Bridges & Switches. ridges and Switches. Joao.Neves@inescporto.pt. Aplicação. Aplicações da Rede, por exemplo o FTP. Aplicação.

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1 Bridges & Switches OSI versus TCP/IP Aplicações da Rede, por exemplo o FTP 7 Aplicação Aplicação Representação do caracter 6 Apresentação Não Implementado Estabelecimento e Manutenção da Sessão 5 Sessão Não Implementado Integridade fim-a-fim 4 Transporte Transporte Endereçamento da Rede 3 Rede Internet Controlo de acesso ao meio e framming Sinalização 2 1 Ligação Lógica Físico Interface da Rede + Físico

2 A bridge no nível 2 Aplicação Aplicação Apresentação Sessão Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação Lógica Físico Rede Ligação Lógica Físico Transporte Rede Ligação Lógica Físico Porquê usar Bridges? A ligação de LANs a outras LANs / WANs pode ser realizada com recurso a Routers (nível 3) ou Bridges (nível 2). Para interligar LANs (p. ex. ligar departamentos) e partilhar informação. Para interligar LANs remotamente localizadas (p. ex. Edifícios separados com linhas série entre eles) constituindo uma só rede. Distribui tráfego de um segmento (o que permite reduzir a carga), cria domínios de colisões separados. Expandir a LAN (limitada pelo Round-trip delay). Fiabilidade (um nó a transmitir descontroladamente pode sobrecarregar a rede toda, se esta não for segmentada). Segurança (o modo promíscuo permite ler todas as tramas de um meio em broadcast).

3 Pode ser simples... A Bridge... ou inteligente. - Uma bridge encaminha ( forward ) ou rejeita tramas entre dois interfaces de rede. - Os interfaces da rede lêem todas as tramas e para isso têm que trabalhar em modo promíscuo. Bridges - Características Bridge simples Liga LANs idênticas (mesmo nível físico e MAC); reconhece tramas destinadas a uma LAN diferente da LAN de origem e encaminha-as, sem alterar o conteúdo. Bridge inteligente Liga LANs diferentes e converte entre formatos MAC. Uma rede constituída por várias LANs (segmentos) ligadas por Bridges constitui um único domínio de difusão; as Bridges isolam domínios de colisão. Em LANs de grande dimensão é normal implementar caminhos alternativos entre segmentos, quer para distribuição de carga quer para garantir tolerância a falhas. Uma Bridge tem que decidir se deve encaminhar uma trama e, em caso afirmativo, para que segmento(s) enviar a trama.

4 Métodos de Encaminhamento Embora todas as bridges encaminhem tramas com base nos endereços da camada da ligação lógica (endereços MAC) nem todas usam o mesmo método. Existem três métodos de Encaminhamento (Routing): Transparent Routing Source Routing Fixed Routing As decisões de routing são feitas pelas bridges. A estação que envia a trama fornece a informação de routing às bridges. Configurado estaticamente. Encaminhamento estático É seleccionada uma rota para cada par de endereços MAC (origem, destino). As bridges são configuradas tipicamente com rotas que envolvem o menor número de bridges, sendo reconfiguradas no caso de alteração da topologia.

5 Source Routing As tramas incluem a rota completa desde a estação de origem até à estação de destino, designando as bridges no percurso, que se limitam a encaminhar as tramas conforme prescrito Este mecanismo não é transparente para as estações, que têm de participar activamente no processo de determinação de rotas Este método é usado nas redes Token Ring (IEEE 802.5) Transparent Routing Standard IEEE (802.1D). Normalmente é utilizado na Ethernet (IEEE 802.3), embora não seja exclusivo. As bridges são invisíveis para as estações. As estações que transmitem não têm que preocupar-se em saber qual a localização das estações de destino, i.e., não têm que conhecer a topologia da rede. As bridges encaminham ou rejeitam as tramas com base numa consulta às tabelas internas.

6 Transparent Routing (cont.) Cada bridge divide a rede em duas partes e encaminha as tramas se não tiver a informação que ambas as estações, de origem e destino, estão no mesmo lado da rede. A bridge aprende os endereços das estações memorizando os endereços MAC de origem das tramas. Ainda que a topologia física seja fechada (rotas alternativas), a topologia lógica tem de ser aberta (spanning tree), sendo construída, mantida (e eventualmente reconfigurada) por um protocolo executado pelas bridges. Algumas portas das bridges são mantidas num estado bloqueado (blocking) enquanto que outras participam activamente no mecanismo de encaminhamento (forwarding). Algoritmo de Aprendizagem SA - Endereço de Origem

7 Algoritmo de Encaminhamento (Forwarding) O Algoritmo Spanning Tree As bridges executam um Spanning Tree Algorithm distribuído, IEEE 802.1D ( Interconnections, Radia Perlman, implementado nas DEC LAN Bridge 100 em meados dos anos 80): dado um grafo, uma spanning tree é uma árvore (i.e., um grafo acíclico) que inclui todos os nós do grafo. a ideia é representar uma LAN estendida por um grafo no qual: os nós são quer as LAN s quer as bridges; os arcos são os ports das bridges. a spanning tree a construir precisa incluir apenas todos os nós que representam LAN s: pode acontecer que uma bridge não faça parte da spanning tree.

8 Exemplo do Spanning Tree Cada bridge tem um identificador, sendo possível definir uma ordem global sobre esses identificadores: p. ex. B1 < B2 <... A raiz da spanning tree é a bridge com o menor identificador. Cada LAN tem uma bridge designada: a que está mais próxima da raiz (em caso de empate deve usar o identificador da bridge). Cada bridge encaminha tramas de e para cada uma das LANs para as quais é a bridge designada. O algoritmo é executado através da troca de mensagens entre as bridges, por multicast. STP AS bridges trocam tramas chamadas bridge protocol data units (BPDU). Quando uma bridge é ligada faz a difusão de uma BPDU para todos os ports. Esta BPDU não é encaminhada pelas bridges que a recebem. As bridges trocam a informação com as outras bridges usando mensagens de configuração. As mensagens de configuração são trocadas enviadas em cada 4s. A mensagem de configuração tem a identificação da root bridge; o ID da bridge emissora (bridge ID); a distância entre a root e o emissor (path cost). A identificação do port ID da bridge de origem também é incluída.

9 Esquema Funcional Processamento 1. Consulta da Tabela 2. Transferência entre buffers PRE - Preâmbulo DA - End. Destino SA - End. Origem L - Comprimento FCS - Frame Check Sequence Filtragem Trama F Data L SA DA P Se o único critério para o encaminhamento for o endereço de destino (DA) então todas as tramas com endereço desconhecido e de broadcast serão encaminhadas. Se se utilizar outro critério, então: Os broadcasts são aceites apenas de alguns SA s Poderão ser rejeitadas todas as tramas de alguns SA s Poderão só ser aceites tramas de alguns SA s Poderá haver alguma segurança e controlo de tráfego...

10 Comutadores Realizam a função básica da bridge: - encaminham tramas recebidas numa porta de entrada para uma porta de saída. As redes baseadas em comutadores têm uma topologia em estrela: interligando comutadores entre si, a rede praticamente não tem limites; acrescentar um nó à uma rede, ligando-o a uma porta dum comutador, não afecta necessariamente o desempenho oferecido pela rede aos restantes nós. Comutador Ethernet Um comutador Ethernet é uma bridge com n portas: A topologia física é uma estrela; Cria n domínios de colisão: um por porta; Continua a haver um único domínio de broadcast; Permite comunicação entre mais do que dois nós ao mesmo tempo: a capacidade agregada é superior ao bit-rate de cada ligação; As questões associadas a temporizações (round-trip time para detectar uma colisão), ficam confinadas a cada porta do comutador.

11 Comutador Ethernet (cont.) Por vezes, liga-se só uma estação (por ex., um servidor) a um porta: A comunicação entre a porta e a estação pode ser full-duplex, se ambas o suportarem (então não há necessidade do CSMA/CD...) VLAN É uma LAN estendida virtual definida sobre um conjunto de segmentos (LANs): cada VLAN tem um identificador, o endereço da VLAN; um header de VLAN (tag), incluindo o identificador correspondente, acrescentado no fim do header em cada trama (de acordo com a norma IEEE 802.1Q); as bridges olham para o endereço destino e, se necessário, para o identificador no header da VLAN, passando a trama ao longo da spanning tree associada VLAN correspondente. Reduz o tráfego de difusão, melhorando a escalabilidade.

12 VLANs Além da utilização de tags pode definir-se VLANs (configurando os comutadores) com base, entre outros, nos seguintes critérios: Grupos de endereços MAC; Endereços de rede (IP); Protocolo de rede (IP, IPX, NetBEUI,...) Prós e contras: + limita o tráfego de difusão; + separação da rede lógica da topologia; + facilidade de operação: p.ex., concentração de servidores numa sala; + maior segurança: pode excluir-se certo tráfego de alguns segmentos; - nem sempre é possível concretizar estas vantagens; - complexo, requer ferramentas de gestão Q 802.1Q Trunking Cisco Inter-Switch Link

13 802.3ad IEEE 802.3ad Dynamic link aggregation: Is the aggregation of multiple Ethernet links together to form a single logical link (one single virtual channel) Link Aggregation Control Protocol (LACP) Gi0/2 Gi1/20 Gi0/2 eth0 Gi0/3 Gi1/25 Gi0/3 eth1 Other names and similar solutions: Cisco EtherChannel Nortel Multi-Link Trunking Ethernet Bonding Unix Bonding Driver The kernel bonding module supports diverse modes of bonding types: mode=1 (active-backup) Active-backup policy: Only one slave in the bond is active. A different slave becomes active if, and only if, the active slave fails. The bond's MAC address is externally visible on only one port (network adapter) to avoid confusing the switch. This mode provides fault tolerance. The primary option affects the behavior of this mode. mode=2 (balance-xor) XOR policy: Transmit based on [((source MAC addr.) XOR (destination MAC addr.)) modulo slave count]. This selects the same slave for each destination MAC address. This mode provides load balancing and fault tolerance. mode=3 (broadcast) Broadcast policy: transmits everything on all slave interfaces. This mode provides fault tolerance. (cont.)

14 Unix Bonding Driver (cont.) mode=4 (802.3ad) IEEE 802.3ad Dynamic link aggregation. Creates aggregation groups that share the same speed and duplex settings. Utilizes all slaves in the active aggregator according to the 802.3ad specification. This requires 802.3ad support in the switch and driver support for retrieving the speed and duplex of each slave. mode=5 (balance-tlb) Adaptive transmit load balancing: channel bonding that does not require any special switch support. The outgoing traffic is distributed according to the current load (computed relative to the speed) on each slave. Incoming traffic is received by the current slave. If the receiving slave fails, another slave takes over the MAC address of the failed receiving slave. mode=6 (balance-alb) Adaptive load balancing: includes balance-tlb plus receive load balancing (rlb) for IPV4 traffic, and does not require any special switch support. The receive load balancing is achieved by ARP negotiation. The bonding driver intercepts the ARP Replies sent by the local system on their way out and overwrites the source hardware address with the unique hardware address of one of the slaves in the bond such that different peers use different hardware addresses for the server. Bibliografia Comer, Douglas E. Internetworking With TCP/IP, Vol. I: Principles, Protocols, and Architectures 4th ed., Prentice Hall International, 2000, ISBN Tanenbaum, Andrew S. Computer Networks Prentice Hall International Editions 4th edition (2003) ISBN