Modul 6 LAN-Komponenten (Repeater, Bridge, Switch, VLAN)

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1 Lernziele: Nach der Lehrveranstaltung zu Modul 6 sollen Sie in der Lage sein, (a) die Grundfunktion eines Repeaters darzustellen, Modul 6 LAN-Komponenten (Repeater, Bridge, Switch, VLAN) (b) die Anforderung, Notwendigkeit, Vorteile und Grenzen für den Einsatz von Switchen zu erläutern, (c) die Arbeitsweise eines Swichtes sowie den Spanning-Tree-Algorithmus im Detail darzustellen, (d) das Konzept von VLANs zu erläutern (e) sowie beispielhaft praktische Anwendungen der Konzepte vorzustellen :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

2 Modul 6. Repeater :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

3 Repeater Ausbreitungsrichtung des Signals Eingangssignal Repeater (Hub) aufgefrischtes Ausgangssignal Ethernet-Segment Ethernet-Segment aufgefrischtes Ausgangssignal Funktionen: Ethernet-Segment taktgerechte Signalregenerierung, Erzeugung bzw. Weiterleitung eines Jam-Signals zur Signalisierung von Kollisionen, Abtrennung fehlerhafter Kabelsegmente. Kollisionen werden nicht begrenzt!! :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

4 Problemstellung: redundante Kabelverbindungen PC PC PC Repeater Repeater PC PC PC A B Aufgabe Zwei Repeaternetze A und B sind über eine Kabelsegment miteinander verbunden. Um diese Verbindung zwischen den beiden Repeaternetzen ausfallsicherer zu machen, kommt ein Netzadministrator auf die Idee, beide Repeater mit einem weiteren Kabel zu verbinden (siehe Abbildung). Führt diese Maßnahme zum gewünschten Ziel? zusätzliche redundante Kabelverbindung der Netze A und B durch ein weiteres Kabel zwischen den Repeater und sinnvoll? Weitere Hilfestellungen zur Lösungen bei Bedarf im Praktikum :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 4

5 Modul 6. Brücke, Switch :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 5

6 Grundfunktion der Brücke LAN ohne Brücke: Station A Station B Station C Station D Last im LAN? Station A Station B Brücke/ Switch Station C Station D LAN mit Brücke: Auftrennung von Kollisionsdomänen Station A Segment Segment Kollisionsdomäne Station B Brücke/ Switch Kollisionsdomäne Station C Station D Filterfunktion zusätzlich: Filterung fehlerhafter Rahmen Segment Segment :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 6

7 Adresstabelle der Brücke Brücke Station A Station B Station C Station D Ausgangssituation Segment Segment Adresstabelle A sendet Rahmen nach B Brücke Station A Station B Station C Station D Rahmen_von_Station_A an_b Rahmen_von_Station_A an_b erster Eintrag in die Adresstabelle Segment Adresstabelle Segment Port :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 7

8 Adresstabelle der Brücke B sendet Rahmen nach A Brücke Station A Station B Station C Station D Rahmen von Station B an A erste Filterung eines Rahmens Segment Adresstabelle Segment Port Port Brücke Station A Station B Station C Station D Adresstabelle nach Segment Adresstabelle Segment Port Port Port Port :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 8 vollständigem Lernprozess

9 Grundfunktionen und -merkmale einer Brücke Die Brücke ist eine Netzkomponente, die auf Schicht arbeitet. Grundfunktionen und -merkmale einer Brücke: Lasttrennung durch Frame-Filterung, Auftrennung von Kollisionsdomänen, Transparenz der Brücke für die angeschlossenen Stationen, Weiterleitung von Broadcast- und Multicast-Nachrichten (führt zum Begriff der Broadcast-Domäne). Eine Broadcastdomäne wird typischerweise durch einen Router begrenzt, da Router keine (Layer)-Broadcast-Nachrichten weiterleiten, Selbstlernend, selbstkonfigurierend und Agingmechanismus sowie: Unterstützung redundanter Netzwerkpfade ( Spanning Tree), Bridge nutzt Store-and-Forward Mechanismus in Abgrenzung zum Switch :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 9

10 Übungsaufgabe Switch P9 P Multiportrepeater K P 50 P5 B P K B 46 P0 P7 P8 K P C Router P K5 A P K4 P5 B P4 Router P6 Internet Aufgabe Gegeben sei das links beschriebene Netz: (a) Welche Ports gehören zur selben Kollisionsdomäne? (b) Welche Ports gehören zur selben Broadcastdomäne? :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 0

11 Übungsaufgaben Aufgabe Angenommen, eine Brücke möchte einen neuen Eintrag in ihre Adresstabelle vornehmen. Die Kapazität der Adresstabelle ist jedoch ausgeschöpft. Wie sollte Ihrer Meinung nach die Brücke reagieren: ) Verwerfen des neuen Eintrages oder ) Überschreiben eines bestehenden Eintrages, der noch gültig ist? Aufgabe Diskutieren Sie Ihre Lösungen aus Aufgabe bezüglich der Fragestellung Sicherheit in Netzen. Hilfestellungen zur Lösungen bei Bedarf im Praktikum :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

12 Modul 6. Spanning Tree :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

13 Problemstellung redundante Netzwerkpfade ( Spanning-Tree-Algorithmus) Station A Segment Brücke Brücke Segment Station B :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

14 Finde einen spannenden Baum! Grundprinzip: Unterdrückung von Zyklen durch Deaktivierung von Verbindungen Mathematisch formuliert: Transformation einer beliebig vermaschten Netzstruktur durch Streichen von Kanten in einen spannenden Baum (= zwischen zwei beliebigen Punkten existiert genau ein Weg) :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 4

15 Beispielnetz mit Brücken und Repeatern 0Base-T Repeater Prof. Dr. Martin Datenrate Leischner Fast-Ethernet Repeater Pfadkosten (80.D-98) Pfadkosten (80.t-00) 4 Mbit/s Mbit/s Mbit/s Mbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s 000 Bridge 4 4 Bridge 00Mb 0Base5-Ethernet 00Mb 64Kb 00Mb Bridge Fast-Ethernet Repeater 00Mb Bridge 00Mb 5 Bridge 4 00Mb Fast-Ethernet Repeater Fast-Ethernet Repeater Fast-Ethernet Repeater :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 5

16 Kollisionsdomänen und Pfadkosten im Beispielnetz 0Base-T Repeater 00 Fast-Ethernet Repeater Pfadkosten = default-werte nach IEEE 80.D-98 Bridge Bridge 00Mb 0Base5-Ethernet 00Mb 64Kb 00Mb Fast-Ethernet Bridge Repeater 00Mb Bridge 00Mb 5 Bridge 4 00Mb Fast-Ethernet Repeater Fast-Ethernet Repeater Fast-Ethernet Repeater :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 6

17 Ausgangspunkt: Logisches Netzmodell mit Brücken, Kollisionsdomänen und Pfadkosten D D D D D :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 7

18 Schritt : Bestimmung der Rootbridge und Berechnung der Pfadkosten zur Rootbridge 00 Ko.= D Ko.=57 Ko.= Root D Ko.= 0000D750 Ko.=8 Ko.= 0000D57708 Ko.=8 Ko.=574 Ko.= Ko.= D60 Ko.= :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 8

19 Schritt : Festlegung der Root Ports 00 Ko.= D Ko.=57 Ko.= Root D Ko.= 0000D750 Ko.=8 Ko.= 0000D57708 Ko.=8 Ko.=574 Ko.= Ko.= D60 Ko.=8 4 Root Port :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

20 Schritt : Bestimmung der designierten Ports Root Ko.= D Ko.=57 Ko.= D Ko.= Ko.=8 0000D750 Ko.= Ko.=574 Ko.= 8 Ko.=8 0000D D60 Ko.=8 Ko.=8 4 8 Root Port designierter Port :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 0

21 Schritt 4: Bestimmung der blockierten Ports Root Ko.= D Ko.=57 Ko.= D Ko.= Ko.=8 0000D750 Ko.= Ko.=574 Ko.= 8 Ko.=8 0000D D60 Ko.=8 Ko.=8 4 Root Port 8 designierter Port blockierter Port :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

22 Ergebnis: der spannende Baum Root Ko.= D Ko.=57 Ko.= D Ko.= Ko.=8 0000D750 Ko.= Ko.=574 Ko.= 8 Ko.=8 0000D D60 Ko.=8 Ko.=8 4 Root Port 8 designierter Port blockierter Port :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

23 Zusammenfassung: Ablauf des Spanning Tree Algorithmus Grundlagen: Der Spanning Tree Algorithmus arbeitet auf einem logischen Netzmodell, bei dem die Brücken bzw. die Kollisionsdomänen die Knoten bzw. die Kanten darstellen. Eine Multicast-adresse für alle Brücken im lokalen Netz (0-80-C ) Schritt : Bestimmung einer Root Bridge. Brücke mit niedrigster Bridge-ID gewinnt. Schritt : Bestimmung eines Root Ports für jede Bridge (außer Root-Br.) (Root Port = Port mit kostengünstigster Gesamtverbindung zur Root Bridge), bei gleichen Pfadkosten gewinnt Port mit niedrigster Port-ID. Schritt : Für jede Kollisionsdomäne Wahl einer designierten (=aktiven) Bridge, für die die Pfadkosten zur Root-Bridge minimal sind. Falls nicht eindeutig bestimmt, Wahl der Bridge mit der niedrigsten ID. Markieren des entsprechenden Ports zur Kollisionsdomäne als designated. Markieren aller Ports der Root-Bridge als designated. Schritt 4: Blockieren aller Ports, die weder Root-Port noch designierter Port sind :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

24 Anmerkungen zum Spanning Tree Protokoll Performance-Problem beim klassischen STP: fehlende Echtzeitfähigkeit Sicherheitsproblem, insbesondere beim klassischen STP: Neuberechnung und Reorganisation des Netzes kann durch gefälschte Spanning- Tree-Frames ausgelöst werden. Hierdurch kann das Netz 0 Sekunden oder länger lahmgelegt werden Das klassische Spanning Tree Protokoll (STP) nach IEEE 80.D ist (seit etwa 00) durch das das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) nach IEEE 80.w abgelöst. Idee von RSTP: Arbeite in der alten Netzstruktur weiter bis die gesamte neue, alternative Netztopologie berechnet ist. Schalte dann gemeinsam/simultan (innerhalb weniger als eine Sekunde) auf neue Netztopologie um. Um den Einsatz von virtuellen LAN zu unterstützen wurde das RSTP zum Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) weiterentwickelt (IEEE 80.s). Idee: Mehrerer Root-Instanzen, Lastausgleich zwischen VLANs Laborarbeit H-BRS: Aufbau einer experimentellen Spanning Tree Umgebung :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 4

25 Modul 6.4 Was ist ein Switch? Von Simon A. Eugster - Eigenes Werk, CC BY-SA.0, 5:00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 5

26 Was ist ein Switch? Switche arbeiten wie Brücken auf der Leitungsschicht und entsprechen diesen in ihrer grundlegenden Funktionsweise. Switche sind auf hohe Leistung getrimmt. Große Anzahl von Ports ("Portdichte") Unterstützung von VLANs Mikrosegmentierung (= Anbindung einer einzelnen Station an einen Switchport, Ein-Port-Segment) ( Keine Kollisionen, optimaler Full-Duplex-Betrieb) Store-and-Forward-Switching (Vorteil: Fehlererkennung, Nachteil: langsamer) Cut-Through-Switching: Direkte Weiterleitung nach Auswertung der Zieladresse Fragment-Free Switching ( Überprüfung auf minimale Segmentlänge von 64 Byte Vermeidung von Late Collisions) :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 6

27 Store-and-Forward Switching Hochleistungsbus Puffer Puffer Puffer Puffer Puffer Puffer Rahmen Rahmen Rahmen Rahmen Im Puffer wird das Frame komplett gespeichert und geprüft. Falls fehlerhaft es ist, wird es verworfen. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Switches ist die Backplane (verschiedene Ausbildungen möglich) Rahmen Rahmen Puffer Puffer Puffer Matrix Puffer Puffer Puffer Rahmen Rahmen :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 7

28 CRC-Prüfsumme Daten Typenfeld Quelladresse Zieladresse Hochschule Cut-Through-Switching Keine Fehlerüberprüfung Es reicht die MAC-Zieladresse auszuwerten 4 Byte x Byte Byte 6 Byte 6 Byte MAC /4/ LLC MAC MAC :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 8

29 Modul 6.5 Was ist ein VLAN? :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 9

30 Was ist ein VLAN? Ein VLAN (virtuelles LAN) ist ein LAN, das nicht hardwaremäßig, sondern auf logischer Ebene definiert ist. Ein VLAN kann innerhalb eines Switches oder auch über eine größeres physisches Netzwerk hinweg definiert werden. Jedes VLAN bildet eine Broadcast-Domäne. Jedes VLAN verhält sich so, als ob es mit einem eigenen Switch aufgebaut worden wäre. Die Kommunikation zwischen zwei VLANs ist nur über einen Router hinweg möglich. Vorteile von VLANs Flexibilität bei der Integration von Endgeräten in die Netzinfrastruktur Priorisierung von Datenverkehr (z.b. VLAN für VoIP) Sicherheitsaspekte :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 0

31 (Portbasierte) VLANs auf einem Switch Switch A A- A-4 A-6 A-8 A- Prinzip: ein Switch, Konfiguration von mehreren LANs :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

32 Layer- Verbindung portbasierte VLANs Switch A Switch B A- A-4 A-6 A-8 B- B-4 B-6 B-8 A- Zwei komplett getrennte VLAN: VLAN-rot und VLAN-grün :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

33 Layer- Kopplung portbasierte VLANs über Router Layer Router Layer Switch A Switch B A- A-4 A-6 A-8 B- B-4 B-6 B-8 A :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie

34 Verbindung von tagged VLANs nach IEEE 80.q tagged VLAN Trunk nach IEEE 80.q Switch A Switch B A- A-4 A-6 A-8 B- B-4 B-6 B-8 A- Zwei komplett getrennte VLAN: VLAN-rot und VLAN-grün Auf dem Trunk A-7 / B- laufen getaggte Frames :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 4

35 Präambel Rahmenbegrenzung Zieladresse Quelladresse Typenfeld Daten CRC-Prüfsumme VLAN-Tag Hochschule Ethernet-Frames mit VLAN-Tag 4 Byte MAC 7 Byte Byte 6 Byte 6 Byte Byte x Byte 4 Byte MAC MAC LLC /4/ MAC 7 Byte Byte 6 Byte 6 Byte 4 Byte Byte x Byte 4 Byte MAC MAC VLAN- Tag LLC /4/ MAC :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 5

36 Modul 6.6 LAN in der Praxis - Beispiele :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 6

37 Wie groß ist eine Broadcast-Domäne? praktische Anwendung Aufgabe: Wir möchten feststellen, wie groß die Broadcast-Domäne des Eduroam-WLANs der H-BRS ist und wer sich in dieser Broadcast-Domäne befindet. Ist das überhaupt möglich? Warum könnte es möglich sein? Welche Folgen hat dies? Praktische Vorgehensweise: Die App Net Analyzer auf s Android-Handy laden. Einen LAN-Scan durchführen. Wie ist das einzuordnen? Konsequenzen? Maßnahmen? Ergebnis - ca. 400 Systeme: (NadineKlein.) - MAC: 0:a:64:a:b:bc - Vendor: Intel Corporate - Properties: Pingable - LLMNR Name: NadineKlein. - NetBIOS Name: NADINEKLEIN - NetBIOS Domain: WORKGROUP MAC: 48:e9:f:9:8:7 - Vendor: Apple, Inc (KEVINS_THINKPAD) - MAC: e4:b:8:77:5:95 - Vendor: Intel Corporate - Properties: Pingable - NetBIOS Name: KEVINS_THINKPAD - NetBIOS Domain: WORKGROUP MAC: b0:70:d:a5:df:7 - Vendor: Apple, Inc. - Properties: Pingable :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 7

38 Konkretes Beispiel für einen Switch Netgear GS08T-00GES es gibt gleichwertige Switches anderer Hersteller, z.b.: Cisco 00 Series SG00-08 HP 80-8G, Linksys LGS08, 8-port Acht Gigabit Ethernet Ports VLAN Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) Multiple Spanning Trees Protocol (MSTP) Link Aggregation Link Layer Discover Protocol (LLDP) QoS mit IPv4/IPv6-Filterung (QoS - DiffServ) Smart-Webbased-Management SNMP v, vc, v (Simple Network Management Protocol) MIBs (Management Information Bases) RMON-MIB (Remote Monitoring) PoE (= Power over Ethernet) Voice VLAN Port Mirroring Support :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 8

39 Beispielszenario: Einsatz des Netgear GS08T-00GES zu Hause Lösung bei mehr als zwei VLAN: Multi-LAN-Router Beispiel: Der Cisco RV4W unterstützt Inter- VLAN routing Ausgangssituation: Viele Systeme wollen zu Hause ins Netz: Handy, Medienserver, steuerbare Steckdose, Raspberry, Heizung, Homeserver Ziel: Trennung Privatbereich, nicht sensitiver Bereich fritz.box Drucker IoT (Steckdose) Gaming PC Home-Server (Streaming LAN LAN LAN 4 VLAN AP WLAN-Garten LAN 4 VLAN Netgear GS08T-00GES 8 Heizung :00:56 M. Leischner Netze, BCS,. Semester Folie 9

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