Router na wiele lat

Dwadzieścia lat po wprowadzeniu na rynek pierwszego routera Cisco przedstawiło nową architekturę urządzeń klasy operatorskiej, która według producenta ma przetrwać co najmniej dziesięć lat.

Dwadzieścia lat po wprowadzeniu na rynek pierwszego routera Cisco przedstawiło nową architekturę urządzeń klasy operatorskiej, która według producenta ma przetrwać co najmniej dziesięć lat.

Wzrost ruchu IP raz po raz przerasta oczekiwania operatorów i pracujących na ich rzecz producentów sprzętu. W efekcie, definicja szkieletowej platformy routingu IP zmienia się z roku na rok. Gdy kilka lat temu Cisco wprowadzało na rynek operatorskie z serii 12000, zakładano, że łącznie uda się ich sprzedać ok. tysiąca sztuk - na tyle oceniano chłonność rynku. Minęło kilka lat i routery tworzone z myślą o szkieletach sieci operatorskich pracują jako urządzenia brzegowe - niejednokrotnie po kilka w ramach jednego węzła POP. Routerów Cisco 12000 GSR sprzedano do dziś 25 tys. sztuk.

Mając za sobą długą tradycję "wiecznego niedoszacowania" skutkującego komplikacją infrastruktury i wysokimi kosztami operacyjnymi, najwięksi operatorzy zażądali od dostawców infrastruktury nowej jakości. Nie tylko pod względem wydajności i skalowalności, ale także funkcjonalności związanej z dostępnością, dynamicznym udostępnianiem nowych usług, zaawansowanymi funkcjami bezpieczeństwa itd. Wysokie wymagania operatorów zmusiły Cisco do opracowania zupełnie nowej architektury, której pierwszym wcieleniem jest Cisco Carrier Routing System 1 (CRS-1).

Wydajność z przytupem

Architektura routerów Cisco CRS-1

Architektura routerów Cisco CRS-1

Skalowalności i wydajności trudno nowej platformie odmówić. System jest dostępny w dwóch wersjach. Mniejsza mieści się w jednej szafie 19" zawierającej dwa moduły zarządzające i maksymalnie 16 optycznych kart liniowych OC-768/STM-256 o maksymalnej przepustowości 40 Gb/s każda. Alternatywnie na jednej karcie liniowej można zamontować 4 interfejsy OC-192/STM64 (10 Gb/s) albo 4 lub 8 interfejsów 10G Ethernet. Według Cisco łączna przepustowość takiego systemu wynosi 1,2 Tb/s.

Większa wersja CRS-1 może składać się z 2 do 72 szaf z kartami liniowymi o ww. parametrach. Oznacza to, że w ramach pojedynczego systemu może działać do 1152 kart o przepustowości 40 Gb/s, co oznacza, że łączna przepustowość rozwiązania jako całości może sięgać 92 Tb/s! Aby pomimo znacznego rozproszenia przetwarzania CRS-1 wciąż działał jako jedna spójna platforma, Cisco wprowadziło trzystopniową matrycę przełączającą opartą na koncepcji pól Bene&##353;sa. Dzięki temu część matrycy mogła zostać wydzielona do osobnych szaf obsługujących komunikację pomiędzy węzłami. Takich szaf przełączających może być w ramach CRS-1 maksymalnie osiem.

Jedną z ważniejszych nowości konstrukcyjnych nowych routerów Cisco jest wprowadzenie daleko idącej modularności. Karta liniowa w CRS-1 to w sumie tylko rama, w której umieszczane są wymienne elementy: moduły optyczne (GBIC), karty interfejsów warstwy drugiej (ATM, Frame Relay, 10G Ethernet) oraz obsługujące warstwę trzecią karty usługowe (patrz rysunek obok). Cel takiej konstrukcji jest oczywisty - poszczególne elementy można wymieniać nie wyjmując, a nawet nie wyłączając pozostałych.

Przełączanie pakietów IP z prędkością 40 Gb/s to kolejny mocny punkt nowych routerów. Czym innym jest bowiem samo przesyłanie danych z taką prędkością, a czym innym analiza nagłówków i podejmowanie decyzji o dalszej drodze tysięcy czy nawet milionów pakietów napływających w ciągu sekundy. To pierwsze urządzenie tego typu na rynku - najszybsze routery IP obsługiwały dotychczas interfejsy co najwyżej dziesięciogigabitowe.

Aby osiągnąć taką wydajność przełączania pakietów, Cisco zastosowało specjalnie w tym celu opracowane procesory sieciowe, zawierające - wg producenta - aż 188 dedykowanych jednostek wykonawczych w ramach jednego programowalnego układu scalonego. Każda karta liniowa zawiera dwa takie procesory - jeden obsługuje kolejki wchodzące, których może być nawet 8 tys., drugi zaś taką samą liczbę kolejek wychodzących. Obsługiwane są dwa typy kolejek: dla ruchu unicast i multicast.

Pakiety wchodzące do urządzenia przez karty interfejsów przechodzą poprzez pasywną szynę do kart przełączających, które kierują je do odpowiednich kart liniowych zgodnie z informacjami zawartymi w nagłówkach. Aby wydajnie obsłużyć ruch wchodzący przez 16 kart liniowych, Cisco zastosowało zabieg polegający na możliwości zainstalowania w jednej szafie do 8 kart matrycy, które dzięki równoległej pracy współdzielą obciążenie i zapewniają bezpieczeństwo. Jeżeli adres docelowy jest dostępny na porcie w innej szafie, moduły przełączające przekazują pakiety dalej za pośrednictwem wspomnianych dedykowanych szaf.

Programowe atrakcje

Co najmniej równie interesująco prezentuje się funkcjonalność oprogramowania CRS-1. Cisco zrezygnowało z dotychczasowego, monolitycznego oprogramowania Cisco IOS na rzecz całkowicie nowej platformy IOS XR. System operacyjny nowego routera zapożycza część rozwiązań wprost z dorobku systemów czasu rzeczywistego - notabene na potrzeby CRS-1 Cisco licencjonowało technologie od firm QNX i Mach. Cisco poszło więc jeszcze dalej niż inni dostawcy platform IP, którzy starają się wykorzystać dorobek systemów Unix/Linux.

Tak jak większość systemów czasu rzeczywistego, system operacyjny CRS-1 opiera się na koncepcji mikrojądra realizującego tylko podstawowe operacje, takie jak zarządzanie zasobami, wątkami i ochroną pamięci. Wszystkie pozostałe zadania, w tym zarządzanie komunikacją sieciową, sterownikami urządzeń itd., zostały wyłączone do wyższych warstw.

Jądro pozbawione "balastu" jest bardzo wydajne. Jednocześnie błąd lub wyjątek w obsłudze jakiegokolwiek procesu nie wpływa na pracę mikrojądra, przez co jest ono bardzo stabilne.

Taka konstrukcja znacznie ułatwia budowę środowiska rozproszonego - niezależna kopia mikrojądra działa na każdej karcie zarządzającej i przełączającej. Poszczególne mikrojądra współpracują ze sobą, wymieniając komunikaty, badając wzajemnie swoją dostępność oraz współdzieląc procesy i wątki w ramach wszystkich 72 szaf.

Obsługą protokołów routingu i tabel routingu w CRS-1 zajmują się specjalizowane moduły, które synchronizują informacje między sobą w ramach całego systemu. CRS-1 prowadzi przy tym oddzielne tabele routingu dla "zwykłego" ruchu unicast i ruchu typu multicast. Moduły routingu utrzymują jedynie tablice źródłowe. Są one cyklicznie zamieniane na postać binarną i replikowane do kart usługowych. Dla każdego routera logicznego lub wirtualnego CRS-1 definiuje oddzielne tablice routingu.

Imponujące są możliwości konfiguracyjne oprogramowania zarządzającego platformy CRS-1. Przede wszystkim, dowolny zestaw elementów CRS-1: kart zarządzających i przypisanych do nich portów, kart liniowych i modułów routingu można zdefiniować jako logiczny, który nie będzie współdzielić obciążenia z resztą środowiska. Na CRS-1 można także zdefiniować routery wirtualne - całkowicie programowe - których wiele może współdzielić określony zestaw zasobów sprzętowych.

Klienci już są

Nowa platforma Cisco rzeczywiście ma szansę zmienić biznes operatorski na bardziej elastyczny z punktu widzenia oferowanych usług i przewidywalny, jeśli chodzi o skalowalność, wydajność i koszty utrzymania.

Swoje zainteresowanie zakupem urządzeń, których ceny zaczynają się od 450 tys. USD, wyraziło już kilku liczących się operatorów amerykańskich, m.in. MCI i . U kilku klientów trwają już wdrożenia pilotażowe.

Jeżeli nowa platforma będzie rzeczywiście działać zgodnie z deklaracjami, z czym różnie w przeszłości bywało, wypada postawić pytanie, jak oraz kiedy na nową architekturę Cisco odpowie główny rywal firmy na rynku operatorskich platform IP - Juniper Networks. Na razie najwydajniejsze routery tej firmy skalują się "jedynie" do kilku Tb/s.

Sytuacja Juniper Networks jest o tyle niezręczna, że Cisco wstrzeliło się z nowym produktem w budzący się po latach marazmu rynek telekomunikacyjny. Projektanci Juniper Networks na pewno nie siedzą jednak z założonymi rękami. Kto zgadnie, co przedstawią za kwartał czy dwa?

Szkielet i POP

Marek Moskal, inżynier w Cisco Systems Poland

Marek Moskal, inżynier w Cisco Systems Poland

CRS-1 to nowe podejście do budowy sieci operatorskich. To samo urządzenie może być węzłem sieci szkieletowej i jednocześnie węzłem lub zestawem węzłów dystrybucyjnych/usługowych - bez obawy o skalowalność. Za pośrednictwem tej samej platformy operatorzy będą mogli oferować dowolne usługi: ATM, Frame Relay, Ethernet, IP VPN, głos, Internet itd., a z biegiem czasu dodawać kolejne, bez jakiejkolwiek przerwy w ich pracy. Prostsza będzie obsługa klientów kluczowych - zamiast uciekać się do kolokacji ich sprzętu w węźle POP wystarczy wydzielić router logiczny lub router wirtualny w ramach platformy CRS-1.

Innowacje CRS-1

  • Wydajność - do 92 Tb/s
  • Skalowalność - do 1152 interfejsów 40 Gb/s; alternatywnie: 4608 lub 9216 portów 10G Ethernet
  • Oprogramowanie systemowe IOS XR z mikrokernelem (system czasu rzeczywistego)
  • Podział na urządzenia logiczne i wirtualne
  • Możliwość dodawania dowolnych usług bez restartu
  • Możliwość wymiany wszystkich elementów sprzętowych w czasie pracy


TOP 200