TRILL. Transparent Interconnection of Lots of Links TRILL

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1 Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach Auszug aus dem Werk: Herausgeber: Heinz Schulte WEKA-Verlag ISBN TRILL Transparent Interconnection of Lots of Links Moderne Netzwerke basieren heute ausschließlich auf der Ethernet- Technologie, verwenden das generische Internet Protocol (IP) und werden in Form einer Multilayer-Architektur aufgebaut. In solchen Netzwerkarchitekturen werden mehrere Ethernet Switches als sog. Access Switches, Distribution Switches oder Aggregation Switches eingesetzt. Diese Switches funktionieren oft als Layer-2-Switches (kurz L2-Switches), deren Aufgabe in der Weiterleitung empfangener MAC-Frames 1 (Media Access Control) auch Ethernet-Frames genannt besteht. Werden in einem Netzwerk, um eine hohe Verfügbarkeit seiner Dienste erreichen zu können, aber mehrere L2-Switches eingesetzt und sind einige von ihnen bzw. auch einige der Links redundant, so können unerwünschte Effekte entstehen. Insbesondere wenn mehrere redundante Wege zu einem Zielrechner führen, kann dieser mit mehreren Kopien ein und desselben Ethernet-Frames überflutet werden oder es kann sogar zur Zirkulation von Frames im Netzwerk kommen es können sich also sog. Loops (logische Schleifen) bilden. Solche Ereignisse im Netzwerk können verschiedene negative Auswirkungen haben, deren Folgen sich nicht im Voraus abschätzen lassen. Hinzu kommen noch weitere Herausforderungen. Besonders die Virtualisierung im Netzwerkbereich, d.h. der Einsatz von zahlreichen virtuellen Maschinen (Virtual Machine, VM) und ihre Nutzung als Server, was eine Serverkonsolidierung in Datacentern zur Folge hat, stellt neue Anforderungen an Netzwerke. Um diesen gerecht zu werden und gleichzeitig die negativen Auswirkungen infolge der soeben geschilderten eventuellen unerwünschten Ereignisse in Netzwerken vermeiden zu können, wird seit 2006 das Konzept Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) entwickelt. 1 Da die MAC-Funktion zum Layer 2 (Schicht 2) im Schichtenmodell der Rechnerkommunikation gehört, spricht man vom Layer-2-Switch. 1

2 TRILL liefert neue Ideen zur Integration von Layer-2-Switching mit Routing. Sein Konzept besteht darin, dass optimale und Loop-freie Routen zur Übermittlung von Ethernet-Frames in hochverfügbaren Netzwerkinfrastrukturen mit redundanten Komponenten dynamisch bestimmt werden. Mit Unterstützung von TRILL in L2-Switches entstehen die genannten negativen Effekte nicht mehr und sämtliche Netzwerkkomponenten (Switches, Links) können effektiv, also ohne blockiert zu werden, genutzt werden. Die Entwicklung von TRILL wird von der gleichnamigen Working Group der IETF koordiniert. Das Konzept und der Einsatz von TRILL werden in mehren IETF-Dokumenten, in sog. Requests for Comments (RFCs), spezifiziert. 2 TRILL versus STP und RSTP Mit dem Ziel, durch Loops verursachte negative Auswirkungen in Ethernet-Netzwerken zu vermeiden, wurde bereits Ende der Achtzigerjahre als noch sog. Ethernet Bridges (kurz Bridges) im Einsatz waren das Spanning Tree Protocol (STP) [1] entwickelt und im Standard IEEE 802.1D des IEEE 3 spezifiziert. Die Aufgabe des STP besteht darin, redundante Wege und Loops in Netzwerken mit Bridges zu entdecken und alle redundanten Netzwerkkomponenten, die negative Effekte verursachen können, zu sperren, damit automatisch eine neue äquivalente Netzwerktopologie in Form einer Baumtopologie generiert werden kann, in der keine der erwähnten negativen Effekte auftreten. Das STP ist aber noch an ursprüngliche, kollisionsbehaftete Ethernets angepasst und berücksichtigt deshalb nicht die Eigenschaften moderner Netzwerke mit Switches und bidirektionalen Links zwischen ihnen. STP ist in modernen Netzwerken nicht ausreichend leistungsfähig, denn die Konvergenzzeit zu einer neuen aktiven Baumtopologie, während der die eigentliche Netzwerkfunktion de facto kurz unterbrochen wird, ist bei STP relativ lang. Aus diesem Grund war eine Modifikation des STP notwendig. Als Ergebnis Institute of Electrical and Electronics Engineers 2

3 dieser Modifikation entstand das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). [1] Das RSTP berücksichtigt bereits die Besonderheiten von Netzwerken mit L2-Switches und kann sogar parallel zum STP eingesetzt werden d.h. in einem Netzwerk können beispielsweise einige Switches nur STP und andere nur RSTP unterstützen. Die beiden Protokolle STP und RSTP haben jedoch einen gravierenden Nachteil. Dieser entsteht dadurch, dass sie redundante, einwandfrei funktionierende Netzwerkkomponenten während eines störungsfreien Netzwerkbetriebs einfach sperren, damit automatisch eine funktionell äquivalente eine sog. Loop-freie Netzwerkbaumtopologie entsteht. Folglich sperren sie auch alle redundanten Wege zwischen Rechnern, was dazu führt, dass beim Einsatz von STP bzw. RSTP keine Möglichkeit mehr besteht, große Datenmengen zwischen zwei Servern über parallele Wege zu transferieren 4, obwohl hierfür intakte Netzwerkkomponenten existieren. Dieses Verhalten der Protokolle STP und RSTP wird als ein großes Handicap beim Einsatz in modernen Datacentern angesehen (vgl. Bild ). Aus diesem Grund ist RSTP für den Einsatz in Datacentern mit zahlreichen, redundant ausgelegten Servern praktisch ungeeignet. Aus der Notwendigkeit heraus, sämtliche intakte Netzwerkkomponenten immer nutzen zu können und dabei eine parallele, aber Loop-freie Übermittlung von Ethernet-Frames zwischen Rechnern zu ermöglichen, entstand TRILL. Strukturierter Aufbau von Netzwerken TRILL eignet sich ideal zum Einsatz in modernen, unternehmensweiten Netzwerkinfrastrukturen. Deren Besonderheiten werden jetzt kurz erläutert. Um die an heutige Netzwerke gestellten Anforderungen, wie z.b. die Garantie der Skalierbarkeit, erfüllen zu können, werden diese strukturiert aufgebaut und zwar vollkommen unabgängig davon, 4 Dies ist oft bei der Sicherung (Backup) von virtuellen Servern und bei Umzügen von virtuellen Maschinen der Fall. Man spricht auch von VM- Mobilität oder von vmotion. 3

4 ob das Netzwerk ein oder mehrere Gebäude umfasst. Bild illustriert eine typische Netzwerkstruktur. Diese enthält mehrere redundante Komponenten (Switches, Links), damit eine hohe Verfügbarkeit der Netzwerkdienste garantiert werden kann. Bild : Strukturierter Aufbau betriebssicherer Netzwerke AS: Access Switch (als Layer-2-Switch) R: Router DS/GS: Distribution Switch/Aggregation Switch (als Layer-2/3-Switch) Für den Anschluss von Clients (Arbeitsplatzrechner, IP-Telefone) an das Netzwerk setzt man in der Regel L2-Switches als Access Switches ein, die in der Netzwerkarchitektur einen Access Layer bilden. Um die Kommunikation (z.b. IP-Telefonie) zwischen über verschiedene Access Switches an das Netzwerk angebundenen Clients zu ermöglichen, werden die Access Switches miteinander über sog. Distribution Switches 5, die einen Distribution Layer bilden, verbunden. Im Netzwerk wird ein sog. Kernbereich oft als Core bezeichnet gebildet. Das Ziel dabei ist, einerseits die Distribution Switches so miteinander zu vernetzen, dass eine uneingeschränkte Kommunika- 5 Die Funktion der Distribution Switches hängt von der Größe des Netzwerks ab. In einem kleinen Netzwerk und ohne Bildung von IP-Subnetzen kann ein Layer-2-Switch als Distribution Switch dienen. In größeren Netzwerken mit IP-Subnetzen ist im Distribution Switch eine Routingfunktion nötig. Als Distribution Switches werden daher oft sog. Multilayer Switches (d.h. Layer- 2- und Layer-3-Switches, kurz L2/3-Switches genannt) eingesetzt. 4

5 tion zwischen allen Clients garantiert werden kann und andererseits den Clients den Zugang zu allen im Datacenter untergebrachten Servern zu gewährleisten. Das Datacenter wird mit dem Core über spezielle Multilayer Switches verbunden. Weil diese Switches die zum Datacenter gerichteten Datenströme bündeln, bezeichnet man sie oft als Aggregation Switches und spricht demzufolge auch vom Aggregation Layer. Für den Anschluss von Servern werden spezielle L2-Switches als Server Access Switches eingesetzt. 6 Bedeutung von TRILL Am Beispiel der Kommunikation zwischen Servern aus einem Virtual Local Area Network (VLAN) 7 illustriert Bild die Bedeutung von TRILL und vergleicht sie mit dem Einsatz von STP/RSTP. Wie aus Bild a ersichtlich ist, werden beim Einsatz von STP/RSTP alle zum Switch E führenden Links als redundante Links betrachtet und gesperrt, um eine Loop-freie Baumtopologie mit dem Switch D als sog. Root Switch der aktiven Baumtopologie zu erzeugen. Daher verlaufen alle Datenströme beim Datentransfer zwischen den an die Switches A, B und C angeschlossenen Server über den Switch D. Dies führt zu einer schlechten Ausnutzung der Netzwerkressourcen; ein Aggregation Switch ist beispielsweise gesperrt, während ein anderer eine Doppelleistung erbringen muss. Ein L2-Switch mit TRILL-Unterstützung stellt eine Mischform von Bridge 8 und Router dar und wird als Routing Bridge (RBridge) bezeichnet (vgl. Bild ). Der Vorteil von TRILL im Vergleich zum Einsatz von STP/RSTP besteht (vgl. Bild a) darin, dass 6 Als Server Access Switches werden oft die sog. ToR-Switches (Top of Rack) eingesetzt (Bild ). 7 Ein VLAN stellt de facto ein IP-Subnetz dar. 8 Ende der Achtzigerjahre, als STP konzipiert wurde, verwendete man in Ethernet-basierten Netzwerken noch die sog. Bridges, um mehrere Ethernet- Segmente miteinander zu koppeln. Der spätere Einsatz mehrerer Prozessoren in Multiport Bridges führte zur Entstehung von L2-Switches, sodass ein L2- Switch der Funktion nach vollkommen einer Multiport Bridge entspricht. 5

6 keine redundante und intakte Netzwerkkomponente gesperrt wird, sondern zwischen jeweils zwei RBridges auf dem Layer 2 (MAC- Layer) mehrere Loop-freie Routen als Datenpfade zur Übermittlung von Ethernet-Frames zwischen ihnen bestimmt werden. Zwischen zwei RBridges sind daher mehrere Datenpfade möglich, sodass man von Multipathing spricht. Bild : Bedeutung von TRILL parallele Datenströme über: a) eine einzige Route bei STP/RSTP; b) mehrere Routen bei TRILL A, B, C: Server Access Switches (Layer-2-Switches) D, E: Aggregation Switches (Layer-2/3-Switches) A*, B*, C*, D*, E*: RBridges Aus Bild b geht klar hervor, dass hier alle funktionierenden Netzwerkkomponenten ihre Leistung erbringen und die Datenströme somit parallel übermittelt werden können. Für die Bestimmung von zwischen Quell- und Ziel-RBridges verlaufenden Routen wird das klassische Routingprotokoll Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS) verwendet. Wie diese Bestimmung von Routen erfolgt, wird zurzeit im IETF-Dokument draft-ietf-isis-trill-05 spezifiziert. Bemerkung: IS-IS 9 wurde schon früh für den Einsatz in den sog. OSI 10 -Umgebungen entwickelt, zuerst als Standard ISO 8473 spezi Open Systems Interconnection 6

7 fiziert und später auch als RFC 1142 veröffentlicht. Der Einsatz von IS-IS in Netzwerken mit dem Internetprotokoll IP wird in RFC 1195 (aktualisiert durch RFC 1349, RFC 5302, RFC 5304) beschrieben. Prinzip der Übermittlung von Ethernet-Frames bei TRILL Das Prinzip der Datenübermittlung bei TRILL besteht darin, dass man eine Art MAC-in-MAC Encapsulation d.h. Ethernet-Framein-Ethernet-Frame Encapsulation realisiert. Bild veranschaulicht dieses Konzept innerhalb der in Bild gezeigten Netzwerkstruktur am Beispiel der Übermittlung eines Ethernet- Frames von einem Client zu einem Server. Es sei hervorgehoben, dass man bei TRILL während der Übermittlung eines Ethernet-Frames vom Quell- zum Zielrechner zwischen Ingress (Quell), Transit und Egress (Ziel) RBridges unterscheidet. Auf die Funktionen dieser verschiedenen Arten von RBridges wird im Weiteren näher eingegangen. Vergleicht man Bild und Bild , so erkennt man, dass das Konzept von TRILL an die Besonderheiten der Strukturen moderner Netzwerke angepasst ist und die Kommunikation zwischen zwei Rechnern aus einem VLAN (d.h. aus einem IP-Subnetz) über eine beliebige Ethernet-Wolke (Ethernet Cloud) ermöglicht. Die Ethernet-Wolke symbolisiert ein beliebiges Ethernet bzw. ein VLAN als IP Subnetz. Sie kann im Sonderfall aber auch einen Ethernet-Link, d.h. eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung, darstellen. Im Fall der Punkt-zu-Punkt-Verbindung kann das Point-to-Point Protocol (PPP) verwendet werden. Der Original-Ethernet-Frame mit dem ihm vorangestellten TRILL-Header wird dann im PPP-Frame eingekapselt übermittelt. Dem vom Quell- zum Zielrechner übermittelten Original-Ethernet- Frame werden in der Ingress RBridge RB1 zuerst ein TRILL-Header und dann ein Outer-MAC-Header vorangestellt. Auf diese Art und Weise entsteht ein TRILL Data Frame (TD-Frame), in dem der Original-Ethernet-Frame eingekapselt und demzufolge als Inner- Frame bezeichnet wird. 7

8 Bild : Prinzip der Übermittlung von Ethernet-Frames bei TRILL am Beispiel der in Bild dargestellten Netzwerkstruktur illustriert FCS: I/O-MH: MacD/SA: RB: TH: Frame Checking Sequence Inner/Outer MAC-Header MAC Destination/Source Address RBridge (Routing Bridge) TRILL Header Im TRILL-Header werden u.a. die Nicknames der Ingress und Egress RBridges, also die Identifikation der beiden Endpunkte der Route, eingetragen. Der Outer MAC-Header enthält die MAC- Adressen der beiden Transit RBridges RBx und RBy sowie den 8

9 Outer VLAN Tag 11 mit der Identifikation des Transit-VLAN, zu dem sie gehören. Da die Identifikation des VLAN, zu dem die beiden kommunizierenden Rechner (hier Client und Server) gehören, in der Angabe Inner VLAN Tag enthalten ist, realisiert TRILL das Konzept VLAN over VLAN, auch VLAN-Stacking oder Nested VLAN genannt. Dadurch besteht bei TRILL die Möglichkeit, die Rechner aus einem IP- Subnetz als VLAN im Netzwerk fast beliebig zu verteilen (vgl. Bild ). Bei der in Bild gezeigten Client-Server- Kommunikation gehört beispielsweise eine Transit RBridge zum Distribution Layer auf der Seite des Clients und die andere zum Aggregation Layer auf der Seite des Servers. 12 Bemerkung: Es sei hervorgehoben, dass die Route von einer Ingress RBridge zu einer Egress RBridge über mehrere Transit RBridges verlaufen kann. Ihre maximale Anzahl wird aber seitens der Ingress RBridge durch die Angabe Hop Count im TRILL-Header bestimmt. Im Sonderfall kann es auch nur eine Transit RBridge sein. VLAN-Tagging als Basis für TRILL Bei der Organisation von VLANs, die IP-Subnetze darstellen, ergibt sich ein Problem. Es entsteht dadurch, dass jedes IP-Subnetz im klassischen Router über einen physikalischen Port an diesen angebunden werden muss über einen dedizierten Port also. Aus diesem Grund muss in einem L2/3-Switch 13 auch jedem VLAN jeweils ein Port zugeordnet werden. Auf diese Weise weiß der L2/3-Switch, über welche Ports die einzelnen VLANs erreichbar sind. Um die Anzahl physikalischer Ports in einem Distribution Switch, der einen L2/3-Switch darstellt (Bild ), und demzufolge auch 11 Neben der VLAN-Identifikation (VLAN-ID) enthält ein VLAN-Tag oft als Q-Tag bezeichnet noch die Angabe der Priorität des Ethernet-Frames s. hierzu z.b Bei der Server-Server-Kommunikation würden beide Transit RBridges zum Aggregation Layer gehören (Bild b). 13 Ein L3-Switch stellt einen besonderen Router für die Vernetzung von VLANs dar. 9

10 die Anzahl der physikalischen Links zu reduzieren, kann man zwischen Access Switches und Distribution Switches einfach als VLAN-Trunks bezeichnete Multiplex-Links einsetzen. An beiden Seiten jedes Trunk können dann mehrere logische Ports in der Tat mehrere Speicherplätze eingerichtet werden und jeder dieser Ports kann daraufhin einem VLAN zugeordnet werden. Hierfür bekommt jeder logische Port eine Identifikation des ihm zugeordneten VLAN also eine entsprechende VLAN-Identifikation (VLAN-ID). Diese Idee kann auch zwischen RBridges verwirklicht werden; ihre Realisierung erfordert aber, dass man die VLAN-IDs im Header von Ethernet-Frames übermitteln muss. Der Standard IEEE 802.1Q 14 beschreibt, wie dies erfolgen sollte. Man spricht in diesem Zusammenhang von VLAN-Tagging. Nach 802.1Q wird VLAN-ID direkt nach dem MAC-Header als Erweiterung des MAC-Header und vor dem IP-Header angegeben. Ebenso wird VLAN-Tagging auch bei TRILL realisiert (vgl. Bild und Bild ). Wie Bild zum Ausdruck bringt, ermöglicht TRILL die Kommunikation zwischen Rechnern aus einem VLAN also auch einem IP-Subnetz über eine Ethernet-Wolke, die ein anderes VLAN bzw. ein Ethernet-Link darstellen kann. Somit kann beim Einsatz von TRILL das bereits angesprochene VLAN over VLAN konfiguriert werden [2]. IP-Subnetze können so innerhalb eines unternehmensweiten Netzwerks beliebig partitioniert und auf mehrere Standorte verteilt werden. Folglich kann man Netzwerke fast uneingeschränkt logisch strukturieren, also IP-Subnetze bilden. VLAN over VLAN mit TRILL VLAN-Tagging bietet die Möglichkeit, einen physikalischen Link als Trunk mit mehreren virtuellen Kanälen, die den einzelnen VLANs zugeordnet sind, zu realisieren. Wie Bild zeigt, können als VLAN-Trunks insbesondere die Links zwischen Ingress/Egress RBridges und Transit RBridges realisiert werden. Logisch gesehen ermöglicht dies die Realisierung eines VLAN durch die Kopplung solcher logischer Kanäle und zwar sogar über ein Transit-VLAN, d.h. nach dem Prinzip VLAN over VLAN

11 Bild : Prinzip von VLAN over VLAN mit TRILL (z.b. in der in Bild dargestellten Netzwerkstruktur) I/E/T: VID: Ingress/Egress/Transit VLAN Identification Durch VLAN-Trunking entsteht die Möglichkeit, so partitionierte und auf mehrere Standorte verteilte VLANs einzurichten, dass einige Rechner auf der Client-Seite zu einem VLAN-Teil und der andere Teil des gleichen VLAN zu den Rechnern auf der Server-Seite (im Datacenter) gehören. Diese Möglichkeit bietet Flexibilität bei der logischen Strukturierung von Netzwerken, also der Bildung von IP-Subnetzen. Bild illustriert die gerade erwähnte Flexibilität. Insbesondere illustriert es, dass Clients und Server zu ein und demselben VLAN gehören und dass die Kommunikation zwischen Clients und Servern innerhalb eines auf zwei Standorte verteilten VLAN quasi über eine virtuelle (durch die Kopplung entsprechender Ports in RBridges entstandene) Layer-2-Verbindung verläuft. Außerdem geht aus Bild hervor, dass das ganze physische Netzwerk d.h. Ingress/Egress RBridges, Transit RBridges und Core als Layer-2-Switching-Netzwerk betrachtet werden können, 11

12 in dem die Kommunikation zwischen Clients und Server über virtuelle Layer-2-Verbindungen als quasi-routen verläuft. TRILL-Einsatz in Datacentern Aus Sicherheitsgründen kommt es oft vor, dass ein Datacenter so auf mehrere Standorte verteilt wird, dass die wichtigen virtuellen Maschinen (VM) dupliziert werden. Die Kopie einer virtuellen Maschine wird also an einem anderen Standort aufbewahrt. Bild illustriert dies. Bild : Beispiel für den TRILL-Einsatz in Datacentern A, B, C, D: Racks mit Blade-Servern und ToR-Switches S: Server (Blade-Server) In diesem Fall müssen die virtuellen Maschinen mit ihren großen Datenmengen oft von einem zum anderen Standort verschoben werden müssen also oft sog. vmotions stattfinden. Der Einsatz von TRILL in einem Distributed Data Center (DDC) ist daher von großer Bedeutung. Im gezeigten Beispiel wurde als Vernetzungskonzept im Datacenter Top of Rack (ToR) vorausgesetzt. Die ToR- Switches in einzelnen Racks, an die verschiedene Blade-Server

13 angeschlossen sind, unterstützen TRILL und stellen Ingress/Egress RBridges dar. Die Switches im Aggregation und Core Layer mit TRILL-Unterstützung sind als Transit RBridges zu betrachten. Bemerkung: Nach dem ToR-Konzept können Data Centers mit mehreren Racks, in denen verschiedene leistungsfähige Blade- Server untergebracht sind, sehr übersichtlich strukturiert werden. Der Name ToR ist davon abgeleitet, dass ein Server Access Switch oberhalb des Stapels von Blade-Servern in jedem Rack quasi auf seiner Spitze (also Top of Rack ) untergebracht ist. Man bezeichnet diesen Access Switch als ToR-Switch. Aus Bild geht insbesondere hervor, dass beim Einsatz von TRILL im Gegensatz zum Einsatz von STP/RSTP keine aktiven Netzwerkkomponenten blockiert (gesperrt) werden und dass die Datenübermittlung entlang paralleler Routen (was Multipathing bedeutet) stattfinden kann (vgl. Bild ). Für die Fortsetzung siehe: Fachkompendium Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA-Verlag, ISBN: