Rechnernetze I SS Universität Siegen Tel.: 0271/ , Büro: H-B Stand: 18.
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1 Rechnernetze I SS 2017 Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , üro: H Stand: 18. Mai 2017 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (1/13) i
2 Rechnernetze I SS LN Switching etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 100
3 4 LN Switching... Inhalt Weiterleitungstechniken Switching: Einführung Lernende Switches Spanning-Tree-lgorithmus Virtuelle LNs Peterson, Kap. 3.1, 3.2, 3.4 CCN, Kap. 5.3 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 101
4 4.1 Weiterleitungstechniken OSI: 2/3 Weiterleitung von Datagrammen (verbindungslos) Jeder Vermittlungsknoten besitzt eine Weiterleitungstabelle bildet Zieladresse auf usgangsport ab eispiel: C Weiterleitungstabelle E D Ziel Port F Vermittlungs C 3 2 knoten 2 Vermittlungs D 3 knoten 1 E G F 1 3 Vermittlungs 2 G 0 knoten 3 H H 0 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 102
5 4.1 Weiterleitungstechniken... Weiterleitung von Datagrammen: Eigenschaften Knoten können jederzeit ein Paket an andere Knoten senden; Pakete können sofort weitergeleitet werden kein Verbindungsaufbau Ein Knoten kann nicht feststellen, ob das Netz das Paket zustellen kann Pakete werden unabhängig voneinander weitergeleitet usfall einer Verbindung bzw. eines Vermittlungsknotens kann prinzipiell toleriert werden npassung der Weiterleitungstabellen Eingesetzt z.. im Internet (IP) (vgl. Kap. 1.3: Paketvermittlung) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 103
6 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert) Kommunikation in zwei Phasen: ufbau einer virtuellen Verbindung (Virtual Circuit, VC) vom Quell- zum Zielrechner statisch (Permanent VC) dynamisch (Switched VC) Versenden der Pakete über VC: Pakete enthalten ezeichner des VC alle Pakete nehmen denselben Weg VC-ezeichner (VCI, Virtual Circuit Identifier) nur auf den einzelnen Leitungen eindeutig Weiterleitungstabelle im Vermittlungsknoten bildet Eingangs-Port und -VCI auf usgangs-port und -VCI ab etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 104
7 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs knoten 3 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2
8 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs knoten 3 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2
9 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs knoten 3 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2
10 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs knoten 3 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2
11 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Vermittlungs knoten Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2
12 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Vermittlungs knoten Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2
13 4.1 Weiterleitungstechniken... Virtuelle Leitungsvermittlung (verbindungsorientiert)... eispiel: sendet an Verm.kn. 1: Verm.kn. 2: Verm.kn. 3: Eingangsport Vermittlungs 1 knoten Vermittlungs 0 knoten 2 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) Vermittlungs knoten Eingangs VCI usgangsport usgangs VCI Eingesetzt z.. in X.25 (öffentliche Netze) und TM 2 4
14 4.1 Weiterleitungstechniken... Vergleich der Weiterleitungstechniken Datagramm-Verm. Verbindungsaufbau nicht nötig erforderlich dressierung Wegewahl ei usfall eines Vermittlungsknotens Dienstgütegarantien (QoS) und Überlastkontrolle Pakete enthalten volle Sender- und Empfänger-dresse erfolgt unabhängig für jedes Paket keine größeren uswirkungen schwierig Virtuelle Leitungsv. Pakete enthalten nur kurze VC-ezeichner Weg wird bei ufbau des VC festgelegt alle VCs mit diesem Vermittlungsknoten sind unterbrochen Einfach, wenn vorab Resourcen für VC reserviert werden etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 106
15 4.1 Weiterleitungstechniken... egriffe Switching / Forwarding (Weiterleitung): Weiterleiten v. Frames (Paketen) zum richtigen usgangsport (LN-)Switch / ridge (rücke): Vermittler im LN (auf Ebene der Sicherungsschicht) ridge: Switch mit nur zwei Ports Routing: (dynamischer) ufbau von Tabellen zum Forwarding Ziel: Finden von (guten/optimalen) Wegen zu anderen Netzen Router: Knoten, der mit den Protokollen der Vermittlungsschicht Pakete weiterleitet vereinigt Funktionalität von Routing und Forwarding etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 107
16 4.2 Switching: Einführung OSI: 2 Motivation: Ersetzen von Mehrfachzugriffsverbindungen im LN durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen Vermittler (Switch): mehrere Ein-/usgänge leitet Frames aufgrund der dressen im Header weiter Führt zu Sterntopologie: Switch etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 108
17 4.2 Switching: Einführung... Vorteil gegenüber ustopologie: Kommunikation zwischen zwei Knoten wirkt sich nicht (notwendigerweise) auf andere Knoten aus eschränkungen können durch Zusammenschalten mehrerer Switches überwunden werden: begrenzte nzahl von Ein-/ usgängen pro Switch Leitungslänge, geographische usdehnung x x x x x etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 109
18 4.2 Switching: Einführung... Weitere eschränkungen von Switches Heterogenität die verbundenen Netze müssen u.a. dasselbe dressierungsschema haben z.. Ethernet und Token-Ring ist möglich, Ethernet und TM nicht Skalierbarkeit: roadcasts Spanning-Tree-lgorithmus ( 4.4) Transparenz: Latenz Verlust von Frames bei Überlast etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 110
19 4.2 Switching: Einführung... LN Switch: Vermittlungsknoten auf der Sicherungsschicht kann Zieladresse im Sicherungsschicht-Header analysieren gibt Frames nur an die Ports weiter, wo es notwendig ist ridge: Switch mit 2 Ports Einsatz bei 10ase5 zur Überwindung von physikalischen eschränkungen (Leitungslänge, nzahl Repeater,...) ackbone LN ridge LN etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (5/13) 111
20 Rechnernetze I SS Universität Siegen rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , üro: H Stand: 18. Mai 2017 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) vi
21 4.2 Switching: Einführung... Ein (Ethernet-)LN mit Switches Switch Switch Verwendung von Switches ist bei Ethernet ab 100 Mb/s üblich ermöglicht Vollduplex-etrieb in diesem Fall treten keine Kollisionen mehr auf aber: Switch muß ggf. Frames zwischenspeichern Möglich auch: gemischter etrieb mit Switches und Hubs uswirkung von Kollisionen sind auf den ereich des Hubs eingeschränkt (Kollisionsdomäne) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 112
22 4.2 Switching: Einführung... Ein (Ethernet-)LN mit Switches Switch Switch Hub Verwendung von Switches ist bei Ethernet ab 100 Mb/s üblich ermöglicht Vollduplex-etrieb in diesem Fall treten keine Kollisionen mehr auf aber: Switch muß ggf. Frames zwischenspeichern Möglich auch: gemischter etrieb mit Switches und Hubs uswirkung von Kollisionen sind auf den ereich des Hubs eingeschränkt (Kollisionsdomäne) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 112
23 4.2 Switching: Einführung... Ein (Ethernet-)LN mit Switches Switch Switch Hub Kollisions domänen Verwendung von Switches ist bei Ethernet ab 100 Mb/s üblich ermöglicht Vollduplex-etrieb in diesem Fall treten keine Kollisionen mehr auf aber: Switch muß ggf. Frames zwischenspeichern Möglich auch: gemischter etrieb mit Switches und Hubs uswirkung von Kollisionen sind auf den ereich des Hubs eingeschränkt (Kollisionsdomäne) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 112
24 4.3 Lernende Switches utomatisches Erstellen der Weiterleitungstabelle eispiel: Host Port C Port 1 Z Switch Port 2 Port 3 X Y 1 1 C 1 X 2 Y 2 Z 3 Switch untersucht die Quelladresse jedes eingehenden Frames falls nötig, Erzeugung bzw. ktualisierung eines Tabelleneintrags Eintrag für eine dresse wird gelöscht, wenn längere Zeit kein Frame mit dieser Quelladresse ankommt etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 113
25 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) roadcast-frames werden immer an alle Ports geleitet Weiterleitungstabelle kann begrenzte Größe haben Vollständigkeit ist nicht notwendig Tabelle dient nur als Cache für aktive Knoten etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 114
26 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus Problem bei lernenden Switches: Zyklen Z.. S1 S4 S6 Frame von G mit unbekanntem Ziel läuft ewig im Kreis (roadcast-sturm) bhilfe: Spanning-Tree- lgorithmus Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (aum) Einige Ports der Switches werden deaktiviert C E I etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 115 S2 G S3 S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K
27 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus Problem bei lernenden Switches: Zyklen Z.. S1 S4 S6 Frame von G mit unbekanntem Ziel läuft ewig im Kreis (roadcast-sturm) bhilfe: Spanning-Tree- lgorithmus Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (aum) Einige Ports der Switches werden deaktiviert C E I etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 115 S2 G S3 S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K
28 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus Problem bei lernenden Switches: Zyklen Z.. S1 S4 S6 Frame von G mit unbekanntem Ziel läuft ewig im Kreis (roadcast-sturm) bhilfe: Spanning-Tree- lgorithmus Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (aum) Einige Ports der Switches werden deaktiviert C E I etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 115 S2 G S3 S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K
29 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus Problem bei lernenden Switches: Zyklen Z.. S1 S4 S6 Frame von G mit unbekanntem Ziel läuft ewig im Kreis (roadcast-sturm) bhilfe: Spanning-Tree- lgorithmus Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (aum) Einige Ports der Switches werden deaktiviert C E I etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 115 S2 G S3 S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K
30 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus Problem bei lernenden Switches: Zyklen Z.. S1 S4 S6 Frame von G mit unbekanntem Ziel läuft ewig im Kreis (roadcast-sturm) bhilfe: Spanning-Tree- lgorithmus Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (aum) Einige Ports der Switches werden deaktiviert C E I etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 115 S2 G S3 S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K
31 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus Problem bei lernenden Switches: Zyklen Z.. S1 S4 S6 Frame von G mit unbekanntem Ziel läuft ewig im Kreis (roadcast-sturm) bhilfe: Spanning-Tree- lgorithmus Reduziert das Netzwerk auf einen zyklenfreien Graphen (aum) Einige Ports der Switches werden deaktiviert C E I etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 115 S2 G S3 S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K
32 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... ufspannender aum Zyklischer Graph und aufspannender aum: Der aufspannende aum ist nicht eindeutig etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 116
33 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... Idee des lgorithmus Jeder Switch hat eine eindeutige Kennung (z.. S1, S2) Wähle 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-Priorität bzw. Port-Nummer Wähle für jedes LN-Segment den Port des Switches mit der geringsten Entfernung zur Wurzel als Designated Port bei Gleichheit entscheidet die Switch-Kennung lle anderen Ports sind Non-Designated Ports diese Ports sind blockiert (blocking) und leiten keine Frames weiter etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 117
34 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... ufspannender aum des eispielnetzes C S3 Root Port Non Designated Port Designated Port S5 S2 D S7 K E G S1 Wurzel F H I S6 S4 J etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 118
35 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... ufspannender aum des eispielnetzes C S3 Root Port Non Designated Port Designated Port S5 S2 D S7 K E G S1 Wurzel F H I S6 S4 J etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 118
36 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... ufspannender aum des eispielnetzes C S3 Root Port Non Designated Port Designated Port S5 S2 D S7 K E G S1 Wurzel F H I S6 S4 J etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 118
37 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... ufspannender aum des eispielnetzes C S3 Root Port Non Designated Port Designated Port S5 S2 D S7 K E G S1 Wurzel F H I S6 S4 J etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 118
38 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... ufspannender aum des eispielnetzes C S3 Root Port Non Designated Port Designated Port S5 S2 D S7 K E G S1 Wurzel F H I S6 S4 J etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 118
39 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... Spanning-Tree-Protokoll (STP) Die Knoten tauschen Konfigurations-Nachrichten aus: Kennung des sendenden Switches vermutete Wurzel-Kennung eigene Entfernung zu dieser Wurzel Jeder Switch behält die beste Nachricht. esser 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 etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 119
40 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... Spanning-Tree-Protokoll (STP)... Wenn ein Switch erfährt, 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 aum nur noch nach unten weitergegeben automatische Rekonfiguration bei usfall der Wurzel Topologie-Änderungen werden von Switches zunächst an die Wurzel gesendet, diese gibt sie an alle weiter etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 120
41 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel C (S3, 0) S3 3. S3 S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 E I S2 G S6 D S5 S1 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
42 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel C (S3, 0) S3 3. S3 S5 (S2, S2, 0) S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 E I S2 G S6 D S1 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
43 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel C (S2, 1) S3 3. S3 S5 (S2, S2, 0) S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 E I S2 G S6 D S1 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
44 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel C S3 (S2, 1) (S3, S2, 1) 3. S3 S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 E I S2 G S6 D S1 S5 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
45 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel C (S2, 1) S3 3. S3 S5 (S2, S1, 1) S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 E I S2 G S6 D S1 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
46 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel 3. S3 S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 C S3 (S2, 1) (S5, S1, 1) (S2, S1, 1) S2 S5 D E G S1 I S6 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
47 4.4 Spanning-Tree-lgorithmus... eispiel 1. S2 S3 2. S3: S2 ist Wurzel C S3 (S1, 2) (S5, S1, 1) 3. S3 S5 (S2, S1, 1) S5 4. S2: S1 ist Wurzel S2 S3 5. S5: S1 ist Wurzel S5 S3 6. S3: S1 ist Wurzel S2, S5 näher an S1 E I S2 G S6 D S1 S4 S7 F H J K etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 121
48 4.5 Virtuelle LNs (VLNs) Ziele: bessere Skalierung höhere Sicherheit Jedes LN erhält einen ezeichner (VLN-ID) uf Trunk-Leitung: Switch fügt Header mit VLN-ID ein bzw. entfernt ihn wieder VLN 100 VLN 200 Trunk VLN 200 VLN 100 bei Ethernet: VLN-ID wird in den Frame-Header eingefügt Frames werden nur an das LN mit der korrekten VLN-ID weitergeleitet LNs mit verschiedenen VLN-IDs sind logisch getrennt etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 122 W Y S1 Kommunikation nur über Router möglich S2 X Z
49 4.6 Zusammenfassung Weiterleitungstechniken Datagrammvermittlung, virtuelle Leitungsvermittlung LN-Switches lernen Weiterleitungstabellen selbst zur Vermeidung von Zyklen: Spanning Tree Protokoll erlauben die Realisierung von virtuellen LNs Nächste Lektion: Internetworking Das Internet-Protokoll (IP) etriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze I (6/13) 123
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