Kapcsolás alapjai, haladó forgalomirányítás

Átírás

1 1 Kapcsolás alapjai, haladó forgalomirányítás 4. A kapcsolás elmélete

2 1. Ismerkedés az Ethernet / LAN-nal 2. Ismerkedés a LAN-kapcsolással 3. A kapcsoló működése

3 Az Ethernet / LAN kialakulása Vastag Ethernet Max. 500 m hidalhat át a jel romlása miatt 500 m-ként ismétlők Állomások számára és elhelyezésére korlátozások vonatkoznak Drága, nagy, nehéz vele több épületet bekábelezni Felhasználó-bővítés egyszerű 10 Mbit/s osztott sávszélességet biztosít Vékony Ethernet Max. 185 m 185 m-ként ismétlő Olcsóbb és kisebb helyigényű mint a vastag Ethernet Új felhasználó hozzáadása üzemkieséssel jár nehéz vele több épületet bekábelezni

4 Az Ethernet / LAN kialakulása Áttekintés Routerek Kapcsolók, hidak HUB-ob, Ismétlők Ethernet hálózatokban jelerősítésre ismétlőket használnak. Amikor a hálózat teljesítménye lecsökkent mert az eszközök megosztottan használták ugyanazt a hálózati közeget, a hálózati mérnökök hidak hozzáadásával több ütközési tartományra bontották a hálózatot. Ahogyan nőtt a hálózat mérete és összetettsége a híd átalakult a modern switch-é lehetővé téve a hálózat mikroszegmentálását. Manapság a hálózatok tipikusan kapcsolókból és forgalomirányítókból épülnek fel.

5 Az Ethernet / LAN kialakulása Az Ethernet megosztáson alapuló technológia: egy adott LAN minden felhasználója ugyanazért a rendelkezésre álló sávszélességért verseng. (Hub) Az ütközés az Ethernet hálózat mellékterméke A 2. rétegbeli eszközök továbbítási döntéseket hoznak az átvitt keretek fejrészében található MAC-címek (közeghozzáférésvezérlési címek) alapján (Híd, Kapcsoló) A 2. rétegbeli eszközöknek az a hátránya, hogy a szórásos kereteket a hálózathoz csatlakozó minden eszköznek továbbítják. Ha egy hálózaton belül sok szórás fordul elő, jelentősen megnő a hálózat válaszideje A forgalomirányító 3. rétegbeli készülék. A forgalomirányító a hálózati címek csoportjai (más néven osztályai) alapján hoz döntéseket, nem az egyedi, 2. rétegbeli MAC-címek alapján A LAN-ok általában az 1., 2. és 3. rétegbeli készülékek kombinációjára épülnek

6 A hálózat teljesítményét befolyásoló tényezők

7 Az Ethernet / hálózatok összetevői Egy Ethernet/802.3 LAN teljesítményét negatívan befolyásoló tényezők Az Ethernet/802.3 LAN-ok kerettovábbítása szórásos jellegű A CSMA/CD (vivőérzékeléses többszörös hozzáférés ütközésfigyeléssel) egyszerre csak egy állomás számára teszi lehetővé az adást A nagyobb sávszélességet igénylő multimédiás alkalmazások (pl. videó) az Ethernet szórásos technikájával párosulva hálózati torlódást eredményezhetnek A kereteknek az átviteli közegen és a hálózati eszközökön való áthaladása természetes késleltetést okoz

8 Fél-duplex hálózatok Fél-duplex Az Ethernet eredetileg fél-duplex technológia volt Egy állomás egyszerre vagy ad, vagy vesz, de mindkettőre nem képes Ha több Ethernet állomás ad egyszerre az ütközést eredményez, torlódási jel küldődik szét - adásszünet Minél több állomás kapcsolódik a hálózathoz és kezdi meg az adást, annál nagyobb az ütközés esélye CSMA/CD (vivőérzékeléses többszörös hozzáférés ütközésfigyeléssel) Adás előtt minden Ethernet állomás ellenőrzi, hogy van-e folyamatban hálózati adatátvitel Ha a hálózat használatban van, az adást későbbre halasztja késleltetése ellenére megtörténhet, hogy több Ethernet állomás ad egyszerre Ha ütközés történik, akkor az ütközést elsőként érzékelő állomás torlódási jelet küld szét a többi állomásnak A torlódási jel vételekor az állomások meghatározatlan időre abbahagyják az adatküldést, mielőtt újból megkísérelnék az adást

9 Hálózati torlódás

10 Hálózati késleltetés A késleltetés (más szóval késés) - az az idő, amely alatt egy keret vagy csomag eljut a forrásállomástól a végső célállomásra A késleltetés legalább háromféle forrásból fakad Hálózati kártyák késleltetése Az idő, amely alatt a jel végighalad a kábelen (100 m CAT 5 UTP kábel esetében hozzávetőleg 0,556 mikroszekundum ) Milyen készülékek (1., 2. vagy 3. rétegbeliek) helyezkednek el a két kommunikáló számítógép közötti útvonal mentén, de a késleltetés nem csak a távolságtól és a készülékek számától függ. Függ ezek típusától is, mert például a forgalomirányítók összetettebb és időigényesebb döntési feladatokat végeznek, mint a kapcsolók.

11 Ethernet 10 BASE-T átviteli idő Bitidő (résidő) Az EGY bit elküldéséhez elegendő alap időegység 10 Mbit/s-os Ethernet esetében egy bit átviteli ideje 100 ns Átviteli idő Az átvitt bitek mennyiségének és az adott technológia bitidejének összeszorzásával számítható ki. Az átviteli idő felfogható, mint a keret átvitelének megkezdése és befejezése, vagy pedig a keret átvitelének megkezdése és az ütközés bekövetkezése közti idő. egy teljes 1000 bájtos keret átvitele 800 mikroszekundum

12 Csillapítás A LAN a csillapítás miatt csak korlátozott távolságot képes áthidalni. A csillapítás azt jelenti, hogy a jel gyengül a hálózaton való áthaladása közben A jel átvitelére használt kábel vagy más közeg ellenállásának hatására csökken a jel erőssége. Az Ethernet ismétlő a fizikai rétegben működik, felerősíti vagy újragenerálja a jeleket az Ethernet LAN-on

13 Az ismétlők használatának előnyei A csillapítás korlátot szab a LAN által áthidalható távolságnak. Az ismétlők felerősítik vagy újragenerálják a jeleket az Ethernet LAN-on, ezzel megnövelhető a hálózat mérete. Használatukat korlátozza az ütközés érzékelés problémája. A több portos ismétlők a HUB-ok Egy hubokat használó osztott közegű LAN-ban a szórással és ütközésekkel kapcsolatos problémák összeadódnak, és a LAN teljes sávszélessége továbbra is csak 10 Mbit/s marad.

14 Az ismétlők használatának előnyei

15 Duplex átvitel A duplex Ethernet lehetővé teszi a csomagok egyidejű küldését és fogadását Egyidejű küldéshez és fogadáshoz két vezetékpárra van szükség a kábelben továbbá kapcsolt összeköttetésre a csomópontok között Ez pont-pont összeköttetésnek tekinthető, amely természeténél fogva mentes az ütközésektől Mindkét csomópont egyidejűleg küldhet és fogadhat Minden csomópont számára biztosítani kell egy dedikált kapcsolóportot A duplex Ethernet a teljes sávszélességet kihasználhatja mindkét irányban (megkétszerezi a csomópontok közötti sávszélességet) A pont-pont összeköttetéseket használó 10BASE-T, 100BASE-TX és a 100BASE-FX hálózatok használhatnak duplex kapcsolatokat A duplex Ethernet kapcsoló a kábelben lévő két érpárnak köszönhetően közvetlen kapcsolat létesít az áramkör egyik végén lévő adó (TX) és a másik végén lévő vevő (RX) között

16 1. Ismerkedés az Ethernet/802.3 LAN-nal 2. Ismerkedés a LAN-kapcsolással 3. A kapcsoló működése

17 A LAN-szegmentálás Egy hálózat kisebb részekre, szegmensekre osztható Csökkenthető az egyes szegmenseken belüli torlódás Az adott szegmensen belüli készülékek osztoznak a teljes elérhető sávszélességen Mindegyik szegmens a CSMA/CD hozzáférési módszert használja, és kezeli a szegmensen belüli felhasználók közti forgalmat. A szegmensek között a hálózat gerince szállítja az adatokat híd, forgalomirányító vagy kapcsoló segítségével

18 A LAN-szegmentálás

19 LAN-szegmentálás hidakkal Hidak 2. rétegbeli eszközök A kereteket azok MAC-címe alapján továbbítják MAC-címek alapján felépíti a kapcsolótáblát Transzparensen működik a többi hálózati készülék számára Tárol és továbbít" elven működő eszköz 10-30% megnő a hálózat késleltetése ez a döntéshozatali folyamat következménye

20 LAN-szegmentálás hidakkal

21 LAN-szegmentálás forgalomirányítókkal Forgalomirányítók LAN-szegmentálás forgalomirányítókkal (a kapcsolt hálózatokhoz képest 20 30%-kal növeli a késleltetést, nem továbbítják a szórásokat) A késleltetésnek ez a növekedése abból származik, hogy a forgalomirányító a hálózati rétegben működik, és az IP-cím alapján állapítja meg a célcsomóponthoz vezető legjobb útvonalat. Az irányítótáblából kikeresi a továbbítási utasításokat. A hidak és a kapcsolók egyetlen hálózaton vagy alhálózaton belül képesek kivitelezni a szegmentálást. A forgalomirányítók hálózatok és alhálózatok között teremtenek kapcsolatot. A forgalomirányítók nem továbbítják a szórásokat kisebbek lesznek a szórási tartományok.

22 LAN-szegmentálás forgalomirányítókkal

23 LAN-szegmentálás kapcsolókkal Kapcsolók LAN-szegmentálás kapcsolókkal (mikroszegmensekre szegmentálja a LAN-t, nagyobb átbocsátóképesség érhető el, mint a hidak vagy hubok segítségével összekötött Ethernet LAN-okon ) A kapcsoló mikroszegmensekre szegmentálja a LAN-t, ami csökkenti az ütközési tartományok nagyságát. Az azonos kapcsolóhoz csatlakozó állomások azonban mind ugyanabban a szórási tartományban maradnak.

24 A kapcsoló alapvető műveletei Kapcsolás Enyhíti a torlódást az Ethernet, Token Ring és FDDI LAN-okban Csökkentik az ütközési tartományok méretét és a hálózati forgalmat A kapcsoló két alapműveletet végez Az adatkeretek kapcsolása - keret fogadása a kapcsoló valamelyik interfészén, a továbbító kapcsolóport(ok) kiválasztása és a keret továbbítása A kapcsolási műveletek fenntartása - kapcsolók továbbító táblát valamint hurokmentes topológiát alakítanak ki és tartanak fenn

25 A kapcsoló alapvető műveletei A kapcsolótáblából tudja meg a switch, hogy mit kell csinálni. Ha a célcím benne van a kapcsolótáblában, akkor azt közvetlenül továbbítja (kapcsol) Ha nincs benne, akkor minden portján keresztül, kivéve azt amelyiken a kérés érkezett üzenet szórást végez (elárasztás) Hasonlóan működik a hídhoz, de amíg a híd szoftveresen dolgozik, addig a switch hardveresen, ezen kívül több lehetőséget biztosít, pl: VLAN Az Ethernet kapcsoló által okozott késletetés Függ A konfigurált kapcsolási folyamattól Forgalomtól

26 A kapcsoló alapvető műveletei Hogyan tanulja meg a kapcsoló a hálózati címeket? Az 1-es portra csatlakozó állomás kommunikálni akar a 444-es állomással. A keret beérkezésekor a fejből kiolvasódik a forráscím. A port és a forráscím beíródik a címtáblába. Forrás címtábla Port Forrás MAC cím Port Forrás MAC cím

27 A kapcsoló alapvető műveletei Hogyan tanulja meg a kapcsoló a hálózati címeket? Mivel a célcím nincs a kapcsolótáblában, ezért a kapcsoló elárasztást végez. Minden portján kivéve az amin beérkezett a keret Arp kéréseket küld. Forrás címtábla Port Forrás MAC cím Port Forrás MAC cím

28 A kapcsoló alapvető műveletei Hogyan tanulja meg a kapcsoló a hálózati címeket? A kérésre a megfelelő munkaállomás válaszol. Ennek a port száma és forrás címe beíródik a kapcsolótáblába Forrás címtábla Port Forrás MAC cím Port Forrás MAC cím

29 A kapcsoló alapvető műveletei A kapcsolásnál nincs ütközés! Pufferelés Forrás címtábla Port Forrás MAC cím Port Forrás MAC cím Ha két PC egyszerre egyazon állomással akar kommunikálni a HUB-hoz hasonlóan ütközés következne be. Ehelyett a switch puffereli a kereteket és ő küldi el a célállomásnak. A PC nem gondolkodik azon, hogy egy másik PC akar-e kommunikálni a céllal.

30 A 2. és a 3. rétegbeli kapcsolás Jellemzői Az adatkeretek kapcsolása elvégezhető a 2. és a 3. rétegben is. A forgalomirányítók és a 3. rétegbeli kapcsolók a csomagok kapcsolását a 3. rétegben végzik A 2. és 3. rétegbeli kapcsolás közti különbség a keretben tárolt információ típusában rejlik, amelyet a megfelelő kimeneti interfészre való továbbításhoz használnak (MAC-cím, IP-cím)

31 A kapcsolás előnyei Virtuális áramkörök és dedikált hálózati szegmensek használatával lehetővé teszik például a párhuzamos, ütközés nélküli kommunikációt sok felhasználó között Kevesebb ütközés Több egyidejű kommunikáció Nagysebességű kapcsolatok Rövidebb válaszidők Alacsony költség az átállás során Szűrést tesznek lehetővé Támogatják a virtuális LAN-ok kialakítását Késleltetés: Egy munkaállomás és egy kiszolgáló közötti kapcsoló 21 mikroszekundummal növeli az átvitel idejét. A késleltetést lényegesen befolyásolja, hogy a kapcsolás milyen módon zajlik. Ha közvetlen (cut-through) kapcsolást alkalmazunk, a kapcsoló a csomag beérkezésekor kiolvassa a célkészülék MAC-címét és azonnal megkezdi a keret továbbítását.

32 Szimmetrikus és aszimmetrikus kapcsolás Sávszélesség kiosztása a kapcsolók portjainak A szimmetrikus kapcsoló azonos sávszélességű portok között hoz létre kapcsolt összeköttetést Az aszimmetrikus LAN-kapcsoló különböző sávszélességű portokat köt össze pl. 10 Mbit/s-os és 100 Mbit/s-os portokat Aszimmetrikus kapcsolás Nagyobb sávszélesség osztható ki a kapcsolót a kiszolgálóval összekötő port számára -> megakadályozható, hogy szűk keresztmetszet alakuljon ki Memóriapufferelés szükséges -> A pufferek használatával biztosítható, hogy a különböző átviteli sebességű portok között is folytonosak maradjanak a keretek.

33 Memóriapufferelés Memóriapuffer Az a memóriaterületet, ahol a kapcsoló az adatokat tárolja Port szerinti memóriapufferelés A keretek az egyes bejövő portokhoz kapcsolt várakozási sorokba kerülnek Egy keret csak akkor kerül át a kimeneti portra, ha a sorban előtte álló keretek már mind sikeresen továbbítódtak Előfordulhat, hogy egyetlen keret késlelteti a memóriában lévő összes többi keret átvitelét egy foglalt kimeneti port miatt Ez a késleltetés akkor is fellép, ha a többi keretet szabad portokra lehetne továbbítani Osztott memóriapufferelés A keretek egy közös memóriapufferbe kerülnek, amelyet közösen használ a kapcsoló minden portja Az egy port számára szükséges memória kiosztása dinamikusan történik A pufferben tárolt kereteknek a kimenő porthoz csatolása is dinamikusan történik A keret sikeres továbbítása után törlődik keret port megfeleltetés

34 Kétféle kapcsolási módszer Tárol és továbbít Store-and-forward - a teljes keret megérkezik még a továbbítás előtt. Közvetlen - Cut-through Gyorstovábbítás A célcím kiolvasása után azonnal továbbítja a csomagot A késleltetést az első beérkezett bittől az első elküldött bitig számítjuk (first in first out, FIFO). Töredékmentes A továbbítás megkezdése előtt kiszűri az ütközési töredékeket Minden, 64 bájtnál nagyobb keret érvényes, és általában hiba nélkül érkezik meg -> az ütközések töredékeinek kisebbnek kell lenniük 64 bájtnál

35 Késleltetés Hibák száma Kétféle kapcsolási módszer IEEE keret Előtag Kezdetjelző Célcím Forráscím Hossz Adat CRC Gyorstovábbítás A legkisebb késleltetés, de nincs ellenőrzés Töredékmentes továbbítás, Kiszűri a legtöbb hibát, De nő a késleltetés. Tárol- továbbít Minden hibát kiszűr, De a legnagyobb késleltetést okozza

36 Kétféle kapcsolási módszer Két kapcsolási eljárás és késleltetés A táblázat a késleltetéseket mutatja a három továbbítási mód és a kapcsolt portok sávszélessége szerint. Gyors továbbítás FastForward FIFO Töredékmentes továbbítás FragmentFree FIFO Tárolva továbbít Store and Forward (LIFO)

37 1. Ismerkedés az Ethernet/802.3 LAN-nal 2. Ismerkedés a LAN-kapcsolással 3. A kapcsoló működése

38 Az Ethernet kapcsoló funkciói Az Ethernet kapcsolók fő funkciói A szegmensek forgalmának elszigetelése Nagyobb biztonságot nyújt a hálózat állomásai számára A különböző szegmenseken egyszerre több felhasználó is küldhet információkat anélkül, hogy ettől lelassulna a hálózat A 2. rétegbeli MAC-cím alapján a megfelelő portra irányítják a kereteket Minden szegmens saját ütközési tartománnyal rendelkezik Nagyobb felhasználónkénti sávszélesség biztosítása kisebb ütközési tartományokat létrehozásával Mikroszegmentálás: egyetlen állomásból álló, dedikált hálózati szegmenseket hoz létre Minden állomás számára a teljes sávszélesség rendelkezésre áll

39 Keretszűrés Egy meghatározott forrás és cél cím szűrése a következő módon zajlik: Megállítja a forrásból a külső LAN szegmens felé küldött kereteket. (egy forrásból - a többi felé) Megállítja az összes keretet amely egy állomás felé tart, így korlátozza az összes állomást, amelyek kommunikálni akarnak vele. (több állomástól egy állomás felé) Mindkét tipusú szűrés ugyanolyan korlátozás, tökéletesített biztonságot kínál.

40 Virtuális áramkörök Miért szegmenáljuk a LAN-okat (2. rétegbeli szegmens!) Ütközési tartomány Switch A kapcsoló mikroszegmentálást alkalmaz, hogy csökkentse az ütközési tartomány méretét a LAN-ban. A kapcsoló dedikált hálózati szegmenst készít, vagy pont-pont kapcsolatot.

41 Szórási tartomány ARP kérés Még akkor is, ha a kapcsolás csökkenti az ütközési tartomány méretét az összes kapcsolatban lévő gép ugyanabba szórási tartományba tartozik. A 2. rétegbeli szóráskor a célcím minden bitje 1-es (FFFF.FFFF.FFFF) Ezt az összes eszköznek fogadnia kell!

42 A kerettovábbítási módok Tárol és továbbít A teljes keret megérkezik a továbbítás előtt késleltetés nagy, van hibaellenőrzés Közvetlen Gyorstovábbítás célcím beérkezése után keret továbbítás legkisebb késleltetés, hibakiszűrés nehéz Töredékmentes Ütközés során létrejött kereteket kiszűri, mivel azok kisebbek mint 64 bájt. késleltetés kicsi, Adaptív közvetlen A közvetlen, illetve a tárol és továbbít mód kombinációjával előállított hibrid átviteli mód A kapcsoló mindaddig közvetlen kapcsolást használ, amíg adott számú hibát nem észlel, a hibaküszöb elérése után a kapcsoló átvált a tárol és továbbít üzemmódra.

43 A kerettovábbítási módok

44 A kapcsolók és a szórási tartományok Háromféle kommunikáció Egyedi küldés (unicast) Egy adó próbál meg elérni egy vevőt Csoportos címzés (multicast) Egy adó a teljes szegmensnek csak egy részhalmazát, illetve egy csoportot próbál meg elérni Szórás (broadcast) Egy adó a hálózat minden más vevőjét próbálja meg elérni 2. rétegbeli szórás, MAC cím: FF:FF:FF:FF:FF:FF Mindenki megkapja

45 Bevezetés a VLAN- okba VLAN = Alhálózat, A VLAN szórási tartományokat különít el a kapcsolón belül, A különböző VLAN-ok közötti forgalomhoz, Router szükséges VLAN 1 ARP VLAN VLAN VLAN Port VLAN Az ARP kérések csak azonos VLAN-on terjednek Az üzenetszórás most a VLAN 1-en terjed.

46 Bevezetés a VLAN- okba VLAN-ok nélkül Nincs szórás vezérlés ARP Port VLAN Nincsenek VLAN-ok Ugyanolyan mintha egy VLAN lenne Két alhálózat VLAN-ok nélkül az ARP kérések az összes gépre kiterjednek Ez elpazarolja a sávszélességet.

47 Bevezetés a VLAN- okba VLAN-okkal Van szórásvezérlés VLAN 1 ARP VLAN VLAN VLAN Port VLAN Két VLAN Két alhálózat

48 Bevezetés a VLAN- okba VLAN-ok közötti forgalom VLAN VLAN VLAN VLAN Port VLAN Két VLAN Két alhálózat A kapcsoló nem továbbít adatot a VLAN-ok között, A művelet elvégzéséhez forgalomirányítóra van szükség.

49 Köszönöm a figyelmet!