Router und SwitchesRouter und Switches

Christa EekhoffChrista Eekhoff

Christine ReckziegelChristine Reckziegel

06.01.199906.01.1999

Hochschule Bremen Hochschule Bremen RST LaborRST Labor

OSI-ReferenzmodellOSI-Referenzmodell

7 Anwendungsschicht (Application Layer)

6 Darstellungsschicht (Presentation Layer)

5 Sitzungsschicht (Session Layer)

4 Transportschicht (Transport Layer)

3 Vermittlungsschicht (Network Layer)

2 Verbindungsschicht (Data Link Layer)

1 Bitübertragungsschicht (Physical Layer)

TCP/IP ModellTCP/IP Modell

Verarbeitung OSI-Schicht 5-7

Transport OSI-Schicht 4

Internet OSI-Schicht 3

Host-an-Netz OSI-Schicht 1-2

OSI und TCP/IP ModellOSI 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/IPTCP/IPDie 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)

KopplungselementeKopplungselemente

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.

BridgesBridges

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

Übertragung mit BridgesÜbertragung mit Bridges

Open System A Open System B

Verarbeitung VerarbeitungDarstellung DarstellungSitzung SitzungTransport Bridge TransportVermittlung VermittlungVerbindung Verbindung Verbindung

Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung

BridgesBridges

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

Vor- und Nachteile von BridgesVor- 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.

RouterRouter

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.

RouterRouter

Open System A Open System B

Verarbeitung VerarbeitungDarstellung DarstellungSitzung Router SitzungTransport TransportVermittlung Vermittlung VermittlungVerbindung Verbindung Verbindung VerbindungBitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung

RouterRouter

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

RouterRouter

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.

RouterRouter

“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

GatewayGateway

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

GatewayGateway

Open System A Gateway Open System B

Verarbeitung Verarbeitung VerarbeitungDarstellung Darstellung Darstellung DarstellungSitzung Sitzung Sitzung SitzungTransport Transport Transport TransportVermittlung Vermittlung Vermittlung VermittlungVerbindung Verbindung Verbindung VerbindungBitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung

SwitchesSwitches

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).

SwitchesSwitches

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

Fast Packet Switching (FPS)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

FPSFPSIm 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 FPSVerbindugen im FPS

FPSFPS

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 EthernetDedicated Ethernet

Ethernet-Switching-TechnologieTechnisch gesehen ist ein Dedicated

Ethernet Switch Port ein Bridge PortWenn jedes Endgerät einen eigenen Port

hat, wird kein Router Port benötigt. Kein Shared Medium mehr; jeder einzelnen

Station soll volle Bandbreite zur Verfügung stehen

Store and Forward / Cut ThroughStore 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 ThroughVor- und Nachteile von Cut Through

Geringerer SpeicherbedarfKürzere Latenzzeiten

Zwischenspeicherung trotzdem notwendig

wenn Konversion vorgenommen werden muß bei verschiedene Netztypen

wenn der Ziel Port nicht frei ist

Problem bei Cut ThroughProblem 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 SwitchLayer-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

Network Control TaxonomyNetwork Control Taxonomy

Layer 3 Routeeverywhere

Layer 3Cut-through

Route onceswitch afterwards

Layer 2/3 Switch where you can,route where you must

Control

Layer 2 Switcheverywhere

Cost

Route Once Switch AfterwardsRoute 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 SwitchesLayer-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

RoutingRouting

Router sollen einen optimaler Weg durchs Gesamtnetz realisieren.

Qualitätskriterien sind hierbei Auslastung

Durchsatz

Gebühren

Wartezeit

Verkehrstrennung usw.

Routing ProtokolleRouting 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 RoutersTCP/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 RoutersTCP/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 Allgemeine Router Architektur

Router mit zentraler CPURouter mit zentraler CPU

Zentrale CPUgemeinsamer BusPaket von Eingang über

den Bus zur CPUPaket von der CPU über

den Bus zum AusgangNachteil: CPU muß für

jedes Paket routing Entscheidungen treffen

Router mit parallelen CPUsRouter 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 LeitungskartenRouter 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 LeitungskartenRouter 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 RouterHigh-Performance Router

Switched Backplane ASICs für Forwarding

Decision simultane Verarbeitung

und Transport der Pakete

Vorteile Crossbar SwitchVorteile Crossbar Switch

Verbindungen sind Punkt-zu-Punkt Verbindungen

sehr schnelle Verbindungenreduzierte elektromagnetische Interferenzeinfache Struktur Pakete können gleichzeitig übertragen werden

Warum Switched BackplaneWarum 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 Warum Feste Paketlänge

Pro Zeiteinheit kann ein Paket übertragen werden

zu Beginn einer Zeiteinheit sind alle Ports freiVerwaltung einfacherHöherer DurchsatzZeit für zerteilen und Zusammenbau von

Paketen kann vernachläßigt werden

BlockingBlocking

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

BlockingBlocking

Output 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 QueueingVirtual Output Queueing

Unicast und Multicast TrafficUnicast und Multicast Traffic

Für Multicast werden zusätzliche Queues benötigt

Crossbar Switches integrierte KopierfunktionEin Eingang kann mit mehreren Ausgängen

verbunden werdenspart Speicher in den Eingangsqueues

Unicast und Multicast TrafficUnicast und Multicast Traffic

Fanout-SplittingFanout-Splitting

Multicast Paket wird auf möglichst viele frei Ausgangsports geschickt

Paket muß nicht warten bis alle Ausgangsports frei sind

höherer Durchsatznicht schwer zu implementieren

Scheduler AlgorithmusScheduler Algorithmus

Eigenschaften Hoher Durchsatz Kein Verhungern Schnell Einfach zu implementieren

ESLIP AlgorithmusESLIP Algorithmus

Iterativer AlgorithmusJede Iteration besteht aus drei Schritten

Schritt 1: Request Schritt 2: Grant Schritt 3: Accept

ESLIP AlgorithmusESLIP Algorithmus

Cisco 12000-SerieCisco 12000-Serie

Gigabit Switched RouterFeste PaketlängeVirtual Output QueueingPrioritätenSpeedupUnicast und MulticastESLIP

Cisco 12000-SerieCisco 12000-Serie

Anwendungen

Internet Backbones

Hohe Kapazität für Internetzugang

Unternehmens-WAN/MAN

Cisco 12000-SerieCisco 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 200MHzSpeicher: 64-256 MB EDO und 20 MB Flash

LiteraturLiteratur

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

LiteraturLiteratur

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