Архитектура платформы Cisco ISR4000
Всем заинтересованным предлагаю рассмотреть архитектуру ныне популярных корпоративных маршрутизаторов Cisco ISR4000 Series. Тема отнюдь не новая. Но, подозреваю, до сих пор не все погрузились в неё достаточно глубоко.
Некоторые всё ещё в простонародье называют эту платформу ISR G3, по аналогии с (и, наверное, в продолжение) ISR G1 и G2 (Generation 1 & 2). Но это неправильно. ISR4k — это принципиально иной продукт. Наверное, поэтому Cisco и не стала ассоциировать эту линейку с ISR G1 и G2.
Что же тут нового, спросите вы. Ответ лежит под капотом. Про IOS XE даже не буду говорить, так как все это знают. Во-первых, архитектура стала распределённой. Появились выделенные ресурсы под Control Plane и Data Plane. В зависимости от модели это реализовано по-разному: где-то это отдельные чипы, где-то выделенные ядра одного многоядерного чипа. Подробнее будет ниже. Во-вторых, появилось такое понятие как Service Plane. Теперь можно устанавливать сторонние контейнеры. В-третьих, была принята модель под названием Pay As You Grow. То есть вы покупаете достаточно продвинутый маршрутизатор, но с искусственно заниженными возможностями, предоставляющими пользователю производительность на определённом уровне. Впоследствии вы можете нарастить производительность, в рамках ранее приобретённой «коробки», путём покупки и активаций лицензий на данном устройстве, которые снимут искусственные ограничения производительности.
Этого ли недостаточно, чтобы сказать, что ISR4000 — это не G3, а next generation? Ладно, заканчиваем с маркетингом (тем более что это не моё) и переходим к техническим подробностям.
Архитектура Cisco ISR4000
На картинке представлена упрощённая структурная схема маршрутизаторов ISR4431 и 4451.
Как мы видим, устройства имеют выделенные чипы для Control Plane (совместно с Service Plane) и Data Plane. Для плоскости управления используется x86 совместимый Intel, а для плоскости пересылки — Cavium. В модели ISR4431 в Data Plane задействуется до 6 ядер, в ISR4451 — до 10. Каждый процессор имеет свою выделенную оперативную память DDR3. Для Data Plane размер памяти фиксированный и составляет 2Gb. Для Control Plane размер памяти может варьироваться от 4 до 16Gb.
Для маршрутизатора 4461 архитектура выглядит так же, за исключением того, что Cavium для Data Plane с 16 ядрами. А также увеличены объёмы памяти — 4GB для Data Plane и до 32Gb для Control Plane. И тип памяти DDR4 вместо DDR3.
Память распределяется следующим образом.
Память для Control Plane используется для процесса IOS, который представляет из себя демона, запущенного в Linux. Процесс содержит IOS (по сути тот же, что был в ISR G1 и G2) и таблицы плоскости управления (RIB, таблицы топологий протоколов маршрутизации и т.д.). Также память Control Plane используется для Linux, который обеспечивает общую работоспособность платформы 4400 и выделяет память для сервисных контейнеров. Тут важно отметить, что использование памяти, относящейся к Linux, растет по мере роста использования самим IOS вследствие репликации данных между процессами.
Память для Data Plane используется исключительно для сервисов обработки трафика. Она содержит внутренний микрокод плоскости данных, выделяется под буферизацию пакетов, а также используется для EXMEM (содержит FIB, NAT таблицу и т.п.). Максимальный размер EXMEM фиксирован.
Посмотрим на внутреннюю структуру платформы Cisco ISR4000 чуть подробнее. Ниже представлена блок-схема маршрутизатора ISR4451
Четыре встроенных интерфейса FPGE (Front Panel Gigabit Ethernet) подключаются напрямую в Cavium через Serial Gigabit Media Independent Interface. Для соединения модулей расширения (3 NIM и 2 SM) с Data Plane используется MGF-матрица (Multi-Gigabit Fabric). MGF – коммутатор 2-го уровня. Трафик L2 между парой NIM, или парой SM, или между NIM и SM пройдёт только через мультигигабитную фабрику, минуя Data Plane. Трафик L3 между любыми платами расширения всегда пойдёт через MGF, далее Data Plane и потом вернётся через MGF. Обратите внимание, что пропускная способность на слот для модулей NIM — это 2Gbps. Поэтому если вы установите NIM-ES2-4, c четырьмя гигабитными портами или тем более NIM-ES2-8, то не ожидайте, что сможете утилизировать всю интерфейсную скорость для маршрутизируемых пакетов, так как вы упрётесь в скорость соединения NIM-модулей с внутренней фабрикой. И это без учёта ограничений пропускной способности самой платформы, о которых будет упомянуто отдельно. В общем-то, то же самое нужно учитывать при рассмотрении пропускной способности SM-слотов, в которые могут быть установлены модули расширения с числом портов от 16 до 48. Ну и несложно догадаться, что в случае если вы забьёте все модули многопортовыми платами расширения, то «бутылочным горлышком» станет интерфейс подключения внутренней фабрики к чипу, отвечающему за Data Plane. Внутреннее устройство ISR4431 будет таким же, за исключением отсутствия SM-слотов и меньшего числа ядер Data Plane (как уже ранее говорилось, их будет 6).
Каждый PPE (Packet Processing Engine) обрабатывает пакеты одновременно. При этом Crypto Assist находится в каждом PPE. То есть каждое ядро в Cisco ISR4000 участвует в шифровании. Последнее ядро выступает в качестве BQS (Buffering, Queuing, Scheduling). Это шейпер, который ограничивает пропускную способность платформы (как раз тот самый Pay As You Grow, о котором говорилось ранее).
Внутреннее устройство маршрутизатора Cisco
Маршрутизатор состоит из нескольких типов компонентов. Например, в любом маршрутизаторе Cisco есть 4 типа памяти и 2 типа портов. К основным компонентам любого маршрутизатора Cisco относится:
ROM – это память, которая содержит программу (ROM — monitor) для начальной загрузки и самотестирования. Когда маршрутизатор включается, происходит диагностика аппаратного обеспечения специальной программой, называемой Power On Self Test (POST). Если эта диагностика не выявила ошибок, то далее загружается и запускается IOS из флэш-памяти. Флэш-память является перезаписываемой. Это позволяет обновлять IOS маршрутизатора Cisco.
Если загрузчик не найден во флэш-памяти IOS, то ROM загружается с временной версией IOS. ROM нельзя переписать или стереть. Это постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Если IOS находится во флэш-памяти, то она загружается в оперативную память (RAM). После этого загрузчик находит файл конфигурации запуска в NVRAM. NVRAM-энергонезависимая оперативная память, поэтому ее содержимое не стирается.
Если IOS не находит файл конфигурации запуска, она пытается загрузить файл конфигурации с сервера TFTP. Если сервер TFTP также не отвечает, то IOS переводится в режим начальной настройки устройства. В этом режиме пользователям задаются вопросы, которые позволяют быстро настроить маршрутизатор.
Если IOS получает файл конфигурации запуска в NVRAM, то он загружается в оперативную память и становится файлом загрузочной конфигурации.
Давайте более подробно рассмотрим назначение каждого компонента маршрутизатора
Память
Как было уже упомянуто, существует 4 типа памяти в Cisco IOS, которые приведены ниже:
- ROM — это память только для чтения. Она встроена в маршрутизатор. В плату вшита специальная программа-загрузчик, которая выполняет самотестирование. Это называется режимом мониторинга ROM. Когда маршрутизатор не может найти IOS, он загружается из ROM.
- FLASH — по умолчанию маршрутизатор определяет наличие флэш-памяти для загрузки IOS и, если она есть и рабочая, то далее происходит загрузка IOS в эту память. Это электронная перезаписываемая программируемая память.
- RAM — она также называется динамической оперативной памятью (random access memory). Оперативная память — это рабочая область процессора маршрутизатора Cisco. В этой памяти хранятся текущий конфигурационный файл и таблицы маршрутизации.
- NV-RAM — она называется энергонезависимой оперативной памятью. В NVRAM хранится файл конфигурации запуска, который используется для запуска системы.
Порты
Cisco IOS имеет интерфейсы и линейные входы двух типов.
Интерфейсы соединяют маршрутизатор с другими устройствами, такими как маршрутизаторы и коммутаторы. Данные в сети проходят через эти порты. Ниже приводятся названия некоторых распространенных интерфейсов:
- Serial interface
- Ethernet interface
- Fast Ethernet interface
- Gigabit Ethernet interface
Интерфейсы идентифицируются по их названию и номеру. Например, первый интерфейс FastEthernet известен как FastEthernet0/0. Некоторые семейства маршрутизаторов являются модульными, поэтому интерфейсы в них организованы в слоты. Поэтому, наряду с номером интерфейса, записывается и номер слота. Таким образом, вы можете ввести 2 интерфейса первого слота.
Для настройки маршрутизатора используются отдельные (специальные) порты. Они называются линейными. Ниже приводятся названия некоторых таких портов:
Подобно интерфейсам, линейные входы также идентифицируются по типу линии и номеру линии. Так что, на первом консольном порту будет написано что-то вроде этого: Console0
Command Line Interface (CLI)
IOS предоставляет интерфейс командной строки для взаимодействия с маршрутизатором Cisco. Интерфейс командной строки является единственным вариантом для настройки и управления устройствами Cisco. Вы можете получить к нему доступ через консоль или telnet-соединение. В CLI можно вводить команды и выполнять их.
Этапы загрузки Маршрутизатора
Каждое устройство Cisco при включении проходит определенные этапы загрузки. Эти этапы показаны ниже:
- Включается маршрутизатор.
- Загрузчик загружается из ROM
- Загрузчик запускает POST
- Загрузчик пытается загрузить IOS из флэш-памяти —
- Если IOS недоступна во флэш-памяти, то загружается базовая IOS из загрузочного ПЗУ.
- Если IOS находится во флэш-памяти, она загружается в оперативную память.
- Если файл конфигурации запуска не найден в NVRAM, тогда IOS пытается загрузить файл конфигурации с сервера TFTP.
- Если сервер TFTP не отвечает, то маршрутизатор переходит в режим начальной конфигурации.
- Если файл конфигурации запуска находится в NVRAM, то он загружается в оперативную память.
Артём Санников
Данная книга является руководством для начинающих специалистов в области анализа и обработки данных. В книге рассматривается язык SQL и его процедурное расширение PL/SQL от компании Oracle.
Главная › Cisco › CCNA: Introduction to Networks › Устройство маршрутизатора. Внутреннее устройство маршрутизатора. CCNA Routing and Switching.
Устройство маршрутизатора. Внутреннее устройство маршрутизатора. CCNA Routing and Switching.
Несмотря на существование нескольких типов и моделей маршрутизаторов, каждый из них имеет идентичные общие аппаратные компоненты.
На рисунках показано внутреннее устройство маршрутизатора Cisco 1841 первого поколения маршрутизаторов ISR.
Рисунок 2 — Защитный экран для интерфейсной платы WAN WIC или высокоскоростной WIC (HWIC)
Рисунок 4 — Синхронная динамическая оперативная память (SDRAM).
Рисунок 5 — Энергонезависимая оперативная память (NVRAM).
Рисунок 6 — Центральный процессор.
Рисунок 7 — Дополнительный сервисный модуль AIM.
Примечание: Специалисту в области сетевых технологий следует знать и понимать функции основных внутренних компонентов любого маршрутизатора, а не их точное расположение внутри какого-либо одного конкретного устройства. В зависимости от модели эти компоненты расположены в разных местах маршрутизатора.
Записи по теме
