WDM (емкость и дальность передачи) и SDH (механизмы управления и защиты). Однако в одиночку они не могут обеспечить всю функциональность, требуемую современной IP-сетью.

Основная техническая задача на сегодняшний день – реализация оптимального взаимодействия между оптическими и IP-сетями, что поможет разгрузить маршрутизаторы в ядре IP-сети путем передачи функций по диспетчеризации высокоскоростного транзитного трафика оптической сети. Это позволит минимизировать капитальные и операционные затраты, гарантируя качественное предоставление телекоммуникационных услуг.

Варианты взаимодействия оптического и IP-уровней

Традиционная двухуровневая модель работы IP/MPLS over WDM предполагает, что маршрутизаторы связаны логическими соединениями, а WDM создает эти соединения на физической топологии без дополнительных волокон, обеспечивая необходимую емкость и дальность передачи (рис. 1). Благодаря этому маршрутизаторам не требуется обрабатывать транзитный трафик, он доставляется напрямую по оптической сети. Для расширения емкости соединения между маршрутизаторами на WDM-уровне добавляется соответствующее число каналов.

Однако IP-сеть ничего не знает о топологии и возможностях защиты оптической сети, равно как и оптический уровень не знает о динамическом предоставлении сервисов в IP-сети. Кроме того, вся нагрузка по диспетчеризации трафика остается на маршрутизаторах ядра сети.

Таким образом, двухуровневая модель лишь отчасти способна решить поставленную задачу.

Другой реализацией сети IP/MPLS over WDM является установка окрашенных линейных интерфейсов WDM непосредственно в маршрутизаторы (рис. 2). Такой подход позволяет сократить количество оптико-электрических преобразований и естественным образом решает проблему взаимодействия оптического и IP-уровней сети.

К сожалению, и этот вариант не решает главную задачу – снизить нагрузку на маршрутизаторы ядра IP-сети с их высокой стоимостью и энергопотреблением. Кроме того, из-за серьезных ограничений на использование оптических технологий применить это решение можно лишь для небольших сетей.

Третий вариант – единый уровень управления GMPLS. Предполагается, что IP- и оптическая сети поддерживают GMPLS, благодаря чему они могут полноценно взаимодействовать в едином домене управления. Данные о топологии рассылаются на все узлы посредством протоколов маршрутизации, благодаря чему они получают одинаковую информацию о структуре сети. Оптический уровень OTN/DWDM осуществляет диспетчеризацию высокоскоростного трафика и защиту на физическом уровне, IP-сеть занимается обработкой сервисов и их защитой.

Это решение – идеальное, однако реализовать его в ближайшем будущем не представляется возможным из-за отсутствия оборудования и окончательно утвержденных стандартов. Также очевидно, что для IP-сети такое взаимодействие породит множество трудностей, связанных с безопасностью, управлением и масштабируемостью.

Оптимальное решение

Оптимальным и реальным вариантом решения проблемы взаимодействия оптической и IP-сетей является организация обмена сигнальной информацией между уровнями управления оптического (GMPLS) и IP (MPLS) доменов посредством интерфейса GMPLS UNI (рис. 3). Для такого взаимодействия требуется, чтобы оборудование оптических и IP-сетей поддерживало GMPLS UNI-интерфейсы, которые уже стандартизованы и выпускаются производителями. Это позволит решить две главные задачи.

1 Динамически устанавливать или удалять логический канал между маршрутизаторами, когда объем трафика между ними достигает порогового значения. Маршрутизаторы, лежащие на пути следования трафика, проходятся им транзитно на оптическом уровне для оптимального распределения нагрузки между оптической и IP-сетями.

В этом решении отслеживается трафик между двумя граничными маршрутизаторами и используется информация о сервисах и нагрузке каждого PE-маршрутизатора. При достижении определенного объема трафика между РЕ-маршрутизаторами по специальному алгоритму выбираются начальная и конечная точки создаваемого или удаляемого логического канала. Информация об этом передается на соответствующие маршрутизаторы, которые посредством GMPLS UNI-интерфейса запрашивают ресурсы в оптической сети для создания или удаления логического канала. Маршрутизатор упаковывает трафик для передачи в канализированный спектральный подканал оптической сети (например, в ODU1 или GE). Оптическая сеть осуществляет коммутацию и передачу созданного канала, опираясь на данные о начальной и конечной точках. В этом варианте использования интерфейса GMPLS UNI от маршрутизаторов требуется поддержка канализированных OTN-интерфейсов.

Оптическая сеть может передавать транзитный трафик, основываясь на идентификаторах второго уровня L2 (например, на тэге S-VLAN). В этом случае оборудование OTN/DWDM должно поддерживать работу на втором уровне, что его усложняет, однако повышает эффективность всей сети. К тому же создание динамического канала на втором уровне не требует выделения дополнительных портов на маршрутизаторе.

2 Использование интерфейса GMPLS UNI дает возможность разделить защиту узлов маршрутизации IP-трафика и защиту волокна (по статистике, из-за обрыва волокна происходит 60–70% аварий на опорных сетях). Маршрутизатор будет резервировать сервисы, а OTN/DWDM – волокна. Повторное срабатывание защиты предотвращается путем внесения задержки в реагирование IP-сети. При получении сообщения о потере сигнала (LOS), связанного с обрывом волокна, сеть OTN/DWDM GMPLS мгновенно запускает защитное переключение, которое срабатывает за 50 мс. Маршрутизатор также фиксирует обрыв волокна с помощью BFD, но не реагирует на него в течение 50 мс. Получив BFD с данной линии повторно, маршрутизатор обнаруживает, что неисправность уже устранена. Таким образом, с точки зрения IP-сети никакой аварии нет. А значит, нет необходимости поддерживать низкое заполнение каналов IP-сети на случай защитной перемаршрутизации при обрыве физической линии. Более того, сеть останется работоспособной даже при многократных обрывах линий. Надежность единой оптической и IP-сети повышается, а затраты на ее строительство, расширение и обслуживание снижаются.

  

Современный уровень развития оптических и IP-технологий позволяет уже сегодня реализовать интегрированную сеть, в которой диспетчеризацией основной массы трафика и резервированием оптики будет заниматься оборудование OTN/DWDM. IP-оборудование имеет возможность динамически запрашивать необходимую полосу пропускания у оптической сети через GMPLS UNI, не заботясь о реальной топологии сети и защите от обрывов волокна.

Использование динамической передачи транзитного трафика с помощью оптического оборудования приведет к тому, что начиная с некоторого момента увеличивать производительность маршрутизаторов вслед за ростом трафика более не потребуется. Здесь уместно сравнение с организацией дорожного движения: в городе строятся скоростные магистрали, напрямую связывающие удаленные районы, благодаря которым можно миновать переполненный центр и не загружать его еще больше. Съезжать с хайвэя будут только машины, направляющиеся непосредственно в центр города, а их доля не слишком велика и растет значительно медленнее общего потока машин.

По оценкам операторов, переход к взаимодействию оптической и IP-сети через UNI может снизить требования к производительности маршрутизаторов в ядре IP-сети на 25–50%. Стоимость же оптического оборудования и его энергопотребление на бит предаваемой информации в 3–5 раз меньше, чем у IP-оборудования. Считайте сами.  
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!