4 LAN Switching

(1)

Roland Wism ¨uller Universit ¨at Siegen

rolanda.dwismuellera@duni-siegena.dde Tel.: 0271/740-4050, B ¨uro: H-B 8404

Stand: 29. M ¨arz 2021

Rechnernetze I

SoSe 2021

(2)

Rechnernetze I

SoSe 2021

4 LAN Switching

(3)

4 LAN Switching ...

Inhalt

➥ Weiterleitungstechniken

➥ Switching: Einf ¨uhrung

➥ Lernende Switches

➥ Spanning-Tree-Algorithmus

➥ Virtuelle LANs

➥ Peterson, Kap. 3.1, 3.2, 3.4

➥ CCNA, Kap. 5.2

(4)

4.1 Weiterleitungstechniken

_{OSI: 2/3}

Weiterleitung von Datagrammen (verbindungslos)

➥ Jeder Vermittlungsknoten besitzt eine Weiterleitungstabelle

➥ bildet Zieladresse auf Ausgangsport ab

➥ Beispiel:

0 2 1 3

A C

D

0 1

1 2

2 3

3

0 B

F E

G

H 0

0 1 2 3 3 0 3

Vermittlungs−

knoten 1

Vermittlungs−

knoten 3

Vermittlungs−

knoten 2

H G F E D C B A Ziel

Weiterleitungstabelle Port

(5)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

Weiterleitung von Datagrammen: Eigenschaften

➥ Knoten k ¨onnen jederzeit ein Paket an andere Knoten senden;

Pakete k ¨onnen sofort weitergeleitet werden

➥ kein Verbindungsaufbau

➥ Ein Knoten kann nicht feststellen, ob das Netz das Paket zustellen kann

➥ Pakete werden unabh ¨angig voneinander weitergeleitet

➥ Ausfall einer Verbindung bzw. eines Vermittlungsknotens kann prinzipiell toleriert werden

➥ Anpassung der Weiterleitungstabellen

➥ Eingesetzt z.B. im Internet (IP)

➥ (vgl. Kap. 1.3: Paketvermittlung)

(6)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)

➥ Kommunikation in zwei Phasen:

➥ Aufbau einer virtuellen Verbindung (Virtual Circuit, VC) vom Quell- zum Zielrechner

➥ statisch (Permanent VC)

➥ dynamisch (Switched VC)

➥ Versenden der Pakete ¨uber VC:

➥ Pakete enthalten Bezeichner des VC

➥ alle Pakete nehmen denselben Weg

➥ VC-Bezeichner (VCI, Virtual Circuit Identifier) nur auf den einzelnen Leitungen eindeutig

➥ Weiterleitungstabelle im Vermittlungsknoten bildet

Eingangs-Port und -VCI auf Ausgangs-Port und -VCI ab

(7)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert) ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

5

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Eingangs−VCI Ausgangsport Ausgangs−VCI Eingangsport

knoten 1 Vermittlungs−

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

➥ Eingesetzt z.B. in Frame-Relay und MPLS (☞ RN-II)

(8)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

5

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

(9)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

5 11

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

(10)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

5 11

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

(11)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

7 5 11

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

(12)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

7 5 11

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

(13)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

➥ Beispiel:

A sendet an B

4 7

5 11

B A

0 1 3

2 3 1

0

0 3

2 1

2

2 0 3

1 0 3 5

11 7

11 7 4

Vermittlungs−

knoten 2

Vermittlungs−

knoten 3

Verm.kn. 1:

Verm.kn. 2:

Verm.kn. 3:

(14)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

Vergleich der Weiterleitungstechniken

Datagramm-Verm. Virtuelle Leitungsv.

Verbindungsaufbau nicht n ¨otig erforderlich Adressierung

Pakete enthalten volle Sender- und

Empf ¨anger-Adresse

Pakete enthalten nur kurze VC-Bezeichner Wegewahl erfolgt unabh ¨angig f ¨ur

jedes Paket

Weg wird bei Aufbau des VC festgelegt Bei Ausfall eines

Vermittlungsknotens

keine gr ¨oßeren Auswirkungen

alle VCs mit diesem Vermittlungsknoten sind unterbrochen Dienstg ¨utegarantien

(QoS) und

Uberlastkontrolle¨

schwierig

Einfach, wenn vorab Resourcen f ¨ur VC reserviert werden

(15)

4.1 Weiterleitungstechniken ...

Begriffe

➥ Switching / Forwarding (Weiterleitung):

➥ Weiterleiten v. Frames (Paketen) zum richtigen Ausgangsport

➥ (LAN-)Switch / Bridge (Br ¨ucke):

➥ Vermittler im LAN (auf Ebene der Sicherungsschicht)

➥ Bridge: Switch mit nur zwei Ports

➥ Routing:

➥ (dynamischer) Aufbau von Tabellen zum Forwarding

➥ Ziel: Finden von (guten/optimalen) Wegen zu anderen Netzen

➥ Router:

➥ Knoten, der mit den Protokollen der Vermittlungsschicht Pakete weiterleitet

➥ vereinigt Funktionalit ¨at von Routing und Forwarding

(16)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung

OSI: 2

➥ Motivation: Ersetzen von Mehrfachzugriffsverbindungen im LAN durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

➥ Vermittler (Switch):

➥ mehrere Ein-/Ausg ¨ange

➥ leitet Frames aufgrund der Adressen im Header weiter

➥ F ¨uhrt zu Sterntopologie:

Switch

(17)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung ...

➥ Vorteil gegen ¨uber Bustopologie:

➥ Kommunikation zwischen zwei Knoten wirkt sich nicht (notwendigerweise) auf andere Knoten aus

➥ Beschr änkungen k önnen durch Zusammenschalten mehrerer Switches überwunden werden:

➥ begrenzte Anzahl von Ein-/

Ausg ¨angen pro Switch

➥ Leitungsl ¨ange, geographi- sche Ausdehnung

x

x x

(18)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung ...

➥ Weitere Beschr ¨ankungen von Switches

➥ Heterogenit ¨at

➥ die verbundenen Netze m ¨ussen u.a. dasselbe Adressie- rungsschema haben

➥ z.B. Ethernet und Token-Ring ist m ¨oglich, Ethernet und ATM nicht

➥ Skalierbarkeit:

➥ Broadcasts

➥ Spanning-Tree-Algorithmus (☞ 4.4)

➥ Transparenz:

➥ Latenz

➥ Verlust von Frames bei ¨Uberlast

(19)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung ...

➥ LAN Switch: Vermittlungsknoten auf der Sicherungsschicht

➥ kann Zieladresse im Sicherungsschicht-Header analysieren

➥ gibt Frames nur an die Ports weiter, wo es notwendig ist

➥ Bridge: Switch mit 2 Ports

➥ Einsatz bei 10Base5 zur Überwindung von physikalischen Beschr änkungen (Leitungsl änge, Anzahl Repeater, ...)

LAN

Backbone LAN

Bridge

...

(20)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung ...

Ein (Ethernet-)LAN mit Switches

Switch Switch

➥ Verwendung von Switches ist bei Ethernet ab 100 Mb/s ¨ublich

➥ erm ¨oglicht Vollduplex-Betrieb

➥ in diesem Fall treten keine Kollisionen mehr auf

➥ aber: Switch muß ggf. Frames zwischenspeichern

➥ M ¨oglich auch: gemischter Betrieb mit Switches und Hubs

➥ Auswirkung von Kollisionen sind auf den Bereich des Hubs eingeschr ¨ankt (Kollisionsdom ¨ane)

(21)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung ...

Hub

Switch Switch

(22)

4.2 Switching: Einf ¨uhrung ...

Kollisions−

domäne Hub

Switch Switch

(23)

4.3 Lernende Switches

Automatisches Erstellen der Weiterleitungstabelle

➥ Beispiel:

Switch

Y Z

Host Port

2 1 2

B 1

1 A

C X Y X Z

A B C Port 1

Port 2

3 Port 3

➥ Switch untersucht die Quelladresse jedes eingehenden Frames

➥ falls n ¨otig, Erzeugung bzw. Aktualisierung eines Tabelleneintrags

➥ Eintrag f ür eine Adresse wird gel öscht, wenn l ängere Zeit kein Frame mit dieser Quelladresse ankommt

(24)

4.3 Lernende Switches ...

Verhalten beim Eintreffen eines Frames

➥ Quell- und Ziel-Port identisch:

➥ Frame verwerfen

➥ Quell- und Ziel-Port verschieden:

➥ Frame an Ziel-Port weiterleiten

➥ Ziel-Port unbekannt:

➥ weiterleiten an alle Ports (außer den Empfangsport)

➥ Broadcast-Frames werden immer an alle Ports geleitet

➥ Weiterleitungstabelle kann begrenzte Gr ¨oße haben

➥ Vollst ¨andigkeit ist nicht notwendig

Tabelle dient nur als Cache f ¨ur aktive Knoten

(25)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus

Problem bei lernenden Switches: Zyklen

➥ Z.B. S1 − S4 − S6

➥ Frame von G mit

unbekanntem Ziel l ¨auft ewig im Kreis

(Broadcast-Sturm)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Abhilfe: Spanning-Tree- Algorithmus

➥ Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (Baum)

➥ Einige Ports der Switches werden deaktiviert

(26)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus

➥ Z.B. S1 − S4 − S6

➥ Frame von G mit

(Broadcast-Sturm)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(27)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus

➥ Z.B. S1 − S4 − S6

➥ Frame von G mit

(Broadcast-Sturm)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(28)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus

➥ Z.B. S1 − S4 − S6

➥ Frame von G mit

(Broadcast-Sturm)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(29)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus

➥ Z.B. S1 − S4 − S6

➥ Frame von G mit

(Broadcast-Sturm)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(30)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus

➥ Z.B. S1 − S4 − S6

➥ Frame von G mit

(Broadcast-Sturm)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(31)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Aufspannender Baum

➥ Zyklischer Graph und aufspannender Baum:

➥ Der aufspannende Baum ist nicht eindeutig

(32)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Idee des Algorithmus

➥ Jeder Switch hat eine eindeutige Kennung (z.B. S1, S2)

➥ W ¨ahle den Switch mit der kleinsten Kennung als Wurzel

➥ Jeder Switch bestimmt seinen Root Port

➥ der Port mit der geringsten Entfernung zur Wurzel

➥ bei Gleichheit entscheidet Port-Priorit ¨at bzw. Port-Nummer

➥ W ¨ahle f ¨ur jedes LAN-Segment den Port des Switches mit der geringsten Entfernung zur Wurzel als Designated Port

➥ bei Gleichheit entscheidet die Switch-Kennung

➥ Alle anderen Ports sind Non-Designated Ports

➥ diese Ports sind blockiert (blocking) und leiten keine Frames weiter

(33)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Aufspannender Baum des Beispielnetzes

Designated Port

Non-Designated Port Root Port

Wurzel S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(34)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Designated Port

Wurzel S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(35)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Designated Port

Wurzel S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(36)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Designated Port

Wurzel S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(37)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Designated Port

Wurzel S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

(38)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Spanning-Tree-Protokoll (STP)

➥ Die Knoten tauschen Konfigurations-Nachrichten aus:

➥ Kennung des sendenden Switches

➥ vermutete Wurzel-Kennung

➥ eigene Entfernung zu dieser Wurzel

➥ Jeder Switch beh ¨alt die beste Nachricht.

Besser heißt dabei:

➥ Wurzel-Kennung kleiner, oder

➥ Wurzel-Kennung gleich, Entfernung kleiner, oder

➥ Wurzel-Kennung und Entfernung gleich, Sender-Kennung kleiner

➥ Jeder Switch startet als Wurzel, bis dies widerlegt ist

(39)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

Spanning-Tree-Protokoll (STP) ...

➥ Wenn ein Switch erf ¨ahrt, daß er nicht die Wurzel ist, stellt er das Generieren von Nachrichten ein,

leitet Nachrichten aber nach wie vor weiter

➥ am Ende erzeugt nur noch die Wurzel Nachrichten

➥ Die Wurzel generiert weiter periodisch Konfigurations-Nachrichten

➥ werden im Baum nur noch nach unten weitergegeben

➥ automatische Rekonfiguration bei Ausfall der Wurzel

➥ Topologie- ¨Anderungen werden von Switches zun ¨achst an die Wurzel gesendet, diese gibt sie an alle weiter

(40)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S3, 0)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

2. S3: S2 ist Wurzel 3. S3 → S5

4. S2: S1 ist Wurzel S2 → S3

6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 n ¨aher an S1

(41)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S2, S2, 0)

(S3, 0)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

(42)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S2, 1)

(S2, S2, 0) S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

(43)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S3, S2, 1) (S2, 1)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

(44)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S2, S1, 1)

(S2, 1)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

(45)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S5, S1, 1) (S2, S1, 1)

(S2, 1)

S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

(46)

4.4 Spanning-Tree -Algorithmus ...

(S1, 2)

(S5, S1, 1)

(S2, S1, 1) S5

S1

S4

S7 S3

S2

I S6

G E

D C

A

B

K

F H

J

Beispiel

1. S2 → S3

(47)

4.5 Virtuelle LANs (VLANs)

➥ Ziele:

➥ bessere Skalierung

➥ h ¨ohere Sicherheit

➥ Jedes LAN erh ¨alt einen Bezeichner (VLAN-ID)

➥ Auf Trunk-Leitung: Switch f ¨ugt Header mit VLAN-ID ein bzw. entfernt ihn wieder

VLAN 100

VLAN 200

Trunk

VLAN 100 VLAN 200

W X

Y Z

S1 S2

➥ bei Ethernet: VLAN-ID wird in den Frame-Header eingef ¨ugt

➥ Frames werden nur an das LAN mit der korrekten VLAN-ID weitergeleitet

➥ LANs mit verschiedenen VLAN-IDs sind logisch getrennt

➥ Kommunikation nur ¨uber Router m ¨oglich

(48)

4.6 Zusammenfassung

➥ Weiterleitungstechniken

➥ Datagrammvermittlung, virtuelle Leitungsvermittlung

➥ LAN-Switches

➥ lernen Weiterleitungstabellen selbst

➥ zur Vermeidung von Zyklen: Spanning Tree Protokoll

➥ erlauben die Realisierung von virtuellen LANs

N ¨achste Lektion:

➥ Internetworking

➥ Das Internet-Protokoll (IP)