router - Weblearn
Werbung
Hochschule Bremen Router und Switches Christa Eekhoff Christine Reckziegel 06.01.1999 RST Labor OSI-Referenzmodell 7 6 5 4 3 2 1 Anwendungsschicht (Application Layer) Darstellungsschicht (Presentation Layer) Sitzungsschicht (Session Layer) Transportschicht (Transport Layer) Vermittlungsschicht (Network Layer) Verbindungsschicht (Data Link Layer) Bitübertragungsschicht (Physical Layer) TCP/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 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 Kommunikation zweier Hosts über mehrere Netze. Zwei Ende-zu-Ende Protokolle sind definiert: TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Data Protokoll) 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 OSIReferenz Modells vermitteln die Pakete nur aufgrund der Adressierungsart des Protokolls der Verbindungsschicht, z.B. MAC (Medium Access Control) Adresse Übertragung mit Bridges Open System A Open System B Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Verbindung Bitübertragung Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Verbindung Bitübertragung Bridge Verbindung Bitübertragung Bitübertragung 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 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 Open System A Open System B Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Verbindung Bitübertragung Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Verbindung Bitübertragung Router Vermittlung Verbindung Verbindung Bitübertragung Bitübertragung 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 Verbindungsund Vermittlungsschicht unterstützen im Gegensatz zu Brücken das Segmentieren, Numerieren und Wiederzusammensetzen von Paketen, dies ist notwendig, da die zulässigen Paketgrößen verschiedener Protokolle meist differieren Nachteil von Routern ist, daß sie protokollabhängig 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 OSIReferenzmodells ab. Dies beinhaltet: Adressumsetzung, Formatumsetzung, Codekonvertierung, Paketzwischenspeicherung, Paketbestätigung, Flußkontrolle sowie Geschwindigkeitsanpassung Gateway Open System A Gateway Open System B Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Verbindung Bitübertragung Verarbeitung Darstellung Darstellung Sitzung Sitzung Transport Transport Vermittlung Vermittlung Verbindung Verbindung Bitübertragung Bitübertragung Verarbeitung Darstellung Sitzung Transport Vermittlung Verbindung Bitübertragung 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 HighPerformance-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 Fast Packet Switching (FPS) soll mittelfristig das wirklich betagte X.25 ablösen ist ein grundlegendes Verfahrensprinzip für die Hochgeschwindigkeits-Hochleistungskommunikation 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 Übertragungsmedium 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 Flußund 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 Store and Forward / Cut Through Normalerweise Store- and ForwardArchitektur Paket vor der Weiterleitung vollständig zwischengespeichert und auf Fehler untersucht Bei Cut Through wird das Paket weitergeleitet 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 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 zwischengespeichert 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 verflacht 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 Multifunktionsprozessoren und implementieren die Routingfunktion in Software Network Control Taxonomy Control Layer 3 Layer 3 Cut-through Layer 2/3 Layer 2 Route everywhere Route once switch afterwards Switch where you can, route where you must Switch everywhere Cost Route Once Switch Afterwards Zusätzlich zu Routinginformation werden die Einstellungen für die ASICs und die AusgangsPortnummer 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 RoutingProtokolle 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 herabgesetzt. 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) erstes Paket in der Queue blockiert nachfolgende Lösung: Virtual Output Queueing (VOQ) Input Blocking mehrere nichtleere VOQ Lösung: Prioritätsklassen 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 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
