Типичный маршрутизатор представляет собой сложный специализированный компьютер, который работает под управлением специализированной операционной системы, оптимизированной для выполнения операций построения таблиц маршрутизации и продвижения пакетов на их основе.
Основная функция маршрутизатора -- чтение заголовков пакетов сетевых протоколов, принимаемых и буферизуемых по каждому порту (например, IPX, IP, AppleTalk или DECnet), и принятие решения о дальнейшем маршруте следования пакета по его сетевому адресу, включающему, как правило, номер сети и номер узла. Функции маршрутизатора могут быть разбиты на три группы в соответствии с уровнями модели OSI (рисунок 15).
Рисунок 15. Функциональная модель маршрутизатора
Уровень интерфейсов
На нижнем уровне маршрутизатор, как и любое устройство, подключенное к сети, обеспечивает физический интерфейс со средой передачи, включая согласование уровней электрических сигналов, линейное и логическое кодирование, оснащение определенным типом разъема. В разных моделях маршрутизаторов часто предусматриваются различные наборы физических интерфейсов, представляющих собой комбинацию портов для подсоединения локальных и глобальных сетей.
С каждым интерфейсом для подключения локальной сети неразрывно связан определенный протокол канального уровня, например Ethernet, Token Ring, FDDI. Интерфейсы для присоединения к глобальным сетям чаще всего определяют только некоторый стандарт физического уровня, над которым в маршрутизаторе могут работать различные протоколы канального уровня. Например, глобальный порт может поддерживать интерфейс V.35, над которым могут работать протоколы канального уровня: LAP-B (в сетях Х.25), LAP-F (в сетях frame reiay), LAP-D (в сетях ISDN). Разница между интерфейсами локальных и глобальных сетей объясняется тем, что технологии локальных сетей работают по собственным стандартам физического уровня, которые не могут, как правило, использоваться в других технологиях, поэтому интерфейс для локальной сети представляет собой сочетание физического и канального уровней и носит название по имени соответствующей технологии, например интерфейс Ethernet.
Интерфейсы маршрутизатора выполняют полный набор функций физического и канального уровней по передаче кадра, включая получение доступа к среде (если это необходимо), формирование битовых сигналов, прием кадра, подсчет его контрольной суммы и передачу поля данных кадра верхнему уровню, в случае если контрольная сумма имеет корректное значение. Перечень физических интерфейсов, которые поддерживает та или иная модель маршрутизатора, является его важнейшей потребительской характеристикой. Маршрутизатор должен поддерживать все протоколы канального и физического уровней, используемые в каждой из сетей, к которым он будет непосредственно присоединен. На рис. 14.6 показана функциональная модель маршрутизатора с четырьмя портами, реализующими следующие физические интерфейсы: 10Base-T и 10Base-2 для двух портов Ethernet, UTP для Token Ring и V.35, над которым могут работать протоколы LAP-B, LAP-D или LAP-F, обеспечивая подключение к сетям Х.25, ISDN или frame relay.
Кадры, которые поступают на порты маршрутизатора, после обработки соответствующими протоколами физического и канального уровней освобождаются от заголовков канального уровня. Извлеченные из поля данных кадра пакеты передаются модулю сетевого протокола.
Уровень сетевого протокола
Сетевой протокол, в свою очередь, извлекает из пакета заголовок сетевого уровня и анализирует содержимое его полей. Прежде всего проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается. Выполняется проверка, не превысило ли время, которое провел пакет в сети (время жизни пакета), допустимой величины. Если превысило -- пакет также отбрасывается. На этом этапе вносятся корректировки в содержимое некоторых полей, например наращивается время жизни пакета, пересчитывается контрольная сумма.
На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора -- фильтрация трафика. Маршрутизатор, обладая более высоким интеллектом, нежели мост или коммутатор, позволяет задавать и может отрабатывать значительно более сложные правила фильтрации. Пакет сетевого уровня, находящийся в поле данных кадра, для мостов и коммутаторов представляется неструктурированной двоичной последовательностью. Маршрутизаторы же, программное обеспечение которых содержит модуль сетевого протокола, способны производить разбор и анализ отдельных полей пакета. Они оснащаются развитыми средствами пользовательского интерфейса, которые позволяют администратору без особых усилий задавать сложные правила фильтрации. Они, например, могут запретить прохождение в корпоративную сеть всех пакетов, кроме пакетов, поступающих из подсетей «родного» предприятия.
Фильтрация в данном случае производится по сетевым адресам, и все пакеты, адреса которых не входят в разрешенный диапазон, отбрасываются. Маршрутизаторы, как правило, также могут анализировать структуру сообщений транспортного уровня, поэтому фильтры могут не пропускать в сеть сообщения определенных прикладных служб, например службы telnet, анализируя поле типа протокола в транспортном сообщении.
В случае если интенсивность поступления пакетов выше интенсивности их обработки, пакеты могут образовать очередь. Программное обеспечение маршрутизатора может реализовывать различные дисциплины обслуживания очередей пакетов: в порядке поступления по принципу «первый пришел -- первым обслужен» (First Input First Output, FIFO), дисциплину случайного раннего обнаружения (Random Early Detection, RED), когда обслуживание идет по правилу FIFO, но при достижении длиной очереди некоторого порогового значения вновь поступающие пакеты отбрасываются, а также различные варианты приоритетного обслуживания.
К сетевому уровню относится основная функция маршрутизатора -- определение маршрута пакета. По номеру сети, извлеченному из заголовка пакета, модуль сетевого протокола находит в таблице маршрутизации строку, содержащую сетевой адрес следующего маршрутизатора, и номер порта, на который нужно передать данный пакет, чтобы он двигался в правильном направлении. Если в таблице отсутствуют записи о сети назначения пакета и о маршрутизаторе по умолчанию, то данный пакет отбрасывается.
Перед тем как передать сетевой адрес следующего маршрутизатора на канальный уровень, необходимо преобразовать его в локальный адрес той технологии, которая используется в сети, содержащей следующий маршрутизатор. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов. Протоколы этого типа устанавливают соответствие между сетевыми и локальными адресами либо на основании заранее составленных таблиц, либо путем рассылки широковещательных запросов. Таблица соответствия локальных адресов сетевым адресам строится отдельно для каждого сетевого интерфейса. Протоколы разрешения адресов занимают промежуточное положение между сетевым и канальным уровнями.
С сетевого уровня пакет, локальный адрес следующего маршрутизатора и номер порта маршрутизатора передаются вниз, канальному уровню. На основании указанного номера порта осуществляется коммутация с одним из интерфейсов маршрутизатора, средствами которого выполняется упаковка пакета в кадр соответствующего формата. В поле адреса назначения заголовка кадра помещается локальный адрес следующего маршрутизатора. Готовый кадр отправляется в сеть.
Уровень протоколов маршрутизации
Сетевые протоколы активно используют в своей работе таблицу маршрутизации, но ни ее построением, ни поддержанием ее содержимого не занимаются. Эти функции выполняют протоколы маршрутизации. На основании этих протоколов маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии сети, а затем анализируют полученные сведения, определяя наилучшие по тем или иным критериям маршруты. Результаты анализа и составляют содержимое таблиц маршрутизации.
Помимо перечисленных выше функций на маршрутизаторы могут быть возложены и другие обязанности, например операции, связанные с фрагментацией.
Дополнительные функциональные возможности маршрутизаторов
Наряду с функцией маршрутизации многие маршрутизаторы обладают важными дополнительными функциональными возможностями (они перечислены далее), которые значительно расширяют сферу применения этих устройств.
Поддержка одновременно нескольких протоколов маршрутизации. В протоколах маршрутизации обычно предполагается, что маршрутизатор строит свою таблицу на основе работы только этого одного протокола. Деление Интернета на автономные системы также направлено на исключение использования в одной автономной системе нескольких протоколов маршрутизации. Тем не менее иногда в большой корпоративной сети приходится поддерживать одновременно несколько таких протоколов, чаще всего так складывается исторически.
При этом таблица маршрутизации может получаться противоречивой -- разные протоколы маршрутизации могут выбрать разные следующие маршрутизаторы для какой-либо сети назначения. Большинство маршрутизаторов решает эту проблему за счет придания приоритетов решениям разных протоколов маршрутизации. Высший приоритет отдается статическим маршрутам (администратор всегда прав), следующий приоритет имеют маршруты, выбранные протоколами состояния связей, такими как OSPF или NLSP, а низшим приоритетом обладают маршруты дистанционно-векторных протоколов, как самых несовершенных.
Приоритеты сетевых протоколов. Можно установить приоритет одного протокола сетевого уровня над другими. На выбор маршрутов эти приоритеты не оказывают никакого влияния, они влияют только на порядок, в котором многопротокольный маршрутизатор обслуживает пакеты разных сетевых протоколов. Это свойство бывает полезно в случае недостаточной полосы пропускания кабельной системы и существования трафика, чувствительного к временным задержкам, например трафика SNA или голосового трафика, передаваемого одним из сетевых протоколов.
Поддержка политики маршрутных объявлений. В большинстве протоколов обмена маршрутной информации (RIP, OSPF, NLSP) предполагается, что маршрутизатор объявляет в своих сообщениях обо всех сетях, которые ему известны. Аналогично предполагается, что маршрутизатор при построении своей таблицы учитывает все адреса сетей, которые поступают ему от других маршрутизаторов сети. Однако существуют ситуации, когда администратор хотел бы скрыть существование некоторых сетей в определенной части своей сети от других администраторов, например, по соображениям безопасности. Или же администратор хотел бы запретить некоторые маршруты, которые могли бы существовать в сети. При статическом построении таблиц маршрутизации решение таких проблем не составляет труда. Динамические же протоколы маршрутизации не позволяют стандартным способом реализовывать подобные ограничения.
Существует только один широко используемый протокол динамической маршрутизации, в котором описана возможность существования правил (policy), ограничивающих распространение некоторых адресов в объявлениях, -- это протокол BGP. Необходимость поддержки таких правил в протоколе BGP понятна, так как это протокол обмена маршрутной информацией между автономными системами, где велика потребность в административном регулировании маршрутов (например, некоторый поставщик услуг Интернета может не захотеть, чтобы через него транзитом проходил трафик другого поставщика услуг). Разработчики маршрутизаторов исправляют этот недостаток стандартов протоколов, вводя в маршрутизаторы поддержку правил передачи и использования маршрутной информации, подобных тем, которые рекомендует BGP.
Защита от широковещательных штормов (broadcast storm). Одна из характерных неисправностей сетевого программного обеспечения -- самопроизвольная с высокой интенсивностью генерация широковещательных пакетов. Широковещательным штормом считается ситуация, в которой процент широковещательных пакетов превышает 20 % от общего количества пакетов в сети. Обычный коммутатор или мост слепо передает такие пакеты на все свои порты, как того требует логика его работы, засоряя, таким образом, сеть. Борьба с широковещательным штормом в сети, соединенной коммутаторами, требует от администратора отключения портов, генерирующих широковещательные пакеты.
Маршрутизатор не распространяет такие поврежденные пакеты, поскольку в круг его задач не входит копирование широковещательных пакетов во все объединяемые им сети. Поэтому маршрутизатор является прекрасным средством борьбы с широковещательным штормом, правда, если сеть разделена на достаточное количество подсетей.
Поддержка немаршрутизируемых протоколов, таких как NetBIOS, NetBEUI или DEC LAT, которые не оперируют таким понятием, как сеть. Маршрутизаторы могут обрабатывать пакеты подобных протоколов двумя способами.
В первом случае они могут работать с пакетами этих протоколов как мосты, то есть передавать их на основании изучения МАС-адресов. Маршрутизатор необходимо сконфигурировать особым способом, чтобы по отношению к некоторым маршрутизируемым протоколам на некоторых портах он выполнял функции моста, а по отношению к маршрутизируемым протоколам -- функции маршрутизатора. Такой мост/маршрутизатор иногда называют brouter, то есть bridge (мост) плюс router (маршрутизатор).
Другим способом передачи пакетов немаршрутизируемых протоколов является инкапсуляция этих пакетов в пакеты какого-либо сетевого протокола.
Некоторые производители маршрутизаторов разработали собственные протоколы, специально предназначенные для инкапсуляции немаршрутизируемых пакетов. Кроме того, существуют стандарты для инкапсуляции некоторых протоколов в другие, в основном в IP. Примером такого стандарта является протокол DLSw, определяющий методы инкапсуляции пакетов SDLC и NetBIOS в IP-пакеты, а также протоколы РРТР и L2TP, инкапсулирующие кадры протокола РРР в IP-пакеты.
Основная вычислительная работа проводится маршрутизатором при составлении таблицы маршрутизации с маршрутами ко всем известным ему сетям. Эта работа состоит в обмене пакетами протоколов маршрутизации, такими как RIP или OSPF, и вычислении оптимального пути к каждой целевой сети по некоторому критерию. Для вычисления оптимального пути на графе, как того требуют протоколы состояния связей, необходимы значительные вычислительные мощности. После того как таблица маршрутизации составлена, функция продвижения пакетов происходит весьма просто -- осуществляется просмотр таблицы и поиск совпадения полученного адреса с адресом целевой сети. Если совпадение есть, то пакет передается на соответствующий порт маршрутизатора. Некоторые маршрутизаторы поддерживают только функции продвижения пакетов по готовой таблице маршрутизации.
Такие маршрутизаторы считаются усеченными, так как для их полноценной работы требуется наличие полнофункционального маршрутизатора, у которого можно взять готовую таблицу маршрутизации. Этот маршрутизатор часто называется сервером маршрутов. Отказ от самостоятельного выполнения функций построения таблицы маршрутизации резко удешевляет маршрутизатор и повышает его производительность. Примеры такого подхода дают маршрутизаторы NetBuilder компании 3Com, поддерживающие фирменную технологию Boundary Routing, и маршрутизирующие коммутаторы Catalyst 5000 компании Cisco Systems.
Классификация маршрутизаторов по областям применения
По областям применения маршрутизаторы делятся на несколько классов.
Магистральные маршрутизаторы (backbone routers) предназначены для построения центральной сети крупной корпорации или телекоммуникационного оператора.
Магистральные маршрутизаторы оперируют с агрегированными информационными потоками, переносящими данные большого количества пользовательских соединений. Центральная сеть может состоять из множества локальных сетей, разбросанных по разным зданиям и использующих самые разнообразные сетевые технологии, типы компьютеров и операционных систем. Магистральные маршрутизаторы -- это мощные устройства, способные обрабатывать несколько сотен тысяч или даже несколько миллионов пакетов в секунду, имеющие большое количество интерфейсов локальных и глобальных сетей. Поддерживаются не только среднескоростные интерфейсы глобальных сетей, такие как Т1/Е1, но и высокоскоростные, например ATM или SDH со скоростями 155 Мбит/с или 622 Мбит/с. Чаще всего магистральный маршрутизатор конструктивно выполнен по модульной схеме на основе шасси с множеством слотов -- до 12-14. Большое внимание уделяется в магистральных моделях надежности и отказоустойчивости маршрутизатора, которая достигается за счет системы терморегуляции, избыточных источников питания, заменяемых «на ходу» (hot swap) модулей, а также симметричного мультипроцессирования. Примерами магистральных маршрутизаторов могут служить маршрутизаторы Backbone Concentrator Node (BCN) компании Nortel Networks (ранее Bay Networks), Cisco 7500, Cisco 12000.
Маршрутизаторы региональных отделений соединяют региональные отделения между собой и с центральной сетью. Сеть регионального отделения, так же как и центральная сеть, может состоять из нескольких локальных сетей. Такой маршрутизатор обычно представляет собой некоторую упрощенную версию магистрального маршрутизатора. Если он выполнен на основе шасси, то количество слотов его шасси меньше: 4-5. Возможен также конструктив с фиксированным количеством портов. Поддерживаемые интерфейсы локальных и глобальных сетей менее скоростные. Примерами маршрутизаторов региональных отделений могут служить маршрутизаторы BLN, ASN компании Nortel Networks, Cisco 3600, Cisco 2500, NetBuilder II компании 3Com. Это наиболее обширный класс выпускаемых маршрутизаторов, характеристики которых могут приближаться к характеристикам магистральных маршрутизаторов, а могут и опускаться до характеристик маршрутизаторов удаленных офисов.
Маршрутизаторы удаленных офисов соединяют, как правило, единственную локальную сеть удаленного офиса с центральной сетью или сетью регионального отделения по глобальной связи. В максимальном варианте такие маршрутизаторы могут поддерживать и два интерфейса локальных сетей. Как правило, интерфейс локальной сети -- это Ethernet 10 Мбит/с, а интерфейс глобальной сети -- выделенная линия со скоростью 64 кбит/с, 1,544 или 2 Мбит/с. Маршрутизатор удаленного офиса может поддерживать работу по коммутируемой телефонной линии в качестве резервной связи для выделенного канала.
Существует очень большое количество типов маршрутизаторов удаленных офисов. Это объясняется как массовостью потенциальных потребителей, так и специализацией такого типа устройств, проявляющейся в поддержке одного конкретного типа глобальной связи. Например, существуют маршрутизаторы, работающие только с сетью ISDN, существуют модели только для аналоговых выделенных линий и т. п. Типичными представителями этого класса являются маршрутизаторы Nautika компании Nortel Networks, Cisco 1600, Office Connect компании 3Com, семейство Pipeline компании Ascend.
Маршрутизаторы локальных сетей (коммутаторы 3-го уровня) предназначены для разделения крупных локальных сетей на подсети. Основное требование, предъявляемое к ним, -- высокая скорость маршрутизации, поскольку в такой конфигурации отсутствуют низкоскоростные порты, такие как модемные порты 33,6 кбит/с или цифровые порты 64 кбит/с. Все порты имеют скорость по крайней мере 10 Мбит/с, а многие работают на скорости 100 Мбит/с. Примерами коммутаторов 3-го уровня служат коммутаторы CoreBuilder 3500 компании 3Com, Accelar 1200 компании Nortel Networks, Waveswitch 9000 компании Plaintree, Turboiron Switching Router компании Foudry Networks.
В зависимости от области применения маршрутизаторы обладают различными основными и дополнительными техническими характеристиками.
Основные технические характеристики маршрутизаторов
Основные технические характеристики маршрутизатора связаны с тем, как он решает свою главную задачу -- маршрутизацию пакетов в составной сети. Именно эти характеристики в первую очередь определяют возможности и сферу применения того или иного маршрутизатора.
Перечень поддерживаемых сетевых протоколов. Магистральный маршрутизатор должен поддерживать большое количество сетевых протоколов и протоколов маршрутизации, чтобы обеспечивать трафик всех существующих на предприятии вычислительных систем (в том числе и устаревших, но все еще успешно эксплуатирующихся, так называемых унаследованных -- legacy), а также систем, которые могут появиться на предприятии в ближайшем будущем. Если центральная сеть образует отдельную автономную систему Интернета, то потребуется поддержка и специфических протоколов маршрутизации этой сети, таких как EGP и BGP. Программное обеспечение магистральных маршрутизаторов обычно строится по модульному принципу, поэтому при возникновении потребности можно докупать и добавлять программные модули, реализующие недостающие протоколы.
Перечень поддерживаемых сетевых протоколов обычно включает протоколы IP, CONS и CLNS OSI, IPX, AppleTalk, DECnet, Banyan VINES, Xerox XNS.
Перечень протоколов маршрутизации составляют протоколы IP RIP, IPX RIP, NLSP, OSPF, IS-IS OSI, EGP, BGP, VINES RTP, AppleTalk RTMP.
Перечень поддерживаемых интерфейсов локальных и глобальных сетей. Для локальных сетей -- это интерфейсы, реализующие физические и канальные протоколы сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN и ATM.
Для глобальных связей -- это интерфейсы физического уровня для связи с аппаратурой передачи данных, а также протоколы канального и сетевого уровней, необходимые для подключения к глобальным сетям с коммутацией каналов и пакетов.
Поддерживаются интерфейсы последовательных линий (serial lines) RS-232, RS-449/422, V.35 (для передачи данных со скоростями до 2-6 Мбит/с), высоко скоростной интерфейс HSSI, обеспечивающий скорость до 52 Мбит/с, а также интерфейсы с цифровыми каналами Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ и интерфейсами BRI и PRI цифровой сети ISDN. Некоторые маршрутизаторы имеют аппаратуру связи с цифровыми глобальными каналами, что исключает необходимость использования внешних устройств сопряжения с этими каналами.
В набор поддерживаемых глобальных технологий обычно входят технологии Х.25, frame relay, ISDN и коммутируемых аналоговых телефонных сетей, сетей ATM, а также поддержка протокола канального уровня РРР.
Общая производительность маршрутизатора. Высокая производительность маршрутизации важна для работы с высокоскоростными локальными сетями, а также для поддержки новых высокоскоростных глобальных технологий, таких как frame relay, ТЗ/ЕЗ, SDH и ATM. Общая производительность маршрутизатора зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются: тип используемых процессоров, эффективность программной реализации протоколов, архитектурная организация вычислительных и интерфейсных модулей. Общая производительность маршрутизаторов колеблется от нескольких десятков тысяч пакетов в секунду до нескольких миллионов пакетов в секунду. Наиболее производительные маршрутизаторы имеют мультипроцессорную архитектуру, сочетающую симметричные и асимметричные свойства -- несколько мощных центральных процессоров, работая по симметричной схеме, выполняют функции вычисления таблицы маршрутизации, а менее мощные процессоры в интерфейсных модулях занимаются передачей пакетов на подключенные к ним сети и пересылкой пакетов на основании части таблицы маршрутизации, кэшированной в локальной памяти интерфейсного модуля.
Магистральные маршрутизаторы обычно поддерживают максимальный набор протоколов и интерфейсов и обладают высокой общей производительностью в один-два миллиона пакетов в секунду. Маршрутизаторы удаленных офисов поддерживают несколько протоколов локальных сетей и низкоскоростные глобальные протоколы. Общая производительность таких маршрутизаторов обычно составляет от 5 до 20-30 тысяч пакетов в секунду.
Маршрутизаторы региональных отделений занимают промежуточное положение, поэтому их иногда не выделяют в отдельный класс устройств.
Наиболее высокой производительностью обладают коммутаторы 3-го уровня.
Существует два основных способа определения маршрута и построения таблиц маршрутизации - статический и динамический.
Статическая маршрутизация. При использовании статического способа таблицы маршрутизации строятся администратором сети вручную. Для ихВ построения используются специальные команды маршрутизатора (обычноВ это команда route, с помощью которой определяется маршрут для указанной сети). Параметрами этих команд служат адрес и маска сети назначения, адрес следующего маршрутизатора (next hop) для этой сети и имя илиВ адрес интерфейса, через который должна быть передана дейтаграмма. ДляВ корректной доставки дейтаграммы достаточно первых трех параметров.В При использовании внеклассовых сетей в таблице маршрутизации вполнеВ могут появиться конфликтующие маршруты, поэтому указание маскиВ является обязательным.
Построение полной таблицы маршрутизации, в которой были бы указаны все сети, образующие Интернет, невозможно из-за огромного количества этих сетей. Для того чтобы упростить процедуру построения таблицы маршрутизации, в нее может быть включен специальный узел, куда необходимо передать дейтаграммы, адрес сети назначения которых не указан в таблице маршрутизации. Этот специальный узел называется шлюзом по умолчанию (Default Gateway) и применяется для маршрутизацииВ в режиме «по умолчанию». Для обозначения маршрута к Default GatewayВ в качестве адресов сети и маски принято использовать нулевые значения.
Основным недостатком статического метода является не размер и количество создаваемых вручную таблиц маршрутизации, а тот факт, что эти таблицы фиксированные и, следовательно, не могут реально соответствовать текущей конфигурации сети (нет возможности получения информации о новых сетях и нет выбора наиболее эффективного маршрута в сети).
Динамическая маршрутизация. При использовании динамической маршрутизации формирование маршрутных таблиц производится маршрутизаторами автоматически в результате постоянного выполнения специального алгоритма маршрутизации. В процессе его выполнения маршрутизатор передает своим соседям информацию об известных ему маршрутах,В получая от них взамен аналогичную информацию. После обработки полученной информации маршрутизатор строит заново или корректирует своюВ таблицу маршрутизации. Поскольку информация о состоянии маршрутовВ поступает на маршрутизатор постоянно, использование такого алгоритмаВ обеспечивает постоянное соответствие содержимого таблицы маршрутизации реальному состоянию сети.
В зависимости от того, каким образом производится обмен маршрутной информацией между соседними маршрутизаторами, различают два типаВ алгоритмов маршрутизации:
Во время построения маршрутной таблицы могут быть сформированы несколько маршрутов, ведущих в одну сеть. Для того чтобы маршрутизатор мог выбрать один из них в качестве предпочтительного, он должен использовать обобщенную характеристику качеств маршрута - метрику (Metric).
Каждый алгоритм маршрутизации применяет свой алгоритм расчета метрики. В наиболее простом случае в качестве метрики маршрута используется число узлов, отделяющих это маршрутизатор от сети назначения.В Более сложные метрики учитывают характеристики физических каналов,В составляющих маршрут. Некоторые алгоритмы маршрутизации для увеличения скорости информационного обмена позволяют одновременноВ использовать несколько маршрутов, ведущих к одной сети.
Совокупность сетей, находящихся под единым административным управлением, принято называть автономной системой.
Для определения внутренних маршрутов в автономных системах обычно используется один или несколько протоколов маршрутизации.В В автономных системах этот класс протоколов принято называть протоколами внутренней маршрутизации (Interior Gateway Protocol, IGP). Применение протоколов внешней маршрутизации (Exterior Gateway Protocol,В EGP ) позволяет администратору реализовать совокупность мер повышения надежности и экономической эффективности информационного взаимодействия с внешними системами. В число параметров, используемыхВ современным протоколом внешней маршрутизации для определения качества маршрута, входят предпочтительность маршрута, последовательностьВ проходимых автономных систем и другие параметры.
Протокол RIP. Внутренний протокол маршрутизации RIP (Routing Information Protocol) использует алгоритм вектора расстояния для определения маршрута следования пакетов.
Функционирование маршрутизаторов по алгоритму вектора расстояния.
Процессы, описанные в двух последних пунктах, периодически повторяются, что позволяет динамически отслеживать изменения конфигурации сети.
В протоколе RIP в качестве предельного значения метрики маршрута используется значение 15. Сети, удаленные от данного узла на расстояние,В которое превышает 15 переходов, считаются недостижимыми {Unreachable).
Методы противодействия возникновению циклических маршрутов. Для противодействия возникновению циклических маршрутов алгоритмыВ маршрутизации Distance-Vector вообще и RIP в частности используютВ некоторые специальные методы.
Режимы RIP. При реализации RIP можно выделить следующие режимы:
Формат сообщения RIP. Для взаимного обмена маршрутной информацией со своими соседями маршрутизаторы протокола RIP применяют сообщения специального формата (рис. 5.32).
Для отправки этих сообщений маршрутизаторы первой версии RIP обычно использовали широковещательный адрес (Broadcast) сетевогоВ уровня. Особенно негативно эта особенность протокола проявляласьВ в сетях множественного доступа (например, Ethernet), где она могла приводить к значительному снижению эффективности использования сетевыхВ ресурсов. В версии RIPv2 применяется специально выделенный групповойВ адрес 224.0.0.9 или для передачи сообщения конкретному соседу - обычный одноадресный режим (Unicast).
Сообщения протокола RIP состоят из заголовка и следующих за ним маршрутных записей (Route Entries, RTE). Обычно в сообщении протокола
RIP содержится не более 25 маршрутных записей. То есть при передаче большой таблицы маршрутизатор должен использовать несколько последовательных сообщений.
Рис. 532.
Поле Команда (Command ) может принимать следующие значения:
Поле Версия (Version ) указывает версию протокола RIP (1 или 2). Поле Набор протоколов сети (Address family identifier ) i (i
Сообщения типа «запрос» используются для запроса на получение полной таблицы маршрутизации или ее части. Обработка запроса ведетсяВ запись за записью (RTE за RTE). Для каждой маршрутной записи проверяется таблица маршрутизации на предмет того, есть ли там соответствующая запись. Если есть, то в ноле маршрутной записи помещается метрикаВ из таблицы маршрутизации. Если нет - в поле маршрутной записи помещается число 16, обозначающее бесконечную метрику. После того как все маршрутные записи обработаны, пакет отсылается обратно запрашивающему.
Сообщение типа «отклик» может быть ответом на конкретный запрос, регулярным сообщением обновления или сообщением обновления, вызванным изменением таблицы маршрутизации.
При получении сообщения типа «отклик» для каждого содержащегося в нем элемента вектора расстояний выполняются следующие действия:
Недостатки RIP.
Протокол RIPv2. RIPv2 является расширением протокола RIPvl. Он не внес в протокол RIPvl каких-либо серьезных изменений в механизмеВ или формате сообщения, а лишь добавил возможность передачи дополнительной информации. Изменения формата заголовка пакета RIPv2 коснулись лишь поля Версия и ранее нс используемых нолей, содержащих теперьВ дополнительную информацию.
Так, в новой версии протокола появилась возможность аутентификации передаваемых сообщений, для чего используется первая маршрутная запись в заголовке пакета . Кроме того, стало возможным различать «внутренние» маршруты (полученные через RIP) от «внешних» (полученныхВ от других протоколов маршрутизации, таких как EGP, ВОР).
Как было сказано ранее, в новой версии протокола RIP стало возможным при помощи поля Маска подсети различать не только сети, но и подсети. В целях уменьшения использования полосы пропускания сетей протокол RIPv2 вместо адреса broadcast использует multicast-адрес - 224.0.0.9.
Протокол OSPF (Open Shortest Path First ) относится к протоколам маршрутизации на основе состояния канала (класс Link-State).
Функционирование маршрутизаторов по алгоритму состояния каналов. Как и все протоколы маршрутизации класса Link-State, протокол OSPF предназначен для построения внутренних маршрутов автопомпойВ системы (.Autonomous System ).
Поскольку протокол OSPF обеспечивает иерархическую маршрутизацию, автономная система разбивается на независимые области по функциональному принципу. Центральная область играет роль магистрали (Backbone ) и используется для обеспечения информационного взаимодействия между остальными (периферийными) областями.
В зависимости от того, к какой области принадлежит маршрутизатор и какие информационные потоки через него проходят, различают четыреВ типа маршрутизаторов протокола OSPF:
Все маршрутизаторы OSPF принимают участие в формировании маршрутной информации автономной системы путем передачи специальных сообщений, содержащих информацию о текущем состоянии фрагментаВ сети. Эти сообщения называются объявлением состояния капала (Link StateВ Advertisement , LSA). Сообщения LSA обязательно формируются при любомВ изменении состояния контролируемого компонента сети. Для обеспечения большей надежности сообщения LSA могут быть сформированыВ и при отсутствии каких-либо изменений в сети через достаточно большиеВ интервалы времени, например, один раз за полчаса.
Принятые сообщения образуют в каждом маршрутизаторе базу данных состояния сети (Link State Data Base). При получении сообщения об изменениях в структуре сети маршрутизатор вносит соответствующие изменения в свою копию базы данных. Таким образом, в каждый момент времениВ все базы данных маршрутизаторов, находящихся внутри одной автономной системы, являются идентичными и адекватно отображают структуруВ этой системы. Для того чтобы определить маршрут, по которому должнаВ быть передана дейтаграмма, маршрутизатор на основании своей копии базы данных строит дерево кратчайших путей, в вершине которого размещает самого себя (используя алгоритм Дсйкстры). Построение кратчайших путей маршрутизатор выполняет всякий раз, когда происходит изменениеВ состояния сети.
Существенной особенностью протокола маршрутизации OSPF является специальная процедура информационного обмена между маршрутизаторами в сетях с множественным доступом (например, Ethernet). Маршрутизаторы, подключенные к одной и той же сети, называются соседними маршрутизаторами (Neighboring Routers). Маршрутизаторы протоколаВ OSPF устанавливают и обслуживают соседские отношения, используяВ специальный дополнительный протокол Hello. С помощью этого протоколаВ определяется состав подключенных к сети маршрутизаторов, их работоспособность и производится выбор одного из них в качестве назначенногоВ маршрутизатора (Designated Router, DR). Назначенный маршрутизаторВ выбирается для того, чтобы исключить возможность многократного представления информации об одной сети. Он формирует сообщения, содержащие список подключенных к сети маршрутизаторов, и передает содержимое текущей базы данных по запросу, полученному от одного из них. ЕслиВ по каким-либо причинам назначенный маршрутизатор перестал функционировать, его функции автоматически переходят к запасному назначенномуВ маршрутизатору (Backup Designated Router, BDR), выбираемому одновременно с основным.
Для передачи маршрутной информации маршрутизаторы протокола OSPF используют различные типы обновлений о состоянии сетевых компонентов (LSA). Процесс распространения LSA в пределах автономнойВ системы называется затоплением (Flooding).
Для хранения маршрутной информации протокола OSPF маршрутизаторы используют специальные топологические базы данных (Link-State Database). База данных формируется из принятых сообщений LSA и отображает текущее состояние и структуру информационных связей в рассматриваемой области маршрутизации. На основании этой базы каждыйВ маршрутизатор строит дерево кратчайших путей, соединяющих его самогоВ с остальными компонентами области, и собственно таблицу маршрутизации.
Формат сообщений протокола OSPF. Формат заголовка сообщений протокола OSPF приведен на рис. 5.33.
Поле Версия (Version No.) указывает версию протокола (= 2). Поле Тип (Packet Туре) идентифицирует функцию сообщения и может приниматьВ следующие значения:
Рис. 533-
Поле Длина пакета (Packet Length ) определяет длину блока (включая заголовок) в октетах. Поле Идентификатор области {Area ID) представляет собой 32-битный код, идентифицирующий область, которой принадлежит данный пакет. Поле Контрольная сумма {Checksum) содержитВ контрольную сумму IP-пакета, включая поле Тип идентификации. Контрольное суммирование производится по модулю 1. Поле Тип идентификации {A U type ) имеет значение 0, если отсутствует контроль доступа, и 1 -В в противном случае.
Формат сообщения Hellow протокола OSPF приведен на рис. 5.34.
Рис. 534.
Поле Сетевая маска соответствует маске подсети интерфейса. Поле Время между сообщениями НЕЬЬО? содержит значение времени в секундах между сообщениями Не11оу. Поле Приоритет определяет уровень
приоритета маршрутизатора. Поле Время отключения маршрутизатора определяет временной интервал в секундах, по истечении которого не отвечающий маршрутизатор считается вышедшим из строя. Поля 1Р-адресВ маршрутизатора и 1Р-адрес резервного маршрутизатора указывают, кудаВ надо послать сообщение. Поля 1Р-адрес соседа г образуют список адресовВ соседних маршрутизаторов, от которых недавно были получены сообщенияВ Не11о?. Поле Опции (8 бит) информирует о состоянии канала и описываетВ базу данных. Его формат приведен на рис. 5.35.
Рис. 5.35.
Бит Е характеризует возможность внешней маршрутизации и имеет значение только в сообщениях типа Hcllow, в остальных сообщениях данный бит должен быть обнулен (т.е. маршрутизатор не будет посылать илиВ принимать маршрутную информацию от внешних автономных систем).В Бит Т определяет сервисные возможности маршрутизатора (Type of Service,В ToS). Если Т = 0, то маршрутизатор поддерживает лишь один вид услуг.
Формат сообщения OSPF о маршрутах приведен на рис. 5.36.
Рис. 5J6. Формат OSPF-сообщения о маршрутах
Поля, начиная с поля Тип канала, повторяются для каждого описания канала. Содержимое базы может пересылаться по частям. В стартовомВ сообщении бит I устанавливается в 1, в сообщении-продолжении бит МВ устанавливается в 1. Бит Б определяет, послано сообщение сервером (8=1)В или клиентом (Б = 0). Поле Номер сообщения по порядку служит для кон-
троля пропущенных блоков. Поле Тип капала характеризует объявление о маршруте и может принимать следующие значения:
Поле Идентификатор канала определяет характер канала (идентификатором может быть 1Р-адрес маршрутизатора или сети). Поле Маршрутизатор, рекомендующий канал определяет адрес этого маршрутизатора. Иоле Порядковый номер канала позволяет маршрутизатору контролировать порядок прихода сообщений и их потерю. Поле ПродолжительностьВ связи определяет время в секундах с момента установления связи.
Формат ОЗРР-запроса маршрутной информации приведен на рис. 5.37.
Рис. 537.
Формат сообщения о получении ОБРР-пакета и формат ОБРР-сообщения об изменении маршрутов приведены на рис. 5.38, 5.39 соответственно.
Рис. 538.
Причины посылки сообщений об изменении маршрута:
Рис. 5.39.
Достоинства протокола OSPF. В отличие от универсальных протоколов (например, RIP), протокол OSPF предназначен для построения маршрутов только в сетях TCP/IP.
Основными достоинствами протокола OSPF являются:
Протокол пограничного шлюза (Border Gateway Protocol, BGP ) является протоколом маршрутизации между автономными системами. Данный протокол работает поверх протокола транспортного уровня. Это позволяетВ нс нагружать сервисы обработки протокола BGP механизмами фрагментации или обеспечения достоверности доставки пакетов. Схемы аутентификации протоколов транспортного уровня также могут быть использованыВ BGP в дополнение к собственной системе аутентификации. Кроме того,В хотя BGP разработан как протокол маршрутизации между автономнымиВ системами, он может использоваться для маршрутизации и внутри автономных систем.
Основным предназначением BGP является обеспечение обмена информацией с другими BGP-системами о досягаемости определенных сетей или
хостов. Эта информация должна содержать набор маршрутов к данной сети, т.е. должны быть указаны все промежуточные автономные системы.В Такой информации вполне достаточно для того, чтобы построить граф соединений между автономными системами и проконтролировать возможныеВ маршрутные петли. На основании этих данных ВОР выбирает оптимальный маршрут и передает эту информацию своим соседям.
Отличия протокола ВвР от других протоколов маршрутизации. Протокол ВвР нельзя отнести ни к классу дистанционно-векторных, ниВ к классу протоколов маршрутизации на основе состояния канала. НижеВ приведены характерные отличия протокола ВОР от других протоколовВ маршрутизации.
Функции протокола BGP и виды сообщений. В процессе взаимодействия по протоколу BGP выполняется три основных действия:
В протоколе BGP определено четыре основных типа сообщений: OPEN (инициализирует процесс), UPDATE (аннулирует маршрутную информацию),В NOTIFICATION (отвечает на неверное сообщение), KEEPALIVE (выполняетВ активную проверку возможности соединения между BGP-парами).
В начале каждого сообщения протокола BGP расположен заголовок фиксированного формата, с помощью которого определяется тип сообщения (рис. 5.40).
Рис. 5.40.
В ноле Маркер (Marker ) (16 октетов) заносится значение, которое обе стороны «договорились» использовать в качестве метки начала сообщения. В поле Длина (Length ) (2 октета) указывается общая длина сообщения в октетах. Минимальный размер сообщения составляет 19 октетовВ (для типа сообщения, в котором после заголовка нет данных). Максимально допустимая длина сообщения составляет 4096 октетов.
Наличие поля маркера является нехарактерным для сетевых протоколов. В исходном сообщении маркер состоит из всех единиц. Если взаимодействующие между собой маршрутизаторы «договорятся» об использовании механизма аутентификации, в поле маркера может содержаться информация об аутентификации. В любом случае обе стороны должныВ согласовать, какое значение будет внесено в это поле, чтобы его можноВ было в дальнейшем использовать для выполнения синхронизации.
Обмен всеми типами сообщений в протоколе BGP происходит через протокол TCP, в котором невозможно определить, где заканчиваетсяВ одно сообщение и начинается другое. В такой среде ошибка, произошедшая на стороне одного из участников соединения, может привестиВ к потере пакета, а получатель никогда не узнает об ошибке. Таким образом, чтобы обеспечить синхронные действия отправителя и получателя,В BGP помещает в начало каждого сообщения некоторую известную обеимВ сторонам последовательность октетов и перед дальнейшей обработкойВ сообщения требуют от получателя подтвердить, что данное значениеВ не повреждено.
BGP-сообщения OPEN (рис. 5.41) являются запросом BGP-соединения и передаются для организации сеанса связи между равноправными BGP-маршрутизаторами. Принявший это сообщение маршрутизатор подтверждает установление соединения, передавая сообщение KEEPALIVEВ (сообщение KEEPALIVE содержит только заголовок и обеспечивает сбросВ таймера удержания соединения).
Рис. 5.41.
Поле Версия (длина 8 бит) указывает на версию протокола BGP. Моя автономная система (длина 16 бит) содержит идентификатор автономнойВ системы отправившего сообщение маршрутизатора. Поле Время сохранения (Hold Time ) длиной 16 бит указывает на максимальное время (в секундах) между приходами сообщений KEEPALIVE, используемых для мониторинга активности соединения. BGP-идентификатор в 32 бита содержит идентификатор маршрутизатора (один из адресов интерфейсов). Поле КодВ идентификации, длина которого 8 бит, содержит длину поля Идентификационные данные, содержащего различные опции.
Сообщение UPDATE рассылается маршрутизатором BGP с целью внесения изменений в таблицы маршрутизации. Формат BGP-сообщения UPDATE приведен на рис. 5.42.
Рис. 5.42.
Сообщение UPDATE состоит из трех частей переменной длины: списка отмененных (недействительных) маршрутов, списка атрибутов пути и списка сетей, к которым эти атрибуты относятся. Две последние части представляют собой собственно информацию о маршруте в указанные сети.
Список адресов сетей и список недействительных маршрутов представляют собой списки элементов, состоящих из длины префикса и собственно сетевого адреса.
Сообщениями-уведомлениями (NOTIFICATION) BGP-маршрутизаторы обмениваются при возникновении ошибок. Такие сообщения содержатВ в себе код ошибки (например, ошибка заголовка, ошибка в сообщенииВ OPEN, ошибка в сообщении UPDATE и т.д.).
Протоколы маршрутизации предназначены для сбора данных о топологиях межсетевых соединений. Главная задача маршрутизации, или, по-другому, подбора наиболее оптимального маршрута, обычно решается с помощью анализа особых таблиц, которые размещены во всех конечных сетевых узлах и маршрутизаторах.
Для того чтобы автоматически построить требуемые таблицы, маршрутизаторы меняются друг с другом определенной информацией с помощью специально предназначенных служебных протоколов, они и имеют название «протоколы маршрутизации». К ним относятся протоколы NLSP, RIP, OSPF, которые нужно отличать от сетевых, например, таких, как IP.
С помощью соответствующих протоколов маршрутизаторы постепенно составляют карту сетевых связей. Уже на основании этих данных для каждого из номеров сети принимается решение, какому конкретно маршрутизатору необходимо передавать пакеты, которые направляются в эту сеть, чтобы маршрут в итоге оказался наиболее рациональным. Результаты принятых решений записываются в Когда конфигурации сети изменяются, некоторые записи автоматически становятся недействительными. Тогда пакеты, которые отправлены по ложным маршрутам, могут потеряться или зациклиться. От того, как быстро протоколы машрутизации приводят содержимое таблицы к реальному положению в сети, напрямую зависит качество работы таковой.
Протоколы маршрутизации имеют несколько классификаций. Они могут быть как одношаговыми, так и многошаговыми, статическими, динамическими, классовыми, бесклассовыми. Кроме того, такие протоколы могут быть внешними и внутренними. В одношаговых при выборе наиболее рационального маршрута изначально определяется только ближний маршрутизатор, а не вся их последовательность. заносятся вручную. Обычно их используют в небольших сетях, которые отличаются простой и понятной структурой. Плюсом, естественно, является легкость настройки, отсутствие каких-либо потерь трафика на передачу информации о маршрутизации и низкие требования к ресурсам. Но если происходят изменения в конфигурации сети, приходится менять таблицу маршрутизации на всех хостах вручную. Однако большую популярность имеют протоколы динамической маршрутизации.
Протокол BGP - один из основных протоколов маршрутизации в Интернете. Он предназначен для обмена данными о маршрутах между большими автономными системами, поэтому, кроме стандартной информации, переносит данные о маршрутах именно на Протокол BGP выбирает наилучший маршрут исходя из правил, которые приняты в сети, и не использует в своей работе технические метрики. Также использует суммирование маршрутов для того, чтобы уменьшить таблицы маршрутизации. На данный момент действует четвертая версия протокола.
OSPF также является достаточно популярным динамическим протоколом. Он основан на технологии, которая отслеживает состояние канала и использует для своей работы К его преимуществам относится высокая скорость сходимости, наиболее рациональное использование пропускной способности и поддержка переменной длинны.
RIP-протокол - один из самых старых, который, однако, достаточно широко распространен и по сей день. Он используется в маленьких сетях с простой структурой. Протокол прост в эксплуатации и установке. В основе его работы лежат алгоритмы вектора расстояний. При использовании RIP все записи в таблицах маршрутизации содержат либо адрес сети, либо хоста получателя.
Протоколы маршрутизации достаточно разнообразны, их насчитывается большое количество, и каждый имеет как свои достоинства, так и негативные стороны.
Компания AMD редко балует свежими процессорными архитектурами. Если Intel обновляет структуру каждые два года, то конкурент последний раз отметился в 2007 году, выпустив K10, переделанную версию старенькой K8. Так что появление свежей Bulldozer — событие знаковое. На ближайшие несколько лет архитектура станет основой для всех кристаллов AMD, а также первым за долгое время шансом побороться с Intel в гонке за производительность.
Создавая Bulldozer, инженеры AMD отказались от проверенной стратегии улучшения и частичного копирования старых наработок. Строение камней в корне отличается от того, что мы привыкли видеть в x86-системах.
Первое и самое важное нововведение - оригинальная компоновка. Все топовые версии Bulldozer официально оснащаются восемью ядрами. Однако на самом деле полноценных модулей четыре, просто у каждого по два вычислительных блока. Выглядит это так: два целочисленных арифметических кластера (они-то и называются ядрами и отвечают непосредственно за расчеты) делят между собой Front-End, кластер вычислений с плавающей запятой (FPU) и увеличенный до 2 Мб кэш второго уровня.
Польза такого тандема - экономия площади, снижение уровня потребления энергии и стоимости производства. Минус - совместное использование одних и тех же наборов плохо сказывается на итоговой производительности. При большой нагрузке один Front-End может не справиться с двумя ядрами. AMD потерю производительности не отрицает: по ее словам, дуэт примерно на 20% слабее полноценного двухъядерника.
Чтобы исключить узкое место, Front-End пришлось научить эффективно делить ресурсы между двумя ядрами. Для этого были переработаны блок предсказания ветвления и декодер команд, который получил четвертый канал для обработки инструкций (как в Sandy Bridge) и технологию Branch Fusion . Последняя позволяет склеивать часть инструкций в одну операцию. Все это должно ускорить работу Front-End и не дать простаивать кристаллу.
Что касается самих ядер, то это набор из Out-of-Order, загрузки/выгрузки, L1-кэша и двух вычислительных кластеров. Блок внеочередного исполнения теперь оснащен физическим регистром файлов. Как и в Sandy Bridge, в него скидываются адреса хранения рабочих данных, что позволяет разгрузить основной конвейер Out-of-Order. Процессор загрузки/выгрузки получил увеличенный буфер, удвоенную разрядность и возможность работы с виртуальными адресами, что теоретически должно повысить скорость работы с L1-кэшем данных. Последний в Bulldozer стал в четыре раза меньше: 16 против 64 Кб в K10. Потерю компенсировали скоростью работы. Ассоциативность L1 повысилась с двух до четырех каналов, а это значит вдвое бо льшую эффективность поиска.
Вычислительных кластеров в одном модуле три штуки: два целочисленных и один для работы с данными с плавающей запятой. По сравнению с K10 первая пара потеряла по одному ALU (занимается вычислениями) и AGU (разбирается с адресами памяти). В теории это означает снижение пиковой производительности. На практике изменение будет практически не заметно: полностью нагрузить целочисленные кластеры сложно.
Основные изменения коснулись FPU, отвечающего за сложные расчеты с плавающей запятой. В K10 он стал значительно мощнее: получил по паре MMX и 128-бит FMAC-устройств для выполнения операций сложения и умножения. В отличие от K10, FMAC сделали универсальными: могут замещать друг друга, что положительно сказывается на скорости вычислений. Плюс к этому они научились совмещать операции в одном выражении, что повысило точность расчетов.
Помимо этого FPU получил обновленный ряд инструкций. Во-первых, процессор теперь работает с AVX, поддерживающим регистры длиной 256 бит. Для их расчетов, как и в Sandy Bridge, объединяются два FMAC. Во-вторых, Bulldozer может работать с инструкциями SSE 4.2, AENSI, FMA4 и XOP. Последние два набора уникальны для AMD. Для нас с вами все эти изменения означают только одно - команды, которые раньше делались за несколько тактов, теперь будут рассчитываться за один, а это напрямую влияет на производительность. Правда, чтобы ощутить прирост скорости, необходима поддержка инструкций со стороны софта.
В итоге каждый модуль Bulldozer состоит из одного Front-End, L2- и L1-кэшей данных, двух целочисленных кластеров и блока для работы с числами с плавающей запятой. Всего на одном камне может находиться до четырех таких наборов. При этом каждому из них открыт доступ к ряду общих элементов. Первый - двухканальный контроллер памяти с поддержкой DDR3-1866 МГц. Второй - L3-кэш, объем которого по сравнению с K10 увеличился с 6 до 8 Мб, а ассоциативность - с 48 до 64 каналов. Заметим, что, в отличие от Sandy Bridge, частота L3-кэша не совпадает со скоростью ядер. Если топовый образец функционирует на скорости 3,6 ГГц, то память последнего уровня - на 2,2 ГГц. Это приводит к ощутимым задержкам, которые негативно сказываются на производительности. По словам AMD, на такую жертву пошли ради стабильной работы на высоких частотах.
Несмотря на архитектурные ухищрения и 32-нм техпроцесс, Bulldozer занимает внушительные 315 кв. миллиметров. Это примерно в полтора раза больше, чем четырехъядерный Sandy Bridge и старший Llano . К счастью, энергопотребление удалось сохранить в разумных пределах - 125 Вт.
Помимо восьмиядерных моделей, существуют версии с шестью и четырьмя вычислительными блоками. Младшие братья базируются на том же дизайне с восемью ядрами, но у них отключены один или два модуля.
Базовая частота варьируется от 3,1 до 3,6 ГГц. Как и у Sandy Bridge, в Bulldozer есть технология автоматического разгона. Специальный чип, отвечающий за Turbo Core 2.0 , отслеживает текущие нагрузку на ядра и уровень TDP и, как только появляется возможность, повышает частоту процессора. В случае топового кристалла, когда задействованы все модули, скорость может быть увеличена на 300 МГц. Если часть ресурсов простаивает - на 600 МГц. При низких нагрузках Bulldozer переходит в энергосберегающий режим, за это отвечает технология Cool"n"Quiet .
Ручной разгон прост. Во-первых, у всей линейки разблокирован множитель. Во-вторых, новички хорошо набирают высоту: под жидким азотом старший Bulldozer установил новый мировой рекорд - 8429 МГц.
Работают Bulldozer на Socket AM3+. По сути, это слегка усовершенствованный AM3 с одним дополнительным контактом. Чипсеты с новым процессорным разъемом называются 990FX , 990X и 970 . Отличаются они контроллером PCIe 2.0. Старшая модель оснащена 32 линиями, младшие - 16. При этом 990FX и 990X поддерживают CrossFireX. Из особенностей чипсетов отметим шесть портов SATA Rev. 3 и 14 разъемов USB 2.0. Контроллера USB 3.0 нет.
Заметим, что Bulldozer могут работать и на старых платах. Все, что для этого нужно, - обновленный BIOS. Ограничения: у Turbo Core и Cool"n"Quiet снижается скорость реакции, а часть энергосберегающих функций недоступна.
Процессорная архитектура Bulldozer получилась интересной. Наконец-то AMD перестала заниматься самокопированием и придумала нечто действительно новое. К сожалению, явных преимуществ перед конкурентами немного. Заявленных восьми ядер нет. По-хорошему, перед нами четырехъядерные модели с увеличенным количеством вычислительных блоков, что-то вроде Intel Hyper-Threading, но на железном уровне. Идея хорошая, но производительность будет зависеть от того, насколько быстрым получился Front-End. Из реальных преимуществ Bulldozer можно выделить только мощный FPU для расчетов чисел с плавающей запятой и увеличенные по сравнению с K10 частоты работы.
AMD озвучила планы по выпуску следующих линеек процессоров. Компания рассчитывает ежегодно обновлять архитектуру, каждый раз добиваясь примерно 15-процентного прироста производительности на ватт. Если AMD будет придерживаться намеченного плана, то в 2012 году мы увидим архитектуру Piledriver («копер»), еще через год - Steamroller («паровой каток»), а 2014 год запомнится анонсом Excavator . Такие вот строительные работы.
Со слов AMD, Windows 7 не в состоянии раскрыть весь потенциал нового творения: планировщик ОС не учитывает особенности Bulldozer. Например, для новых процессоров важно, чтобы взаимосвязанные потоки были закреплены за одним модулем, в противном случае ядра будут обмениваться данными не через быстрый L2-кэш, а через память третьего уровня. Некоторые раздельные потоки также лучше обрабатывать аналогичным образом, дабы повысить эффективность Turbo Core 2.0. В то же время определенные задачи создают большую нагрузку на блок Front End, и их лучше раскидывать по разным модулям. Благодаря сотрудничеству с Microsoft эти нюансы будут учтены в планировщике Windows 8 . Впрочем, существенного прироста быстродействия ждать не стоит.
Целочисленный вычислительный кластер - занимается операциями с целыми числами (1, 2, 10).
Front-End - блок предварительной выборки. Получает команды от программы и переводит их на понятный процессору язык.
FPU - кластер вычислений данных с плавающей запятой. Производит вычисления с дробными числами (1,2345) и большими значениями со степенями (1,2345E-10).
Блок предсказания ветвлений - заранее предугадывает, какие данные и операции могут понадобиться программе в следующий момент. Не дает простаивать процессору.
Декодер команд - разбивает программу на микрооперации, которыми потом пользуются вычислительные кластеры.
Out-of-Order - блок внеочередного исполнения. Занимается распределением действий между ядрами. Отправляет на расчет только те команды, для которых есть данные.
Блок загрузки/выгрузки (LSU ) - следит за перемещением данных между выходом с конвейера и L1-кэшем данных.
Ассоциативность кэша - связывание строчек и столбцов кэш-памяти. Чем выше ассоциативность, тем ниже скорость поиска, но выше его эффективность.
MMX - набор блоков для работы с числами до 8 байт.
Наборы инструкций - позволяют одной командой совершить операцию над несколькими данными.
|
Количество вычислительных ядер |
|
|
Базовая частота |
|
|
Частота в режиме Turbo Core |
|
|
Поддержка памяти |
|
|
Энергопотребление |
|
|
Техпроцесс |
|
|
Цена на ноябрь 2011 года |
|
|
не известна |
|
Процессоров AMD с принципиально новой архитектурой Bulldozer откровенно заждались не только почитатели продукции компании, но и многие пользователи, следящие за IT-прогрессом. В последние несколько лет предлагая интересные решения по соотношению цена/производительность, AMD в основном концентрировалась на устройствах начального и среднего уровней. Возрождая линейку FX, очевидно, что компания рассчитывает привлечь внимание и более взыскательных энтузиастов, готовых к экспериментам и требующих максимальных скоростей. Возможности нового семейства мы будем изучать на примере первого в мире восьмиядерного процессора для десктопов – AMD FX-8150. Посмотрим, удастся ли производителю оправдать ожидания своих поклонников.
В отличие от основного конкурента, который может себе позволить следовать маятниковому принципу разработки CPU, проводя смену архитектур и технологических процессов c годичной периодичностью, компания AMD не очерчивает для своих проектов определенных временных рамок, полагаясь на чутье рынка и собственный технологический потенциал. История с архитектурой Bulldozer началась давно. Предполагалось, что ее представят еще в 2009 году, но в силу различных обстоятельств практическое воплощение смелых инженерных решений в кремнии стало возможным лишь сейчас.
Bulldozer для AMD – это всерьез и надолго. Данная микроархитектура на ближайшие несколько лет станет основой для будущих процессоров из различных сегментов: серверного, десктопного и мобильного. Это касается как дискретных CPU, так и гибридных – APU также со временем планируется трансформировать под Bulldozer. Лишь для компактных систем AMD собирается использовать чипы на экономичной Bobcat и ее модернизированных версиях. С анонсом Bulldozer компания решила возродить легендарную серию, представив процессоры линейки AMD FX, которые получили новую архитектуру и производятся с применением наиболее прогрессивного 32-нанометрого техпроцесса.
В основе чипов Bulldozer лежат модули с двумя вычислительными блоками x86. При этом последние не являются полностью автономными – некоторые ресурсы общие для обоих ядер. В частности, блок предварительной выборки, декодер инструкций, FPU и кеш-память второго уровня (L2). Монолитный двухъядерный модуль обеспечивает одновременное выполнение двух потоков, но с определенными оговорками. По расчетам производителя, такой подход вполне оправдан и позволяет получить порядка 80% эффективности полноценных физических ядер. Однако при этом значительно уменьшается количество транзисторов, а соответственно, площадь кристалла и его энергопотребление.
С учетом новой структуры внутренняя архитектура была очень серьезно переработана, что фактически затронуло все исполнительные блоки. Сходства с К10, которая использовалась для чипов Phenom II и Athlon II, практически нет. AMD внедрила поддержку инструкций AVX, SSE 4.2 и AES-NI и добавила собственные наборы FMA4 и XOP.
Как и топовые процессоры Phenom, чипы FX получили трехуровневую систему кеширования. Однако ее организация также заметно отличается о той, что была у предшественников. Кеш-данных L1 уменьшился с 64 КБ до 16 КБ, в то же время существенно возросла его пропускная способность. L2 объемом 2 МБ является общим для обоих ядер каждого модуля. В зависимости от количества последних суммарная емкость кеш-памяти второго уровня в процессоре AMD FX может составлять от 4 до 8 МБ. Латентность его несколько увеличена – плата за оптимизацию для работы на повышенных частотах. Чипы с архитектурой Bulldozer также оснащены L3-кешем объемом 8 МБ. Учитывая эксклюзивную схему работы, суммарный объем буфера довольно впечатляющий как для десктопных моделей. Усовершенствованный алгоритм предвыборки данных позволяет надеяться, что скорость подсистемы памяти будет увеличена. Что касается непосредственно ОЗУ, то CPU FX поддерживают модули DDR3-1866 в двухканальном режиме.
Для производства AMD FX используется 32-нанометровый техпроцесс с технологией SOI, аналогичный применяемому при изготовлении APU Llano. Чипы выпускаются на мощностях родственной компании GlobalFoundries. В основе CPU лежит восьмиядерный кристалл площадью 315 мм2. Согласно топологии, большая его часть отводится под кеш-память, потому неудивительно, что суммарное количество транзисторов в данном случае составляет впечатляющие 2 млрд. Для сравнения: шестиядерные Phenom II X6 (Thuban) включают «всего» 904 млн транзисторов, но из-за 45-нанометрового техпроцесса площадь кристалла равна 346 мм2. Учитывая разницу в площади, можно предположить, что себестоимость чипов FX ниже, чем у предшественников. Однако переход на 32 нм непросто дается GlobalFoundries. AMD уже сообщала о сложностях с выходом годных заготовок, ввиду которых компания не может в полной мере удовлетворить спрос на гибридные Llano. Будем надеяться, что это никак не повлияет на доступность в продаже FX, и все желающие смогут их приобрести.
Для четырех- и шестиядерных моделей будет использоваться тот же кристалл, что позволит эффективнее распорядиться чипами, имеющими определенные дефекты. Между тем вполне вероятно, что для производства данных CPU станут применяться и полностью работоспособные кристаллы с деактивированными модулями. А в этом случае можно рассчитывать на очередную лотерею с разблокированием отключенных ядер. Прекрасный получился бы способ подогреть интерес к процессорам AMD FX.
| Модель | FX-8150 | Phenom II X6 1075T | Phenom II X4 975 | Core i7-2600K | Core i5-2500K |
| Кодовое имя | Bulldozer | Thuban | Deneb | Sandy Bridge | Sandy Bridge |
| Количество ядер/потоков, шт. | 8/8 | 6/6 | 4/4 | 4/8 | 4/4 |
| Базовая тактовая частота, ГГц | 3,6 | 3 | 3,6 | 3,4 | 3,3 |
| Тактовая частота после авторазгона, ГГц | 3,9/4,2 | 3,5 | – | 3,8 | 3,7 |
| Объем кеш-памяти L2/L3, МБ | 8/8 | 6×0,5/6 | 4×0,5/6 | 4×0,25/8 | 4×0,25/6 |
| Технология производства, нм | 32 | 45 | 45 | 32 | 32 |
| Процессорный разъем | AM3+ | AM3 | AM3 | LGA1155 | LGA1155 |
| Энергопотребление (TDP), Вт | 125 | 125 | 125 | 95 | 95 |
| Рекомендованная цена, $ | 245 | 181(162*) | 175 (160*) | 317 (315*) | 216 (225*) |
| * По данным каталога Hotline.ua . | |||||
Технология динамического увеличения частоты Turbo Core ранее использовалась компанией AMD для шестиядерных Thuban и APU Llano. Процессоры FX имеют новый механизм и алгоритм работы данной функции. В случае, когда под нагрузкой энергопотребление чипа укладывается в рамки его TDP, а температура не превышает заданного значения, частота может автоматически увеличиваться (100–300 МГц) даже в ситуации, когда активны все ядра (All Core Boost). Если же как минимум половина модулей простаивают, то AMD FX может переходить в режим Max Turbo Boost, повысив напряжение питания и весьма значительно тактовую частоту работающих блоков (до 900 МГц).
AMD также озаботилась улучшением экономичности новых чипов. Учитывая рост количества вычислительных ядер, полагаться только на эффект от использования более тонкого техпроцесса нельзя. При отсутствии нагрузки на оба процессорных ядра в рамках одного модуля и переходе их в состояние энергосбережения C6 силовые транзисторы позволяют отключать питание от данного узла, снижая общее потребление CPU.
Как и у предыдущей десктопной платформы AMD, контроллер шины PCI Express 2.0 остался прерогативой северного моста чипсета, а не перебрался под крышку процессора. Именно количество поддерживаемых линий данного интерфейса, а вследствие и способность построения конфигураций с несколькими видеокартами стали определяющими отличиями новых наборов логики для чипов Zambezi. В распоряжении топового AMD 990FX находятся 42 линка с возможностью компоновки на графические нужды как 2×16x или 4×8x. AMD 990X имеет 26 линий и позволяет подружить только две видеокарты в режиме CrossFireX или SLI в конфигурации 2×8x. Ну а AMD 970 при таком же числе линков PCI-E предлагает довольствоваться одним адаптером. Во всех случаях периферию обслуживает южный мост SB950, который не несет каких-либо интересных новшеств: шесть портов SATA 6 Гб/c с возможностью создания RAID (0,1,5,10), до 14 разъемов USB 2.0, работа с PCI. Увы, в отличие от чипсета AMD A75 для платформы FM1 поддержки скоростной шины USB 3.0 здесь нет.
Для работы с процессорами серии FX нужна материнская плата с разъемом AM3+. Это может быть как модель на «новом» чипсете AMD 9xx, так и продукт с логикой предыдущих поколений. Совместимость с AM3 теоретически возможна, но не гарантируется ни самой AMD, ни производителями материнских плат. Не исключено, что последние выпустят прошивки для своих топовых решений, но это скорее единичные случаи. И даже в подобных ситуациях чипы FX будут функционировать с уменьшенной скоростью переключения состояний Turbo Boost и Cool’n’Quiet. При этом все возможные проблемы с работой системы лягут на плечи пользователей. Потому на беспроблемный апгрейд рассчитывать в данном случае не приходится.
Платы с AM3+ легко отличить по черному цвету процессорного разъема, тогда как коннектор AM3 белый. К счастью, конструкция элементов крепления СО не изменилась, потому для охлаждения AMD FX подойдет любой кулер, совместимый с AM2/AM2+/AM3.
| 3DMark 11, тест CPU (Physics), баллы |
 |
| 3DMark Vantage, баллы |
 |
| PC Mark 7, тест Cоmputation, баллы |
 |
| CineBench 11.5, баллы |
 |
| x264 HD Benchmark 4.0, кадры/c |
 |
| 7-Zip 9.20, MIPS |
 |
| Far Cry 2, 1920×1080, DX10, высокое качество, кадры/c |
 |
| Hard Reset, 1920×1080, режим High, кадры/c |
 |
| Metro 2033, 1920×1080, DX11, PhysX, высокое качество, кадры/c |
 |
| Colin McRae: DiRT 3, 1920×1080, высокое качество, кадры/c |
 |
| Lost Planet 2, 1920×1080, DX11, высокое качество, тест B, кадры/c |
 |
| Crysis 2, 1920×1080, DX9, высокое качество, тест Downtown, кадры/c |
 |
| Энергопотребление системы, Вт |
 |
Благодаря модульной структуре процессоров компании несложно выстроить свой модельный ряд, предлагая устройства с различными количеством вычислительных блоков и тактовыми частотами. На старте линейка десктопных чипов, получивших название Zambezi, включает четыре CPU. Флагманом является восьмиядерное решение FX-8150 с частотной формулой 3,6/3,9/4,2 ГГц. По 8 МБ кеш-памяти L2 и L3, а также TDP на уровне 125 Вт. Схожа по оснащению и FX-8120, отличие лишь в частотном режиме работы – 3,1/3,4/4,0 ГГц. Шестиядерный FX-6100 имеет 6 МБ кеш-памяти второго уровня и все те же 8 МБ L3, а вот его тепловой пакет – 95 Вт. Наиболее доступная версия с двумя модулями и четырьмя вычислительными блоками x86 FX-4100 функционирует на 3,6/3,7/3,8 ГГц, довольствуется 4 МБ L2, емким L3 (8 МБ) и TDP в 95 Вт. Что касается стоимости устройств, то рекомендованные оптовые цены для перечисленных моделей находятся на уровне $245/205/165/115 соответственно.
Возможность беспрепятственного разгона процессоров является одним из ключевых параметров чипов FX. На этой особенности компания AMD делает отдельный акцент. Свободный множитель доступен всем моделям линейки, а возможность его изменения будет присутствовать на любой плате с AM3+.
Архитектура FX изначально создавалась с учетом функционирования на высоких тактовых частотах. Умельцы, вооруженные сосудами с жидким азотом, смогли получить скриншот CPU-Z в ситуации, когда процессор работал почти на 8,5 ГГц. При этом, правда, понадобилось оставить активным лишь один модуль из четырех. Все восемь ядер удалось заставить функционировать на 8,1 ГГц. Ранее подобных частот достигали разве что максимально облегченные версии Intel Celeron для LGA775. Теперь же у энтузиастов появится куда более интересный объект для оверклокерских экспериментов.
В случае с воздушной системой охлаждения придется довольствоваться более скромными результатами. При повышении напряжения питания до 1,45 В CPU стабильно работал на 4,6 ГГц. Может и не столь впечатляюще, но потенциал очевидно лучше, чем у 45-нанометровых чипов Phenom II.
Результаты тестов производительности представлены на диаграммах. Картина достаточно показательна для того, чтобы в целом сложить мнение о возможностях новой разработки AMD. Процессоры FX ожидаемо получили прирост быстродействия в многопоточных задачах – архивировании, кодировании HD-видео, рендеринге. Здесь восьмиядерному чипу вполне по силам тягаться и с Core i5-2500K, и с более дорогостоящим Core i7-2600K. Однако как только дело доходит до приложений с неважной оптимизацией для параллельного исполнения кода, AMD FX сдают позиции – удельная производительность их x86-блоков даже несколько ниже, чем у продуктов с архитектурой K10. В играх, которые в лучшем случае задействуют 3–4 потока, заметное преимущество у процессоров от Intel. Если использовать максимальные настройки качества графики, где видеокарта становится ограничителем, показатели систем выравниваются, но оценить реальный потенциал CPU в таких условиях невозможно.
Переход на 32-нанометровый техпроцесс, скорее, позволил удержать энергопотребление на прежнем уровне при возросшем быстродействии. Вероятно, приоритетом в данном случае была именно производительность, а не улучшенная экономичность CPU.
Даже судя по стоимости AMD FX очевидно, что компания в первую очередь планирует закрепиться в средней ценовой категории, осознанно отдавая Intel сегмент топовых дорогостоящих решений. В текущих условиях достойно выступать в лиге «супертяжеловесов» объективно производитель сейчас не может. Сделав ставку на многоядерные вычисления, получить выдающиеся результаты в слабо оптимизированном ПО очень проблематично. Вместе с тем всего пять лет назад мы искренне удивлялись, кому может понадобиться на десктопе четырехъядерный процессор и как эффективно использовать ресурсы подобного CPU. Сегодня же это обыденность, и преимущества чипов с таким количеством вычислительных блоков уже не вызывают вопросов. Возможно, подобное признание некоторое время спустя получат и восьмиядерные модели.
К счастью, AMD не будет сложа руки наблюдать, какая участь постигнет ее процессоры. Озвученные планы дальнейшего развития внушают хотя и сдержанный, но все же оптимизм. Компания продолжит активно дорабатывать нынешнюю архитектуру, улучшая как энергоэффективность, так и производительность CPU, однако указанные темпы – 10–15% в год – не очень впечатляют. С подобными показателями рассчитывать на кардинальное изменение ситуации можно лишь в том случае, если Intel замедлит развитие своих продуктов, но предпосылок для этого нет – механизм «тик-так» пока еще не давал сбоев. Уже весной 2012 года будут представлены чипы Ivy Bridge, выполненные по 22-нанометровой технологии и использующие 3D-транзисторы.
Итоговая оценка рассмотренной архитектуры и процессора AMD FX-8150 на ее основе неоднозначна, а это уже говорит о том, что революции не произошло. По крайней мере на данном этапе она незаметна для конечного пользователя. Качественный скачок производительности имеет место на хорошо распараллеливаемых приложениях, тогда как в однопоточных задачах серьезной прибавки не наблюдается. Большие ожидания, возлагаемые на Bulldozer, оправдались лишь отчасти. AMD еще есть над чем поработать, чтобы предложить интересные решения и побороться за место в сердцах требовательных энтузиастов.
