router und switches christa eekhoff christine reckziegel 06.01.1999 hochschule bremen rst labor
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Router und SwitchesRouter und Switches
Christa EekhoffChrista Eekhoff
Christine ReckziegelChristine Reckziegel
06.01.199906.01.1999
Hochschule Bremen Hochschule Bremen RST LaborRST Labor
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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)
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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
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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
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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)
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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.
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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
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Übertragung mit BridgesÜbertragung mit Bridges
Open System A Open System B
Verarbeitung VerarbeitungDarstellung DarstellungSitzung SitzungTransport Bridge TransportVermittlung VermittlungVerbindung Verbindung Verbindung
Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung
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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
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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.
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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.
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RouterRouter
Open System A Open System B
Verarbeitung VerarbeitungDarstellung DarstellungSitzung Router SitzungTransport TransportVermittlung Vermittlung VermittlungVerbindung Verbindung Verbindung VerbindungBitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung
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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
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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.
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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
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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
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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
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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).
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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
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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
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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.
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Verbindugen im FPSVerbindugen im FPS
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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).
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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RoutingRouting
Router sollen einen optimaler Weg durchs Gesamtnetz realisieren.
Qualitätskriterien sind hierbei Auslastung
Durchsatz
Gebühren
Wartezeit
Verkehrstrennung usw.
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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.
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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.
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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.
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Allgemeine Router Architektur Allgemeine Router Architektur
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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
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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
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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
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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
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High-Performance RouterHigh-Performance Router
Switched Backplane ASICs für Forwarding
Decision simultane Verarbeitung
und Transport der Pakete
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Vorteile Crossbar SwitchVorteile Crossbar Switch
Verbindungen sind Punkt-zu-Punkt Verbindungen
sehr schnelle Verbindungenreduzierte elektromagnetische Interferenzeinfache Struktur Pakete können gleichzeitig übertragen werden
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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
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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
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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
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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
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Virtual Output QueueingVirtual Output Queueing
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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
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Unicast und Multicast TrafficUnicast und Multicast Traffic
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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
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Scheduler AlgorithmusScheduler Algorithmus
Eigenschaften Hoher Durchsatz Kein Verhungern Schnell Einfach zu implementieren
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ESLIP AlgorithmusESLIP Algorithmus
Iterativer AlgorithmusJede Iteration besteht aus drei Schritten
Schritt 1: Request Schritt 2: Grant Schritt 3: Accept
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ESLIP AlgorithmusESLIP Algorithmus
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Cisco 12000-SerieCisco 12000-Serie
Gigabit Switched RouterFeste PaketlängeVirtual Output QueueingPrioritätenSpeedupUnicast und MulticastESLIP
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Cisco 12000-SerieCisco 12000-Serie
Anwendungen
Internet Backbones
Hohe Kapazität für Internetzugang
Unternehmens-WAN/MAN
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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
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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
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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