Fundamente ale comutarii

Daniel Moldovan

Retelele de calculatoare reprezinta īn prezent suportul principal pentru realizarea comunicatiilor īn majoritatea organizatiilor moderne. Evolutia continua, schimbarea practicilor īn afaceri si noile aplicatii forteaza īnsa limitele tehnologiei catre noi performante, grade de flexibilitate si fiabilitate. Astfel, solutiile viitorului vor permite disponibilizarea unei latimi de banda mai mari, un trafic multimedia si o administrare simplificata a retelei.

Tehnologia comutatiei va fi cea care va aborda noile cerinte, marind durata de viata a retelelor existente īn timp ce va permite aparitia noilor arhitecturi. Ea va fi cea care va oferi functii de scalabilitate si flexibilitate necesare pentru interconectarea retelelor īn secolul urmator.

Acest articol se doreste a fi o introducere īn domeniul interconectarii retelelor prin comutatoare (switched internetworking) oferind o imagine de ansamblu asupra modului īn care au evoluat retelele si asupra viitorului acestora.

Arhitecturi actuale de interconectare a retelelor

Lucrul īn retea este dominat īn prezent de trei arhitecturi de baza. Astfel, retelele LAN bazate pe coloane distribuite (distributed backbones) sunt preferate pentru conexiunile dintre cladiri. Coloanele comprimate (collapsed backbones), grupate īn jurul ruterelor de īnalta performanta sunt raspāndite īn interiorul cladirilor, iar retelele reticulare hibride si cele distribuite īn stea sunt comune pentru zonele extinse.

Aceste arhitecturi, dezvoltate īn jurul modelului traditional al procesarii bazate pe LAN, sunt destinate sa asigure un transport eficient pentru aplicatiile client / server. Dar la fel ca si īn cazul unitatilor de retea traditionale (hub-uri pentru medii partajate, punti, rutere), prosperitatea a generat o crestere a utilizarii si aplicatii noi, care la rāndul lor au cerut mai mult decāt pot furniza arhitecturile actuale. Īn continuare voi face o trecere īn revista a arhitecturilor de interconectare actuale, dupa care voi prezenta noile arhitecturi si blocuri constructive.

Coloane distribuite

Īntr-o arhitectura de coloane distribuite, hub-urile de medii partajate consolideaza cablarea orizontala de pe fiecare palier, īn timp ce coloana LAN realizata cu rutere conecteaza etajele. Coloana poate folosi aceeasi metoda de acces ca si cea folosita de retelele LAN de palier (spre exemplu 10 Mbps) sau poate folosi o solutie mult mai rapida, cum ar fi 100 Mbps FDDI. Din moment ce fiecare segment LAN este considerat o subretea separata, iar pachetele care traverseaza segmentele trebuie sa traverseze cel putin un ruter, serverele sunt raspāndite prin toata reteaua astfel īncāt ele se pot atasa acelorasi segmente ca si utilizatorii lor primari, evitānd astfel introducerea unor īntārzieri din partea ruterelor.

Disponibilitatea reprezinta beneficiul primar al coloanelor distribuite. Din moment ce exista mai multe rutere, caderea unui singur ruter va afecta doar segmentele LAN atasate. Pe de alta parte, rutere multiple pot genera probleme de performanta si administrare. Clientii care acceseaza un server situat pe un segment diferit vor fi nevoiti sa traverseze doua rutere, ceea ce va genera o īntārziere. Pentru ca ruterele si serverele sunt raspāndite īn toata cladirea, configurarea si īntretinerea poate fi un mare consumator de timp si bani.

Coloane comprimate

Coloanele comprimate evita deficienta prezenta la coloanele distribuite. Din nou, hub-urile pentru medii partajate concentreaza cablarea LAN pe fiecare etaj. Acum īnsa, fata de-o desfasurare de rutere pe fiecare etaj, toate hub-urile se conecteaza sau se „comprima" īntr-un singur ruter centralizat, oferind un singur punct de control. Īntārzierea retelei scade deoarece serverele sunt despartite de clienti printr-un singur hop. Costurile sunt reduse prin eliminarea ruterelor multiple si printr-o exploatare economica.

Adaugarea unui hub multisegment la coloana comprimata furnizeaza un maximum de flexibilitate si capacitate de administrare. Segmentele LAN de pe etaje diferite pot fi īnglobate īntr-o subretea, eliminānd hopul prin ruter. Serverele pot fi localizate central pentru a simplifica administrarea fara a face compromisuri legate de performanta, iar componentele redundante si functiile hot-swap din ruter confera disponibilitate.

Coloane hibride

Īn timp ce coloanele comprimate sunt ideale pentru cladiri, īn mod uzual ele nu sunt eficiente pentru conlucrarea īntre retele din mai multe cladiri; chiar si īntr-un campus sau o zona de birouri. Nu este practic sa legi fiecare segment LAN la un sit central. Arhitectura preferata pentru medii cu mai multe cladiri este coloana hibrida: rutere de īnalta performanta īn fiecare cladire, interconectate printr-o plasa de marimea unui campus sau un backbone LAN.

Coloanele LAN sunt mult mai comune decāt retelele īn plasa, deoarece retelele LAN sunt mai usor de proiectat si īntretinut. Deoarece LAN-ul de coloane poate folosi aceeasi metoda de acces ca si LAN-urile din cladiri, prea multe surse care alimenteaza traficul de pe coloana pot bloca reteaua. Pentru aceste cazuri, solutiile de īnalta viteza ca 100 Mbps FDDI reprezinta cea mai buna alegere. Arhitectura hibrida rezultata desfasoara coloane comprimate īn fiecare cladire, interconectate īntre cladiri printr-o coloana distribuita bazata pe FDDI.

WAN

Arhitecturile de coloane de mare suprafata (wide area backbone) sunt conduse exclusiv din punct de vedere economic. Īn timp ce latimea de banda locala este esential gratuita odata ce cablarea este facuta, latimea de banda pentru distante mari (wide area bandwidth) trebuie sa fie īnchiriata de un furnizor de servicii. Telul primar al oricarei proiectari wide area, este sa furnizeze conectivitate si performanta rezonabila la un cost decent.

Lucrul īn retele de mare suprafata combina īn mod uzual o plasa backbone cu mai multe configuratii de acces de tip stea. Aceasta plasa interconecteaza rutere de īnalta performanta ale siturilor majore, īn timp ce configuratiile stea concentreaza traficul de la ruterele de acces ale siturile minore. Liniile īnchiriate punct-cu-punct sunt cele mai populare si larg raspāndite linii de mare suprafata; īn general, consideratiile de cost dicteaza viteza īn benzile īnguste de la 56/64 Kbps la 1.5/2.0 Mbps. Apelul digital, ISDN si serviciile X.25 publice sunt utilizate de asemenea, fie ca backup, fie ca linii īnchiriate sau ca si conexiuni primare īntre situri.

Indiferent de reteaua wide area folosita, ruterele joaca doua roluri cruciale. Īn primul rānd ruterele fac trecerea de la formatele LAN (cum ar fi Ethernet) la formatele wide area (cum ar fi Frame Relay). Īn al doilea rānd, ruterele preīntāmpina aparitia aglomerarilor conexiunilor wide area - cum ar fi, spre exemplu, broadcasting la nivel MAC.

Limite ale cresterii

Asa cum s-a mentionat anterior, numarul de utilizatori īn continua crestere, calculatoarele desktop mai puternice si noile aplicatii testeaza limitele interconectarii retelelor, dirijānd cerintele desktop catre o rata de transfer din ce īn ce mai mare. Īnsa arhitecturile actuale nu sunt proiectate pentru un asemenea nivel de performanta sau calitate a serviciului.

Segmentarea LAN reprezinta o metoda populara pentru ridicarea performantei la nivelul unei interconectari de retele. Divizānd o retea LAN suprasaturata īn mai multe segmente mai mici, se ofera fiecarei statii de capat o portiune mai larga de latime de banda, evitānd congestia retelei. Dusa la extreme, fiecare statie ar putea deveni propriul sau segment, cu o latime de banda LAN completa.

Desi initial eficienta, segmentarea poate deveni mult prea complexa si costisitor de īntretinut. Pentru ca fiecare segment LAN reprezinta o subretea separata, ea necesita o adresa unica si un port ruter dedicat. Pe masura ce numarul segmentelor creste, fiecare miscare, adaugare sau schimbare declanseaza o avalansa de reconfigurari consumatoare de timp. Mai mult, porturile ruterelor sunt proiectate si evaluate pentru un numar mare de statii de lucru, o segmentare continua ridicānd aceste costuri la nivele neacceptabile.

Īn mod evident, pentru a suporta cresterea interconectarii retelelor si aparitia noilor aplicatii sunt necesare noi blocuri constructive si noi arhitecturi. Diferenta primara īntre interconectarea traditionala si cea noua o reprezinta larga raspāndire a blocurilor de comutatoare. Comutarea este cheia, atāt pentru evolutia scalara a performantei, cāt si pentru calitatea serviciului.

Noi arhitecturi si blocuri constructive

Limitarile actuale pe care le īntāmpina interconectarea retelelor a inspirat dezvoltarea mai multor tehnologii noi. Doua īn particular - 100BASE-T si comutarea LAN - au produs schimbari dramatice conlucrarii īn retea.

LAN-uri de mare viteza

O modalitate de-a īmbunatatii performanta conlucrarii īn retea este de-a instala LAN-uri mai rapide. Asa cum a fost mentionat anterior, 100Mbps FDDI este deja folosit īn multe cladiri si retele de campus. Īnsa deoarece FDDI este prea scump pentru conectivitatea desktop de baza, 100BASE-T Fast Ethernet a fost recent lansat pentru a umple golul existent.

Fast Ethernet este o extensie a standardului 10BASE-T Ethernet, doar ca este de 10 ori mai rapid. Atāt 10BASE-T cāt si 100BASE-T folosesc aceeasi metoda de acces CSMA/CD, permitānd datelor sa fie transferate īntre cele doua fara o translatare a protocolului.

Fast Ethernet este folosit īn mod tipic ca si o conexiune de mare viteza catre serverele puternic folosite si utilizatorii puternici, precum si pentru conexiuni īn jos catre rutere si comutatoare. Compatibilitatea cu traditionalul Ethernet īi permite lui 100BASE-T sa fie integrat īn retelele existente 10BASE-T, depasind gātuirile specifice si configurānd scena pentru o eventuala raspāndire mai larga.

Standardul 100BASE-T include trei specificatii de mediu: 100BASE-TX, 100BASE-T4 si 100BASE-FX. Specificatia 100BASE-TX acopera transmisiile de 100 Mbps pe cablu UTP categoria 5 sau categoria 1 STP, īn timp ce 100BASE-T4 suporta aceeasi rata a datelor pe cablare cat. 3, 4 sau 5 UTP. Specificatia 100BASE-FX defineste Fast Ethernet pe cablarea cu fibra optica multimode.

Comutarea LAN

Comutarea LAN, la fel ca si legaturile prin punti, subdivide retelele largi īn segmente mai mici, obtinānd o īmbunatatire a performantei LAN la un pret coborāt, īn timp ce este mentinuta investitia īn hard, soft si cablare. Folosita īn conjunctie cu solutiile de medii partajate de īnalta performanta, comutarea LAN furnizeaza suportul necesar pentru conlucrarea īn retea la nivel īntreprindere.

Comutatoarele LAN ofera o īmbunatatire a performantei segmentarii LAN fara sa necesite rutere scumpe sau cartele de interfata cu reteaua (NIC). Si pentru ca rata de transfer a comutatoarelor creste pe masura ce sunt adaugate mai multe porturi, comutatoarele LAN ofera o solutie scalabila pentru mediile cu o cerere mare.

Comutatoarele LAN sunt similare puntilor īn sensul ca ele folosesc adrese MAC memorate pentru a transmite cadre de intrare la o destinatie corespunzatoare. Dar fata de puntile conventionale, care transfera pachete folosind memoria partajata sau un bus intern, comutatoarele de cadre sunt deseori construite īn jurul unei retele de comutatoare de īnalta viteza, care utilizeaza circuite integrate specifice aplicatiilor (ASIC) pentru a furniza o rata de transfer mare, latenta mica si cost per port redus.

Combinarea hub-urilor pentru medii partajate cu un comutator LAN nu numai ca divide reteaua īn segmente multiple, īnsa ofera fiecarui segment o latime de banda completa. Cu segmentarea bazata pe rutere, rata de transfer totala este multiplicata de un numar de ori egal cu numarul porturilor comutatorului. Interfetele LAN traditionale sunt folosite la fiecare port al comutatorului, protejānd investitia utilizatorului si asigurānd ca aplicatiile existente si sistemele de operare de retea sa ramāna nemodificate.

Retele virtuale

Desi comutarea poate īmbunatati conlucrarea īn retea, ea poate agrava problemele vechi. Fara o structura de rutare, o interconectare comutata īntre retele se comporta ca o retea LAN cu punti, accelerānd congestionarea. Solutia traditionala - fiecare segment comutat sa reprezinte o subretea separata - ar crea un cosmar al īntretinerii si al administrarii. Retelele virtuale, o caracteristica inerenta īn majoritatea produselor de comutatie, ofera o solutie mult mai clara, decuplānd structura logica a retelei de forma sa fizica pentru a permite o aliniere mult mai eficienta a traficului de retea cu modelele de lucru ale utilizatorului. Retelele virtuale retin beneficiile performantei segmentarii LAN, īn timp ce aranjamentul logic controleaza traficul broadcast si creeaza comunitati de interes sigure. Modelul traficului reflecta fluxul muncii mai degraba decāt topologia de retea, īn timp ce administrarea retelei este cu mult simplificata.

Cu retelele virtuale, interconectarea devine „tentanta". Numarul subretelelor scade deoarece adresele subretea sunt asignate catre LAN-uri virtuale (VLAN) si nu segmentelor fizice. Administrarea adreselor este simplificata deoarece exista mai putine subretele si deoarece statiile de capat se pot muta īn diferite segmente ale aceleiasi VLAN, fara a fi nevoie de o reconfigurare de adresa.

Comutarea configuratiei este o forma a modului virtual de lucru īn retea. Utilizatorii de pe fiecare etaj acceseaza serverul din centrul retelei prin hub-ul de comutare a configuratiei, ocolind ruterul. Administrarea retelei este simplificata astfel printr-o centralizare a serverului, a hub-ului si a ruterului backbone.

ATM

Īn timp ce comutarea LAN poate īmbunatati performanta retelei si elibera congestia coloanei, ea este limitata ultimativ de viteza LAN-urilor atasate. Pentru conexiuni peste 100 Mbps sau pentru calitate multimedia a serviciului, a fost dezvoltat un tip diferit de comutare: modul de transfer asincron (ATM).

ATM ofera posibilitati unice pentru retele largi: El furnizeaza performante gigabit-per-secunda; transporta usor voce, video si trafic de date; si garanteaza calitatea serviciilor pentru toate formele de trafic. ATM utilizeaza celule de lungime fixa pentru a pastra latenta comutarii la o valoare minima si circuite virtuale prealocate pentru a face procesarea celulelor simpla si determinista furnizānd performante īnalt scalabile. Determinismul si latenta mica permit comutatoarelor ATM sa necesite stringente calitati ale serviciului pentru aplicatii multimedia.

Desi unele organizatii vor adopta ATM pentru grupuri de lucru cu latimi de banda exceptionale sau cerinte QoS, costul si complexitatea vor restrānge initial comutatoarele ATM la coloane pentru retele mari. Cererile pentru latimi de banda backbone vor creste pe masura ce comutatoarele LAN vor īncepe sa elimine gātuirile interconectarii retelelor, iar ATM-ul va īntālni aceste cerinte si scale pe masura ce traficul va continua sa creasca.

Combinatia dintre comutarea LAN si ATM īn interconectarea retelelor de īnalta performanta a dat viata unui nou bloc constructiv: comutatorul LAN-ATM. Ca si comutator LAN, el realizeaza interfatarea directa cu retelele LAN traditionale si este transparent pentru aplicatiile existente si sistemele de operare. Iar ca si un comutator ATM, el transmite trafic de-a lungul coloanei sub forma de celule. Pentru a face aceasta, un comutator LAN-ATM trebuie sa translateze cadrele LAN īn celule ATM si invers.

O specificatie a Forumului ATM, numita emulare LAN (LAN emulation), asigura interoperabilitatea īntre utilizatorii LAN si ATM. LANE ofera o conectare transparenta prin punti a LAN-urilor traditionale printr-o coloana ATM si permite statiilor de lucru LAN sa comunice cu dispozitive ATM, protejānd investitiile si asigurānd interoperabilitatea īn retelele cu mai multi producatori.

Arhitecturi de interconectare prin comutatoare

Noile arhitecturi de interconectare care folosesc avantajul blocurilor constructive bazate pe comutatoare au īnceput sa apara. Īn particular - coloana comprimata virtuala bazata pe cadre - este proiectata sa evite gātuirile de retea īn timp ce este realizata si o protejare a investitiilor existente.

Coloane comprimate virtuale bazate pe cadre

Coloanele comprimate furnizeaza un suport mai bun pentru aplicatiile client/server fata de modelul distribuit, īnsa sunt clientele limitarii mediului partajat. Coloana virtuala comprimata elimina aceste limitari marind mediul partajat cu ajutorul comutatoarelor si īnlocuind ierarhia adreselor fizice cu retele virtuale.

Īntr-o coloana comprimata virtuala bazata pe cadre, comutatoarele LAN de nivel workgroup īnlocuiesc (sau asista) hub-urile de medii partajate pentru a evita strangularile retelei la nivel desktop. Conectarea la comutatoarele LAN se face prin interfete traditionale mentinānd baza instalata de NIC-uri si soft de retea. Un comutator LAN de nivel backbone interconecteaza comutatoarele grupului de lucru furnizānd un punct de conectare central pentru serverele partajate.

Clientii si serverele sunt asignate la VLAN-uri diferite pe baza modelelor de utilizare si nu pe baza locatiei fizice. Traficul din interiorul oricarei reele VLAN este comutat, eliminānd latenta ruterului chiar si atunci cānd clientii si serverele se afla pe segmente fizice diferite.

Un ruter atasat la comutatorul coloanei LAN coordoneaza traficul dintre VLAN-uri. Din moment ce doar o interfata ruter este necesara pentru o retea LAN virtuala, ruterul centralizat reduce costul general.

Coloanele comprimate virtuale bazate pe cadre ofera o cale practica de migrare de la coloanele comprimate fizice, oferind utilizatorilor sansa de-a realiza beneficiile interconectarii comutate, fara a fi necesara o convertire la ATM.

Īn loc de concluzie

Daca acest articol a reusit sa va clarifice unele din problemele actuale ale interconectarilor dintre retele si sa va pregateasca pentru schimbarile ulterioare, īnseamna ca si-a atins scopul propus. Pentru o abordare mai detaliata a problemelor legate de arhitecturile prezentate, puteti obtine informatii de pe Internet la adresa http://www.baynetworks.com.

Daniel Moldovan este redactor BYTE Romānia. Poate fi contactat la: dmoldovan@agora.ro.

(C) Copyright Computer Press Agora