Luide roep om IP als netwerkprotocol

Mede door het succes van Internet kiezen steeds meer organisaties voor Html-georiënteerde applicaties. Deze ontwikkeling heeft invloed op de aard van de gegevensstromen en op de benodigde bandbreedte per gebruiker. Deze keuze heeft ook als consequentie dat alle PC’s en werkstations dienen te zijn uitgerust met een ‘IP-protocolstack’ om toegang te verkrijgen tot al dat moois. Multimediale applicaties die langzaam maar zeker oprukken, voegen daar nog een extra dimensie aan toe. De nieuwe omgeving die zo ontstaat stelt zeer hoge eisen aan het netwerk. Kortom: de roep om IP als netwerkprotocol klinkt luid. De roep om bandbreedte klinkt zo mogelijk nog luider.

Op het gebied van bedrijfsnetwerken zijn Ethernet en ATM (asynchronous transfer mode) twee concurrerende technologieën om de beschikbare bandbreedte naar de individuele gebruikers te verhogen. Andere oplossingen, zoals Fddi en Token Ring, worden nog steeds toegepast, maar lijken hun langste tijd te hebben gehad. Hoewel, leveranciers van Token Ring-apparatuur doen sinds kort opnieuw een gooi naar de gunst van de IT-managers met een 1000Mbps Fast Token Ring.
Hoewel Ethernet kan worden betiteld als de ‘oudste’ lan-technologie (local area network), is het actueler dan ooit. Reden hiervoor is de uitbreiding van de conventionele 10Mbps-versie met een 100Mbps- en een 1000Mbps-broertje (Fast Ethernet en Gigabit Ethernet), waarbij tevens gekozen kan worden uit een shared– en een switched-variant.
Switched Ethernet heeft de laatste drie jaar enorm aan populariteit gewonnen door zijn lage poortprijs en hoge performance. Moderne Ethernet-switches boeken tijdwinst door niet, zoals conventionele Ethernet-bridges, ieder frame afzonderlijk compleet te analyseren, maar alleen te kijken naar het bestemmingsadres en op grond daarvan een keuze te maken. Samen met de toepassing van modernere productiemethoden en geïntegreerde circuits ontstaat zo een gunstige prijs/prestatie-verhouding die het mogelijk maakt iedere gebruiker een eigen switchpoort te bieden. Het delen van de ter beschikking staande bandbreedte (zoals bij shared Ethernet) behoort dan tot het verleden.
Veel organisaties hanteren daarom een netwerkconcept, waarbij switched 10Mbps Ethernet naar iedere gebruiker (‘microsegmentatie’) leidt en Fast Ethernet (shared óf switched) in de backbone wordt gebruikt. Als dat op den duur onvoldoende is om de responsetijden omlaag te krijgen, kan in de toekomst worden gerekend op nog meer power in de vorm van Gigabit Ethernet. Het moet gezegd worden; Ethernet biedt een schaalbaarheid en een poort/prestatie-verhouding die tot nog toe ongekend is binnen de datacom-wereld.
Het tweede mogelijke bandbreedte-verhogende middel voor bedrijfsnetwerken-in-nood is ATM. In de backbone wel te verstaan. Het doortrekken van ATM tot op de werkplek lijkt een optie waaraan alleen in uitzonderingsgevallen nog gedacht wordt. De belangrijkste redenen hiervoor zijn de hoge poortprijzen voor ATM-switches en de noodzaak om in dat geval alle bestaande netwerk-adapterkaarten te vervangen door ATM-kaarten. Niemand lijkt zich daaraan nog te willen wagen, hoewel dat technologisch gezien nog steeds de beste oplossing is.
Een op ATM gebaseerd lan bestaat uit een aantal 10/100Mbps Ethernet-switches die de gebruikers bedienen en zowel onderling als met de servers verbonden zijn via een ATM-backbone, bestaande uit één of meer ATM-backbone-switches. Dit biedt het voordeel van een schaalbare backbone (van 25Mbps tot en met 622Mbps en binnenkort 1,2Gbps) die tevens een goede beveiliging biedt tegen congestie en ook verschillende typen verkeer aankan.

Ethernet versus ATM

Hét belangrijkste verschil tussen ATM en Ethernet is dat ATM connection-oriented is. Dat houdt in dat bij ATM een verbinding nodig is tussen A en B voordat data verzonden kunnen worden. Ethernet is connection-less. Met andere woorden: ieder frame gaat zelf op weg naar zijn bestemming zonder deze ooit te hebben ‘gezien’. Netwerktechnisch betekent dit dat ieder Ethernet-frame zowel een bestemmingsadres bevat als een zendadres. Bij ATM worden deze adressen alleen uitgewisseld tijdens de verbindingsopbouw (de call-setup fase). De analogie met het plegen van een telefoontje gaat hier prima op; het telefoonnummer is het adres.
ATM-cellen bevatten daarom alleen de nummers van de ‘kanalen’ waarover ze getransporteerd worden. Zo is ATM namelijk opgebouwd; de informatie wordt getransporteerd in kleine cellen die door de ATM-wolk worden ‘geschakeld’ via virtuele kanalen, Virtual Channels en Virtual Paths genaamd.
De connectie-georiënteerde aard van ATM biedt een uitstekende basis om controle uit te oefenen op een transmissiepad zodat voldaan kan worden aan de strenge eisen van (bijvoorbeeld) multimediale applicaties.
Dit zeer wezenlijke verschil tussen beide protocollen maakt het transporteren van Ethernet over ATM echter lastig; de connection-less aard van Ethernet dient namelijk te worden nagebootst. De belangrijkste bottleneck vormt daarbij niet het ‘inpakken’ van frames in cellen, maar het vertalen van de Ethernet-adressering naar een bruikbare ATM-adressering.
Hiervoor is door verschillende standaardisatie-organisaties een aantal methoden ontwikkeld. De belangrijkste zijn op dit moment Lan Emulatie (Lane) en Multi-protocol over ATM (Mpoa) van het ATM Forum en Classical IP over ATM van de Ietf (Internet Engineering Task Force).
Lane maakt gebruik van het Mac-adres binnen Ethernet-frames voor de conversie naar een ATM-bestemming en is dus een vorm van bridging, de beide andere maken gebruik van IP-adressen binnen de Ethernet-frames en vallen dus onder de categorie routing.

Efficiënte stromen

Op dit moment bestaat Internet voor het grootste gedeelte uit routers. Deze nemen de beslissing over de weg die een packet dient te gaan op basis van de topologie van het netwerk en het IP-adres van de bestemming; dit doen ze voor ieder individueel pakket. IP is namelijk een connection-less protocol. Veel routers worden daardoor voortdurend overbelast. Dat heeft uiteraard ernstige gevolgen voor de kwaliteit van de verbinding.
Een van de mogelijkheden om te komen tot een efficiëntere routering van IP-pakketten is het identificeren van zogenaamde flows. Onderzoek naar het verkeer over Internet heeft uitgewezen dat een groot deel hiervan plaatsvindt in groepen packets. Deze flows worden gedefinieerd als een serie packets (van enkele tientallen tot honderden) die alle van één zender naar één bestemming reizen. Voorbeelden van flows zijn een filetransfer of het opvragen van een webpagina.
Indien een dergelijke flow is te identificeren, zou men veel tijdwinst kunnen boeken door alleen de eerste paar packets uitgebreid te analyseren op hun IP-adressering, waarna de rest op een eenvoudigere (en dus snellere) wijze is door te sluizen. Een van de eerste firma’s die hierop inspeelde was Ipsilon met zijn IP-switching.
Het concept van Ipsilon is erop gebaseerd een ATM-switch te voorzien van router-functionaliteit. Een binnenkomend IP-pakket wordt normaal verwerkt door de ingebouwde routerfunctie. Zodra zich echter een flow aandient, wordt dit doorgegeven aan de aangrenzende switches, waarna er voor de desbetreffende flow een rechtstreekse verbinding wordt opgezet tussen het zend- en ontvangadres. Hierdoor vormt zich een zogenaamde cut-through. Routering van afzonderlijke pakketjes is dan niet meer noodzakelijk. Dat levert een aanzienlijke tijdwinst op en dus een hogere throughput. Het eerder genoemde Mpoa functioneert op een vergelijkbare wijze, maar maakt gebruik van gedistribueerde routers in de vorm van speciale servers.
Inmiddels hebben meer fabrikanten ingespeeld op de vraag naar het efficiënter routeren van IP-packets. Zij hebben hiervoor eigen concepten ontwikkeld. Voorbeelden zijn Cisco met tag-switching en 3COM met Fastip. Tag-switching lijkt een goede uitgangspositie te hebben verworven.
Een tag-switching netwerk bestaat uit twee lagen, namelijk een kern van zogenaamde tag-switches met daaromheen edge tag-routers. De essentie van deze technologie is dat de tag-routers via standaard routeringsprotocollen in staat zijn een route door het netwerk uit te stippelen, waarna er aan ieder pakket een label (oftewel tag) wordt gehangen. De tag-switches kunnen dan op basis van deze labels ieder pakket snel naar de uitgangs-edge-router schakelen, waarna deze laatste het label weer van het pakket afstript en naar de uiteindelijke bestemming routeert. Op deze wijze wordt een combinatie van routing en switching gecreëerd. Met andere woorden: de intelligentie van routing wordt gekoppeld aan de snelheid van switching.
Met name in grotere netwerken (zoals Internet), waarbij communicatie verloopt over veel routers, levert dit voordelen op voor ieder individueel packet en is dus niet alléén van toepassing op flows. Het Ietf heeft het concept van tag-switching omarmd en zelf een standaardisatieslag ingezet voor het ontwikkelen van het zogenaamde Mpls (multi-protocol label switching). Een werkgroep is inmiddels bezig met het definiëren van de standaard; resultaten worden echter niet verwacht voor eind 1999.

Kwaliteitseisen

Het efficiënter routeren van IP-packets is niet voldoende om spraak- en beeldinformatie van enige kwaliteit te transporteren via IP. Aan het transmissiepad dienen in dat geval kwaliteitseisen te worden gesteld. Voorbeelden van deze eisen zijn gemiddelde vertragingstijd, vertragingsvariatie en cell-loss.
Het ATM Forum heeft in versie 4.0 van de Traffic Management standaard (kort: TM 4.0) een aantal Quality of Service (Qos) categorieën gedefinieerd die gebruikt kunnen worden om een aantal typen verbindingen te classificeren. Deze zijn: Cbr (constant bitrate), rt-Vbr (Real-time Variable Bitrate), nrt-Vbr: Non-realtime Variable Bitrate, Ubr (Unspecified Bitrate) en Abr (Available Bitrate).
Kanalen die voldoen aan één van deze service-categorieën zijn geschikt voor het transport van bepaalde typen verkeer. Zo is Cbr uitstekend geschikt voor transport van ondermeer spraak (telefonie), interactieve multimedia en videoconferencing. Abr is bijvoorbeeld weer prima geschikt voor de verbinding tussen lan’s.
Nu heeft IP zelf géén ingebouwde functionaliteiten om Qos te kunnen bieden. Deze zullen dus geleverd dienen te worden door het transmissiekanaal zélf en door een signalering die zorgdraagt voor handhaving van deze Qos gedurende de transmissietijd en voor de opzet van de verbinding. Door het Ietf is daarom de standaardisatie van Rsvp (Resource Reservation Protocol) en Rtp (Real-time Protocol) ter hand genomen om Qos te kunnen introduceren binnen Internet.
Het opzetten van een verbinding met een specifieke Qos gebeurt in een ATM-netwerk met het routeringsprotocol Pni. Voor het gehele pad van zender naar ontvanger berekent iedere individuele switch met een algoritme of voldaan kan worden aan de gestelde Qos-eisen. Pas als alle switches kunnen voldoen aan de parameters, wordt de verbinding daadwerkelijk opgezet voor de duur van de transmissie. De aanvraag wordt geweigerd als er geen route is te vinden die voldoet aan de eisen. Op deze wijze kan binnen ATM Qos van begin tot eind garantie worden geboden.
Het nog niet gestandaardiseerde Rsvp is oorspronkelijk ontwikkeld als een signaleringsprotocol voor eindsystemen (clients) naar multicast-servers. Met behulp van Rsvp zijn daarom alleen prioriteiten toe te kennen aan IP-flows; Qos kan daarom niet worden gegarandeerd. Dit zal dienen te gebeuren door het netwerk zélf (bijvoorbeeld ATM).
Ethernet is van oorsprong een connection-less protocol met een zogenaamde niet-deterministische toegangstechniek en een gefixeerde bandbreedte, waardoor transmissietijden onvoorspelbaar zijn. Qos is in het algemeen moeilijk te handhaven over een connection-less medium, daar geen zicht is op de toestand van het transmissiekanaal tussen zender en ontvanger gedurende de tijd van zenden.
Daarom zal het introduceren van Rsvp binnen bijvoorbeeld een Ethernet-netwerk naar verwachting maar beperkt soelaas bieden.

Multimedia-verkeer

Een groot aantal nieuwe technologieën heeft tot doel binnen bedrijfsnetwerken de beschikbare bandbreedte te verhogen en IP-verkeer efficiënter te laten verlopen met kwaliteitsgaranties voor multimedia-verkeer.
Zowel Gigabit Ethernet als Fast Ethernet proberen het probleem van een tekort aan bandbreedte op te lossen door pure kracht, waarbij voor Qos sterk wordt geleund op IP-add-ons als Rsvp. De inherente eigenschappen van Ethernet en de mogelijkheden van Rsvp laten echter vermoeden dat deze combinatie haar beperkingen kent.
ATM biedt een inherente schaalbaarheid en robuuste mogelijkheden om end-to-end Qos te bieden. Wil men Ethernet toch tot op de werkplekken handhaven, dan is de prijs daarvoor een hogere complexiteit.
Om voor een bepaalde situatie een keuze te maken uit de beschikbare technologieën is een nauwkeurige analyse van de behoeften noodzakelijk. Veel organisaties met een sterke focus op vermindering van de cost-of-ownership zullen kiezen voor de relatief eenvoudige kracht van Fast Ethernet of Gigabit Ethernet en voor verbetering van de transmissie-eigenschappen rekenen op de verdere ontwikkeling van IP/Rsvp. Indien men echter sterk afhankelijk is van de ondersteuning van multimedia-verkeer en als een gestandaardiseerde ondersteuning van Vlan’s en schaalbaarheid belangrijk is, dan blijft ATM wellicht over als een betere keuze.
Tag-switching en IP-switching zijn nieuwe technologieën voor een efficiëntere routering van IP-packets, die met name een rol lijken te gaan spelen in grotere netwerken, zoals bij Internet Service Providers (Isp’s). Hoewel beide in principe ook toepasbaar zijn in de ‘corporate backbone’ komen de eigenschappen, van met name tag-switching, beter tot hun recht in netwerken met veel hops (routers/switches). Tevens missen beide technologieën in relatie tot de corporate backbone een gestandaardiseerde implementatie van Vlan’s en zijn beide (nog) fabrikant-specifiek.
ATM-switches zullen steeds vaker in combinatie met de hiervoor genoemde technologieën gebruikt worden als basis voor de netwerken van Internet-providers. Mogelijkheden als end-to-end Qos, bandbreedte-reservering en flow-control vormen daardoor in toenemende mate een essentieel onderdeel van het dienstenpakket.
 
Rob Braam, senior datacom-consultant bij Intercai Telematics Consultants
 
Vergelijking technologieën