Технологические обзоры

Fast Ethernet в кольце

До недавнего времени предприятия, стремящиеся получить характерные для кольцевых архитектур городских сетей (MAN) высокую доступность связи и быстрое восстановление в случае аварии, стояли перед дилеммой: классические кольца SDH обеспечивали высокий уровень отказоустойчивости, но синхронное оборудование значительно дороже доминирующих в ЛВС систем Ethernet, и, кроме того, эта самая отказоустойчивость "выводила из оборота" большой объем канальных ресурсов. Что же касается технологии Ethernet, то, отлично работая в конфигурациях "точка-точка" и ячеистых сетях, она плохо подходила для кольцевых топологий и не имела присущих SDH механизмов быстрого переключения.

Сравнительно недавно в качестве альтернативы перечисленному была предложена технология Resilient Packet Ring (RPR), сочетающая в себя высокую отказоустойчивость систем SDH и низкую цену оборудования Ethernet. Но, несмотря на большие ожидания ее успеха, эта технология пока не получила широкого распространения. Она хорошо масштабируется для работы в больших сетях, но вряд ли станет универсальной, т. е. экономически эффективной для сетей любого размера и всех типов приложений.

В этой статье представлена новая технология Resilient Fast Ethernet Ring (RFER). Подобно RPR, она сочетает достоинства SDH и Ethernet, но ориентирована на преобладающие в России сети малого и среднего масштаба.
 

Притягательность кольца

Наиболее популярной сегодня топологией телекоммуникационных инфраструктур является двойное волоконно-оптическое кольцо. Причины его популярности лежат, что называется, на поверхности. Волоконно-оптический кабель обладает огромной пропускной способностью, а кольцевая структура позволяет мультиплексировать, транспортировать, добавлять и выводить трафик различных приложений. Ну и, конечно, к этому следует добавить такие "врожденные" качества двойного кольца, как резервирование, перемаршрутизация, отказоустойчивость. Все это становится все более востребованным по мере того, как сетевые службы и приложения начинают играть все более важную роль в жизни современного общества.

Что же сказать о других топологиях - звезде, дереве, ячеистой? Ни одна из них не может обеспечить степень защиты, аналогичную кольцевой инфраструктуре, а если учесть то число каналов, которое необходимо для соединения даже небольшого количества узлов при построении сетей по этим топологиям, то становятся очевидными их дороговизна и сложности с развертыванием и техническим обслуживанием.
 

Плюсы и минусы SDH

Технология SDH дает массу преимуществ как операторам связи, так и их клиентам. Она обеспечивает гигантскую пропускную способность - сейчас ведутся работы по выводу на рынок коммерческих продуктов уровня STM-256 (40 Гбит/с) - и вместе с тем обладает хорошей управляемостью. Протоколы SDH предоставляют большую гибкость при упаковке различного рода полезной нагрузки. Это очень важно. Поскольку многие приложения нуждаются в довольно узкой полосе пропускания, надо собирать в единый поток разные типы трафика - будь то АТМ, IP или классический телефонный. Будучи иерархическими по своей структуре, системы SDH имеют возможность "объединять" низкоскоростные потоки в широкие "трубы" на магистрали сети. SDH -зрелая технология, хорошо знакомая специалистам в области телекоммуникаций.

Одно из главных преимуществ кольцевой сети SDH, как уже говорилось, - это высокая отказоустойчивость. Даже в случае обрыва оптоволокна пользователи могут быть уверены, что коммуникационный сервис восстановится практически мгновенно благодаря встроенному в системы SDH 50-мс механизму переключения.

Теперь о недостатках колец SDH. Изначально спроектированные для передачи телефонного трафика (в режиме TDM), они не оптимизированы для IP-приложений. Несмотря на возможность управлять относительно небольшими объемами трафика, на практике аппаратура SDH обычно "имеет дело" с потоками STM-1 (155 Мбит/с), редко "спускаясь" до уровня E1 (2 Мбит/с). Построение кольцевых инфраструктур SDH занимает довольно много времени, а внесение каких-либо изменений, модернизация кольца или добавление нового могут оказаться очень сложными задачами. И конечно, много нареканий вызывает высокая стоимость оборудования SDH, особенно по сравнению с таковой у решении Ethernet (10-Мбит/с, 100-Мбит/с и гигабитовыми). Цены того и другого оборудования постоянно меняются, однако существующий в них разрыв со временем, к сожалению для приверженцев SDH, только увеличивается.

Есть ряд не столь очевидных минусов технологии SDH. Они связаны с тем, как она использует полосу пропускания каналов связи. Для того чтобы воспользоваться эффективностью алгоритма статистического уплотнения, владельцам SDH-сетей (SDH не является статистической технологией!) необходимо развернуть поверх SDH системы АТМ, а это может оказаться накладным. Да и замечательный механизм 50-мс восстановления имеет серьезный недостаток - 50% полосы пропускания кольца SDH (одно из двух волокон) приходится держать незадействованной, в качестве резервной на случай аварии.
 

Плюсы и минусы RPR

Технология Ethernet значительно опережает SDH в части эффективности использования каналов связи при передаче данных в сетях "точка-точка" и в ячеистых инфраструктурах. Но изначально протокол Ethernet не предназначался ни для кольцевых сетей, ни для передачи трафика реального времени, скажем речи и видео. При обрыве волокна механизмы Ethernet восстановят связь, но на это уйдет много времени (30 с), что совершенно не приемлемо для сервис-провайдеров. Наконец, технология не имеет эффективных алгоритмов для обеспечения равноправного использования ресурсов кольца всеми пользователями.

Попытка совместить достоинства SDH и Ethernet была сделана разработчиками технологии RPR. Так называется стандарт, над которым трудится комитет IEEE 802.17. Принципы RPR реализованы в такой довольно хорошо известной фирменной технологии, как Dynamic Packet Transport (DPT) компании Cisco Systems.

Оптимизированная для IP-трафика и трафика других протоколов ЛВС, технология RPR использует статистические алгоритмы и переносит эффективность ЛВС на городские (MAN) и территориально распределенные (WAN) сети. Системы RPR/DPT менее сложны, чем решения ATM over SDH, время восстановления, которое они обеспечивают, - менее 50 мс (как SDH), но при этом не требуется держать в пассивном резерве 50% канальных ресурсов.

Трафик в кольце RPR/DPT передается в обоих направлениях двойного кольца. Если произойдет авария (обрыв кабеля), весь трафик будет пущен по одному кольцу в обход места аварии. Понятно, что в случае такого переключения могут возникнуть перегрузки и ухудшение качества обслуживания. Чтобы как-то справиться с этими сложностями, системы RPR/DPT оснащают механизмами Quality of Service (QoS), которые обеспечивают приоритетную транспортировку наиболее важного трафика.

Оптимизация технологий RPR/DPT под IP-трафик имеет оборотную сторону - они гораздо хуже подходят для традиционного речевого трафика и трафика унаследованных протоколов передачи данных. Стремясь сегодня задействовать экономичность и гибкость систем Ethernet и IP, большинство корпоративных пользователей не должны забывать о том, сколько средств в свое время было потрачено на приобретение учрежденческих АТС (УАТС), сетевого оборудования Frame Relay или АТМ. И конечно, в одночасье отправлять все это на свалку не только неразумно, но и просто глупо.

В то время как решения RPR/DPT обеспечивают надежный сетевой транспорт, они не имеют встроенных средств поддержки устройств доступа. Эти решения созданы в расчете на ситуации, когда требуется передавать потоки уровня STM-4 (155 Мбит/с) и более скоростные; в этих случаях они действительно оправданы экономически. На сегодняшний день лишь несколько фирм предлагают микросхемы с поддержкой алгоритмов RPR, поэтому соответствующее оборудование остается дорогим.
 

Основы RFER

Предложенная специалистами компании RAD Data Communications технология RFER ориентирована на небольшие и средние по размеру сети. В ней сохранено характерное для SDH время восстановления (менее 50 мс) и обеспечена поддержка нескольких колец, что повышает отказоустойчивость сети. Технология способна работать как по волоконно-оптической, так и по медной кабельной инфраструктуре и может использоваться различными сервис-провайдерами, корпоративными структурами, муниципальными, транспортными и другими организациями.

Технология RFER базируется на стандартном механизме Ethernet-коммутации второго (канального) уровня, дополненном алгоритмом фирмы RAD Data Communications. Последний позволяет всем узлам кольца получать информацию о состоянии сети и в случае чего (авария или нештатная ситуация) быстро переводить трафик на альтернативный маршрут.

Узел кольца RFER - это сетевое устройство, функционирующее как обычный коммутатор на втором уровне. Каждый узел имеет два магистральных порта для передачи трафика по кольцу, а также порты доступа, через которые трафик вводится в кольцо, и пользовательские порты для доставки трафика конкретных услуг.

Когда по кольцу идет трафик, все узлы RFER обмениваются специальными служебными сообщениями; каждый узел через определенные промежутки времени передает сообщение о состоянии канала (link state) через оба своих магистральных порта. Даже если сообщение о состоянии кольца отсутствует, узел должен посылать сообщения "keep-alive", "говорящее" соседу: "Со мной все в порядке". При получении узлом служебного сообщения с указанием того, что его сосед тоже получил такое сообщение, он "считает" кольцо функционирующим нормально. Канал считается "упавшим", когда узел получает соответствующее сообщение или когда узел вообще не получает никаких служебных сообщений в течение 30 мс. В этом случае трафик пускается в обратном направлении в обход аварийного участка. Такой алгоритм позволяет сочетать простоту обычной коммутации с возможностью быстрой перемаршрутизации трафика в случае сбоя.

Заслуживающая внимание характеристика технологии RFER заключается в том, что она позволяет строить сеть в виде цепочки узлов (daisy chain). Традиционно в таких сетях все узлы, соединенные цепочкой, совместно используют канал Е1 или Е3. В случае с использованием технологии RFER узлы соединяются каналом Fast Ethernet и трафик обрабатывается на уровне коммутации. Любую цепь узлов при необходимости можно замкнуть в кольцо, и тогда включатся в действие те механизмы отказоустойчивости, о которых мы говорили выше.

В предлагаемой компанией RAD Data Communications реализации технологии RFER функции доступа и формирования кольца объединены в одном устройстве -- мультиплексоре Megaplex. Это позволяет говорить о серьезной экономии средств на закупку сетевого оборудования. Как уже говорилось, классическое оборудования SDH принимает потоки с нижним ограничением по скорости на уровне Е1 (2 Мбит/с). Оборудование Megaplex "спускается" до уровня DS0 и поддерживает широкий набор приложений передачи речи и данных. В решениях SDH для поддержки низкоскоростных потоков приходится задействовать дополнительные устройства доступа.
 

TDM поверх IP

Решение RFER на базе оборудования RAD Data Communications удачно дополняется наличием средств передачи TDM-трафика поверх протокола IP (TDMoIP). Технология TDMoIP реализована, в частности, в специальном модуле мультиплексора Megaplex. Модуль ML-IP имеет три порта 10/100 Ethernet и uplink-интерфейсы емкостью до 4 Мбит/с. Он принимает синхронный TDM-поток, упаковывает его в пакеты, добавляет IP-заголовки и направляет в IP-сеть. На выходе из сети происходит обратная процедура -содержимое пакетов "собирается" в поток с добавлением необходимой для TDM-режима синхронизации. Эта технология позволяет прозрачно "пробрасывать" через IP-сети классические потоки Е1, которые могут нести телефонный трафик, видеоинформацию, данные.

Комбинация кольца RFER и средств TDMoIP предоставляет ряд полезных возможностей. Например, мультиплексор Megaplex может автоматически присваивать TDMoIP-трафику наивысший приоритет, что обеспечит его качественную передачу даже в случае роста обычного IP-трафика, поступающего от внешних маршрутизаторов через последовательные порты или ЛВС-модули Megaplex. Несколько "закрытых" Ethernet/IP-колец могут быть связаны на уровне TDM в единую распределенную сеть с высокой степенью отказоустойчивости.

Интересно отметить, что комбинация RFER с TDMoIP дает фактически TDM/Ethernet-кольцо со средствами отказоустойчивости и пропускной способностью, которые характерны для сети SDH STM-1. Причем эта кольцевая инфраструктура способна транспортировать как пакетный, так и TDM-трафик.