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

OSI-Referenzmodell Anwendungsschicht (Application Layer) Darstellungsschicht (Presentation Layer) Sitzungsschicht (Session Layer) Transportschicht (Transport Layer) Vermittlungsschicht (Network Layer) Verbindungsschicht (Data Link Layer) Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Zur Erklärung der Funktionalität von Routern ist das Open System Interconnection (OSI) Referenz Modell, das von der International Organization or Standardization (ISO) entwickelt wurde, nützlich. Das OSI Referenz Modell dient der Entwicklung von Software für Kommunikation zwischen Computersystemen. Es ist in 7 Schichten aufgebaut, um die Komplexität von Softwaresystemen zu reduzieren. Jede Schicht ist verantwortlich für einen bestimmten Teil der Kommunikation.

TCP/IP Modell Verarbeitung OSI-Schicht 5-7 Transport OSI-Schicht 4 Internet OSI-Schicht 3 Host-an-Netz OSI-Schicht 1-2 Das OSI Referenz Modell wurde allerdings zu spät entwickelt, da es bereits andere herstellerspezifische Lösungen gab. Wie z.B. das TCP/IP Referenz Modell, das jedoch recht ähnlich ist. Es wurde im ARPANET (Forschungsnetz des US-Verteidigungsministeriums 1969) und seinem Nachfolger dem Internet angewendet.

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

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) Das TCP (Transmission Control Protocol) ist zuverlässig und sorgt u.a. für die Flußsteuerung. UDP (User Data Protokoll) ist unzuverlässiges verbindungsloses Protokoll ist. Die entsprechenden Anwendungen müssen Abfolge und Flußkontrolle selber bereitstellen, dafür ist die Datenübertragung dank eines wesentlich kleineren Headers sehr viel schneller. Die Verarbeitungsschicht umfaßt alle höherschichtigen Protokolle wie Telnet, ftp, SMTP und HTTP.

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.

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 Das bedeutet, sie überprüfen die Header der Vermittlungsschicht nicht und vermitteln daher IP, IPX gleichermaßen (Protokolltransparenz) Historische Gründe durch gewachsene Strukturen. In vielen Unternehmen entstanden zunächst abteilungseigene LANs, die früher oder später verbunden werden müssen. Geographische Gründe. LANs können sich in verschiedenen weit voneinander entfernten Gebäuden befinden. Dann ist es günstiger einzelne LANs zu benutzen, anstatt ein riesiges über das ganze Gelände verteiltes. Außerdem bestehen Beschränkungen in der Länge von LAN Segmenten und der Anzahl der angeschlossenen Knoten. Logische Aufteilung in einzelne LANs, um die Belastung zu verteilen. Was noch bei der Funktionsweise von Bridges näher erläutert wird. Steigerung der Zuverlässigkeit. Bridges können defekte Knoten davon abhalten das gesamte Netz lahmzulegen. Auch hierzu folgt eine kurze Erläuterung.

Übertragung mit Bridges

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 Dies kann auch durch einfache Repeater übernommen werden, allerdings arbeiten sie nur auf Schicht 1 des OSI Referenz Modells. Sie dienen nur der Signalverstärkung. Bridges hingegen dienen der Lastentrennung und erreichen eine verbesserte Netzkapazität, da sie lokalen vom netzübergreifenden Verkehr trennen

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.

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.

Router Den Nachrichtentransport kann man sich generell folgendermaßen vorstellen: Ein Endgerät erzeugt eine Nachricht und versieht sie auf Schicht 3 mit ihrer eigenen Netzwerkadresse und der Netzwerkadresse des Ziels. Auf Schicht 2, im LAN-Bereich auf MAC-Schicht, erhält die Nachricht die eigene MAC-Adresse des LAN-Adapters sowie die MAC-Adresse des Routers. Der Router empfängt die Nachricht, die ja auf Ebene 2 an ihn gerichtet ist, und interpretiert auf Schicht 3 die Netzwerkadressen. Durch die hierarchische Adressierung erkennt der Router das Zielnetz und leitet die Nachricht an den nächsten Router auf dem Weg zu diesem Zielnetz weiter. Hierzu versieht er die Nachricht auf Schicht 2 mit seiner MAC-Adresse und der MAC-Adresse des nächsten Routers auf dem Weg zum Zielnetz. Auf diese Weise wird die Nachricht sukzessive bis zum Router an dem Zielnetz weitergeleitet und gelangt von dort zur Zielstation

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

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.

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, Brouter oder Hybridrouter

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

Gateway

Switches kamen 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).

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 Bridges trennen zwei Netze, rein theoretisch verdoppelt sich dadurch die mögliche Leistung, aber nur wenn nicht z.B. alle Clients auf einer Seite und alle Server auf der anderen Seite der Bridge sind, denn kann die Leistung sogar unter die eines einzelnen Netzes sinken, da hier die Bridge der limitierende Faktor ist. Die Entwicklung hat schnell zu Backbones geführt, das sind Netze mit im allgemeinen höherer Leistung, die die autonomen Teile miteinander verbindet. Da aber Backbones in vielen Fällen zu teuer und überdimensioniert sind, wird eine.Funktion, die zwischen Bridge und Backbone liegt gesucht, dies ist der LAN-Switch. LAN-Switching ist eine Form des Bridgens auf OSI Schicht 2 und bringt die volle Bandbreite an jeden Port. Wie alle Verfahren auf der Schicht 2 ist auch das LAN-Switching nicht in der Lage, Broadcast- und Sicherheitswälle bzw. Schutzzonen aufzubauen. “Was nutzt der schnellste Switch, der mit ATM-Line-Speed und einer Verzögerung im Mikrosekundenbereich arbeitet, wenn dazwischenliegende Router lange an seinem Päkchen herumrechnet und umständlicherweise für jedes einzelne Paket eine neue Wegwahl durchführen muß? Switches führen heute zu einer Latenz oder Paketverzögerung zwischen 10 und 50 Mikrosekunden, Multiprotokollrouter bringen es auf 100 bis 500 Mikrosekunden oder mehr.” (Kauffels, 1996, S.826)

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

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.

Verbindugen im FPS

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).

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 Wenn nur eine Station pro Port angeschlossen ist, wird der zur Adressverwaltung benötigte Speicher deutlich reduziert. Der Zwischenspeicherung für die Pakete während der Adressuche kann ebenfalls geringer ausgelegt werden und die Rechenleistung beim Suchen sinkt.

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

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 Zieladresse ausgewertet (innerhalb der ersten 20 bis 30 Bytes)

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

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 Daher sind Layer-3 Switches schneller. ”Allerdings unterstützen sie meist nur die Protokolle IP und IPX. Router verarbeiten nahezu alle vorhandenen Protokolle, verfügen über zahlreiche Schnittstellen und stellen Zusatzfunktionen wie Filter, Accesslisten oder Firewalling bereit”

Network Control Taxonomy

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

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

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

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.

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.

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.

Allgemeine Router Architektur

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Virtual Output Queueing

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

Unicast und Multicast Traffic

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

Scheduler Algorithmus Eigenschaften Hoher Durchsatz Kein Verhungern Schnell Einfach zu implementieren

ESLIP Algorithmus Iterativer Algorithmus Jede Iteration besteht aus drei Schritten Schritt 1: Request Schritt 2: Grant Schritt 3: Accept

ESLIP Algorithmus

Cisco 12000-Serie Gigabit Switched Router Feste Paketlänge Virtual Output Queueing Prioritäten Speedup Unicast und Multicast ESLIP

Cisco 12000-Serie Anwendungen Internet Backbones Hohe Kapazität für Internetzugang Unternehmens-WAN/MAN

Cisco 12000-Serie 12004 mit 5 Gbps Bandbreite und 4 konfigurierbaren Chassis Slots 12008 mit 10-40 Gbps Bandbreite und 8 konfigurierbaren Chassis Slots 12012 mit 15-60 Gbps Bandbreite und 12 konfigurierbaren Chassis Slots Processor: R5000 200MHz Speicher: 64-256 MB EDO und 20 MB Flash

Literatur Detken, 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 Kauffels, F.-J. (1996) Lokale Netze 8., akt. und erw. Auflage, Bergheim: DATACOM-Buchverlag Sehr ausführlich, mit Produktinformationen McKeown, Nick Fast Switched Backplane for a Gegabit Switched Router, Standford University CA 94305-9030 www.cisco.com/warp/public/733/12000/technical.shtml Sehr gute Beschreibung des Gigabit Switched Routers. Sämtliche Bilder aus dem Routerbeispiel sind aus diesem Dokument Tanenbaum, A. S. (1997) Computernetzwerke 3. Auflage, München: Prentice Hall Peng, X. (1998) Lecture Notes Telecommunication and Broadband Systems London: Peng

Literatur Lange, M. (1998) Layer-4 Switching: Routing mit Mehrwert, N&C 9 September S. 82-85 Sehr ehrlich, sehr informativ Muccariello, M. (1998) Switches und deren Auswirkung aufs Ethernet, electronik Journal 6. Juni S.92-94 gibt eine weitere Einteilung für Switches 3Com (1997) Flexible Intelligent Routing Engine (FIRE), 3Com