Ausgewählte Aspekte moderner Netzwerke - Trends, Standards, Schlußfolgerungen

Transkript

1 Ausgewählte Aspekte moderner Netzwerke - Trends, Standards, Schlußfolgerungen Prof. Dr. Thomas Horn IBH Prof. Dr. Horn GmbH Gostritzer Str Dresden info@ibh.de

2 Vorwort 1 Geschichtliches zu IBH 3/1991 Gründung als Schulungs- und Beratungsunternehmen 6/1994 Internet-Service-Provider als Xlink-PoP 8/1994 erste Autorisierung durch Digital Equipment 1994/95 weitere Autorisierungen (Ascend, Sun, HP) 1995/96 weitere Xlink-PoPs in Bautzen, Zittau und Görlitz 8/1996 Autorisierung als Digital-Systemhaus 10/1996 Gründung der IBH Prof. Dr. Horn GmbH 1998/99 Weitere Autorisierungen durch: Cabletron --> Enterasys Compaq, Checkpoint, Lucent Powerware, Cisco, Legato 2

3 Vorwort Cisco Premier Partner 2002 Cisco Premier Partner - Spezialisierung Security/VPN LAN Städt. Klinikum Görlitz LAN Carl-Thiem-Klinikum Cottbus VPN Wohnungsbaugesellschaft Nord-West DD VPN RKW Sachsen LAN Südharz-Klinikum Nordhausen 2002 Telekom Business Partner 2002 Hewlett-Packard 2003 Legato Powerware 3

4 Geschäftsfelder Vorwort 3! " 4

5 Vorwort 4 Die IBH Prof. Dr. Horn GmbH - Stammkapital ,5-15 Mitarbeiter - über 500 Kunden 2 Leistungsübersicht Unabhängiger Internet-Provider (Zugang über ISDN/AfOD, SFV, ADSL, LAN und Funk) Netzwerke mit Ethernet, FDDI und ATM Ausfallsredundante Speicherlösungen Clustersysteme (OpenVMS, UNIX, WNT, LINUX) Internet/Intranet-Lösungen beliebiger Art Systemmanagement/Systeminstallation PC-Integration in große Netzwerke 1,5 1 0, Umsatz Internet 5

6 Inhalt des Vortrages Das OSI-Referenzmodell Ethernet-Technologien Standardisierung im Rahmen der IEEE Redundante Ethernet-Netzwerke (Rapid Reconfiguration) Virtuelle LANs Quality of Servicve Multiple Spanning Trees Layer-2-Security Ausfallsredundantes Routing DSL-Technologien ADSL, SDSL, VDSL Long Reach Ethernet (LRE) 6

7 OSI-Referenzmodell 1 Das OSI-Referenzmodell wichtigste methodische Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise von Netzwerken Basic Reference Model (ISO/IEC 10731:1994) Schicht 7 Application Layer Applikationsschicht 6 Presentation Layer Darstellungsschicht 5 Session Layer Sitzungsschicht 4 Transport Layer Transportschicht 3 Network Layer Netzwerkschicht 2 Data Link Layer Verbindungsschicht 1 Physical Layer Physikalische Schicht 7

8 Schicht OSI-Referenzmodell 2 Einordnung verschiedener Technologien Logische Netzwerkschichten Applikationsspezifische Schichten TCP/IP- Protokollfamilie Novell Netware Banayn/Vines DECnet/OSI AppleTalk IBM SNA... Datenübertragungsschichten 8 Ethernet FDDI ATM ISDN Frame Relay DATEX-P Analog...

9 Das Ethernet-Prinzip Ethernet-Technologien 1 Kollision Definiert 1976 von Robert Metcalfe: Ethernet auf Basis von CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) R R R R CSMA/CD-Verfahren: MA - Multiple Access CS - Carrier Sense CD - Collision Detection Größtes Problem: Physikalische Laufzeit der Signale v 230m/µs Bedingung für Kollisionserkennung: Sender muß noch senden, damit er Kollisionen erkennen kann (Framegröße!) 9

10 Ethernet-Technologien 2 Ethernet ist das klassische LAN-Verfahren Es wurde definiert für: Übertragungsrate von 10 Mbit/s ---> Bitzeit ist 100 ns maximale Länge von m maximale Segmentlänge von 500m minimale Framegröße von 64 Byte (46 Datenbytes) maximale Framegröße von Byte max. 2 Repeater je Pfad maximale Knotenanzahl von

11 Ethernet-Technologien 3 Warum kommt es zu Kollisionen? Senden während eines bereits laufenden Sendens wird organisatorisch durch CSMA ausgeschlossen Problematisch sind die physikalischen Laufzeiten Ethernet funktioniert gut bei geringer Ausdehnung und geringer Übertragungshäufigkeit!!! Folge kleine Netzwerke (< 200m, max. Länge nicht ausschöpfen) n x m sollte klein sein durchschnittlicher Traffic Stationsanzahl 11

12 Ethernet-Bridge Ethernet-Technologien 4 Bei vielen Stationen ---> Häufung des Verkehrs ---> Anstieg der Kollisionen ---> Zusammenbruch des Netzverkehrs Lösung: Einsatz einer Bridge Eine Bridge ist in Schicht 2 eingeordnet! Bridge (Frame-Filter) Eine Bridge analysiert in den Frames die MAC-Adressen des Senders + Empfänger. Vorteile: 1. Traffic wird separiert (Lasttrennung) 2. Störungen werden separiert 3. Verbesserung der Abhörsicherheit R Bridge R R R Repeater R 12

13 Ethernet-Technologien 5 Kreuzschienenverteiler (Crossbar) B RxD verwerfen S RxD 3-6 TxD TxD 1-2 Nachteil: Paketverzögerung!!! t Vswitch > t N (bei Store-and-Forward) t Vswitchmax > t Nmax 13

14 Ethernet-Technologien 6 Bridges/Switches vermitteln Frames in der Schicht 2 auf Basis von MAC-Adressen Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Protokoll Protokoll Protokoll Protokoll Protokoll Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer 2 1 Data Link Layer Physical Layer Bridge Switch Data Link Layer Physical Layer 14

15 7 Application Layer 6 Presentation Layer 5 Session Layer 4 Transport Layer Ethernet-Technologien 7 Router vermitteln Datenpakete in der Schicht 3 auf Basis von Netzwerk-Adressen Endknoten Zwischenknoten Protokoll Protokoll Protokoll Protokoll Endknoten Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer Router Network Layer Data Link Layer Physical Layer 15

16 Ethernet-Technologien 8 Layer-3-Switching Effektives Handling des IP-Routing (IPv4) Erstes Paket eines Dataflows (Quell-IP,Ziel-IP) wird geroutet, Routinginformation ---> Cache weitere Pakete werden in Layer 2 auf MAC-Adressen- Ebene gemäß Cache-Information geswitcht Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer IP TCP-Protokoll IP- Switch IP Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer 16

17 Layer-4-Switching Ethernet-Technologien 9 - Erweiterung des Layer-3-Switchings - Erstes Paket eines Dataflows (Quell-IP,Ziel-IP,Port/Dienst) wird geroutet - weitere Pakete werden in Layer 2 auf MAC-Adressen-Ebene geswitcht Zusammenfassung (1) Layer-3- und Layer-4-Switching sind nur für TCP/IP definiert (2) Wurden speziell für IPv4 entwickelt, da Routing aufwendig (3) Ziel: effektiveres Routing bzw. Einsparung von Routern (4) Verfahren werden mit IPv6 überflüssig 17

18 Fast-Ethernet Ethernet-Technologien 10 die Bitzeit verringert sich auf 10 ns Kompatibilität zur 10Mbit/s-Technologie Blockübertragungszeit verringert sich auf 1/10 Kollisionen können nur erkannt werden, wenn der Sender ausreichend lange sendet ---> Ethernet-System verringert sich auf max. 205 m Hub 5m Hub 100m 100m R R R R R R 18

19 Fast-Ethernet Ethernet-Technologien 11 Weitere Entwicklung der Mikroelektronik ermöglichte den umfassenden Einsatz von Switches Der verstärkte Einsatz von Switches führte zur Lösung der Kollisions- und Längenprobleme Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind laufzeitunkritisch Unkritische Entfernung Punkt-zu-Punkt-Übertragung Switch Switch duplex ist möglich 100m 100m R R R R R R 19

20 Gigabit-Ethernet Ethernet-Technologien 12 die Bitzeit verringert sich auf 1 ns Blockübertragungszeit verringert sich auf 1/100 Kollisionen können nur erkannt werden, wenn der Sender ausreichend lange sendet ---> Ethernet-System würde sich auf wenige Meter verringern Zusammenfassung von 5 Ethernet-Frames zu einem Transport-Frame max. Ausdehnung von 20 m 20

21 Gigabit Ethernet Ethernet-Technologien 13 Bei s max <= 20m sind Kollisionsdomänen praktisch nicht realisierbar Folglich (massenhafter) Einsatz von Gigabit-Switches A Hub <=20m B A Switch B Punkt-zu-Punkt Verbindung 2 km MMF, 50µm 40km SMF, 9µm 550m 5km 100 MHz 1 GHz f f 100 MHz 1 GHz 21

22 Gigabit-Ethernet Ethernet-Technologien 14 Einsatz nur über Gigabit-Ethernet-Switches Ethernet verläßt die LAN-Nische --> MAN/WAN Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind nur vom Medium abhängig ---> Kollisionsfreiheit R LWL-Anbindung Gigabit-Ethernet Beispiel: Cisco bzw Familie GB- Switch FastEthernet-Gigabit-Switch Fast-Ethernet 100m R R R Adaptive 10/100 Mbit/s-Ports (auto-negotiation) S S 22

23 PLS Ethernet-Technologien 15 Schichtenmodell der verschiedenen Technologien 2 Logical Link Control (LLC) Media Acces Control (MAC) RS RS Physical Signaling Reconcilation Sublayer AUI MII GMII 1 PMA MDL PCS PMA PMD AutoNeg MDL PCS PMA PMD MDL Ph. Coding Sublayer Ph. Medium Attachm. Ph. Medium Dependant Medium Dependant Link MAU MMI GBIC 23

24 Ethernet-Technologien 16 Ethernet-Standard (Febr. 1990) 10 Base 5 (Thick-Wire, AUI) 10 Base 2 (Thin-Wire, BNC) 10 Base T (UTP) 10 Base F (MMF) Fast-Ethernet-Standard (Juni 1995) 100 Base TX (S/UTP) 100 Base FX (MMF) Gigabit-Ethernet-Standard (Juni 1998) 1000 Base SX (Short Wave MMF) 1000 Base LX (Long Wave MMF/SMF) 1000 Base CX (Coax Copper) 24

25 Gigabit Ethernet Ethernet-Technologien Base-SX (Short Wave 850nm) MMF (50µm) 550m 1000 Base-LX (Long Wave 1310nm) MMF/SMF 550m/5km 1000 Base-LX/LH (Long Hole) SMF 10km 1000 Base-CX (Coaxial Cu) 2xCoax 25m 1000 Base-ZX (Super Long) SMF, 9µm 70km 1000 Base-T (STP) 4x2 100m Gigabit Ethernet wurde von Fibre Channel abgeleitet! Storage Storage 1 GHz MByte/s FC Hub HBA 500m 500m HBA (FC Switch) GBIC - Gigabit Interface Controller 25

26 Standardisierung 1 Arbeitskreise der IEEE LLC Logical Link Control SILS Media Access Control (MAC) CSMA /CD TBUS TRING DQDB ISLAN WLAN DPAP WPAN BWA RPR eingefroren (eventuell Anpassung an aktuelle Entwicklungen) in aktiver Weiterentwicklung Standardisierung im wesentlichen abgeschlossen 26

27 Standardisierung 2 Aktuelle Weiterentwicklungen CSMA/CD ---> 10-Gigabit-Ethernet ---> Ethernet in the First Mile Wireless LANs (2,4 und 5 GHz-Band) Wireless Personal Area Networks (Unapproved Draft) Broadband Wireless Access Systems (Unapproved Draft) Resilient Packet Ring (Project Authorization Request) 27

28 Ethernet-Standards 10G 1G 100M 10M 10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-FL Standardisierung 3 100Base-TX 100Base-FX 1000Base-SX 1000Base-LX 1000Base-LH 1000Base-ZX 1000Base-CX 1000Base-T 802.3ae, Draft 3.x 10GBase-SR 10GBase-SW 10GBase-LX4 10GBase-LR 10GBase-LW 10GBase-ER 10GBase-EW Seriell 64b/66b (R) SONET/SDH (W) WWDM 8b/10b (X) 850nm (S) 1310nm (L) 1550nm (E)

29 2 PLS MDL Standardisierung 4 Einordnung der 10-Gigabit-Technologie 1 PMA Logical Link Control (LLC) Media Acces Control (MAC) AUI RS MII PCS PMA PMD AutoNeg MDL Medium RS PCS PMA PMD MDL GMII RS PCS PMA PMD MDL Physical Signaling Reconcilation Sublayer XGMII (ca. 7cm) XGSX XAUI (ca. 70cm) XGSX Ph. Coding Sublayer Ph. Medium Attachm. Ph. Medium Dependant Medium Dependant Link 29

30 Standardisierung 5 IEEE High Layer Interfaces (HILI) 802.1d Spanning Tree 802.1p Quality of Service (Priority) 802.1q Virtuelle LANs (VLAN) 802.1s Multiple Spanning Tree 802.1v VLAN Class by Protocol and Port 802.1w Rapid Reconfiguration 802.1x Port based Network Access Control 30

31 Redundante Ethernet-Systeme 1 Spanning Tree Algorithmus ursprünglich von DEC zur Gestaltung von loopfree networks entwickelt Weiterentwickelt vom IEEE zum offiziellen Standard (inkompatibel zum DEC-Algorithmus) Signalverstärker Hub C C C Hub C C Stand-by Bridge Switch S Sortierung nach MAC-Adressen (Media Access Control) 31

32 Redundante Ethernet-Systeme 2 Spanning Tree Algorithmus (IEEE 802.1d) Fast Ethernet/Gigabit-Switch A B S S Stand-By Redundante Verbindung Über den Spanning-Tree- Algorithmus wird auf Schleifen getestet Switches einigen sich auf die logische Abschaltung einer redundanten Verbindung Ports werden auf Blocking gesetzt Anschluß von Servern über GE Cisco 3550 PC Cisco 3508 S S S 32

33 Redundante Ethernet-Systeme 3 Wie funktioniert Spanning Tree Das Spanning-Tree-Protokoll untersucht kontinuierlich das Netzwerk und stellt so den Wegfall oder das Hinzufügen von Bridges oder Switches fest Bei Topologie-Änderungen des Netzwerkes werden die Switch-Ports so umkonfiguriert, daß es zu keinen Schleifen oder zum Verlust von Netzwerkteilen kommt Jede Bridge hat beim Einsatz von Spanning Tree eine Bridge-ID, die aus der Bridge-Priorität und der MAC- Adresse eines Ethernet-Ports abgeleitet wird, z.b C FF1C Im Netzwerk wird immer die Bridge mit der niedrigsten Bridge-ID zur Root-Bridge ausgewählt. Alle Ports der Root-Bridge werden auf forwarding gesetzt 33

34 Redundante Ethernet-Systeme 4 Wie funktioniert Spanning Tree (Forts.) Von den NON-Root-Bridges wird jeweils ein Port als Root- Port auf forwarding gesetzt. Der Root-Port ist jeweils der Port mit den niedrigsten akkumulierten Pfad-Kosten zur Root-Switch hin. Je höher die Bandbreite eines Ports, um so niedriger sind die Pfad-Kosten Jedes Segment erhält ein designiertes Port, welches sich aus den niedrigsten akkumulierten Pfad-Kosten zur Root- Bridge hin ergibt Designierte Ports sind sind immer auf forwarding gesetzt Redundante Ports werden zu nichtdesignierten Ports, die auf blocking gesetzt werden. 34

35 Redundante Ethernet-Systeme 5 Spanning Tree Pfad-Kosten Bandbreite IEEE (neu) IEEE (alt) 10 Gbit/s Gbit/s Mbit/s Mbit/s Spanning Tree Port States Blocking Listening Learning Forwarding 20 Sekunden 15 Sekunden 15 Sekunden 35

36 Cluster RAID Redundante Ethernet-Systeme 6 S S Spanning Tree Root-Bridge Switch geschlossene Ringe sind unzulässig Stand-by Blocking Switch Switch Switch Switch PC PC PC PC PC PC PC PC Problem: Spanning Tree hat bei größeren Systemen sehr große Reorganisationszeiten, neu IEEE 802.1w (rapid reconfiguration) 36

37 Virtuelle LANs 1 VLAN - Virtual LAN (IEEE 802.1Q) Physische LANs Implementierung 2 virtuelle LANs in einem physischen LAN 37

38 Virtuelle LANs 2 Komplexe VLAN-Strukturen Je eine getrennte Verbindung pro VLAN ist denkbar, aber ineffizient (Campusverkabelung) Man müsste eine Verbindung haben, auf der beliebig viele VLANs - ohne miteinander in Berührung zu kommen - gleichzeitig verbunden werden können??? 38

39 Virtuelle LANs 3 Die Lösung: Tagging Ein spezieller Port markiert alle austretenden Frames mit einem Etikett (Tag), in dem steht, zu welchem VLAN sie gehören Beim Eintreten wird das Tag entfernt und das Frame wieder dem vermerkten VLAN zugeordnet Auch bekannt als Trunking/Trunk Port (Cisco etc.) Tagged Frames Tagged Ports 39

40 Virtuelle LANs 4 Implementierung des 802.1Q IEEE Standard für Tagging Benutzt zusammen mit 802.1p das gleiche Tag Tag Protocol Identifier User Priority VLAN ID CFI 802.1pQ Tag in einem Ethernet II Frame Dst MAC Src MAC Tag Type Payload FCS 6 Byte 6 Byte 4 Byte 2 Byte Byte 4 Byte 40

41 Virtuelle LANs 5 Interoperabilität von 802.1Q IEEE Standard hat 211 Seiten und ist komplex Implementationen einiger Hersteller starteten schon vor der endgültigen Fassung Da die Implementation meist in Hardware gegossen ist, kann sie u.u. nicht mehr geändert werden Problemfelder Handling von untagged frames single spanning tree vs. per VLAN spanning tree (spanning forest) bzw. multiple spanning tree proprietäre Automatismen (z.b. Cisco VTP) 41

42 Virtuelle LANs 6 VLAN - Virtual LAN mit Cisco-Switches Router FW S S SX Standby G LX/LH LX/LH 0,5m R FW EMI (Extended Multilayer Image) IP-Routing IPX/SPX-Routing OSPF BGP

43 Quality of Service Der Standard IEEE 802.1p Ethernet II Frames enthalten 3 Bits für eine Priorität, damit können den Frames 8 Prioritäten zugeordnet werden Der Priorität entsprechend werden die Frames in den Switches unterschiedlichen Queues zugeordnet Die Queues mit den höheren Prioritäten werden zuerst abgearbeitet, d.h. die Frames mit einem höheren Prioritätswert werden bevorzugt weitergeleitet Praktische Implementierungen sehen z.z. in der Regel zwei Queues vor, z.b. eine Queue für die Werte 0-3 und eine Queue für die Werte 4-7, perspektivisch wären aber 8 Queues möglich 43

44 Multiple Spanning Tree Der Standard IEEE 802.1s Es werden in der Struktur mehrere Spanning Trees derfiniert, in dem z.b. durch eine geeignete Prioritätswahl mehrere Root-Bridges definiert werden Die verschiedenen Spanning Trees werden über einen ID indentifiziert Die verschiedenen VLANs können nun den einzelnen Spanning Trees zugeordnet werden Die Multiple Spanning Trees dürfen nicht mit älteren Implementierungen, den per VLAN spanning trees verwechselt werden Root1 Root2 Root3 44

45 Layer-2-Security Der Standard IEEE 802.1x Wenn 802.1x Port-Based Authentication eingeschaltet ist, dann akzeptiert das Port nur EAPOL- Nachrichten (Extensible Authentication Protocol over LAN) PC PC Clients Authentication Server Die Switch wendet sich über das EAP (Extensible Authentication Protocol) an den Authentication Server. Wenn der Benutzer zugelassen ist, dann wird das Port in den Status authorized umgeschaltet und einem VLAN zugeordnet Der 802.1x-Service ist z.z. in Windows XP professional implementiert. Während der Identitätsüberprüfung sendet der Client eine EAPOL-Nachricht an die Switch. S (RADIUS) 45

46 Ausfallsredundantes Routing Ausfallsredundantes Routing VRRP: Virtual Router Redundancy Protocol RFC 2338 Virtual Router Redundancy Protocol. (4/1998: Proposed Standard) RFC 2787 Definitions of Managed Objects for the Virtual Router Redundancy Protocol. (3/2000: Proposed Standard) HSRP: Hot Standby Router Protocol (Cisco Proprietary) /24 Def. Gateway: C R1 VR R /24 Virtuelle IP-Adressen,die auf virtuelle MAC-Adressen gemappt werden S 46

47 DSL-Technologien 1 Teilnehmeranschlußleitungen (TAL) Leitung zwischen dem Hauptverteiler (HVT) und dem Teilnehmer wird als Teilnehmeranschlußleitung (TAL) bezeichnet TAL ist normalerweise eine Kupfer-Doppelader früher wurden analoge Signale übertragen --> analoge TAL Seit ca werden zunehmend digitale Signale übertragen --> digitale TAL DSL ist die Abkürzung für Digital Subscriber Line, also digitale TAL Damit ist jedes Verfahren, daß auf der letzten Meile digitale Signale überträgt, ein DSL-Verfahren 47

48 DSL-Technologien 2 Der xdsl-stammbaum LWL Cu Elt FDSL PDSL Funk AirDSL simplex Verfahren? duplex WDSL UDSL halbduplex Wireless DSL variabel EtherLoop Zeitraster? konstant VDSL ISDN Sym./Asym.? asymmetrisch symmetrisch ADSL SDSL 48

49 DSL-Technologien 3 SDSL-Verfahren 1 DA 2 DA SDSL Single Line DSL ANSI Normung? ETSI 3 DA ETSI HDSL HDSL 768 kbit/s HDSL2 HDSL4 HDSL SDSL kbit/s ETSI SDSL keine ITU-T wdsl SHDSL 49

50 DSL-Technologien 4 ATM over ADSL bzw. ATM over SDSL ATM OC-3 (155 Mbit/s) Zuführung zum ISP ATM über ADSL/SDSL zum Kunden OC-3 Router ISP PoP LAN Carrier ADSL ADSL ATM PVC Router Kunden-LAN ATM PVC Router Kunden-LAN 50

51 Long Reach Ethernet (LRE) LRE - eine DSL-Technologie C2950ST-8-LRE und C2950ST-24-LRE 8 bzw. 24 LRE-Ports CPE Cisco 575 als Endgerät Anschluß der CPE über TAL (1 DA) bis 500m bis 1000m - 15Mbit/s - 10Mbit/s bis 1500m - 5Mbit/s POTS-Splitter zur Übertragung von Telefonie im Frequenzbereich bis 700kHz a/b, U K0, U P0 51

52 Schlußfolgerungen Auf Grund des Preis/Leistungsverhältnisses und der aktiv voran getriebenen Standardisierung verdrängt Ethernet defacto alle anderen Technologien Moderne Ethernet-Systeme auf Switching-Basis sind kollisionsfrei --> Ethernet verläßt die typische LAN-Nische Cat.5e und Cat.6 lassen Gigabit-Ethernet zu --> GE bis zum PC wird defacto zum Standard Durch Spanning Tree, Rapid Reconfiguration, VLAN und Quality of Service wird Ethernet auch für unternehmenkritische Anwendungen salonfähig bei der Neugestaltung von Netzwerken sollte auf die Implementierung aller modernen IEEE-Standards achten Wenn keine moderne Verkabelung zur Verfügung steht, dann kann man sich sehr gut mit LRE und WLAN behelfen WLAN ist keine Alternative zur drahtgebundenen Übertragung 52

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen Sie! Wir antworten.