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

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Präsentation zum Thema: "Router und Switches Christa Eekhoff Christine Reckziegel 06.01.1999 Hochschule Bremen RST Labor."—  Präsentation transkript:

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

2 OSI-Referenzmodell 7Anwendungsschicht(Application Layer) 6Darstellungsschicht(Presentation Layer) 5Sitzungsschicht (Session Layer) 4Transportschicht (Transport Layer) 3Vermittlungsschicht(Network Layer) 2Verbindungsschicht(Data Link Layer) 1Bitübertragungsschicht(Physical Layer)

3 TCP/IP Modell VerarbeitungOSI-Schicht 5-7 TransportOSI-Schicht 4 InternetOSI-Schicht 3 Host-an-NetzOSI-Schicht 1-2

4 OSI und TCP/IP Modell zBeide Konzept des Stapel unabhängiger Protokolle zFunktionalität der Schichten ähnlich yDie Schichten oberhalb der Transportschicht sind anwendungsorientiert yDie unteren Schichten bis zur Transportschicht dienen der Bereitstellung von Ende-zu-Ende Transportdiensten

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

6 Kopplungselemente zFolgende Kopplungselemente werden näher erläutert: yRouter yBridges yGatways ySwitches sie dienen dazu lokale Netze zu verbinden und für die Verbindung verschiedener Netze zu einen Gesamtnetz.

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

8 Übertragung mit Bridges

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

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

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

12 Router

13 Router zFür die Wegwahl gibt es verschiedene Algorithmen zInformationen tauschen Router im Rahmen eigener Managementprotokolle aus zredundanten Netzstrukturen bieten die Möglichkeit ydynamischer Wegwahl yalternativen Routen Höhere Verfügbarkeit von Transportwegen

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

15 Router zSchließlich 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) zKoppelelemente, die sowohl Bridging als auch Routing erlauben, heißen Bridge-Router, Brouter oder Hybridrouter

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

17 Gateway

18 Switches zkamen auf, 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 zbasieren wie Bridges normalerweise auf Schicht 2 des OSI-Referenzmodells; es gibt aber inzwischen auch sogenannte Layer-3 Switches und Layer-4 Switches zLAN-Switches haben eine Funktion zwischen Backbones und Bridges

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

21 FPS zIm traditionellen Netz muß eine Verbindung in jedem Zwischensystem bis zur 3. Schicht hochgezogen werden. Das limitiert mögliche Datenraten mehr als das Übertragungs- medium zBei 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 zDie in traditionellen Netzen übliche Fluß- und Fehlerkontrolle werden weggelassen, da die heutigen Übertragungssystem immer verläßlicher werden. zFPS kann unterteilt werden in die beiden Betriebsverfahren Frame Relay (variable Paketlänge) und Cell Relay (feste Paketlänge, ATM).

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

25 Store and Forward / Cut Through zNormalerweise Store- and Forward- Architektur yPaket vor der Weiterleitung vollständig zwischengespeichert und auf Fehler untersucht zBei Cut Through wird das Paket weiterge- leitet sobald die Zieladresse ausgewertet wurde ykeine Fehleruntersuchung möglich

26 Vor- und Nachteile von Cut Through zGeringerer Speicherbedarf zKürzere Latenzzeiten zZwischenspeicherung trotzdem notwendig ywenn Konversion vorgenommen werden muß bei verschiedene Netztypen ywenn der Ziel Port nicht frei ist

27 Problem bei Cut Through zDer geringe Speicherplatz für Adresstafeln und Zwischenspeicherung führt zu Verlust von Paketen, denn yes kommen häufig Pakete mit unbekannter Adresse ydie Pakete können nicht lange zwischenge- speichert werde und werden verworfen yoder 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 zDas Netz kann nicht immer auf Schicht 2 ver- flacht werden, Routing weiterhin notwendig zLayer-3 Switches sind mit schnellen Routern vergleichbar yMechanismen für Wegwahl allerdings durch spezielle Hardwarebausteine, sogenannte ASICs (application-specific integrated circuits) yHerkömmliche Router benutzen Multifunktions- prozessoren und implementieren die Routing- funktion in Software

29 Network Control Taxonomy

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

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

32 Routing zRouter sollen einen optimaler Weg durchs Gesamtnetz realisieren. zQualitätskriterien sind hierbei yAuslastung yDurchsatz yGebühren yWartezeit yVerkehrstrennung usw.

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

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

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

36 Allgemeine Router Architektur

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

38 Router mit parallelen CPUs zPaket wird zu einer freien CPU übertragen zVorteil: CPUs können kostengünstiger sein zVorteil: höherer Durchsatz zNachteil: Paket muß immer noch zweimal über den Bus

39 Router mit CPUs auf Leitungskarten zJede Leitungskarte eigene CPU zVorteil: Pakete nur einmal über den Bus zzentrale CPU für Management des Systems und Pflege der Forwarding Tabellen der anderen CPUs

40 Router mit CPUs auf Leitungskarten zNachteile yForwarding Desicion sind in Software implementiert ynormale CPU nicht besonders geeignet für Forwarding Desicions ygemeinsamer Bus bremst das System

41 High-Performance Router zSwitched Backplane zASICs für Forwarding Decision zsimultane Verarbeitung und Transport der Pakete

42 Vorteile Crossbar Switch zVerbindungen sind Punkt-zu-Punkt Verbindungen zsehr schnelle Verbindungen zreduzierte elektromagnetische Interferenz zeinfache Struktur zPakete können gleichzeitig übertragen werden

43 Warum Switched Backplane zCisco Serie y16 Ports mit je 2.4 Gbps Ô Bus müßte 38.4 Gbps Bandbreite haben, heutzutage hat ein Bus eine Bandbreite von 20 Gbps Ô Switched Backplane

44 Warum Feste Paketlänge zPro Zeiteinheit kann ein Paket übertragen werden zzu Beginn einer Zeiteinheit sind alle Ports frei zVerwaltung einfacher zHöherer Durchsatz zZeit für zerteilen und Zusammenbau von Paketen kann vernachläßigt werden

45 Blocking zHead-of-Line Blocking (HOL-Blocking) yerstes Paket in der Queue blockiert nachfolgende yLösung: Virtual Output Queueing (VOQ) zInput Blocking ymehrere nichtleere VOQ yLösung: Prioritätsklassen

46 Blocking zOutput Blocking yAusgangsports können nur ein Paket zur Zeit übertragen ymehrere Eingangsports warten auf einen Ausgangsport yLösung: Speedup zSwitch an sich ist non-blocking

47 Virtual Output Queueing

48 Unicast und Multicast Traffic zFür Multicast werden zusätzliche Queues benötigt zCrossbar Switches integrierte Kopierfunktion zEin Eingang kann mit mehreren Ausgängen verbunden werden zspart Speicher in den Eingangsqueues

49 Unicast und Multicast Traffic

50 Fanout-Splitting zMulticast Paket wird auf möglichst viele frei Ausgangsports geschickt zPaket muß nicht warten bis alle Ausgangsports frei sind zhöherer Durchsatz znicht schwer zu implementieren

51 Scheduler Algorithmus zEigenschaften yHoher Durchsatz yKein Verhungern ySchnell yEinfach zu implementieren

52 ESLIP Algorithmus zIterativer Algorithmus zJede Iteration besteht aus drei Schritten ySchritt 1: Request ySchritt 2: Grant ySchritt 3: Accept

53 ESLIP Algorithmus

54 Cisco Serie zGigabit Switched Router zFeste Paketlänge zVirtual Output Queueing zPrioritäten zSpeedup zUnicast und Multicast zESLIP

55 Cisco Serie Anwendungen zInternet Backbones zHohe Kapazität für Internetzugang zUnternehmens-WAN/MAN

56 Cisco Serie z12004 mit 5 Gbps Bandbreite und 4 konfigurierbaren Chassis Slots z12008 mit Gbps Bandbreite und 8 konfigurierbaren Chassis Slots z12012 mit Gbps Bandbreite und 12 konfigurierbaren Chassis Slots zProcessor: R MHz zSpeicher: MB EDO und 20 MB Flash

57 Literatur zDetken, K.-O. (1998) ATM in TCP/IP Netzen, Heidelber: Hüthig Verlag –Gut strukturiert, Informationen einfacher zu finden als im Kauffels, alle Grundlagen für TCP/IP zKauffels, F.-J. (1996) Lokale Netze 8., akt. und erw. Auflage, Bergheim: DATACOM-Buchverlag –Sehr ausführlich, mit Produktinformationen zMcKeown, Nick Fast Switched Backplane for a Gegabit Switched Router, Standford University CA –Sehr gute Beschreibung des Gigabit Switched Routers. Sämtliche Bilder aus dem Routerbeispiel sind aus diesem Dokument zTanenbaum, A. S. (1997) Computernetzwerke 3. Auflage, München: Prentice Hall zPeng, X. (1998) Lecture Notes Telecommunication and Broadband Systems London: Peng

58 Literatur zLange, M. (1998) Layer-4 Switching: Routing mit Mehrwert, N&C 9 September S –Sehr ehrlich, sehr informativ zMuccariello, M. (1998) Switches und deren Auswirkung aufs Ethernet, electronik Journal 6. Juni S –gibt eine weitere Einteilung für Switches z3Com (1997) Flexible Intelligent Routing Engine (FIRE), 3Com


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