Vorlesung. Rechnernetze II Teil 3. Sommersemester 2004

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1 Vorlesung Rechnernetze II Teil 3 Sommersemester 2004 Christian Grimm Fachgebiet Distributed Virtual Reality (DVR) Lehrgebiet Rechnernetze C. Grimm 20. April 2005

2 Überblick Ethernet und Virtual LANs Struktur des Standards IEEE 802 Adressierung nach IEEE Rahmenformate nach IEEE und IEEE Begriffe Collision Domain Broadcast Domain Komponenten zur Kopplung von LANs Repeater Bridges Spanning Tree Algorithmus Hubs Switches Virtual LANs (VLANs) Beispiele für Ethernet-Header C. Grimm 20. April 2005 Folie 2

3 Erinnerung Ethernet (aus Rechnernetze I) allgemeine Bemerkungen zu Ethernet verwendet zufälligen Mehrfachzugriff nach 1-persistent CSMA/CD einfacher dezentraler Algorithmus Verhalten ist mathematisch eingehend analysiert (Kleinrock et. al.) mittlerweile sehr günstige Implementierung ideal zur Übertragung von best-effort Verkehr geeignet unbestätigt und verbindungslos ideal zur Übertragung von IP-Paketen geeignet durch relativ einfache Erweiterungen wird Leistung bisher kontinuierlich erhöht ~3 MBit/s 10 MBit/s 100 MBit/s MBit/s MBit/s? Standardisierung seit 1983 durch IEEE in IEEE 802 werden zahlreiche Protokolle für Physical und Data Link Layer standardisiert seit Jahren die dominierende Technologie im LAN weitere Merkmale der ursprünglichen Spezifikation von Ethernet Manchester Codierung Binary Exponential Backoff nach Kollisionen Festlegung von Grenzwerten für Rahmenlänge und Ausdehnung des Netzes C. Grimm 20. April 2005 Folie 3

4 Struktur von IEEE 802 Ziel von IEEE 802 Spezifikation von Physical und Data Link Layer für verschiedene Protokolle im LAN dabei Schaffung einer einheitlichen Architektur Einteilung des Data Link Layers in Logical Link Control (LLC-Schicht): einheitliche Schnittstelle für höhere Schichten Medium Access Control (MAC-Schicht): Definition der Übertragungs-/Zugriffsverfahren Data Link Layer Physical Layer Architekur (Ethernet) MAC Logical Link Control (LLC) (Token Ring) MAC (WLAN) MAC PHY PHY PHY... C. Grimm 20. April 2005 Folie 4

5 Status der Gruppen in IEEE active Higher Layer LAN Protocols Working Group inactive Logical Link Control Working Group active Ethernet Working Group (Digital, Xerox, Intel) disbanded Token Bus Working Group (General Motors) inactive Token Ring Working Group (IBM) disbanded disbanded disbanded disbanded disbanded active inactive disbanded active active active active active active active active Metropolitan Area Network Working Group (DQDB) Broadband Technical Advisory Group Fiber Optics Technical Advisory Group Isochronous LAN Working Group (for real-time applications) Security Working Group Wireless LAN Working Group Demand Priority Working Group (Hewlett-Packard s AnyLAN) Cable Modem Working Group (Temporarily housed off-site) Wireless Personal Area Network (WPAN) Working Group Broadband Wireless Access Working Group (WirelessMAN) Resilient Packet Ring Working Group Radio Regulatory Technical Advisory Group Coexistence Technical Advisory Group Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) Working Group Media Independent Handoff Working Group Wireless Regional Area Networks (Quelle: 19. April 2005) C. Grimm 20. April 2005 Folie 5

6 Erläuterungen zur Struktur von IEEE : allgemein gültige Eigenschaften der standardisierten Architektur Bezug zum OSI-Modell Regeln zur Adressierung u. a. wesentliche Untergruppen Management (802.1b) MAC bridges (802.1D) Virtual LANs (802.1Q) Port Based Network Access Control (802.1x) 802.2: Logical Link Control (LLC) einheitliche Schnittstelle aller Übertragungsverfahren zum Network Layer Festlegung verschiedener Dienste typisch: unbestätigt und verbindungslos bestätigt und verbindungsorientiert bestätigt und verbindungslos Anmerkungen zur Spezifizierung verschiedener Dienste bestätigter und verbindungsorientiert/-loser Dienste erhöhen wesentlich die Komplexität Konzentration auf unbestätigten und verbindungslosen Dienst hätte LLC weitgehend überflüssig gemacht C. Grimm 20. April 2005 Folie 6

7 Adressierung nach IEEE eine (MAC-)Adresse nach IEEE besteht typisch aus 48 Bit dadurch verschiedene Interfaces adressierbar sollte genügen, um alle Interfaces weltweit eindeutig zu kennzeichnen Schreibweise: sechs durch Bindestriche getrennte Oktetts, z. B. 00-0C-A2-51-FD-87 Adressen von 16 Bit und 60 Bit (nur für 802.6) sind ebenfalls spezifiziert Einteilung des Adressraums die oberen 24 Bit enthalten Organizationally Unique Identifier (OUI, auch Vendor Code) OUI werden von IEEE an Hersteller vergeben (1.250, $ je OUI) die unteren 24 Bit werden zur Kennzeichnung der Interfaces verwendet können vom Hersteller frei vergeben werden OUI oooo ooui oooo oooo oooo oooo xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx Broadcast Adresse sämtliche 48 Bit werden auf den Wert 1 gesetzt C. Grimm 20. April 2005 Folie 7

8 Adressierung nach IEEE reservierte Bits in OUI OUI enthält reserviertes individual/group Bit gesetztes individual/group Bit adressiert eine Gruppe von Stationen IEEE vergibt nur OUI mit nicht gesetztem individual/group Bit OUI enthält reserviertes universal/local Bit lokal veränderte Adressen sollten durch gesetztes universal/local Bit gekennzeichnet werden IEEE vergibt nur OUI mit nicht gesetztem universal/local Bit OUI oooo ooui oooo oooo oooo oooo xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx universal/local individual/group Anmerkung: Bit Order in IEEE 802 in und wird zuerst Least Significant Bit übertragen d. h. individual/group Bit wird in und zuerst übertragen in wird zuerst Most Significant Bit übertragen (übrigens auch bei FDDI) d. h. individual/group Bit wird in nicht zuerst übertragen (!) generell sorgt unterschiedliche Bit Order für Probleme zumindest solange es noch gibt... C. Grimm 20. April 2005 Folie 8

9 Rahmenformate nach IEEE Ansatz von IEEE 802 generische Header der Frames enthalten Adressen und Service Access Points (SAP) SAPs kennzeichnen Protokolle höherer Schichten oder innerhalb LLC je ein Feld für Source (SSAP) und Destination (DSAP) SAPs werden durch IEEE vergeben zusätzlich Control-Feld für bestätigte Dienste /2 Dest Src DSAP SSAP Cntrl Payload Probleme der SAPs 8 Bit (effektiv nur 6) genügen nicht zur Adressierung bereits existierender Protokolle für jedes neue Protokoll müsste SAP bei IEEE beantragt werden Lösung: Subnetwork Access Protocol (SNAP) häufig auch SNAP Kludge ermöglicht optionale Erweiterung des Headers um zusätzliche Felder von 5 Byte Kennzeichnung eines erweiterten Headers durch SNAP SAP DSAP und SSAP enthalten den Wert AA 16 = Werte im erweiterten Header können unabhängig von IEEE (d. h. frei) gewählt werden C. Grimm 20. April 2005 Folie 9

10 Rahmenformate nach IEEE Inhalt der Spezifikation IEEE Medium Access Control (MAC) Zugriff auf Medium Fehlererkennung / -korrektur Adressierung Rahmenformate Physical Layer (PHY) Eigenschaften der Übertragungsmedien (Kabel, Stecker,...) Übertragungsverfahren (Modulation, Frequenzbereiche,...) Synchronisierung von Sender und Empfänger Rahmenformat im klassischen DIX-Ethernet existierte bereits vor der Gründung von IEEE Preamble SoF Dest Src Type Payload CRC C. Grimm 20. April 2005 Folie 10

11 Rahmenformate nach IEEE Ansatz von IEEE Frames nach DIX-Ethernet und IEEE mussten in einem Netz koexistieren können d. h. das Rahmenformat nach IEEE konnte nicht direkt verwendet werden DSAP/SSAP und Type konnten identische Werte annehmen d. h. keine Unterscheidung zwischen beiden Rahmenformaten möglich IEEE fügte ein Feld für die Länge des Frames ein (max Byte) Feld muss an der Position des Type-Feldes im Header von DIX-Ethernet liegen zugleich sorgte Xerox dafür, dass alle Protocol-IDs auf höhere Werte als gesetzt wurden Ethernet nutzt keine bestätigten Dienste der LLC Control-Feld umfasst stets lediglich 1 Byte 7 1 Preamble SoF Dest Src Len DSAP SSAP Cntrl Payload CRC vollständiges Format nach IEEE mit SNAP Kludge Org: Organisation, die Type festgelegt hat (ähnlich OUI) Type: Protokoll der höheren Schicht 7 1 Preamble SoF C. Grimm 20. April 2005 Folie Dest Src Len DSAP SSAP Cntrl Org Type Payload CRC PHY MAC LLC SNAP

12 Collision Domain Auftreten von Kollisionen viele Stationen in einem Ethernet bedeuten höhere die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen d. h. Retransmits d. h. geringer Durchsatz Bridges können ein Ethernet in mehrere Collision Domains unterteilen Geräte lernen, welche MAC-Adressen in welchen Segmenten des Netzes sind (s. u.) Geräte können bei besetzten Netz-Segmenten Frames kurzzeitig zwischenspeichern und später senden Collision Domain 1 Collision Domain 2 Bridge A sendet B sendet gleichzeitig Kollision C sendet gleichzeitig keine Kollision Anmerkung neben besserer Performance durch weniger Kollisionen wird auch größere Ausdehnung des Netzes erreicht C. Grimm 20. April 2005 Folie 12

13 Broadcast Domain Verteilung von Broadcasts eine Broadcast Domain umfasst alle Rechner eines IP-Subnetzes Broadcasts müssen an alle Stationen in einer Broadcast Domain weitergeleitet werden notwendig für die Umsetzung von Broadcast-Verfahren auf Mac-Layer oder IP-Schicht z. B. ARP, DHCP oder Agent Discovery in Mobile IP Geräte müssen Broadcasts ggf. auch über verschiedene Collision Domains weiterleiten Broadcast Domain A sendet Broadcast B empfängt Broadcast von A Repeater Bridge C empfängt Broadcast von A Frage stehen große Broadcast Domains im Widerspruch zu kleinen Collision Domains? wie lernen Bridges, in welchen Netzsegmenten welche Stationen sind? C. Grimm 20. April 2005 Folie 13

14 Kopplung von Netz-Segmenten durch Repeater Eigenschaften von Repeatern verfügen über zwei oder mehr Interfaces arbeiten ausschließlich auf Physical Layer d. h. keine Berücksichtigung der Kanalzugriffsverfahren Aufgabe ist elektrische Regenerierung der Signale Ziel ist geografische Ausdehnung eines Netzes ein Repeater trennt keine Collision Domains ein Repeater trennt keine Broadcast Domains Repeater Collision Domain Broadcast Domain typischer Einsatzbereich von Repeatern sind Netze nach 10Base5 oder 10Base2 d. h. Verkabelung in Bus-Topologie mit Koaxialkabeln C. Grimm 20. April 2005 Folie 14

15 Kopplung durch Bridges Eigenschaften von Bridges verfügen über zwei oder mehr Interfaces Frames werden gespeichert und gezielt weitergeleitet Bridges arbeiten auf MAC- (MAC-Bridge) oder LLC-Layer (LLC-Bridge) d. h. Bridges berücksichtigen generell Kanalzugriffsverfahren (z. B. CSMA/CD bei Ethernet) Aufgaben sind theoretisch unbegrenzte geografische Ausdehnung eines Netzes MAC-Bridges: Trennung von Collision Domains um Durchsatz zu erhöhen LLC-Bridges: Kopplung von Netzen unterschiedlicher MAC-Layer keine Trennung von Broadcast Domains X Bridge Y Collision Domain 1 2 Broadcast Domain Collision Domain Frage wie werden Hosts erreicht, die über mindestens zwei Bridges getrennt sind? C. Grimm 20. April 2005 Folie 15

16 Aufbau einer Bridge Table, Flooding CC-CC-CC-CC-CC-CC BB-BB-BB-BB-BB-BB X Bridge 1 2 Y Ansatz Bridge Table Bridge empfängt sämtliche Frames und speichert Daten der Quellen in Bridge Table MAC Address Interface Time BB-BB-BB-BB-BB-BB CC-CC-CC-CC-CC-CC :45 15:48... Beispiel für selbstlernenden Aufbau der Bridge Table 1. Tabelle ist zunächst leer 2. Rahmen mit Quelladresse BB-BB-BB-BB-BB-BB trifft um 15:45 auf Interface 2 ein, Eintrag in Zeile 1, Rahmen wird auf allen anderen Interfaces gesendet (Flooding) 3. Rahmen mit Quelladresse CC-CC-CC-CC-CC-CC trifft um 15:58 auf Interface 1 ein, Eintrag in Zeile 2, Rahmen wird auf allen anderen Interfaces gesendet (Flooding) nach Ablauf der Aging Time (z. B. 1 Stunde) werden Einträge gelöscht C. Grimm 20. April 2005 Folie 16

17 Filtering und Forwarding von Bridges AA-AA-AA-AA-AA-AA BB-BB-BB-BB-BB-BB X Bridge 1 2 Y aktuelle Bridge Table nach mehreren übertragenen Frames MAC Address Interface Time AA-AA-AA-AA-AA-AA BB-BB-BB-BB-BB-BB :53 15:55... Beispiel Filtering Frame mit Zieladresse AA-AA-AA-AA-AA-AA trifft um 15:58 auf Interface 1 ein Frame wird nicht in andere Netz-Segmente weitergeleitet sondern verworfen Beispiel Forwarding Frame mit Zieladresse AA-AA-AA-AA-AA-AA trifft um 15:58 auf Interface 2 ein Frame wird an Interface 1 weitergeleitet und gesendet C. Grimm 20. April 2005 Folie 17

18 Redundante Pfade über Bridges F F Y A Bridge 1 Bridge 2 Bridge 3 B F X Z redundante Pfade in lokalen Netzen sind notwendig für Ausfallsicherheit, dienen aber nicht der Lastverteilung Problem: Bildung von Schleifen bzw. zirkulierenden Frames Station A sendet Frame F an Station B Bridges 1 und 2 kennen B nicht und leiten F aus Teilnetz X in Teilnetz Y weiter in Teilnetz Y entsteht ein Duplikat von F Bridge 2 empfängt den von Bridge 1 in Teilnetz Y gesendeten Frame F da Bridge 2 das Ziel nicht kennt, leitet sie den Frame F in Teilnetz X weiter ebenso verhält sich Bridge 1 mit dem von Bridge 2 in Teilnetz Y gesendeten Frame F in Teilnetz X entsteht zwei Duplikate von F dieser Ablauf wiederholt sich unendlich oft C. Grimm 20. April 2005 Folie 18

19 Spanning Tree Algorithmus Ziel: bilde einen eindeutigen Baum über alle Netz-Segmente Pfad beginnt an einer eindeutigen Wurzel Baum muss zu allen Netz-Segmenten, aber nicht über allen Bridges führen ein Baum enthält per Definition keine Schleifen Ablauf (stark vereinfacht) per Ethernet Broadcast tauschen Bridges kontinuierlich untereinander Informationen aus so genannte Bridge PDUs (BPDU) enthalten u.a. Bridge ID, MAC-Adressen, Hello, Updates die Bridge mit der niedrigsten ID (und ggf. MAC-Adresse) wird als Wurzel ausgewählt Wurzel bildet zunächst einen Baum zu allen Bridges und Netz-Segmenten daraus bildet Wurzel einen Baum mit den kürzesten Wegen zwischen allen Netz-Segmenten dieser Baum wird per Broadcast allen Bridges mitgeteilt alle Bridges schalten Interfaces, die nicht Teil des Baumes sind, inaktiv eine Bridge, deren sämtliche Interfaces inaktiv werden, ist passiv Anmerkungen Algorithmus liefert genau einen Weg zwischen zwei beliebigen Teilnetzen Implementierung von R. Perlmans Algorithmus in IEEE 802.1D C. Grimm 20. April 2005 Folie 19

20 Beispiel Spanning Tree Algorithmus Wurzel A B C B G E F H J K 8 9 Ablauf Bridge A wird nach Austausch von Broadcast-Messages z. B. als Wurzel ausgewählt Baum wird nach Austausch weiterer Broadcast-Messages aufgebaut und mitgeteilt Interface von Bridge K in Netz-Segment 7 wird inaktiv sämtliche Interfaces von Bridge G und J sind inaktiv, d. h. beide Bridges werden passiv C. Grimm 20. April 2005 Folie 20

21 Übergang zu aktuellen Ethernet-Netzen bisher betrachtete Ethernet-Netze: 10Base5 oder 10Base2 Verkabelung durch Koaxialkabel Bus-Topologie erfordert zentrale Komponente nur für Routing Übertragungsrate ist einheitlich 10 Mbps Übertragungsverfahren ist ausschließlich half duplex Zugriffsverfahren: CSMA/CD aktuelle Ethernet-Netze: (10BaseT), 100BaseT, 100BaseFX, 1000Base... Verkabelung mit Twisted Pair oder Lichtwellenleiter Stern-Topologie erfordert zentrale Komponente für Konzentration (Hub) oder Switching (Switch) und Routing verschiedene Übertragungsraten von 10, 100, und Mbps Übertragungsverfahren half duplex und full duplex möglich Zugriffsverfahren: bis Mbps weiterhin CSMA/CD vereinfachte Darstellung der Migration von Komponenten Hubs ersetzen Repeater Switches ersetzen Bridges C. Grimm 20. April 2005 Folie 21

22 Half Duplex und Full Duplex Erweiterung der Übertragungsverfahren durch Verwendung neuer Medien klassisch: Koaxialkabel mit Übertragung im Basisband es steht lediglich ein Übertragungskanal für alle Stationen und Richtungen zur Verfügung heute: typisch ist Anschluss an Switch über Twisted Pair nach Cat 5 2 Adernpaare erlauben getrennte Übertragung je Richtung und Station Merkmale von Full Duplex Aderpaare für Empfangen und Senden bilden zwei getrennte Collision Domains eine Station kann zu einem Zeitpunkt sowohl Empfangen als auch Senden Verdopplung der gesamten Datenrate (2 maximale Datenrate je Richtung) das Auftreten von Kollisionen wird annähernd eliminiert keine Notwenigkeit mehr für 1-persistent CSMA/CD 1-persistent CSMA/CD stört allerdings auch nicht signifikant Anmerkung: p-persistent CSMA/CD würde deutlich mehr stören Voraussetzung für Erweiterung auf Full Duplex Betrieb Anpassung der Netzwerk-Interfaces in Station und Netzkomponenten durch Autosensing einigen sich Netzwerk-Interfaces auf gemeinsames Verfahren C. Grimm 20. April 2005 Folie 22

23 Eigenschaften von Hubs ein Hub konzentriert den Bus in einem Gerät Hubs bilden intern Bus-Topologie nach sämtliche Stationen werden über dedizierte Leitungen an Ports des Hub angeschlossen Hub leitet empfangene Signale auf allen anderen Ports weiter dabei werden Signale elektrisch regeneriert ein Hub trennt keine Broadcast Domains Hub Hubs arbeiten lediglich auf Ebene des Physical Layers Zugriffsverfahren CSMA/CD bleibt bestehen, Kollisionen können auftreten trennen keine Collision Domains Vorteile von Hubs einzelne Hosts können einfach isoliert werden physikalische Störungen auf einem Link wirken sich nicht auf das gesamte Netz aus C. Grimm 20. April 2005 Folie 23

24 Hierarchische Kopplung über Hubs Hub Hub Collision Domain Hub Hub Vorteile größere Ausdehnung des Netzes (100 m pro Link) Reduzierung von Leitungskosten gegenüber Verkabelung zu lediglich einem Hub Nachteile alle Rechner gehören weiterhin zu einer Collision Domain max. Anzahl von Rechnern in einer Collision Domain darf nicht überschritten werden Hubs können keine Rahmen speichern das ist aber bei Übergang von 100 Mbps auf 10 Mbps in der Regel notwendig d. h. Übertragungsrate wird auf gemeinsames Minimum reduziert C. Grimm 20. April 2005 Folie 24

25 Hierarchische Kopplung über Hubs und Bridges Bridge Hub Hub Hub Collision Domain 1 Collision Domain 3 Collision Domain 2 Vorteile Aufteilung in drei Collision Domains Anzahl Hosts ist lediglich je Collision Domain begrenzt Nutzung verschiedener Übertragungsraten ist je Collision Domain möglich Verkehr innerhalb einer Collision Domain wird nicht an andere Collision Domains geleitet höhere gesamte Übertragungskapazität über alle Stationen hier theoretisch verdreifacht C. Grimm 20. April 2005 Folie 25

26 Ethernet Switching Ansatz Ethernet Switching bezeichnet die Vermittlung auf Data Link Layer im Ethernet wird deshalb auch als Layer 2 Switching bezeichnet kennzeichnend ist die direkte Vermittlung an Stationen, nicht an Netz-Segmente Ziel ist, die Performance und das Management von Ethernet zu verbessern dabei Zusammenführung der Vorteile älterer Netzkomponenten im Ethernet Hub (Physical Layer): einfaches Management (Fehlersuche) durch Stern-Topologie Bridge (Data Link Layer): bessere Performance durch Trennung in Collision Domains Implementierung mit Switches Stern-Topologie wie bei Hubs d. h. als Übertragungsmedien kommen nur Twisted Pair oder Lichtwellenleiter in Frage jede Station ist an einen dedizierten Port des Switches angeschlossen Vermittlung anhand MAC-Adressen wie bei Bridges Frames können direkt an korrekten Port des Empfängers vermittelt werden Switch lernt, an welchem Port welche MAC-Adresse angeschlossen ist im idealen Fall bildet jeder Port eine eigene Collision Domain C. Grimm 20. April 2005 Folie 26

27 Eigenschaften von Switches D A C B hohe Ähnlichkeit zu Bridges prinzipielle Arbeitsweise ist Filtering und Forwarding anhand Switching Table Switches können Frames kurzzeitig speichern ermöglicht auch die Kopplung von unterschiedlichen Übertragungsraten besondere Eigenschaften von Switches jeder Host ist direkt an den Switch angeschlossen hohe Anzahl Ports: typisch sind 8, 16, 24, 48, 96 usw. Ports arbeiten in der Regel full duplex hohe Performance durch zielgerichtete Vermittlung von Frames (Switching Fabric) gleichzeitige kollisionsfreie Übertragung zwischen A und B sowie C und D ist möglich C. Grimm 20. April 2005 Folie 27

28 Eigenschaften von Switches Aufbau von Ethernet Switches die Line Cards eines Switch unterteilen ein Ethernet in mehrere (logisch) Teile 6 Line Cards mit jeweils 4 Ports Backplane (Durchsatz >> Datenrate der einzelnen Ports) ein empfangener Rahmen mit Ziel an derselben Line Card werden direkt weitergeleitet ein empfangener Rahmen mit Ziel an anderer Line Card wird über die Backplane vermittelt Broadcasts (z. B. ARP-Requests) werden an alle Ports gesendet Anmerkungen Switching erhöht die Performance gegenüber dem klassischen Ethernet wesentlich weitere Verbesserung des Switching bei Full Duplex Mode Stationen können gleichzeitig Senden und Empfangen C. Grimm 20. April 2005 Folie 28

29 Vermittlung in einem Ethernet Switch Frage was passiert, wenn 2 an einen Switch angeschlossene Stationen gleichzeitig senden? Implementierung 1 jede Line Card wird als 1 Segment betrachtet und bildet eine eigene Collision Domain sind beide Stationen an derselben Line Card angeschlossen, tritt Kollision auf Kollision wird gemäß CSMA/CD behandelt, d. h. beide Stationen gehen in Backoff sind Stationen nicht an derselben Line Card angeschlossen, tritt keine Kollision auf d. h. es ist jeweils eine Übertragung pro Line Card gleichzeitig möglich Implementierung 2 jeder Port wird als 1 Segment betrachtet und bildet eine eigene Collision Domain Rahmen können auch zwischen mehreren Stationen innerhalb einer Line Card gleichzeitig übertragen werden Kollisionen (d. h. Verluste von Frames) treten nur noch dann auf, wenn Rahmen von verschiedenen Stationen gleichzeitig an dieselbe Station gesendet werden Rahmen an eine Station gesendet werden, die selbst gleichzeitig sendet (nur bei half duplex) C. Grimm 20. April 2005 Folie 29

30 Problem des Queueing in Switches A 100 Mbps an C C B 50 Mbps an C 50 Mbps an D D typischer Aufbau von Switches Frames werden in Queues an Eingangsports zwischengespeichert sobald Zielport frei ist, werden Frames aus Queue entfernt und gesendet Problem: Head of Line Blocking Host A sendet Frames an Host C mit 100 Mbps Host B sendet Frames an Host C und D mit jeweils 50 Mbps Queue an Eingangsport von Host A enthält nur Frames an Host C Queue an Eingangsport von Host B enthält Frames an Hosts C und D Frames von Hosts A und B an C behindern sich gegenseitig dadurch werden auch Frames von Host B an D behindert Lösung folgt in späterer Vorlesung... C. Grimm 20. April 2005 Folie 30

31 Kopplung durch Switches (oder Bridges) besondere Merkmale der Kopplung über full duplex (d. h. kollisionsfreie) Strecken können mit Switches nahezu beliebige Entfernungen überbrückt werden Anmerkung: das gilt allerdings auch für Bridges mit Switches können Netz-Segmente nahezu beliebig strukturiert werden Broadcasts müssen zwischen Netz-Segmenten weiterhin möglich sein Aspekte bei der Strukturierung mit Switches Lastverteilung Kosten für Verkabelung aber nicht Sicherheit! C. Grimm 20. April 2005 Folie 31

32 Virtual LANs (VLANs) Probleme mit Broadcast Domains aufwändiges Management bei großer geografischer Ausdehnung von Netz-Segmenten besonders, wenn einzelne Stationen verschiedenen Netz-Segmenten zugehören typische Situation in größeren Organisationen mit vielen Abteilungsnetzen Anmerkung: diese Probleme werden eigentlich durch IP-Subnetting verursacht! unkontrollierte Verteilung von Broadcast-Messages erzeugt hohe Last Beispiel wegen Knoten K erhalten auch Hosts I,J und L alle Broadcasts aus Netz 2 durch häufige Broadcasts in Netz 2 ergibt sich Beeinträchtigung für Knoten I,J und L analoge Betrachtung für Knoten A aus Netz 1 nach Wechsel der Knoten B, C und D in Netz 1 erhält Bridge 1 keine Frames aus Netz 2 Netz 1 P O N M A Bridge 1 L Netz 2 B C D K Bridge 2 J I E F G H C. Grimm 20. April 2005 Folie 32

33 Virtual LANs (VLANs) Ziele von VLANs flexible Zuweisung von Stationen zu Broadcast Domains Verwaltung verschiedener Broadcast Domains auf einem Gerät Vermittlung der Frames zwischen verschiedenen Broadcast Domains auf einem Gerät gezielte Vermittlung von Frames über mehrere Netzkomponenten Umsetzung Netz 2 generell mit Bridges und Switches möglich besonders geeignete Partitionierung durch Switches A B C D durch zusätzliche VLAN-Header in Frames P E Beispiel jedem Port des Switches wird eine ggf. auch mehrere VLAN-ID zugewiesen Switch Table enthält MAC-Adresse und VLAN-ID Netz 1 O N F G Zuweisung der VLAN-IDs i. d. R. durch manuelle Konfiguration M H Switches tauschen sich untereinander über angeschlossenen VLANs aus L K J I C. Grimm 20. April 2005 Folie 33

34 Implementierung von VLANs bisher: Switch vermittelt nicht zwischen verschiedenen VLANs VLAN 1 ist Ports 1 8 zugeordnet (IP-Subnetz ) VLAN 2 ist Ports 9 16 zugeordnet (IP-Subnetz ) Frames zwischen VLAN 1 und VLAN 2 müssen explizit über Router vermittelt werden d. h. eigentlich IP-Pakete zwischen IP-Subnetz und IP-Subnetz BB-...-BB AA-...-AA CC-...-CC VLAN 1 VLAN EE-...-EE FF-...-FF DD-...-DD C. Grimm 20. April 2005 Folie 34

35 Implementierung von VLANs BB-...-BB AA-...-AA 2 9 VLAN 1 VLAN EE-...-EE FF-...-FF CC-...-CC DD-...-DD Beispiele Station A sendet IP-Paket an Station B anhand Subnet-Mask ( ) stellt A fest, das B im eigenen IP-Subnetz liegt ARP-Request nach MAC-Adresse von B, aus ARP-Reply lernt Switch Port 3 für Station B A sendet Frame an B, Switch leitet Frame direkt an Port 3 Station A an Station C anhand Subnet-Mask ( ) stellt A fest, das C nicht im eigenen IP-Subnetz liegt ARP-Request nach MAC-Adresse des Routers, aus ARP-Reply lernt Switch Port 7 für Router A sendet Frame an Router, Switch leitet Frame direkt an Port 7 Router stellt anhand IP-Adresse fest, das Ziel in angeschlossenem IP-Subnetz liegt Router sendet ARP-Request an Ports 9 16 nach MAC-Adresse von C usw. C. Grimm 20. April 2005 Folie 35

36 Implementierung von VLANs besserer Ansatz: Switch vermittelt als Router auch zwischen verschiedenen VLANs Konfiguration wie oben, hier kein zusätzlicher Router notwendig Switch arbeitet auch als Router d. h. Switch vermittelt IP-Pakete zwischen angeschlossenen VLANs Switch verfügt über IP-Adressen der Default-Router in den angeschlossenen IP-Subnetzen den IP-Adressen der Default-Router sind zusätzlich interne MAC-Adressen zugewiesen Switch antwortet mit internen MAC-Adressen auf ARP-Requests nach den Default-Routern Switch analysiert IP-Pakete nach den IP-Adressen der Ziele BB-...-BB AA-...-AA CC-...-CC VLAN 1 VLAN EE-...-EE FF-...-FF DD-...-DD C. Grimm 20. April 2005 Folie 36

37 Kopplung von VLANs über Switches Probleme bei der Kopplung von VLANs über Switches wie können Switches Informationen über angeschlossene Stationen austauschen? wie können Switches Frames für verschiedene VLANs austauschen? Anmerkung: Informationen über IP-Adressen liegen nicht vor welchen VLANs müssen Braodcast-Messages zugeordnet werden? Anmerkung: Switch weiß nicht, aus welchem VLAN die Broadcast-Message gesendet wird VLAN B VLAN A Interswitch Ports VLAN B VLAN B VLAN A VLAN BVLAN 1 VLAN VLAN A2 Lösungen in IEEE 802.1Q VLAN-Tagging Per VLAN Spanning Tree (PVSTP) C. Grimm 20. April 2005 Folie 37

38 VLAN-Tagging im Ethernet-Header wird zusätzlicher VLAN-Header von 4 Byte eingefügt VLAN-Header folgt stets unmittelbar den MAC-Adressen 2 Byte für VLAN Protocol ID Byte für VLAN-Tag VLAN-ID (12 Bit) Informationen für Priorisierung (3 Bit) Canonical Format Indicator (CFI, 1 Bit) in der Praxis nicht relevant Anmerkung: maximale Größe eines Frames wird durch VLAN-Header um 4 Byte erhöht bisherige Größe von 1518 Byte ist historisch bedingt und heute ohne technische Begründung Ansatz VLAN-Header werden nur von Bridges und Switches generiert und ausgewertet hierfür werden so genannte Interswitch Ports auf den Switches gesondert konfiguriert erste VLAN-fähige Bridge oder Switch generiert VLAN-Header in Frames letzte VLAN-fähige Bridge oder Switch entfernt VLAN-Header aus Frames Endgeräte senden und empfangen herkömmliche Frames d. h. in den Endgeräten sind keine Erweiterungen notwendig zukünftig sollen auch Endgeräte VLAN-Tags generieren und auswerten können C. Grimm 20. April 2005 Folie 38

39 VLAN-Tagging Rahmenformat im klassischen DIX-Ethernet ohne VLAN-Tagging Preamble SoF Dest Src Type Payload CRC mit VLAN-Tagging Preamble SoF Dest Src 8100 Tag Type Payload CRC Rahmenformat nach IEEE ohne VLAN-Tagging Preamble SoF Dest Src Len DSAP SSAP Cntrl Org Type Payload CRC mit VLAN-Tagging Preamble SoF Dest Src 8100 Tag Len DSAP SSAP Cntrl Org Type Payload CRC C. Grimm 20. April 2005 Folie 39

40 Wegefindung in VLANs Situation ähnlich wie in beliebig vermaschten, mit Bridges gekoppelten Netzen Per VLAN Spanning Tree (PVSTP) Verfahren basieren auf Spanning Tree und Rapid Spanning Tree in IEEE 802.1Q spezifiziert daneben weitere hersteller-spezifische Verfahren VLAN Trunk Protocol (VTP) Inter Switch Link (ISL) PVSTP+ von Cisco, Protocol ID 010B 16 die Verfahren sind zum großen Teil proprietär Geräte verschiedener Hersteller arbeiten kaum problemlos miteinander C. Grimm 20. April 2005 Folie 40

41 Übung 1 Daten aus empfangenem Ethernet-Rahmen (Frame 1 in CaptureSession.ex) 00 0A 41 FD DF C F B B A E 2D C Auswertung der Header Ethernet-Header Destination: 00-0A-41-AC-D4-57, Source: C7-77 Type/Len: DIX-Ethernet ohne VLAN mit IP-Paket IP-Header 20 Byte mit Protocol UDP-Paket UDP-Header 8 Byte mit Destination Port = DNS DNS DNS Query (Typ ) nach , d. h. Reverse Lookup C. Grimm 20. April 2005 Folie 41

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