Fakultät Informatik, Institut für Systemarchitektur, Professur Rechnernetze. Rechnernetzpraxis. Netzwerkplanung.

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1 Fakultät Informatik, Institut für Systemarchitektur, Professur Rechnernetze Rechnernetzpraxis Netzwerkplanung

2 Einleitung Status-Quo Unternehmensstandort Lokation der Server für interne Dienste Ziel Bereitstellung zusätzlicher Dienste im Intranet Unternehmensstandort Gebäude 1 Gebäude 2 Gebäude 1 Gebäude 2 Gebäude 3 Gebäude 3 Gebäude 4 (neu) Übergabepunkt des Providers Auswirkungen auf bestehende Infrastruktur? Welche Aspekte sind bei der Anforderungsermittlung wichtig? Wie sollte Netzwerkplanung ablaufen? Allgemeine Templates / Richtlinien für ein CAN? Ziel des Kapitels ist Übersicht zu Netzwerkplanung und zu allgemeinem Vorgehen zu vermitteln keine Behandlung von technologischen Details oder Werkzeugen 2

3 Inhalte 1. Übersicht zu beeinflussenden Faktoren 2. Projektarten und Dimensionen 3. Schema: Design- und Implementierungszyklus 4. Analysephase Technische & Nicht-technische Anforderungen Analyse des bestehenden Netzwerks Analyse des Netzverkehrs 5. Traffic Engineering 6. Strukturierte Verkabelung 7. Hierarchisches Networking Model 3

4 Übersicht zu beeinflussenden Faktoren und Aktivitäten Vorhersage von Anforderungen Budget-/ Kostenplanung Service-Level- Anforderungen Allgemeine Richtlinien / Strategien Bestehendes Netzwerk Datensammlung Datenverarbeitung Suche nach Lösungen Evaluation von Lösungen Erweitertes / neues Netzwerk Technische Möglichkeiten Finanzielle und personelle Einschränkungen Gesammelte Erfahrungen, Trends Einflussfaktoren weisen meist hohe Unsicherheit auf; gilt insbesondere im Bereich der Virtualisierung 4

5 Netzplanung - Projektarten Typischer Umfang und Qualität der Informationsbasis als Grundlage für Entwurfsund Implementierungsentscheidungen 1. Modernisierung bestehender Netze, die die Anforderungen noch erfüllen Beispielsweise: Einführung neuer Switches mit verbesserten Managementfunktionalitäten 2. Erweiterung bestehender Netze Beispielsweise: Einführung von Network-Attached-Storage (NAS) in Unternehmensnetzwerk 3. Erneuerung bestehender Netze, die die Anforderungen nicht mehr erfüllen Beispielsweise: Nach der Einführung eines verteilten Dateisystems mit Synchronisationsmechanismen müssen die Datenraten aller Switches vergrößert werden 4. Neuentwicklung Beispielsweise: Ein neu gegründetes Unternehmen etabliert auf der grünen Wiese einen Standort, für den ein Unternehmensnetz zu planen und umzusetzen ist niedrig hoch 5

6 Dimensionen eines Projektes Einschränkungen des Projektumfangs durch/auf: Zeitliche Einschränkung Netzwerksegmente Geographische Ausdehnung Netzwerktechnologie Anwendungs-/Dienstgruppe Detaillierungsgrad Netzwerkschicht Zuordnung von Projektzielen zu bestimmten zeitlichen Dimension; z.b. kurz-, mittel- oder langfristige Planung Fokussierung auf das gesamte Netzwerk oder nur auf einen Teilbereich; beispielsweise Access-, Distribution- oder Core-Area Planung eines Local-Area-, Campus-Area-, Metropolitan-Area-, Networks Technologische Ergänzung oder Veränderung; z.b. Einführung von LTE Planung für die Veränderung oder Einführung einer bestimmten Anwendungs- oder Dienstgruppe; z.b. VoIP (Voice-over-IP) Planung für unterschiedliche Stakeholder mit verschiedenen Abstraktionsniveaus; z.b. strategische Planung Aktualisierung der Technologie auf einer bestimmten Schicht; z.b. Ersetzen von IPv4 durch IPv6 6

7 Geschäftlicher Hintergrund Entscheidungshierarchien des Unternehmens Organisationsstruktur des Unternehmens Geschäftsbereiche Gebäude Einrichtungen Wichtigkeit des Netzwerks für das Unternehmen Sammlung allgemeiner Informationen zum Unternehmen (Beispiele) Erwartete neue Möglichkeiten / Verbesserung durch das Netzwerk Messung des Projekterfolges Zusätzlich wichtige Fragen: Was passiert, wenn das Netzwerk-Projekt fehlschlägt oder wenn das fertige Netzwerk nicht die Anforderungen erfüllt Wie viel Einfluss hat das höhere Management auf das Projekt? Werden weitere Führungskräfte das Projekt begleiten? Welche Auswirkungen hat ein unvorhersehbares Verhalten des neuen Netzwerkes auf den Geschäftsbetrieb? 7

8 Design- und Implementierungszyklus Analyse der Anforderungen Hier besonderer Fokus Monitoring, Optimierung Entwurf: Logisches Design Implementierung, Test Entwurf: Physikalisches Design Optimierung, Dokumentation Besonderes Augenmerk auf Verständnis des Datenflusses, der eingesetzten Applikationen, der Nutzerbedürfnisse, der Kommunikationsvorgänge Logisches Design: Festlegung einer logischen Topologie, von Adressierungsund Namensschemata, Selektion von Protokollen für Schichten >= 2 (z.b. Routing-Protokoll) Physikalisches Design: Auswahl von Netzwerkkomponenten, Bestimmung der physischen Topologie, Anbindung an Provider Zyklus repräsentiert Optimum, in der Praxis existieren zahlreiche Abhängigkeiten und Rücksprünge Beispiel: Physikalisches Design von Budget abhängig logisches Design potentiell mit günstiger Hardware nicht umsetzbar 8

9 Übersicht zur Analysephase Netzwerk-Planer/ -Ingenieur Korrekte Ermittlung von Anforderungen Absicherung gegen unverschuldeten Misserfolg Auftraggeber Richtige Kommunikation von Anforderungen Absicherung gegen falsche Umsetzung Netzwerk Dokumentation Existierende Dienste... Standortbedingungen Angestellte Manager Verwaltung Informationsbasis Analysephase... Nicht-technische (wirtschaftliche) Anforderungen Technische Anforderungen Analyse des bestehenden Netzwerks Analyse des Netzverkehrs 9

10 Technische und nicht-technische Anforderungen Skalierbarkeit (scalability) Kosteneffizienz (techn.) (affordability) Bedienbarkeit (usability) Verfügbarkeit (availability) Technische Anforderungen Anpassungsfähigkeit (adaptability) Performanz (performance) Sicherheit (security) Verwaltbarkeit (manageability) Analog zu Software in funktionale und nichtfunktionale Anforderungen kategorisierbar Neben technischen Anforderungen mögliche originär nichttechnische (wirtschaftliche) Anforderungen: Kostenreduktion, Profitmaximierung, Produktivitätsvergrößerung Expansion in neue Märkte (geographisch) Veränderung des Geschäftsmodells / Absatzmarktes Angebot von neuen Serviceformen Flexible Anbindung anderer Standorte / Außenmitarbeiter 10

11 Priorisierung der techn. Zielstellungen Entscheidend für die Wahl geeigneter Technologien ist die Gewichtung / das Verhältnis der partiellen techn. Anforderungen Angabe sollte im Falle von Unterschieden in Teilsegmenten feingranular erfolgen Skalierbarkeit 20 Evtl. pro Segment / org. Teilbereich Weitere Zerlegung der Zielstellungen möglich, z.b. Performanz: Bandbreite (bandwidth) Durchsatz (throughput) Verzögerung/Latenz Verfügbarkeit 30 Performanz 15 Sicherheit 5 Verwaltbarkeit 5 Bedienbarkeit 5 Adaptierbarkeit 5 Kosteneffizienz 15 Gesamt 100 Neben der Priorisierung der einzelnen Zielstellungen kann eine Anwendungstabelle als Resultat des Analyse-Schrittes hilfreich sein: Name der Applikation Kosten für Nichtverfügbarkeit Annehmbare MTBF Annehmbare MTTR Ziel Durchsatz Verzögerung geringer als Varianz der Verzögerung kleiner als 11

12 Analyse bestehender Infrastruktur Analyse der bestehenden Topologie, der physikalischen Struktur inkl. vorhandenen Kopplungselementen, Performanz von Kopplungsgeräten bzw. Endsystemen Auf dieser Grundlage: Identifikation von Flaschenhälsen, Performanzproblemen, Kopplungselementen und Verbindungen, die ersetzt werden müssen Realismus der Kundenwünsche abschätzen Detaillierte Dokumentation der ermittelten Informationen für spätere Weiterverarbeitung Zunächst: Keine Berücksichtigung von Kommunikationsbeziehungen Erstellung einer graphischen Übersicht (Karte / network map ) des Netzwerkes Dokumentation der Netzwerkadressierung / des Namings in graphische Übersicht einpflegen Dokumentation eingesetzter Kabelarten, Übertragungsmedien und Kopplungselemente Überprüfung von architektonischen oder umgebungsbedingten Einschränkungen Kein Wasserfallmodell! Rücksprünge, Zyklen möglich 12

13 Kabelarten und Übertragungsmedien Mögliche tabellarische Form: Gebäudename Lokalität der Verteilerräume, Grenzen zu benachbarten Gebäuden Logische Topologie (Stern, Bus, Ring, zentralisiert, vermascht, ) Vertikale Verkabelung Koaxial LWL STP UTP (Cat. 5e) UTP (Cat 6) weitere Vertikaler Verlauf X Horizontale Verkabelung Koaxial LWL STP UTP (Cat. 5e) UTP (Cat 6) weitere Etage X Arbeitsplatzverkabelung Koaxial LWL STP UTP (Cat. 5e) UTP (Cat 6) weitere Raum X 13

14 Beispiel: Umgebungsbedingte Einflüsse Ausgewähltes Beispiel: Analyse von Umgebungsbedingungen / umgebungsbedingten Einschränkungen für WLANs Probleme für WLAN-Signal: Reflexion Zurückwerfen von Wellen durch eine Oberfläche Besonders bei Metall problematisch Signal kann mit sich selbst interferieren Diffuse Zurückstreuung des Signals bei rauen Oberflächen Absorption Energie kann durch Material, das Welle passieren muss, absorbiert werden Abhängig vom Absorptionsgrad des Mediums Brechung Richtungsänderung einer Welle bei Wechsel des Mediums Interferenz mit nicht der Refraktion unterliegenden Wellen Beugung (Diffraktion) Ablenkung von Wellen an einem Medium Möglichkeit der Analyse: Wireless Site Survey 14

15 Wireless Site Survey Beispiel CANDY Site Finder: Eigenentwicklung (mittlerweile eingestellt) der Professur Rechnernetze verschiedene Ausbreitungsmodelle für WLAN und WiMAX Optimierung der Anzahl und Position von Access Points geeignet für Indoor- und Outdoor-Szenarien kann Gebäudegeometrie-Beschreibungen von CAD-Tools importieren (IfCXML-Format) Abb. von Dr. Dietbert Gütter 15

16 Analyse des Netzverkehrs Berücksichtigung von Kommunikationsbeziehungen und Interaktionsdetails Besondere Aspekte der Analyse: Identifikation von wichtigen Quellen und Senken Ermittlung von häufig verwendeten Applikationen (z.b. HTTP, IMAP, ) Identifikation von allen vorhandenen Protokollen und Feststellung der wichtigsten Protokolle Ermittlung von Kommunikationsbeziehungen Analyse des Netzwerkverkehrs Klassifizierung des Netzwerkverkehrs Ermittlung von QoS- Anforderungen Charakterisierung des Verkehrsaufkommens z.b. Client/Server, P2P (evtl. weitere Klassifizierung), Server/Server Name der Applikation Art des Verkehrs Verwendete(s) Protokoll(e) Assoziierte Nutzergruppe Assoziierte Datenbanken Geschätzte Bandbreiten- Anforderung für Applikation QoS Anforderungen 16

17 Charakterisierung von Netzwerklast Routing Protokoll 1. Berechnung der theoretisch möglichen Last Notwendige Faktoren für Berechnung (z.b. pro Segment): 1. Anzahl der Stationen 2. Durchschnittliche Zeit zwischen Sendevorgang pro Station 3. Zeitraum, der während des Sendens einer Nachricht vergeht. Z.B.: 1000 Stationen, 1000-bit Frames jede Sekunde 1 Mbps 2. Dokumentation der Verwendung von Applikationen Notwendige Informationen:. Häufigkeit von Sitzungen. Länge einer durchschnittlichen Sitzung. Anzahl der gleichzeitigen Nutzer der Applikation 3. Verfeinerung der Last-Angabe für Applikationen Datenabhängige Schätzung z.b. Überträgt die Applikation Web-Seiten, Präsentations-Dokumente, 4. Angabe der Last, die durch weitere Protokolle/Mechanismen verursacht wird (z.b. Routing) Beispiel: Overhead durch RIP-Paket Default Update Timer (Sekunden) Größe Routing Eintrag (Bytes) Routen pro Paket Netzwerk und Update Overhead (Bytes) Größe eines ganzen Pakets IP RIP

18 Traffic Engineering Aus RFC 3272: Internet traffic engineering is defined as that aspect of Internet network engineering dealing with the issue of performance evaluation and performance optimization of operational IP networks. Traffic Engineering encompasses the application of technology and scientific principles to the measurement, characterization, modeling, and control of Internet traffic. Enhancing the performance of an operational network, at both the traffic and resource levels, are major objectives of Internet traffic engineering. This is accomplished by addressing traffic oriented performance requirements, while utilizing network resources economically and reliably. Traffic oriented performance measures include delay, delay variation, packet loss, and throughput. Einsatz von Protokollen des Netzwerkmanagements als Grundlage des Traffic Engineerings sflow IPFIX / NetFlow SNMP Abschätzung, z.b.: Skalierung des Netzes/der Kundenzahl Zusätzliche Anwendungsprotokolle Aussagen zu Datenverkehr zwischen End-Punkten Analyse Aussagen zu physischer Infrastruktur 18

19 ITU-Empfehlung zu Teletraffic Engineering GoS is the traffic related part of network performance (NP), defined as the ability of a network or network portion to provide the functions related to communications between users. (aus ITU-D Handbook Teletraffic Engineering ) Identifikation der Anforderungen an Datenverkehr Grade-of-Service- (GoS-) Zielstellungen QoS-Anforderungen Modellierung des Datenverkehrs Messung des Datenverkehrs Ende-zu-Ende-GoS- Anforderungen Vorhersage des Datenverkehrs Performance-Monitoring Zuordnung zu Netzwerkkomponenten Performance- Monitoring Kontrolle und Dimensionierung des Datenverkehrs Kontrolle des Datenverkehrs z.b. durch Routing Dimensionierung 19

20 Strukturierte Verkabelung Strukturierte Verkabelung beschreibt herstellerunabhängige, dienstneutrale Verkabelungen Spezifiziert als Norm DIN EN ( Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen ), die erstmals 1995 publiziert wurde: DIN EN : Teil 1: Allgemeine Anforderungen DIN EN : Teil 2: Bürogebäude DIN EN : Teil 3: Industriell genutzte Standorte DIN EN :2013 Teil 4: Wohnungen DIN EN :2013 Teil 5: Rechenzentren DIN EN :2012 Teil 6: Verteilte Gebäudedienste Aufteilung eines Netzwerks in drei Teilbereiche: Primärbereich Demarcation Point Zentraler Verteiler Gebäude 1 Gebäudeverteiler Etagenverteiler Gebäude 2 Etage 2 Tertiärbereich Etage 1 Etage 0 Sekundärbereich 20

21 Strukturierte Verkabelung Primärbereich: Bereich zwischen Gebäuden eines Standorts Realisierung von Primärverkabelung / Geländeverkabelung Einsatz von Glasfaserverkabelung (mit Ausnahme von Telefonkabeln) Anbindung der Gebäude an zentralen Standortverteiler Sekundärbereich: Wird durch vertikale Stockwerkverkabelung erschlossen Jede Etage sollte möglichst einen Etagenverteiler aufweisen, die sternförmig mit dem zentralen Gebäudeverteiler verbunden sind (ggf. redundante Anbindung) Einsatz von Glasfaserverkabelung Tertiärbereich: Bereich bis zu den Anschlussdosen für Endgeräte Verlauf des Bereichs auf einer Etage Tertiärverkabelung wird realisiert durch: Twisted-Pair-Kabel (mindestens Cat. 5e) Lichtwellenleiter ( Fiber-to-the-desk ) 21

22 Hierarchisches Internetworking Modell Site B Internet Site C Ggf. Firewall (für Zertifizierung wichtig) Redundant ausgelegte Internetanbindung z.b. 10 Gbit/s Einsatz von BGP Core-Layer: Stellt Zugriff auf Internet bereit und koordiniert Kommunikation mit Distribution-Layer Einsatz von hochperformanten Kopplungselementen Switch + Router Bspw. Gebäude 1 Bspw. Gebäude 2 Bspw. Gebäude 3 Distribution-Layer: Tragen Hauptlast des Routings, der Realisierung von QoS und der Paketfilterung mittels feingranularer Filterregeln Switch (+ Router) Access-Layer: Bindet Endsysteme (Server / Endnutzersysteme) an Hierarchisches Internetworking Modell kann als widerverwendbare, erprobte Schablone mit strukturierter Verkabelung in einer Vielzahl von Rechnernetzprojekten verbunden werden 22 Diskussion ausgewählter, behandelter Protokolle (VRRP, OSPF, ) Site A

23 Zusammenfassung Analyse der Anforderungen Parallele Aktivität: Außerbetriebnahme von Konzepten / Komponenten / Monitoring, Optimierung Entwurf: Logisches Design Implementierung, Test Entwurf: Physikalisches Design Optimierung, Dokumentation Standardisierter Ansatz für bedarfsunabhängige Verkabelung = Strukturierte Verkabelung Primärbereich Gebäude 1 Gebäudeverteiler Etagenverteiler Gebäude 2 Etage 2 Tertiärbereich Demarcation Point Zentraler Verteiler Etage 1 Etage 0 Sekundärbereich 23

24 Literatur / Quellen ITU-D Teletraffic Engineering Kurzübersicht ITU-D Teletraffic Engineering Top-down Network Design, Priscilla Oppenheimer, Cisco Systems, 3. Auflage Network Planning Introductory Issues, Terje Jensen, in Telektronikk Volume 99 No. 3/

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