Router und Switches

1. Hochschule Bremen RST Labor Router und Switches Christa Eekhoff Christine Reckziegel 06.01.1999

2. OSI-Referenzmodell • Anwendungsschicht (Application Layer) • Darstellungsschicht (Presentation Layer) • Sitzungsschicht (Session Layer) • Transportschicht (Transport Layer) • Vermittlungsschicht (Network Layer) • Verbindungsschicht (Data Link Layer) • Bitübertragungsschicht (Physical Layer)

3. TCP/IP Modell Verarbeitung OSI-Schicht 5-7 Transport OSI-Schicht 4 Internet OSI-Schicht 3 Host-an-Netz OSI-Schicht 1-2

4. OSI und TCP/IP Modell • Beide Konzept des Stapel unabhängiger Protokolle • Funktionalität der Schichten ähnlich • Die Schichten oberhalb der Transportschicht sind anwendungsorientiert • Die unteren Schichten bis zur Transportschicht dienen der Bereitstellung von Ende-zu-Ende Transportdiensten

5. TCP/IP • Die Host-an-Netz Schicht des TCP/IP Modells ist nicht genauer definiert. • Die Internet-Schicht sorgt dafür, daß Pakete von jedem Netz in andere Netze befördert werden. Es gibt keine garantierte Übertragung der Pakete • Die Transportschicht ermöglicht Kommuni-kation zweier Hosts über mehrere Netze. Zwei Ende-zu-Ende Protokolle sind definiert: • TCP (Transmission Control Protocol) • UDP (User Data Protokoll)

6. Kopplungselemente • Folgende Kopplungselemente werden näher erläutert: • Router • Bridges • Gatways • Switches sie dienen dazu lokale Netze zu verbinden und für die Verbindung verschiedener Netze zu einen Gesamtnetz.

7. Bridges • verbinden gleiche oder ähnliche LAN Protokolle, z.B. Ethernet mit Token Ring • basieren auf der zweiten Schicht des OSI- Referenz Modells • vermitteln die Pakete nur aufgrund der Adressierungsart des Protokolls der Verbindungsschicht, z.B. MAC (Medium Access Control) Adresse

8. Übertragung mit Bridges

9. Bridges • überwinden die Restriktionen des LANs für die maximale Segmentlänge und die Anzahl der Knoten • dienen der Lastentrennung und erreichen eine verbesserte Netzkapazität, da sie lokalen vom netzübergreifenden Verkehr trennen. • Diese Entscheidung wird durch das Nachschlagen in einer großen Hash-Tabelle innerhalb der Bridge gefällt

10. Vor- und Nachteile von Bridges • Selbstlernende Bridges füllen ihre Tabelle während des Betriebes, daher ist keine Grundkonfiguration notwendig • Fehlerhafte Pakete der Sicherungsschicht werden erkannt und nicht weitergeleitet, dies verhindert die Ausbreitung von Fehlern • Broadcast-Meldungen werden generell übertragen, was zu einer relativ hohen Grundlast führt.

11. Router • basieren auf Schicht 3 des OSI Referenz Modells und verbinden unterschiedliche Subnetze miteinander • verbinden Subnetze mit unterschiedlichen Vermittlungsprotokollen, z.B. TCP/IP, DECnet, AppleTalk usw. und dienen dabei als Protokollkonverter • haben die Aufgabe die Wegwahl (Routing) für den Datenstrom vorzunehmen.

12. Router

13. Router • Für die Wegwahl gibt es verschiedene Algorithmen • Informationen tauschen Router im Rahmen eigener Managementprotokolle aus • redundanten Netzstrukturen bieten die Möglichkeit • dynamischer Wegwahl • alternativen Routen Höhere Verfügbarkeit von Transportwegen

14. Router • erkennen fehlerhafte Pakete der Verbindungs- und Vermittlungsschicht • unterstützen im Gegensatz zu Brücken das Segmentieren, Numerieren und Wieder-zusammensetzen von Paketen, dies ist notwendig, da die zulässigen Paketgrößen verschiedener Protokolle meist differieren • Nachteil von Routern ist, daß sie protokoll-abhängig sind und eine Mindestkonfiguration benötigen.

15. Router • “Schließlich können die umfangreichen Aufgaben von Routern dazu führen, daß sie ziemlich langsam arbeiten, zu langsam für Anwendungen mit synchronen Anforderungen wie Multimedia.” (Kauffels, 1996, S.557) • Koppelelemente, die sowohl Bridging als auch Routing erlauben, heißen Bridge-Router,Brouteroder Hybridrouter

16. Gateway • sind notwendig bei der Verbindung unterschiedlichen Netzwerkarchitekturen • decken alle sieben Schichten des OSI-Referenzmodells ab. Dies beinhaltet: • Adressumsetzung, Formatumsetzung, Code-konvertierung, Paketzwischenspeicherung, Paketbestätigung, Flußkontrolle sowie Geschwindigkeitsanpassung

17. Gateway

18. Switches • kamenauf, ”als es eine Ablösung der klassischen Bridges anzupreisen galt. Die grundlegene Funktionalität eines Switches entspricht zwar exakt der einer Bridge, aber clevere Marketingfachleute fanden das neue Schlagwort wohl verkaufsfördernder als eine langweilige Bezeichnung wie High-Performance-Bridge” (N&C, 9/98, S.83).

19. Switches • basieren wie Bridges normalerweise auf Schicht 2 des OSI-Referenzmodells; es gibt aber inzwischen auch sogenannte Layer-3 Switches und Layer-4 Switches • LAN-Switches haben eine Funktion zwischen Backbones und Bridges

20. Fast Packet Switching (FPS) • soll mittelfristig das wirklich betagte X.25 ablösen • ist ein grundlegendes Verfahrensprinzip für die Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs-kommunikation • unterstützt eine Ende-zu-Ende Verbindung ohne großartige Routing-Berechnung

21. FPS • Im traditionellen Netz muß eine Verbindung in jedem Zwischensystem bis zur 3. Schicht hochgezogen werden. Das limitiert mögliche Datenraten mehr als das Übertragungs-medium • Bei FPS-Netzen ist nur die Abarbeitung bis zur 2. Schicht notwendig, diese ist aufgeteilt in Fast Packet Relay (FPR), Fast Packet Adaption (FPA) und Data Link Control (DLC) Sublayer.

22. Verbindugen im FPS

23. FPS • Die in traditionellen Netzen übliche Fluß- und Fehlerkontrolle werden weggelassen, da die heutigen Übertragungssystem immer verläßlicher werden. • FPS kann unterteilt werden in die beiden Betriebsverfahren Frame Relay (variable Paketlänge) und Cell Relay (feste Paketlänge, ATM).

24. Dedicated Ethernet • Ethernet-Switching-Technologie • Technisch gesehen ist ein Dedicated Ethernet Switch Port ein Bridge Port • Wenn jedes Endgerät einen eigenen Port hat, wird kein Router Port benötigt. • Kein Shared Medium mehr; jeder einzelnen Station soll volle Bandbreite zur Verfügung stehen

25. Store and Forward / Cut Through • Normalerweise Store- and Forward-Architektur • Paket vor der Weiterleitung vollständig zwischengespeichert und auf Fehler untersucht • Bei Cut Through wird das Paket weiterge-leitet sobald die Zieladresse ausgewertet wurde • keine Fehleruntersuchung möglich

26. Vor- und Nachteile von Cut Through • Geringerer Speicherbedarf • Kürzere Latenzzeiten • Zwischenspeicherung trotzdem notwendig • wenn Konversion vorgenommen werden muß bei verschiedene Netztypen • wenn der Ziel Port nicht frei ist

27. Problem bei Cut Through • Der geringe Speicherplatz für Adresstafeln und Zwischenspeicherung führt zu Verlust von Paketen, denn • es kommen häufig Pakete mit unbekannter Adresse • die Pakete können nicht lange zwischenge-speichert werde und werden verworfen • oder die Hot Potato Methode wird angewendet, wobei der Switch das Paket auf alle Ports schickt, dem sogenannten Fluten (Flooding). Verschwendung von Brandbreite

28. Layer-3 Switch • Das Netz kann nicht immer auf Schicht 2 ver-flacht werden, Routing weiterhin notwendig • Layer-3 Switches sind mit schnellen Routern vergleichbar • Mechanismen für Wegwahl allerdings durch spezielle Hardwarebausteine, sogenannte ASICs (application-specific integrated circuits) • Herkömmliche Router benutzen Multifunktions-prozessoren und implementieren die Routing-funktion in Software

29. Network Control Taxonomy

30. Route Once Switch Afterwards • Zusätzlich zu Routinginformation werden die Einstellungen für die ASICs und die Ausgangs- Portnummer nachgeschaut. • Das Paket wird mit diesen Informationen über das Netz geschickt und kann auf Schicht 2 geswitched werden. • Parallelschalten mehrerer ASICs bewirkt, simultanes Bedienen der Ports nahezu Übertragungsgeschwindigkeit des Mediums an jedem Port

31. Layer-4 Switches • unterstützen meisten nur IP • Als zusätliche Information wird hier die Portnummer für IP-Dienste benutzt. • Typischer Einsatz ist das Load-Balancing, damit Server nicht zum Flaschenhals im Netz werden

32. Routing • Router sollen einen optimaler Weg durchs Gesamtnetz realisieren. • Qualitätskriterien sind hierbei • Auslastung • Durchsatz • Gebühren • Wartezeit • Verkehrstrennung usw.

33. Routing Protokolle • Netzwerk-Protokolle wie IP (Internet Protocol) oder IPX (Internet Packet Exchange) ermöglichen durch geeignete Adressen das Routing. • Das Routing übernehmen für IP die Routing-Protokolle wie RIP (Routing Information Protocol) oder OSPF (Open Shortest Path First). • Weitere Routing-Protokolle: • APPN (Advanced Peer-to-Peer Networking) von IBM und herstellerspezifische wie IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) von Cisco.

34. TCP/IP: Funktionen des Routers • Prüfsumme wird bei jedem Netzknoten (Router) überprüft, bei negativen Ergebnis wird das Paket verworfen. • TTL-Zeit wird pro Routerdurchlauf herabge-setzt. Bei Erreichung der Zahl 0 wird das Paket zerstört. • Router trifft weitere Wegewahl.

35. TCP/IP: Funktionen des Routers • Fragmentierung des Datagramms, falls es aufgrund von Begrenzung erforderlich sein sollte. • IP-Header wird erneuert, der die TTL-Zeit, Fragmentierung und Prüfsummenfeld beinhaltet. • Weitergabe an das Netzwerk.

36. Allgemeine Router Architektur

37. Router mit zentraler CPU • Zentrale CPU • gemeinsamer Bus • Paket von Eingang über den Bus zur CPU • Paket von der CPU über den Bus zum Ausgang • Nachteil: CPU muß für jedes Paket routing Entscheidungen treffen

38. Router mit parallelen CPUs • Paket wird zu einer freien CPU übertragen • Vorteil: CPUs können kostengünstiger sein • Vorteil: höherer Durchsatz • Nachteil: Paket muß immer noch zweimal über den Bus

39. Router mit CPUs auf Leitungskarten • Jede Leitungskarte eigene CPU • Vorteil: Pakete nur einmal über den Bus • zentrale CPU für Management des Systems und Pflege der Forwarding Tabellen der anderen CPUs

40. Router mit CPUs auf Leitungskarten • Nachteile • Forwarding Desicion sind in Software implementiert • normale CPU nicht besonders geeignet für Forwarding Desicions • gemeinsamer Bus bremst das System

41. High-Performance Router • Switched Backplane • ASICs für Forwarding Decision • simultane Verarbeitung und Transport der Pakete

42. Vorteile Crossbar Switch • Verbindungen sind Punkt-zu-Punkt Verbindungen • sehr schnelle Verbindungen • reduzierte elektromagnetische Interferenz • einfache Struktur • Pakete können gleichzeitig übertragen werden

43. Warum Switched Backplane • Cisco 12000-Serie • 16 Ports mit je 2.4 Gbps • Bus müßte 38.4 Gbps Bandbreite haben, heutzutage hat ein Bus eine Bandbreite von 20 Gbps • Switched Backplane

44. Warum Feste Paketlänge • Pro Zeiteinheit kann ein Paket übertragen werden • zu Beginn einer Zeiteinheit sind alle Ports frei • Verwaltung einfacher • Höherer Durchsatz • Zeit für zerteilen und Zusammenbau von Paketen kann vernachläßigt werden

45. Blocking • Head-of-Line Blocking (HOL-Blocking) • erstes Paket in der Queue blockiert nachfolgende • Lösung: Virtual Output Queueing (VOQ) • Input Blocking • mehrere nichtleere VOQ • Lösung: Prioritätsklassen

46. Blocking • Output Blocking • Ausgangsports können nur ein Paket zur Zeit übertragen • mehrere Eingangsports warten auf einen Ausgangsport • Lösung: Speedup • Switch an sich ist non-blocking

47. Virtual Output Queueing

48. Unicast und Multicast Traffic • Für Multicast werden zusätzliche Queues benötigt • Crossbar Switches integrierte Kopierfunktion • Ein Eingang kann mit mehreren Ausgängen verbunden werden • spart Speicher in den Eingangsqueues

49. Unicast und Multicast Traffic

50. Fanout-Splitting • Multicast Paket wird auf möglichst viele frei Ausgangsports geschickt • Paket muß nicht warten bis alle Ausgangsports frei sind • höherer Durchsatz • nicht schwer zu implementieren