Seminararbeit zur Vorlesung Netzwerke 1 bei Prof. Dr. Marke im SS2007

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1 Seminararbeit zur Vorlesung Netzwerke 1 bei Prof. Dr. Marke im SS2007 Thema: Bridge and Spanning Tree Ausarbeitung erfolgt durch Herr/Frau: Jakob Külzer Herr/Frau:

2 Inhalt 1 Vorwort Bridge Arbeitsweise Arten von Bridges Transparent Bridging und Source Routing Bridging Software- und Hardwarebridges Bridges und Broadcasts Vor- und Nachteile Vorteile Nachteile Abgrenzung gegenüber anderen Netzwerkkomponenten Bridge Switch Bridge Router Spanning Tree Algorithmus Spanning Tree Problemstellung Spanning Tree in der Netztopologie Konkrete Algorithmen Spanning Tree Protocol Arbeitsweise Beispiel Quellen...9

3 1 Vorwort Diese Seminararbeit beschäftigt sich mit dem Thema Bridges und Spanning Tree Algorithmen. 2 Bridge Eine Bridge (deutsch Brücke) ist eine Netzwerkkomponente die zwei Teilnetze oder eigenständige Netze miteinander verbindet. Dabei stellt eine Bridge kaum Anforderungen an die zu verbindenden Netze, so können auch Netzwerke die mit unterschiedlichen Technologien arbeiten, miteinander gekoppelt werden. 2.1 Arbeitsweise Bridges arbeiten auf Ebene 2 des OSI-Modells 1, dass heißt auf der Sicherungsschicht. Siehe Abbildung 1 für einen schematischen Überblick. Abbildung 1: Schematische Darstellung des Datenflusses von einem Host A zu einem Host B über ein Bridge. Gut zu erkennen ist das der Datenfluss aus dem Netz A auf der Bridge nur bis zur zweiten Ebene ausgewertet und dann wieder weitergeschickt wird. Ebenfalls gut zu erkennen ist, dass die unterste Ebene bei der Bridge für Netz A durchaus eine andere als für Netz B sein kann. Eine Bridge verfügt über zwei Ports die in zwei unterschiedliche Netze führen. Auf diesen beiden Ports nimmt die Bridge Daten, wie jede andere Netzwerkkomponente, als Folge von elektrischen Impulsen auf. Diese Daten werden entsprechend dem Netzwerk dekodiert und ausgepackt um an die Zieladresse zu kommen, an die das Datenframe 2 gerichtet ist. Anhand der so gewonnen Zieladresse versucht die Bridge eine Entscheidung darüber zu treffen, ob sie das Paket weiterleiten oder ignorieren soll. Um eine Entscheidung über die Wegwahl eines Datenframes treffen zu können, muss die Bridge ein Bild der umliegenden Netztopologie haben. Dies geschieht mit Hilfe eines Lernalgorithmus, der zu jedem aufgenommenen Datenframe die Adresse und den entsprechenden Port in einer internen Adresstabelle ablegt. Da mitunter sehr viele Pakete über eine Bridge laufen, muss die Bridge verhindern das die interne Adresstabelle überläuft. Daher veralten die Einträge in der 1 kurz für Open Systems Interconnection Reference Model 2 Ein Datagramm auf Ebene 2; der Begriff Dataframe soll Verwechslungen vorbeugen da mit Datagramm üblicherweise IP Pakete auf Ebene 3 oder TCP/UDP Pakete auf Ebene 4 bezeichnet werden.

4 Adresstabelle und werden nach einer bestimmten Zeit aus der Tabelle entfernt. Somit lernt die Bridge auch über veränderte Netztopologien. Trifft die Bridge nun auf ein Datenframe mit einer Zieladresse die sie noch nicht kennt, muss die Bridge mittels Broadcast versuchen die Adresse herauszufinden. 2.2 Arten von Bridges Es gibt mehrere Möglichkeiten Bridges zu unterscheiden, zum einen nach Arbeitsweise, zum anderen wie sie technisch realisiert ist Transparent Bridging und Source Routing Bridging Bridges können nach ihrer Arbeitsweise in zwei verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Da wären zum einen die sog. Source Routing Bridges und zum anderen die sog. Transparent Bridges. Eine Source Routing Bridge beschreibt meist eine Bridge in einem Token Ring Netzwerk. Beim Source Routing wird die Wegewahl nicht erst bei der Bridge, sondern bereits beim absendenden System getroffen. Dies setzt natürlich voraus, dass das sendende System umfassendes Wissen über die Netztopologie besitzt. Source Routing Bridges arbeiten sehr viel einfacher als die Transparent Bridges, arbeiten meist nur auf Token Ring Netzwerken und sind nicht Bestandteil dieser Arbeit. Transparent Bridges hingegen arbeiten meist auf Ethernet Netzen und sind durch IEEE 802.1D genau spezifiziert. Das Wort transparent im Namen deutet bereits an dass dieses Bridges für die benutzenden Systeme nicht sichtbar sind, d.h. sie arbeiten wie als wäre die Bridge nicht vorhanden Software- und Hardwarebridges Bridges können einerseits als dedizierte Geräte realisiert werden, d.h. als eigenständige, spezialisierte Geräte die keinen anderen Zweck haben, Datenframes weiterzuleiten oder zu filtern 3. Andererseits können Bridges aber auch in Software realisiert werden. Besonders UNIX Systeme und Derivate bieten hier umfangreiche Möglichkeiten, aber auch Microsoft Windows ab XP bietet die Möglichkeit als Bridge zu fungieren. Von der Funktionalität her besteht kein Unterschied zwischen einer Hardware- und einer Softwarelösung, wohl aber in den Bearbeitungszeiten. Während eine Hardwarelösung meist auf Datenframebearbeitung spezialisierte Prozessoren zurückgreifen kann, muss die Softwarelösung zuerst alle Datenframes von dem Netzwerkinterface über den Systembus zum Prozessor transportieren, bearbeiten, und wieder zurück transportieren. All diese Schritte kosten Zeit und sorgen für hohe Latenzzeiten bei einer Softwarebridge. Dennoch bieten Softwarebridges Vorteile, zum einen lassen sie sich mit geringem Aufwand in bestehende Systeme integrieren und bieten, insbesondere bei Linux-Systemen das über Treiber für sehr viele Netzwerkkarten verfügt, sehr hohe Flexibilität. Zum anderen sind sie unter Umständen auch billiger als eine spezialisierte Hardware Lösung. 2.3 Bridges und Broadcasts Broadcasts spielen eine besondere Rolle für Bridges. Empfängt eine Bridge ein Datenframe der an ein System gerichtet ist, dessen Adresse die Bridge noch nicht kennt, so kann sie vorerst keine Entscheidung über die Wegewahl treffen. Daher versucht die Bridge 2.4 Vor- und Nachteile Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick über Vor- und Nachteile von Bridginglösungen, 3 Filtern ist hier nicht im Sinne eines Paketfilters, also einer Firewall, gemeint. Viel eher ist hier einfach das nicht Weiterleiten gemeint.

5 sie sind keinesfalls eine vollständige Auflistung aller Vor- und Nachteile Vorteile Aufgrund ihrer Arbeitsweise bieten Bridges verschiedene Vorteile. Kopplung unterschiedlich gearteter Netze Da Bridges für jeden Port neue Bitströme generieren, ermöglichen sie eine Medienunabhängige Kopplung von Netzen bei gleich bleibender Transparenz für die darüber liegenden Schichten. Filterwirkung Da Bridges nur Datenpakete weiterleiten die auch an das andere Netz gerichtet sind, wirken sie wie ein Filter. Dadurch sind nur die Datenframes im anderen Netz sichtbar, die auch für das Netz gedacht sind. Das bietet eine viel höhere Datensicherheit als ein einfache Repeater wie zum Beispiel ein Hub der blind alle Datenframes verbreitet. Entkoppelung von Netzen Die Tatsache das Bridges nur Datenframes weiterleiten die an das andere Netz gerichtet sind hat aber noch weitere Vorteile. So hat die Entkoppelung der beiden (Teil-)Netze große Auswirkungen auf die Geschwindigkeit in den (Teil-)Netzen. Wenn zum Beispiel beide Netze nach dem CMSA/CD 4 Verfahren arbeiten, werden durch diese Entkoppelung Kollisionen vermieden. Gerade in stark belasteten Netzen können Kollisionen zu Geschwindigkeitseinbrüchen führen, da bei einer Kollision die beiden kollidierten Datenframes erneut übertragen werden müssen. Ausfallsicherheit Bridges bieten die Möglichkeit alternative Routen in andere Netze bei Ausfall oder Überlastung einer anderen Bridge herzustellen. Somit lässt sich die Erreichbarkeit eines Netzes drastisch erhöhen. Fehlerbegrenzung Bridges stellen sicher das nur fehlerfreie Datenframes in andere Netzsegmente gelangen. Fehlerhafte Datenframes werden herausgefiltert. So ist bis zur Ebene 2 des OSI- Referenzmodells sichergestellt, dass nur fehlerfreie Datenframes in das andere Netzwerk gelangen Nachteile Bridges bringen nicht nur Vorteile mit sich, sondern auch Nachteile. Eingeschränkte Broadcasts Bridges leiten keine Broadcasts weiter sie bleiben auf das entsprechende Netzwerksegment beschränkt. Dies hat Konsequenzen für viele Netzwerkdienste die auf Broadcasts angewiesen sind. Bearbeitungszeit der Pakete Pakete nach dem Store-and-Forward Prinzip zu bearbeiten benötigt Zeit. Bei Hardwarelösungen weniger, bei Softwarelösungen mehr Zeit. Diese Zeit addiert sich mit allen anderen Latenzzeiten auf, so das bei entsprechender Netztopologie signifikante Verzögerungen auftreten können. Bridges laufen im Promiscous Mode Bridges müssen im sogenannten Promiscous Mode laufen. Das heißt das sie alle Datenframes behandeln müssen. Üblicherweise verwirft das Netzwerkinterface Datenframes die nicht an den lokalen Rechner gerichtet sind im Promiscous Mode werden alle Datenframes ausgewertet. Dies bedeutet nicht unbedingt ein Nachteil, wird aber von vielen 4 kurz für Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

6 Sicherheitsscannern als gefährdet eingestuft. 2.5 Abgrenzung gegenüber anderen Netzwerkkomponenten Bridges ähneln in ihrer Funktionalität und ihrem Verwendungszweck sehr stark anderen gängigen Netzwerkkomponenten. Dieser Abschnitt soll Bridges klar von diesen abgrenzen Bridge Switch Bridges und Switches sind sich sehr ähnlich, um so schwieriger die Abgrenzung. Beide arbeiten auf Ebene 2 des OSI Referenzmodells und mit Datenframes. Der große Unterschied liegt aber darin, dass Switches einen Port zu jedem Rechner in einem Netzwerk haben und somit meist über mehrere Ports verfügen, während eine Bridge üblicherweise nur einen Port in ein entsprechendes Netzwerksegment hat. Darüber hinaus weiß ein Switch üblicherweise nur eine MAC-Adresse zu einem Port, während sich eine Bridge durchaus mehrere MAC-Adressen zu einem Port und somit einem Netzwerk merken kann. Manche Quellen gehen sogar soweit und stellen Bridges und Switches gleich, so dass ein Switch eine Multiport Bridge ist 5. Darüber hinaus bedienen sich Switches heutzutage vieler Mechanismen die für Bridges erdacht wurden, so zum Beispiel das Spanning Tree Protocol um bei kaskadierten Switches Schleifenbildung zu verhindern Bridge Router Bridges haben gewisse Ähnlichkeiten mit Routern, beides sind Netzwerkkomponenten die transparent für andere Netzteilnehmer unterschiedliche Netzwerke miteinander koppeln. Aber genau in dieser Transparenz beginnen auch die Unterschiede, denn während Bridges Transparenz auf Ebene 2 des OSI Referenzmodells bieten, können Router diese Transparenz erst auf Ebene 3, der Netzwerkschicht bieten. 3 Spanning Tree Algorithmus 3.1 Spanning Tree Ganz allgemein beschreibt der Name Spanning Tree (deutsch Spannbaum ) ein Konstrukt aus der Graphentheorie 6. Ein Spanning Tree ist ein Teilgraph eines ungerichteten 7 Graphen der alle Knoten aber nicht zwingenderweise alle Kanten enthält. Genauer gesagt ist der Spanning Tree nicht nur ein Teilgraph, sondern ein Baum, d.h. ein zusammenhängender, kreisfreier Graph. Dies bedeutet das es keine Möglichkeit gibt, einen Knoten mehrfach zu durchlaufen. zeigt schematisch einen Graphen und einen dazugehörigen Spanning Tree. Abbildung 2: Links ein Graph, gut zu erkennen sind die mehrfach vorhandenen Kreise. Rechts der selbe Graph, aber diesmal mit einem Spanning Tree, zu erkennen an den dicken Kanten. 5 siehe 6 Ein Graph ist ein Gebilde aus Knoten die miteinander durch Kanten verbunden sind. 7 In einem ungerichteten Graphen sind alle Kanten ungerichtet, d.h. sie sind bidirektional. Im Gegensatz dazu steht der gerichtete Graph, wo eine Kante nur in einer Richtung durchlaufen werden kann.

7 Ein solcher Graph lässt sich hervorragend dazu verwenden Computernetzwerke darzustellen. Ein Netzwerksystem wie zum Beispiel ein Computer, eine Bridge oder ein Router werden als Knoten dargestellt, die Netzwerkverbindungen zwischen ihnen als Kanten im Graphen. 3.2 Problemstellung In einem Netzwerk das über Bridges zusammenhängt, stellt sich das Problem wie man Daten am effektivsten von einem Host zu einem Host in einen anderem Netzwerk transportiert. Wenn die beiden Netze nur durch eine Bridge verbunden sind, gestaltet sich das Routing noch sehr einfach. Bestehen aber mehrere mögliche Verbindungen zwischen den Netzen der beiden Hosts, ist diese Fragestellung schon schwieriger. Bei fehlerhaften Routing könnte es passieren das Datenframes z.b. mehrfach durch das gleiche Netz laufen, was immense Latenzzeiten oder gar völliges Verlieren des Datenframes mit sich brächte. Auch könnte es passieren das Datenframes dupliziert werden und so ein Netz einfach überfluten. Ein weiteres Problem stellt die optimal Wegewahl in einem Netzwerk dar. Sei beispielsweise ein Netzwerk wie in Abbildung 2 gegeben, dann bestehen zwei mögliche Wege Daten von Host A zu Host B zu transportieren. Entweder über die Bridges A1/A2 oder B1/B2. Die Bridges A/1 und A2 sind über eine schnelle Verbindung, B/1 und B2 über eine langsame Verbindung miteinander verbunden. Nun sollte ein Wegewahl-Algorithmus natürlich den kürzeren Weg, also den über die Bridges A/1 und A/2 wählen. Host A Fast Link Bridge A/1 Bridge A/2 Slow Link Bridge B/1 Bridge B/2 Abbildung 3: Zwei Netzwerke die über zwei unabhängige Bridge-Paare gekoppelt sind; Die Bridges A/1 und A/2 sind über eine schnelle Verbindung, B/1 und B/2 über eine langsame Verbindung gekoppelt. Host B Host A 1000 Bridge 1000 Bridge Bridge Host B Abbildung 4: Netztopologie mit zwei Hosts und drei Bridges. Über den Kanten sind Kostenfaktoren notiert die von einem Spanning Tree Algorithmus verwendet werden können, um einen optimalen Weg durch dieses Netzwerk zu bestimmen. Diese Kostenfaktoren könnten zum Beispiel die zur Verfügung stehende Bandbreite sein.

8 Dieses Problem lässt sich Graphentheoretisch auch sehr schön darstellen, man gewichtet einfach die Kanten des Graphens bzw. die entsprechenden Bridges mit einem Preis, z.b. die Übertragungsgeschwindigkeit oder die Latenzzeit die eine entsprechende Verbindung fordert. Abbildung 3 zeigt so einen Graphen der ein Netzwerk repräsentiert. Dieses Netzwerk besteht aus zwei Hosts und drei Bridges. Die drei Bridges sind über unterschiedliche Leitungen untereinander und mit den Rechnern verbunden. Anhand der an den Kanten angetragenen Kosten kann man nun sehr leicht den billigsten Pfad durch das Netzwerk bestimmen. 3.3 Spanning Tree in der Netztopologie Graphen eignen sich hervorragend um Netztopologien darzustellen und zu beschreiben. Da liegt es Nahe den Spanning Tree zu verwenden um einen kreisfreien Weg durch ein Netzwerk zu finden. Tatsächlich wird dieser Ansatz im Spanning Tree Protocol (STP) verwendet um kreisfreie und möglichst optimale Routen durch Netzwerke zu finden. 4 Spanning Tree Protocol Hauptaufgabe des Spanning Tree Protocols ist es redundante Netzwerkpfade zu vermeiden da sonst Datenframes unnötig dupliziert würden. Duplizierte Datenframes könnten zu Fehlfunktionen höherer, darauf aufbauender Protokolle führen und die Geschwindigkeit des Netzes verringern. Um redundante Pfade vermeiden zu können, müssen redundante Pfade erst einmal festgestellt werden. Auch hier springt das STP ein, es ermöglicht das 4.1 Arbeitsweise Zuallererst bestimmen alle Bridges im Netzwerk, die über Spanning Tree Fähigkeiten verfügen, eine sog. Root Bridge. Der Root Bridge kommt insofern eine besondere Bedeutung zu, als dass sie die Wurzel des neuen Spanning Trees bilden wird. Die Auswahl der Root Bridge geschieht anhand der Bridge ID. Jede Bridge verfügt über so eine Brige ID, sie besteht aus der 6 Byte langen MAC Adresse der Bridge und weiteren 2 Bytes Priority. Die Bridge mit der niedrigsten Bridge ID wird dann zur Root Bridge gewählt. Die Root Bridge beginnt dann sofort Informationen über alle verfügbaren Pfade einzuholen, d.h. sie sammelt Kosteninformationen zu allen Verbindungen. Die Kosten für eine Verbindung setzten sich aus dem Abstand zu Root Bridge und der Art der Verbindung zusammen, so werden schnelle Verbindungen niedriger Bewertet als langsame Verbindungen. Trifft die Root Bridge hierbei auf eine oder mehrere redundante Verbindungen, so wird die Verbindung mit der niedrigsten Bridge ID zur sog. Designated Bridge, d.h. die einzige Bridge die in das entsprechende Netzwerksegment Daten transportiert. Alle anderen redundanten Bridges werden angewiesen ihren Port in das entsprechende Netzsegment abzuschalten. Somit ist sichergestellt das es nur eine Verbindung in ein Netzsegment gibt und das diese Verbindung die schnellste ist. Nachdem der Spanning Tree festgestellt wurde, muss weiterhin sichergestellt werden, das der Spanning Tree auch bei sich ändernder Netztopologie noch korrekt ist. Hierzu tauschen die Bridges regelmäßig alle 2 Sekunden Informationen über spezielle Datenframes aus. Diese Datenframes heißen Bridge Protocol Data Units, kurz BPDU. 4.2 Beispiel Abbildung 5 zeigt schematisch ein Netz mit insgesamt vier Bridges. Bridge 1 wurde zur Root Bridge erklärt und baut nun einen Spanning Tree auf. Im nächsten Schritt, stellt die Root Bridge fest, dass es einen redundanten Pfad in das Netzwerksegment von Host B gibt. Nun ermittelt die Bridge den günstigsten Pfad, und dieser geht über Bridge 2. Als Konsequenz wird Bridge 3

9 deaktiviert um redundante Pfade zu verhindern. Bridge 4 kann unverändert in Betrieb bleiben. Abbildung 6 zeigt das Netzwerk nach der Erstellung des Spanning Tree. Host A 200 Bridge 2 Host B Bridge 1 (root) Bridge 3 Host C Bridge 4 Abbildung 5: Schematische Darstellung eines Netzes mit mehreren Bridges. Bridge 1 ist die Root Bridge und versucht nun einen Spanning Tree aufzubauen. Host A 200 Bridge 2 Host B Bridge 1 (root) Bridge 3 Host C Bridge 4 Abbildung 6: Die Root Bridge hat den Spanning Tree aufgebaut, zu erkennen an den dicken Linien. Um redundante Verbindungen zu verhindern, wurde Bridge 3 deaktiviert, erkennbar an den dünnen Linien. 5 Quellen Prof. Dr. W. Marke: Skript zur Vorlesung Netzwerke I Wikipedia: Network bridge [ Wikipedia: Bridging (networking) [ Linux Netzworking Wiki: Bridge [ Wikipedia: Spanning Tree Protocol [

10 The Internet Protocol Journal Volume 1, Number 2: Layer 2 and Layer 3 Switch Evolution [ ]