Ing. Petr Lampa, lampa@fee.vutbr.cz
Ústav informatiky a výpočetní techniky,
Fakulta elektrotechniky a informatiky, VUT v Brně, Božetěchova 2, 612 66 Brno

1. Páteřní síť VUT

Páteřní síť VUT byla budována v rámci Brněnské akademické počítačové sítě (BAPS), kde se brněnské vysoké školy a ústavy AV ČR dohodly na společných zásadách budování akademických počítačových sítí v oblasti. Je napojena na národní síť pro vědu a výzkum TEN-155 CZ, která zajišťuje její vnitrostátní a zahraniční konektivitu. Fakulty a pracoviště VUT jsou umístěny v různých lokalitách Brna   v současné době se jedná o 15 míst, ve vané většině propojených monovidovými optickými vlákny.

1.1 Propojení areálů na úrovni metropolitní sítě

Základní použitá technologie je ATM 155 Mb/s s použitím LAN emulace. V rámci BAPS jsou používány přepínače ATM/Ethernet typu Centillion 100 a BH5000 firmy BayNetworks (nyní Nortel). Pro připojení k síti TEN-155 CZ slouží přepínač ATM LS1010 firmy Cisco. Jako doplňková technologie se používá Ethernet 10 Mb/s, nicméně trasy s touto přenosovou kapacitou jsou silně náchylné k přetížení a je nutno zvýšit jejich propustnost. Síť Ethernet 10 Mb/s slouží také jako záložní síť pro případ výpadku ATM.

Lokality jsou připojeny k páteřní síti levnými PC směrovači s operačním systémem FreeBSD, podporované směrovací protokoly jsou OSPF, RIP 1, RIP 2, DVMRP. Typické napojení areálu je uskutečněno pomocí dvou síťových karet. Jedna je připojena transceiverem 10BASE-F na záložní optický spoj Ethernet 10 Mb/s, druhá je připojena na port Ethernet (Fast Ethernet) přepínače Centillion 100 a tento port je přiřazen do metropolitní virtuální sítě směrovačů. Všechny směrovače připojené na tuto virtuální síť mohou mezi sebou přímo komunikovat na úrovni emulované sítě LAN. Pokud je spojení ATM funkční, běží veškerý provoz po ATM. Pokud nastane výpadek, přejde směrovač automaticky na záložní spoj Ethernet.

Obr. 1. Napojení lokality na páteřní síť

1.2 Seznam uzlů počítačové sítě VUT a způsob jejich připojení

Technologie používané pro výstavbu lokálních a rozlehlých sítí byly historicky odlišné a byly také samostatně vyvíjené. Zatímco v lokálních sítích zcela převládl Ethernet, v rozlehlých sítích byla situace složitější. Počátkem 90. let začalo být prosazováno ATM jako řešení jak rozlehlých sítí, tak lokálních sítí. Po získání zkušeností z prvních reálných instalací přišlo poměrně rychlé vystřízlivění a čekání na nové verze protokolů, přepínačů a síťových karet. V dnešní době je vše potřebné k dispozici, ale hromadný přechod na ATM v oblasti lokálních sítí nenastal a je otázkou, zda vůbec nastane. Naopak se ukazuje, že Ethernet, určený původně pro lokální sítě, se dnes začíná v nové podobě přepínaného, plně duplexního přenosového média prosazovat i v metropolitních a rozlehlých sítích a začíná zde nahrazovat původně prosazované ATM.

2.1 Co přinesl Ethernet v posledním desetiletí

Během 90. let neběžel pouze vývoj ATM, ale stejnou rychlostí, či dokonce rychleji probíhal vývoj nových standardů Ethernet. Prvním výrazným krokem vpřed byl přechod ze sdíleného přenosového média typu koaxiální kabel na dedikované spoje strukturované kabeláže (UTP) - IEEE 802.3i 10BASE-T, 1990. Tento přechod přinesl vyšší spolehlivost, snadnější instalaci a správu. Navíc umožnil během následujících let přechod od sdílení přenosového média k přepínání rámců a mikrosegmentaci. Pro výstavbu rozlehlých sítí byla významná standardizace převodníků na optický kabel - IEEE 802.3j-1993 (10BASE-F), která umožnila levné prodloužení spojů na vzdálenosti řádově kilometrů.

2.1.1 IEEE 802.1u - Přenosová rychlost 100 Mb/s

Přenosová kapacita Ethernetu 10 Mb/s přestalo postačovat pro páteře sítí již počátkem 90. let. Dočasným řešením bylo použití vícekanálových mostů ve formě přepínačů. Přepínače přinesly vyšší agregovanou kapacitu páteřní sítě, ale přenosová rychlost zůstala stejná. Proto se prosadily pro výstavbu páteřních sítí jiné technologie, jako je FDDI s přenosovou rychlostí 100 Mb/s a ATM 155 Mb/s. Nezbytný přechod Ethernetu na vyšší přenosovou rychlost 100 Mb/s nastal v roce 1995 - standard IEEE 802.3u. Na rozdíl od přechodu na ATM 155 Mb/s byl přechod z Ethernetu 10 Mb/s na 100 Mb/s bezproblémový díky zachování formátu rámců a dostupnosti duálních aktivních prvků 10/100 Mb/s. Díky této kompatibilitě získal Fast Ethernet výhradní postavení v lokálních sítích a konkurenční technologie se příliš nerozšířily (100VG-AnyLan).

2.1.2 IEEE 802.1x - Plně duplexní spoje

Přechod od sdíleného média k dedikovaným spojům přepínané sítě brzy vedl k myšlence opustit poloduplexní přenos s řízením přístupu k médiu metodou CSMA/CD a přejít na plně duplexní přenos po spojích mezi přepínači nebo přepínači a koncovými uzly - standard IEEE 802.3x/1997. Tím byl vlastně původní Ethernet silně okleštěn a zbylo z něj jen časování a formát rámců. Díky plně duplexnímu přenosu lze využít přenosovou kapacitu na plných 100 % na rozdíl od sdíleného Ethernetu, kde zátěž přes 20 % přináší velký počet kolizí a opakování.

2.1.3 IEEE 802.1Q - Virtuální sítě

Termín virtuální síť se používá pro skupinu síťových zařízení, které jsou libovolně propojeny počítačovou sítí a chovají se stejně, jako by byly na společném fyzickém médiu odděleném od zbývající části sítě. Segmenty lokální sítě, ve kterých se šíří všesměrové vysílání, tak nejsou omezeny fyzickými spoji, ale mohou být definovány libovolně dle potřeby. Virtuální sítě segmentují velké sítě do logických celků, které vystupují jako nezávislé lokální sítě. Při propojování distribučních center a lokalit nastává ovšem problém, jak přenášet po jednom sdíleném spoji informaci o příslušnosti do virtuální sítě. Mezi různé privátní metody značkování rámců patří Cisco ISL, Cisco 802.10, 3COM VLT, apod. Tyto metody jsou vzájemně nekompatibilní a tento stav samozřejmě komplikoval použití virtuálních sítí v praxi. Situaci vyřešil až nový standard IEEE 802.1Q z prosince 1998. Většina výrobců nabízí aktivní prvky podporující tento standard již od léta 1998. Standard definuje jak formát přenosu informací o členství ve virtuální sítí, tak protokol pro přenos informací o vytvořených virtuálních sítích mezi přepínači.

Pro přenos informace o členství ve virtuální síti bylo použito značek rámců vložených bezprostředně za délku/typ rámce Ethernet. Značka (tag) obsahuje identifikaci virtuální sítě, do které rámec patří, a prioritu rámce dle standardu IEEE 802.1d/1998 (původně 802.1p). Takovéto rámce jsou pak nazývané značkované a putují pouze po spojích, na kterých je povolen přenos značkovaných rámců, což jsou typicky spoje mezi přepínači. Přepínač musí být schopen vkládat značky do rámců dle podporovaných metod vytváření virtuálních sítí. Na portech přepínače, které vedou ke koncovým zařízením, musí přepínač značky naopak odstraňovat, pokud koncové zařízení nepodporuje standard IEEE 802.1d/1998 nebo 802.1Q. Podpora značkování rámců je dnes dostupná i na úrovni síťových karet, což lze využít například pro napojení serverů jediným značkovaným spojem do několika virtuálních sítí.

2.1.4 IEEE 802.1D/1998 - Prioritní přenos

Standard původně označovaný IEEE 802.1p definuje způsob přenosu prioritně klasifikovaných rámců sítí tvořenou přepínači. Priorita rámce v intervalu 0 až 7 je dána značkou vloženou do rámce buď přepínačem nebo koncovým zařízením. Pravidla klasifikace neznačkovaných rámců mohou být různá, mohou být založena na vstupním portu přepínače, na adrese, protokolu, apod. Starší přepínače a mosty měly pro každý port pouze jednu výstupní frontu, do které byly rámce vkládány podle pořadí přijetí. Nový standard povoluje až 8 úrovní výstupních front pro jeden port a definuje použití těchto front v závislosti na prioritě rámců. Prioritní přenos nezaručuje sám o sobě požadovanou propustnost sítě pro konkrétní tok dat, ale dovoluje označit některé toky dat za prioritnější než jiné. Zatímco ATM se snaží přesně regulovat omezenou přenosovou kapacitu drahého spoje, Ethernet dovoluje díky nižší ceně levně budovat spoje s podstatně vyšší přenosovou kapacitou než je trvalá zátěž. Pokud má spoj dostatečnou rezervu přenosové kapacity, postačuje prioritní přenos i pro data citlivá na zpoždění a ztrátu paketů.

2.1.5 IEEE 802.3z - Gigabitový Ethernet

Gigabitový Ethernet zachovává základní principy Ethernetu 10Mb/s, tj. řízení přístupu k médiu metodou CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect), formát rámců i adresování. Standard IEEE 802.3z pro přenosové médium optické vlákno byl formálně přijat v červnu 1998, v následujícím roce byl doplněn standard IEEE 802.3ab pro přenos po kroucené dvoulince kategorie 5. Protože byla opět zachována kompatibilita na standardy Ethernet 10 a 100 Mb/s, nepřináší přechod na Gigabitový Ethernet problémy na úrovni operačních systémů, síťových aplikací, ani na úrovni správy sítě. Zatímco Ethernet 10 a 100 Mb/s se zpočátku rozvíjel hlavně v podobě sdílených prvků opakovačů a rozbočovačů, Gigabitový Ethernet je dostupný výhradně v podobě přepínačů a spoje jsou plně duplexní.

2.1.6 IEEE 802.1ad - Redundance a sdílení zátěže

Rozsáhlé sítě se neobejdou bez rychlých páteřních spojů mezi lokalitami. Pro tyto spoje byla dříve ideální technologie FDDI, protože zajišťovala redundanci spojů a tím odolnost vůči výpadku jednoho spoje. Při použití Ethernetu 100 Mb/s nebo 1 Gb/s redundance zajištěna není a to může být u páteřních spojů závažným problémem. Existují sice privátní řešení agregace a redundance spojů mezi přepínači, ale tato řešení jsou obvykle omezena na aktivní prvky stejného výrobce. Stav je tedy podobný jako u virtuálních sítí do prosazení standardu IEEE 802.1Q. Řešením by měl být opět obecný standard IEEE 802.3ad, jehož přijetí se předpokládá v roce 2000. Standard by měl přinést jednak protokol pro dynamickou konfiguraci agregace spojů, jednak metody sdílení zátěže (load sharing) po agregovaných spojích. Agregace spojů by měla být definována pro všechny rychlosti Ethernet 10/100/1000 Mb/s, ale pouze pro plně duplexní spoje, tedy mezi přepínači nebo přepínači a koncovými zařízeními (servery).

2.1.7 Přepínání na úrovni 3. vrstvy

Klasické přepínače pracují s adresami na úrovni 2. vrstvy modelu OSI, s MAC adresami na úrovni Ethernetu. Přepínač je pro vyšší úrovně protokolů neviditelný, neprojevuje se v adresování, nemusí rozumět těmto vyšším protokolům, chová se jako propustné médium. Pokud je třeba propojit dvě nezávislé lokální sítě nebo virtuální sítě, nezbývá než použít směrovač. Směrovač už musí rozumět vyšším protokolům (IP, IPX, DECnet, IBM SNA, ISO OSI, apod.) a musí také komunikovat s ostatními směrovači příslušným směrovacím protokolem (RIP, OSPF, BGP, apod.). Vzhledem ke složitosti a počtu různých vyšších protokolů byly směrovače až do poměrně nedávné doby řešeny softwarově na univerzálních mikroprocesorech. Výkon směrovače tak přímo závisel na výpočetním výkonu zabudovaného procesoru. Čím výkonnější směrovač, tím dražší a náročnější architektura směrovače. Směrování plnou rychlostí média začíná být problematické u Ethernetu 100 Mb/s, kdy musí být paket zpracován během 6 us a téměř nerealizovatelné u gigabitového Ethernetu, kde je na zpracování paketu k dispozici pouze 0,6 us. Směrovače, které jsou schopny plnou rychlostí zpracovávat tok dat přes 100 Mb/s, mají většinou dedikované procesory pro každý port nebo pro skupinu portů v jednom modulu směrovače. Je jasné, že cena takového směrovače se pohybuje o řád výše než cena přepínače a navíc disproporce mezi propustností přepínačů a směrovačů stále roste.

S mohutným šířením Internetu a výhradním přechodem na protokoly TCP/IP se situace v oblasti směrování začíná měnit. Místo dříve několika rovnocenných protokolů začíná dnes silně převažovat protokol jediný - IP. V této situaci lze uvažovat o hardwarové realizaci směrování na podobném principu, na jakém jsou založeny přepínače. Přes omezení na jeden (či dva) protokoly se však jedná o problém podstatně složitější než u přepínání na úrovni 2. vrstvy.

Funkce dekódování hlaviček paketů a přepínání podle cílové adresy může být svěřena specializovanému hardware. Komplikace však působí proměnná šířka adresy sítě, podle které je směrování IP paketů prováděno. Přepínání paketů proto neprobíhá na úrovni adres sítí, ale na úrovni konkrétních cílových IP adres. Aktualizace směrovací databáze (Forwarding Database) IP adres může být realizována hardwarově nebo programově. První paket s danou cílovou adresou musí být plně zpracován, ve směrovacích tabulkách musí být nalezena cílová IP adresa příslušného směrovače pro danou cílovou síť a dle této IP adresy příslušná MAC adresa a port přepínače na úrovni 2. vrstvy. Převod konkrétní cílové IP adresy na MAC adresu a port přepínače je zapsán do směrovací databáze a pro následující pakety se stejnou cílovou adresou pak může specializovaný hardware rychle najít odpovídající záznam a podle něj paket odeslat. Aktualizace směrovacích tabulek směrovacími protokoly je řešena programově, běžným mikroprocesorem. Ten ovšem nestojí v cestě toku dat a jeho výkon příliš neovlivňuje propustnost přepínače.

Funkce přepínání na úrovni 3. vrstvy je sice odlišná od přepínání na úrovni 2. vrstvy, nicméně zařízení, která tuto funkci mají, podporují také přepínání na úrovni 2. vrstvy, přestože to architekturu zařízení komplikuje a prodražuje. Důvod je vcelku zřejmý, konfigurovatelné zařízení, které může na libovolném portu dle aktuálních potřeb buď přepínat nebo směrovat, je ideální prvek pro vytváření virtuálních sítí, který zatím scházel. V okamžiku, kdy volba mezi směrováním a přepínáním je čistě administrativní záležitost a není žádný rozdíl v propustnosti, přestává platit tradiční pravidlo vytváření lokálních sítí založených převážně na přepínaní a s minimem směrování. Nyní není problém umístit směrovač ve formě přepínače na úrovni 3. vrstvy do centra sítě, naopak tento prvek je pro centrum sítě navržen. Přitom jeho cena je o řád nižší než u podobně výkonného směrovače, pokud vůbec existuje. Na rozdíl od různých privátních řešení směrování, komunikují tyto přepínače standardními směrovacími protokoly, takže jejich nasazení nevyžaduje žádné změny v okolní síti. Je ovšem jasné, že mnohé funkce klasického směrovače přepínač nemá a zřejmě nikdy nebude mít, například složitější filtrování, překlad adres, apod.

2.2 Postavení ATM v dnešní době?

Postavení ATM je v současné době odlišné oproti situaci před 3 až 5 léty. Tehdy neexistovala konkurenční technologie umožňující výstavbu jak rozlehlých, tak lokálních sítí. Dnes již tato konkurence existuje v podobě škálovatelného Ethernetu 10/100/1000 Mb/s a připravovaného Ethernetu 10 Gb/s. Ve srovnání s poměrně levnou technologií Ethernet se začínají výrazně projevovat nevýhody ATM:

1. ATM s rychlostí 155 Mb/s nepřináší výrazně vyšší přenosovou rychlost než Ethernet 100 Mb/s, ale stojí o řád více (síťové karty+přepínač). ATM s rychlostí 622 Mb/s má nižší přenosovou rychlost než Gigabitový Ethernet při podstatně vyšší ceně.
2. Pokud je ATM použito v režimu emulace LAN, pak se ztrácí veškeré výhody ATM a projevují se pouze nevýhody (přechod rámců na buňky ATM, emulace skupinového adresování).
3. Filozofie komunikace virtuálními kanály ATM je v přímém rozporu s principy, na kterých jsou založeny protokoly TCP/IP. Komplikované dynamické vytváření virtuálních kanálů mezi koncovými uzly snižuje při datagramové komunikaci dostupnou přenosovou kapacitu sítě, způsobuje zpoždění datagramů a zatěžuje zúčastněné přepínače ATM. Při použití ATM pouze v páteřní síti to příliš nevadí, protože mezi sebou komunikují trvalými toky dat pouze směrovače, ale při dovedení ATM až na úroveň lokálních sítí by zde nastaly problémy.
4. Pokud má být ATM použito v nativním módu, vyžaduje změnu síťových vrstev operačních systémů a také aplikací, které většinou nejsou připraveny na jiné protokoly než IP.
5. Instalace, konfigurace a správa ATM prvků je výrazně odlišná oproti klasickým prvkům a vyžaduje obvykle správce navíc.
6. Ceny zařízení komunikující na úrovni ATM jsou výrazně vyšší než pro Ethernet 100 Mb/s (směrovače). Cenově dostupné přepínače na úrovni 3. vrstvy jsou dostupné výhradně pro Ethernet a nepodporují ATM.

Nové standardy Ethernetu, jako jsou prioritní přenos, plně duplexní přenos, virtuální sítě a agregace spojů, doplňují rysy, které byly původně doménou ATM. Zdá se tedy, že v lokálních sítích se ATM v současné podobě a cenách příliš neprosadí. Snaha po sjednocení technologií dnes míří spíše opačným směrem, Ethernet bude v nových podobách vytlačovat ATM z oblasti metropolitních a rozlehlých sítí.

3. Použití Gigabitového Ethernetu v metropolitních sítích

Standard IEEE 803.3z měl být původně přijat již v březnu 1998, ale konečné schválení zpozdil jev nazývaný DMD (Differential Mode Delay). Projevuje se při použití laserů ve spojení s gradientním vláknem, což je kombinace, která se dříve příliš nepoužívala. U některých kombinací konkrétních laserů a vláken dochází k nerovnoměrnému šíření světelných impulsů ve vlákně a díky různým možným cestám šíření dojdou impulsy na konec vlákna několikrát s různým zpožděním. Nepříjemné to je pouze při delších vzdálenostech u vláken 62,5 um, u vláken 50 um problém nenastává. Jak se ukázalo, hlavním problémem nebyl ani tak jev samotný, ale spíše nejistota o jeho skutečném projevu v praxi, protože DMD nebylo nikdy měřeno a nebylo jasné, kolik procent instalované kabeláže bude mít problémy. Nakonec bylo rozhodnuto zkrátit maximální přípustnou délku kabelu pro vlákna 62,5 um (220 m, původně 260 m).