Belgrade University Aleksandra Smiljanić: High-Capacity Switching Uvod aleksandra/ASR.html aleksandra/ASR.html

Aleksandra Smiljanić: High-Capacity Switching

Belgrade University

Uvod

http://kondor.etf.rs/~aleksandra/ASR.html [email protected] Paviljon II, konsultacije: utorak 2-4PM Literatura

H.J. Chao, C.H. Lam, E. Oki, Broadband Packet Switching Technologies, John Wiley and Sons Inc., NY 2001

G. C. Sackett, Cisco Router Handbook, Mc Graw Hill, NY 1999

Izabrani radovi na veb sajtu


Belgrade University

Ispit

Ispit se radi kroz projekat. Studenti podeljeni u timove, dva/tri studenta u timu. Projekat je modeliranje i analiza performansi paketskog

sviča, odnosno rutera za zadate matrice saobraćaja. Modeliranje u programskom jeziku C. Pisani izveštaj treba da obuhvati kratak opis rutera,

algoritma, opis matrica saobraćaja, i analizu performansi sviča. Nosi 50 poena.

Studenti pojedinačno usmeno prezentiraju projekat uz slajdove, i odgovaraju na dva teorijska pitanja. Usmena prezentacija projekta nosi 34 poena, odgovori 14 poena i poseta Iritelu 2 poena.


Belgrade University

Raspored kursa

Nov. 6. - Uvod i Paketsko procesiranje. Nov. 7. - Paketsko procesiranje: IP lukap. Nov. 13. - Paketski svičevi sa izlaznim baferima i

paketski svičevi sa zajedničkim baferom. Nov. 20. - Paketski svičevi sa ulaznim baferima. Okt. 27. - Implementacija funkcionalnosti

paketskih svičeva u FPGA čipovima. Opis projekta i priprema za lab vežbe.


Belgrade University

Raspored kursa

Dec. 4. - Birkoff-von-Neumann i multistepeni svičevi

Dec. 11. – Poseta Iritelu Dec. 18., 25.– Lab vežbe


Belgrade University

Svičevi ili komutatori

Svičevi (komutatori) Sa komutacijom kola Paketski svičevi

Svičevi sa komutacijom kola Telefonske centrale Transportni svičevi

Paketski svičevi su jezgro Mostova Rutera


Belgrade University

Arhitektura Internet rutera i paketskih svičeva

Paketski procesor Procesiranje sloja 2 Lukap Segmentacija i rekonstrukcija paketa

Paketski svič (komutator) Centralni procesor

OSPF, RIP,BGP MPLS Protokoli zaštite


Belgrade University

Terminologija

Paketski svič ili komutator je sastavni deo mosta ili Internet rutera.

Pošto most odnosno ruter najpre odrede svoj izlazni port na koji je okvir odnosno paket usmeren na osnovu MAC adrese okvira odnosno IP adrese paketa.

Zatim je okvir odnosno paket prosleđen kroz komutator. Komutator sadrži bafere. Kontroler komutatora određuje da li i kada će okviri odnosno paketi biti prosleđeni kroz komutator.

Vendori mostove zovu svičevima (na engleskom Ethernet switch obavlja i funkcije mosta).


Belgrade University

Arhitektura Internet rutera

ULAZNO IZLAZNIMODUL

ULAZNOIZLAZNIMODUL

ULAZNOIZLAZNIMODUL

KOMUTATORGENERATOR

TAKTACENTRALNI PROCESOR


Belgrade University

Arhitektura Internet rutera (3D)

UIM UIM UIM UIM UIM UIMKOM CP


Belgrade University

Ulazno-izlazni modul-Paketski procesor

PROCESORFIZIČKOG

SLOJA

PROCESORSLOJALINKA

MREŽNIPROCESOR BAFER

BAFERMREŽNI

PROCESOR

PROCESORSLOJALINKA

PROCESORFIZIČKOG

SLOJA

LUKAPMEMORIJA

SPI-4,(POS-PHY-4)SFI-4

SFI-4 SerDes Framer InterfaceSPI-4 System Packet Interface


Belgrade University

Standardizovani interfejsi čipova SFI-x (SerDes Framer Interface) i SPI-x (System Packet

Interface) su OIF (Optical Internetworking Forum) standardi.x=3 za 2.4Gb/s, x=4 za 10Gb/s i x=5 za 40Gb/s brzinu portova

SFI-x je interfejs između SerDes čipa optičkog primopredajnika i procesora fizičkog sloja. Može povezati više čipova koji izvršavaju protokole fizičkog sloja. Definiše format signala, i klokova, kao i proces kodovanja i sinhronizacije.

SPI-x je interfejs preko koga se prenose paketi promenljive dužine. Definiše format signala, i klokova, kao i kontrolu toka. Takođe razgraničava pakete i adresira kanale kojima paketi pripadaju.


Belgrade University

Paketski procesor SDH frejmer prilagodjava SDH signal

transiverima na ploči, i procesira SDH zaglavlje Procesor sloja linka izdvaja okvire i pakete,

dekoduje signal i konvertuje signal u odgovarajući format

Mrežni procesor obrađuje IP zaglavlje, i vrši IP lukap, odnosno određuje izlazni port na osnovu IP adrese

Paketi, odnosno ćelije se čuvaju u baferima pre i/ili posle komutacije


Belgrade University

Proizvođači

Vendori čipova su: Agere Systems, PMC Sierra, Broadcom, Mindspeed, Vitesse Semiconductors, AMCC, Exar Corporation, Conexant Systems, Marvell Technology Group, takođe i velike kompanije kao Agilent, Freescale, Intel IBM, Infineon, Motorola, Texas Instruments, Toshiba.

Vendori koji proizvode rutere i svičeve: Cisco, Juniper, Huawei, ZTE, Avici, Chiaro, Allied Telesyn i druge.


Belgrade University

Skalabilnost

Skalabilni ruteri, odnosno ruteri velikog protoka, smanjuju broj tranzitnih portova, a samim tim: cenu mreže, kašnjenje i verovatnoću otkaza usled kompleksnosti mreže.

Dve funkcije su usko grlo u ruterima velikog kapaciteta: IP lukap Komutiranje paketa, odnosno ćelija


Belgrade University

IP lukap Najjednostavniji algoritam je trie algoritam koji se zasniva

na stablu sa prefiksima IP adresa koji su mrežne adrese. Najduži prefiks odgovara listu stabla, koji sadrži i ID

izlaznog porta. Stablo i portovi se čuvaju u brzoj memoriji, SRAM-u. U najgorem slučaju broj pristupa memoriji je jednak

dužini adrese, 32 kod IPv4 i 128 kod 128 IPv6. Na 10Gb/s, najkraći paket je 50ns, a pristup memoriji traje

5-10ns.


Belgrade University

Arhitektura komutatora (svičeva)

Paketski svičevi sa baferima na izlazu Paketski svičevi sa zajedničkim baferom Paketski svičevi sa baferima na ulazu Birkoff-von-Neumann svičevi Torusni svičevi Clos svičevi


Belgrade University

Svičevi sa izlaznim baferima Ako više paketa dolaze istovremeno za isti izlazni

port, oni se memorišu u baferu tog izlaza. U najgorem slučaju paketi sa svih ulaza dolaze na

isti izlaz, te protok bafera mora biti jednak protoku sviča.

Protok sviča je ograničen protokom bafera. Opsluživanje paketa u svakom baferu kontroliše

poseban kontroler, ili skedžuler. Ovo omogućava visok kvalitet servisa: rezervacije kapaciteta, garancije kašnjenja i fer servis za saobraćaj najboljeg pokušaja.


Belgrade University

Svičevi sa zajedničkim baferom Svi paketi se upisuju u isti bafer i ispisuju iz istog

bafera. Protok bafera je dva puta veći od protoka sviča, ili

protok sviča je duplo manji od maksimalnog protoka bafera.

Broj bafera visokog protoka je N puta manji, gde je N broj portova.

Opsluživanje paketa je takođe nezavisno pa se postiže isti kvalitet servisa, s tim što je memorija za čuvanje paketa po izlazu manja.


Belgrade University

Svičevi sa ulaznim baferima Kapacitet sviča se povećava kada su baferi na ulazu.

Baferi više ne limitiraju protok sviča. Paketi se iz ulaznih bafera šalju na izlaze kroz kros-bar. Kros-bar je takav da u nekom trenutku ulaz šalje najviše

jedan paket i izlaz prima najviše jedan paket. Uzimajući u obzir funkcionisanje kros-bara, i informaciju

o paketima u baferima, kontroler prosleđuje pakete kroz kros-bar.

Opsluživanje paketa postaje kompleksno, pa je teško ostvariti kvalitet servisa.


Belgrade University

Birkoff-von-Neumann svičevi Paketi se segmentiraju na ćelije i te se ćelije prosleđuju

kroz TDM svič na ulazu, u memorije. Iz memorija se ćelije čitaju kada dođu na red za

opsluživanje, opet kroz TDM svič, sada na izlazu. Na svakom izlazu se odlučuje o redosledu opsluživanja

ćelija, a prema TDM rasporedu. Prednost je to što nije potreban centralni kontroler. Mana je što može doći do katastrofalnog blokiranja. O tome koliko je fer servis nema podataka.


Belgrade University

Torusni svičevi

Torusni svič je multistepeni. Svaki ulazno-izlazni modul ima svoj svič preko

koga je povezan sa 6 susednih ulazno-izlaznih modula.

Prednost ove arhitekture je da se lako proširuje. Mana ovakvog sviča je da je blokirajući, i unosi

dugo kašnjenje paketa. Ne zna se ništa o tome koliko fer servis pruža ova

arhitektura.


Belgrade University

Clos svičevi Clos svič je višestepeni svič, konkretno trostepeni. Svičevi u ulaznom stepeni su povezani sa svičevima u

srednjem stepenu koji su povezani sa svičevima u izlaznom stepenu.

Paketi su podeljeni na ćelije koje se balansiraju kroz svičeve u srednjem stepenu tako da su svi linkovi u sviču jednako opterećeni.

Ne postoji potreba za centralnim kontrolerom. Može biti neblokirajući. Ne zna se puno o tome koliko je opsluživanje paketa fer.


Belgrade University

Transportni svičevi Transportni svičevi komutiraju kola, što znači da

alociraju fiksni kapacitet između portova. Ovaj fiksni kapacitet se zapravo sporo menja.

Transportni svičevi komutiraju SDH signale, koji u sebi nose ili TDM signale ili pakete.

Kompanije koje proizvode transportne svičeve su tradicionalni telekomunikacioni vendori i druge novije kompanije: Lucent, Siemens, Ericsson, Huawei, ZTE, NEC, Ciena, ali i domaća firma Iritel.


Belgrade University

Paketsko procesiranje

Podrazumeva obradu paketa sve dok nije sačuvan u memoriju komutatora (sviča).

Najbolje razumevanje o pojedinim funkcijama se dobija kroz zaglavlja protokola koji se implementiraju.


Belgrade University

Procesor fizičkog sloja

PROCESOR FIZIČKOG

SLOJA

PROCESORSLOJALINKA


BAFERMREŽNI

PROCESOR

PROCESORSLOJALINKA

PROCESORFIZIČKOG

SLOJA

LUKAPMEMORIJA

POS-PHY-4,SPI-4SFI-4

SFI-4 SerDes Framer InterfaceSPI-4 System Packet Interface je osnova za POS-PHY-4 (ili PL-4)


Belgrade University

SDH (SONET) funkcije TDM hijerarhija služi da se između rutera mogu obezbediti fleksibilni

protoci. PDH (Plesio-chronous Digital Hierarchy) pruža kapacitete do 565Mb/s, a SDH do 40Gb/s.

Osnovno multipleksiranje je grubo, u PDH svaki sledeći nosioc ima 4 puta veći protok od prethodnog počev od E1 od 2Mb/s, kao i u SDH nosioci sadrže 1-1024 nosioca STM-1 sa protokom 155Mb/s. SONET ima nosioce sa 3,6,12,18,24,36,48,192, 468 i 3072 nosioca OC-1 sa protokom od 52Mb/s.

Kod SONET-a DS3=OC1, kod SDH E4=STM-1 VCAT (Virtual Concetanation) i LCAS (Link Capacity Adjustment

Scheme) se koriste da bi između rutera mogle da se dinamički obezbede flexibilni kapaciteti linkova.

SDH takođe omogućava da se otkriju problemi transmisije na linku, sekciji ili putanji.


Belgrade University

VCAT i LCAS VCAT omogućava fleksibilniju podelu kapaciteta nego

SDH i to na različite načine. Prvo, uzastopno sporiji nosioci mogu da se spoje i da im

se dodeli kraće zajedničko zaglavlje, pri čemu se povećava efikasnost kanala.

Moguće je takođe da se spajaju nosioci koji nisu uzastopni, a koji su na raspolaganju, da bi se preneo kanal veće bitske brzine. Ovakva grupa nosioca se zove VCG (Virtual Concatenation Group).

LCAS je signalizacioni protokol sa kraja na kraj, sa dvostrukim rukovanjem, kojim se usklađuju kapaciteti predajnika i prijemnika.


Belgrade University

Procesor fizičkog sloja

Prima signal, izdvaja takt iz njega, uobličava signal, uklanja smetnje, usaglašava fazu signala i vrši detekciju bita.

Vrši dekodovanje bita. Ukoliko se paketi prenose preko TDM signala

(PDH, SDH): procesor izdvaja zaglavlja, i vrši demultipleksiranje odnosno multipleksiranje.

Vrši konverziju signala u format potreban sledećem bloku.


Belgrade University

Procesor sloja linka

PROCESOR FIZIČKOG

SLOJA

PROCESORSLOJALINKA


BAFERMREŽNI

PROCESOR

PROCESORSLOJALINKA

PROCESOR FIZIČKOG

SLOJA

LUKAPMEMORIJA




Belgrade University

Popularna zaglavlja sloja linka

HDLC

PPP

Eternet


Belgrade University

Popularna zaglavlja sloja linka Popularni protokoli sloja linka su HDLC, PPP, i Eternet Zajedničke polja su: flegovi, adresa destinacije, kontrolna

suma za proveru ispravnosti okvira, i mrežni protokol. HDLC ima i kontrolno polje kojom se određuje vrsta

okvira (informacioni, nadzorni ili nenumerisani) koji obezbeđuje pouzdanost pomoću protokola sa klizećim prozorom.

PPP obično nema adresu destinacije. LCP (Link Control Protocol) okviri uspostavljaju i konfigurišu vezu. NCP (Network CP) okviri konfigurišu mrežni sloj.

Eternet ima i polje za dužinu paketa. PAUSE komande regulišu gustinu saobraćaja i šalju se na multikast adresu.


Belgrade University

Procesiranje na sloju linka Zajedničke funkcije za popularne slojeve linka su:

Razgraničavanje okvira pomoću flegova (kod Eterneta i dužine okvira)

Izdvajanje adrese destinacije i prijem okvira ako se adresa destinacije poklapa sa lokalnom adresom,

Provera ispravnosti okvira, Određivanje mrežnog protokola. Implementacija protokola klizećeg prozora kod HDLC protokola.

Obrada LCP i NCP okvira kod PPP protokola. Obrada PAUSE okvira kod Eterneta. Popunjavanje okvira

kod Gigabitnog Eterneta.


Belgrade University

Mrežni procesor

SDHFREJMER

PROCESORSLOJALINKA


BAFERMREŽNI

PROCESOR

PROCESORSLOJALINKA

SDHFREJMER

LUKAPMEMORIJA




Belgrade University

IPv4 zaglavlje

Version (4 b) hdr lnth (4 b)

TOS

total length

pkt id

offsetdf mf (3 b)

offset (cont’d)

TTL (time to live)

protocol

hdr checksum

source

destination

options

padding

2

2

2

4

4

Variable (<40B)

variable

Don’t FragmentMore Fragments

TCP,UDP

1

1

1


Belgrade University

IPv6 zaglavlje

(4 bits)TOS flow label (20 bits)

vers(8 bits)

payload length (2 B) Next (1 B) Hops (1 B)

Source (128 bits)

Destination (128 bits)

hop by hop hdr, or dest info, or authentication hdr, or fragmentation hdr ...


Belgrade University

Procesiranje na mrežnom sloju Zajedničke funkcije IPv4 i IPv6 su sledeće: određivanje

prioriteta (polje ToS), razgraničavanje pakete preko njegove dužine, ažuriranje broja hopova, i izdvajanje IP adresa.

IPv4 obavlja dodatne funkcije provere ispravnosti zaglavlja, i segmentacije te rekonstrukcije paketa.

IPv6 ima u sebi adresu toka da bi pružio mogućnost uspostavljanja veze na ovom nivou.

Obe verzije pružaju razne opcije među kojima su najvažnije: eksplicitno zadavanje putanje i autentifikacija.


Belgrade University

Procesiranje na mrežnom sloju Mrežni procesor obavlja sledeće funkcije:

Određuje prioritet paketa i smešta ga u odgovarajući red za čekanje

Odbacuje paket ako je broj hopova veliki, u suprotnom inkrementira broj hopova

Izdvaja IP adresu destinacije, i vrši lukap Proverava ispravnost zaglavlja (IPv4) Vrši segmentaciju odnosno rekonstrukciju paketa (IPv4 ili IPv6

opcije)

Vrši autentifikaciju paketa, proveru integriteta paketa, dešifrovanje odnosno šifrovanje paketa (IPSec)


Belgrade University

Paketsko procesiranje: Primer implementacije

PHY

GMII Rx MACIP

CHECK

LOOKUP+SRAMCONT

SEGMENT.

DRAMCONT.

SGS

DRAM

SERDESSRAM

CPU INTERFACE

GMII Tx MAC REASSEM.

CROSSBAR

CPU


Belgrade University

Paketsko procesiranje Paket prima modul PHY, a zatim ga proverava modul

MAC i predaje mrežnom modulu. Mrežni procesor izdvaja iz IP zaglavlja važna polja, pre

svega prioritet i IP adresu destinacije. Mrežni modul na osnovu IP adrese određuje izlazni port

konsultujući SRAM sa lukap tabelom. Lukap tabelu se ažurira na osnovu informacije o topologiji

mreže koju dobija iz centralnog procesora. CPU dobija OSPF pakete iz mrežnog procesora.

Paket se segmentira na ćelije jednake dužine, i na osnovu prioriteta i izlaznog porta paketa se smešta u SDRAM memoriju.

Documents

Belgrade University Aleksandra Smiljanić: High-Capacity Switching Uvod aleksandra/ASR.html aleksandra/ASR.html