Routing vs. Switching

Simon Osiander

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Motivation

• Veränderung der Internetlandschaft– Anstieg der Nutzerzahlen– Multimedia u. Echtzeitanwendungen

Entwicklung neuer Techniken– Multilayer Switch– Layer 3 Switch– IP Switch– Routing Switch– Switching Router– Wire Speed Router– Swoter 0

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1996 1997 1998 1999 2000 2001

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New WorldNew WorldOld WorldOld World

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Gliederung

• Überblick: aktive Netzkomponenten– Bridge– Switch– Router

• Layer 3 Switching

• Ausblick: – Layer 4 Switching

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Bridge 1

• Segmentiert Netzwerke• arbeitet auf OSI-Schicht 2

Protokolltransparentunsichtbar für vernetzte Endgeräte

• 2 Konzepte• Transparente-Bridge/Spanning-Tree-Bridge• Source Routing Bridge

F G H

D E

B2B1 CA B

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Bridge 2

• Transparente Bridge• Einfache Installation• Problem bei mehreren Switches: SchleifenSpanning Tree • schlechte Nutzung der Bandbreite

• Source-Routing-Bridge– angeschlossene Maschinen müssen Routen kennen– Rahmen trägt High-Order-Bit und Route

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Switch

• gleiche Funktion wie Bridge, aber mehr Ports (Multiport Bridge)

• ermöglicht parallelen Datentransfer gesamte Bandbreite steht zur Verfügung

C C S

C C S

BC C S C C S

C C S

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Switch - Interner Aufbau

• Matrix Switch– alle Ports sind miteinander verbunden– im Switch werden direkte Verbindungen geschaltet

• Backplane Switch– gemeinsamer Hochgeschwindigkeitsbus für alle Ports

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Switch -Methoden der Weiterleitung

• Store and Foreward Switching– Frames werden komplett gelesen und zwischengespeichert– fehlerhafte Pakete werden erkannt

• Cut-Through Switching– liest nur ersten 14 Bytes des Frames– keine Fehlererkennung– alle Ports haben gleiche Geschwindigkeit

• heutige Switches arbeiten mit Store and Foreward

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Router

• Verbinden Netze auf Schicht 3 des OSI-Modells• nicht protokoll-transparent• Aufgaben:

– Segmentierung in Broadcastbereiche– Bereitstellung eines WAN-Zugriffes– Sicherheit (Firewall Service)– Routing

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Routing

• Prozeß der “optimalen” Wegwahl von Datenpaketen

• statisches Routing– Routen sind fest vorgegeben

• dynamisches Routing– Routen werden neu ermittelt– Router tauschen untereinander Informationen mit Hilfe von

Routing-Protokollen aus ( z.B OSPF, RIP )

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Routing

• Niedrige Performance durch aufwendige Verarbeitungsabläufe– lesen und ändern des Headers in jedem Paket– Suchen der Adresse in Routing Tabelle O(log2n) Switch O(1)– Softwarebasiert

• kein flexibles Routing– nur “Shortest Path”– ungleichmäßige Auslastung

• Router werden zu Flaschenhälsen

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Aktuelle Entwicklung

• Entwicklung von Router/Routing Techniken die Mängel beheben neue Funktionalitäten bieten • Geschwindigkeit eines Switches• Schicht 3 Routing• billiger als Router• QoS

Layer-3-Switching

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Kantenmodell

• Schicht 3 Intelligenz an Netzkanten, im Kern wird geswitcht

• Router werden durch Erzeugung von “Shortcuts” umgangen

• “route once, switch thereafter”• Implementiert durch:

• 3Com’s Fast IP• Cabletron’s Secure Fast Virtual Network Architecture• Cascade’s IP Navigator

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Fast IP (3Com)

• Arbeitet mit NHRP (Next Hop Resolution Protocol)

• NBMA Netz aufgeteilt in 3 LIS (logische IP Subnetze)• Kommunikation zwischen Zwischen Subnetzen nur über

Router möglich

LIS1 LIS2 LIS3

Router1 Router2

A B

NBMA Netzwerk ohne NHRP

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Fast IP (3Com)

• NHRP liefert NBMA Adresse (z.B MAC)• hops werden reduziert

LIS1 LIS2 LIS3

Router1 Router2

A B

NBMA Netzwerk mit NHRP

NHS1NHS2 NHS3

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• B erhält Request und schickt Response zurück • Nicht geroutet, sondern über Switches• A erhält die NHRP Response und leitet den

Verkehr zu Host B umHost A

Router

Host B

Switched LAN Infrastructure

Host A

Router

Host B

Switched LAN Infrastructure

NHRP Anfrage

Host A

Router

Host B

Switched LAN Infrastructure

NHRP Anfrage

Host A

Router

Host B

Switched LAN Infrastructure

NHRP Antwort

Host A

Router

Host B

Switched LAN Infrastructure

Fast IP shortcut

Fast IP (3Com)

• A möchte Daten zu B schicken • B ist in anderem Subnetz• A startet standard IP Übertragung • Gleichzeitig NHRP Request in Richtung B

Simon Osiander

Kernmodell

• Besitzt auch im Kern Schicht-3-Intelligenz• Definition von Flußklassen• Zuordnung anhand ersten Paketes• Labels

• Implementiert durch:• Cisco’s TAG-Switching , NetFlow• Ipsilon’s IP Switching • MPLS (IETF-Standardisierung)

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TAG-Switching

• Tag Switch Router nehmen an Routing Protokollen teil• TSR generieren lokale Tags für erreichbare Routen• Austausch der Tags über Tag Distribution Protocol• Nur Netzzugangs TSR trifft Routing Entscheidung

Kanten TSR

TSR

Routing Protokoll & TDP

Verkehrsfluß

NetzzugangAusgang

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Weiterleitungkomponente 1

• Tag-Information kann in einem Paket auf verschiedene Weisen Tranpotiert werden• Tag-Header zwischen Schicht 2 und 3 Header• Als Teil des Schicht 2 Header (ATM)• Als Teil des Schicht 3 Header (Flußlabelfeld in IPv6)

• Weiterleitungsinformation steht in Tag Information Base• Eintrag besteht aus:

• eingehendes Tag• ausgehendes Tag• ausgehende Schnittstelle• ausgehende Verbindungsinformation (z.B. MAC Adr.)

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Weiterleitungkomponente 2

• Weiterleitungsoperation basiert auf “Label-Swapping”

Tag=111MAC='a13' 1

2

3

4

TIBeingehend ausgehend

Tag=111 Tag=555Schnittstelle=4MAC='abc'

......

......

Tag=555MAC='abc'

Tag Switching Router

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Kontrollkomponente

• Erzeugt Tag-Bindungen und verteilt sie unter den Tag-Switches

• Beinhaltet Routing Protokolle und Tag Distibution Protocol

• Sammlung von Modulen mit speziellen Routingfunktionen• Zielorientiertes Routing• Multicast• Flexibles Routing• Dienstqualität (Quality of Service)

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MPLS

• Standardisierung der IETF für “label switching”

• Ziele:– Besseres Preis/Performance von Netzwerkschicht

Routing– Skalierbarkeit des Schicht 3 Routings– Flexibilität in der Auslieferung von Routing Services

• kein spezifisches Schicht 3 Protokoll• Unterstützung für viele Schicht 2 Technologien ( Frame

Relay, ATM, Ethernet, Token Ring)

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MPLS

• Standardisierungen:– Protokolle für zielorientiertes, Multicast u.

hierarchisches Routing– Unterstützung Expliziter Routen– Label-Transport, Label-Kapselung– QoS

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Layer 4-Switching

• Paketweiterleitung auf Basis der Schicht 4 Information (z.B. TCP oder UDP Adresse)

• Layer 4-Switches vermitteln unmittelbar zwischen Anwendungen

• Nachteil:• große Tabellen

• Vorteil:• Priorisierung von Anwendungen (QoS)• zusätzliche Sicherheits- und Managegementfunktionen

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Literatur

1. Layer 3 Switching: An Introduction By Robert Ciampa , http://www.3com.com/technology/tech_net/white_papers/500660.html2. Next-Generation Routing for ISPs:Cascade's IP Navigator and Cisco's Tag Switching By Chuck Semeria, http://www.3com.com/nsc/501317.html3. Next-Generation Routing for Enterprise Networks: 3Com's Fast IP, Cisco's NetFlow Switching, Ipsilon's IP Switching, and Cabletron's Secure Fast By Chuck Semeria , http://www.3com.com/technology/tech_net/white_pa pers/500636a.html4. IP-Switching, http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-97/ip_switching5. IP Switching and Label Switching, http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788 -996. ftp://ftp.netlab.ohio-state.edu/pub/jain/courses/cis788-97/ip_over_atm/index. htm7. Xipeng Xiao and Lional M. Ni “Internet QoS:the Big Picture”8. Uyless Black, “Internet-Technologien der Zukunft”, Addison-Wesley9. Dr. Franz-Joachim Kauffels, “Lokale Netze”, MITP