RETI LOCALIParte Quinta

BRIDGE, SWITCH, ROUTER

Gianfranco Prini

DSI - Università di Milano

gfp@dsi.unimi.it

NOTA DI COPYRIGHT

• Queste trasparenze (slide) sono protette dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo e il copyright delle slide (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica, testo, tabella, disegno) sono di proprietà dell'autore.

• Le slide possono essere riprodotte e utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici e universitari italiani afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell'Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica per scopi istituzionali e comunque non a fini di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione.

• Ogni altro utilizzo o riproduzione, completa o parziale (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e a stampa), sono vietati se non preventivamente autorizzati per iscritto dall'autore.

• L'informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data riportata nel frontespizio. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, etc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. L'autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto delle slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, la completezza, l'applicabilità, l'adeguatezza per uno scopo specifico e l'aggiornamento dell'informazione).

• In nessun caso possono essere rilasciate dichiarazioni di conformità all'informazione contenuta in queste slide.

• In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deve essere riportata fedelmente e integralmente anche per utilizzi parziali.

ARGOMENTI

• Limiti delle LAN e loro superamento

• Bridge: caratteristiche e tipologia

• Transparent e source routing bridge

• Switch e "nuove" LAN commutate

• Router e differenze rispetto ai bridge

• Principali algoritmi di routing

• Switching di livello 3 e superiori

"LIMITI DEI LIMITI" DELLE LAN

• Distanze massime tra stazioni– Limitano la portata geografica delle LAN

• Numero massimo di stazioni– Limita la portata organizzanizzativa delle LAN

• Massimo carico della rete– Limita il throughput a valori inadeguati

• Soluzione: interconnettere più LAN tra di loro a un livello ISO/OSI soprastante quello fisico

BRIDGE (E SWITCH)

Application

Presentation

Session

Transport

Network

LLC

Physical Physical Physical

MAC

Relay

MAC MAC

Application

Presentation

Session

Transport

Network

LLC

Physical

MAC

OPPORTUNITA' OFFERTE DA BRIDGE (E SWITCH)

• Interconnessione di LAN con diverso MAC (e.g. Ethernet e Token Ring)

– Basta ricopiare le LLC PDU da una trama MAC all'altra

• Interconnessione di LAN con diversa velocità di trasmissione (e.g. Ethernet e Fast Ethernet)

– La trama MAC rimane (sostanzialmente) immutata

• Incremento della banda complessiva– Segmentando una LAN in N reti distinte la banda

aggregata aumenta di un fattore compreso tra 1 e N

• Aumento della portata geografica– Raccordando N reti le distanze massime superabili con la

LAN risultante crescono di un fattore compreso tra 1 e N

CARATTERISTICHE DEI BRIDGE (E DEGLI SWITCH)

• Operano al sottolivello MAC del Data Link– La loro presenza è del tutto invisibile al sottolivello LLC

– Consentono talora di filtrare il traffico (inclusivamente o esclusivamente) su base DSAP, SSAP o Protocol Type

• Possono operare in ambito locale o remoto– I livelli MAC da raccordare tramite la funzione di relay

possono coesistere all'interno dello stesso apparato (situazione più frequente - bridge locale) oppure possono operare separatamente in apparati distinti connessi tra di loro (caso infrequente - bridge remoti)

• Utilizzano algoritmi di instradamento semplici– Calcolano le abelle di instradamento con algoritmi di

routing isolato (si limitano a esaminare gli indirizzi MAC dei pacchetti in transito, senza interagire con altri bridge)

TIPI DI BRIDGE (E DI SWITCH)

• Transparent bridge (standard IEEE 802.1D)– Derivano architetturalmente dai primi bridge Ethernet

– Gestiscono direttamente le tabelle di instradamento, che risiedono in una memoria locale al bridge

– Sono del tutto invisibili alle stazioni appartenenti alle LAN interconnesse dai bridge, le quali non necessitano quindi di alcuna riconfigurazione quando la rete "cambia"

• Source routing bridge– Devono comunque essere conformi anche a IEEE 802.1D

– Derivano architetturalmente dai bridge Token RIng

– Non gestiscono tabelle di instradamento (esse risiedono a bordo delle stazioni, le quali devono esplicitare l'intero percorso prescelto in ciascuna MAC PDU da inoltrare)

– Le stazioni vanno riconfigurate quando la rete "cambia"

TRANSPARENT BRIDGE: FORWARDING & LEARNING

while pacchetto ricevuto senza errori sulla porta P

do comment FORWARDING (fase di instradamento)

if DSAP presente in tabella di instradamento

then if tabella richiede instradamento su porta P

then ignorare il pacchetto

else instradare come da tabella

else instradare il pacchetto su tutte le porte del

bridge ad eccezione della porta P

comment LEARNING (fase di apprendimento)

if SSAP non presente in tabella di instratamento

then aggiungere SSAP a tabella di instradamento

associandolo alla porta P (e al timer corrente)

else aggiornare tabella di instradamento (e timer)

SPANNING TREE

• L'algoritmo di apprendimento funziona solo su reti con topologia ad albero

– Le topologie magliate vanno ricondotte a topologie ad albero disabilitando alcune porte

• L'algoritmo di spanning tree costruisce un albero, coerente con la maglia, che raccorda tutti i bridge presenti nella rete

– Viene eseguito perdiodicamente (ogni minuto secondo)

– Decide quali porte abilitare (stato di forwarding) e quali disabilitare (stato di blocking)

• Tutti i bridge di una rete devono gestire uno spanning tree conforme allo standard 802.1D

– Possono implementare schemi di bridging aggiuntivi

SOURCE ROUTING BRIDGE

• RII (Routing Info Indicator): primo bit di SSAP– Valore RII=1 (trama broadcast/multicast) non significativo

per il SSAP (che è necessariamente un indirizzo unicast)

– Valore RII=1 indica la presenza del campo Route Control

– Route control indica quanti sono i Segment (max 8)

– Segment Number: campo di 16 bit coi due sottocampi Ring Number (12 bit) e Bridge Number (4 bit)

– Ring Number assegnato dall'amministratore della rete

– Bridge Number discrimina tra bridge paralleli

LLC PDUSSAP

(6 byte)Route

ControlDSAP

(6 byte)FCS

(4 byte)SegmentNumber 1

SegmentNumber N

...1

RII

max 8

SWITCH

• Bridge multiporta, spesso con molte porte

• Obbiettivo: switching a wire speed su tutte le porte, quindi algoritmo implementato in H/W

– Pacchetti Ethernet di lunghezza minima 14480 pps

– Pacchetti Ethernet di lunghezza massima: 812 pps

– Algoritmo di forwarding/learning realizzato in hardware

• Talora implementano tecniche cut-through invece di store-and-forward

– Ritrasmissione del pacchetto inizia subito dopo aver ricevuto DSAP (e SSAP per completare algoritmo)

– Non filtra i pacchetti corrotti (e i frammenti di collisione) perché inizia a ritrasmettere ben prima di ricevere FCS

LAN TOTALMENTE COMMUTATE: VERSO LE "NUOVE" RETI

• Realizzate con switch multiporta a ciascuna delle quali si connette una sola stazione

• Canali dedicati per ciascuna stazione– Massimo throughput: banda non più condivisa con altre

porte, ma dedicata per ciascuna porta

– Minima latenza nelle applicazioni interattive se gli switch lavorano a wire speed e utilizzano cut-through

– Massima sicurezza: nessun rischio di "sniffing" sul canale, possibilità di filtrare il traffico sulla base degli indirizzi MAC delle stazioni, oppure degli indirizzi di livello Network, oppure del protocollo dichiarato nelle trame LLC, del servizio di rete richiesto dalla stazione, dell'utente (che viene richiesto di "fare login sulla rete" prima di poterla usare), etc.

ROUTER

Application

Presentation

Session

Transport

Network

LLC

Physical Physical Physical

MAC

Relay

MAC MAC

Application

Presentation

Session

Transport

Network

LLC

Physical

MAC

LLC LLC

Network Network

ROUTER: CARATTERISTICHE

• Operano a livello Network

• Implementano poche famiglie di protocolli– Sempre più di frequente implementano solo IP

• Compatibili con topologie magliate– Nessun problema di spanning tree, utilizzo pieno di tutte

le porte disponibili, nessuna delle quali viene disabilitata

• Non propagano trame broadcast e multicast del sottolivello MAC

• Permettono routing gerarchico ripartendo la rete in aree

ROUTER: DIFFERENZE RISPETTO A BRIDGE

• Router esplicitamente indirizzati dalle stazioni– Presenza di transparent bridge ignorata (addirittura non

rilevabile) dalle stazioni

• Tabelle di instradamento calcolate sulla base di informazioni provenienti da altri router

– I bridge si basano su informazione locale

• Frammentazione e riassemblaggio delle trame possibile con i router

– I bridge non manipolano mai le PDU di livello superiore

• Priorità delle trame gestibile con i router– I bridge non implementano alcuna nozione di priorità

ALGORITMI DI ROUTING

• Obbiettivi che possono essere contrastanti– Minimizzare i tempi di inoltro dei pacchetti

– Massimizzare l'utilizzo delle linee a lunga distanza

• Scalabilità degli algoritmi– Complessità: non lineare nel numero dei nodi

– Stabilità: convergenza problematica con reti complesse

– Equità: non sempre facile garantire par condicio ai nodi

• Ottimalità: due metriche principali– Hops: numero di sistemi intermedi attraversati

– Costo: sommatoria dei costi delle singole linee attraversate (inversamente proporzionali a velocità)

TIPI DI ALGORITMI DI ROUTING

• Non adattivi (statici, deterministici): i criteri di instradamento rimangono costanti nel tempo

– Fixed Directory Routing

– Flooding e Selective Flooding

• Adattivi (dinamici, non deterministici): tabelle di instradamento calcolate sulla base della topologia (variabile) della rete, dello stato dei collegamenti e del loro carico

– Routing Centralizzato

– Routing Isolato

– Routing Distribuito

• Slogan: dinamici al centro, statici ai bordi

FIXED DIRECTORY ROUTING

• Tabelle di instradamento costruite "a mano"

• Riconfigurazioni di tabelle gestite "a mano" possibilmente in anticipo rispetto ai guasti

SOMEDIA Port_03

SOMEDIA Port_003 Port_005

SOMALIA Port_15

SOMAGLIA Port_08

SOMALIA Port_015

SOMAGLIA Port_008 Port_003

FLOODING

• Pacchetti ritrasmessi su tutte le porte tranne quella di provenienza

– Carichi bassi: strategia accettabile (o addirittura buona)

– Miglioramenti: time-to-live, packed drop al secondo passaggio (i nodi devono tenere un log del traffico)

SELECTIVE FLOODING

• Pacchetti ritrasmessi su linee selezionate– Random Walk: viene scelta una porta a caso

– Hot Potato: viene scelta la porta con la coda più corta

ROUTING CENTRALIZZATO

• RCC (Routing Control Center) riceve info sullo stato della rete da ciascun nodo, calcola le tabelle e le distribuisce a tutti i nodo

• Ottimizza prestazioni, ma in caso di guasto si possono generare loop dovuti a info parziali

• Carico sulla rete elevato in prossimità di RCC

ROUTING ISOLATO

• Ogni nodo instrada senza consultare altri nodi– Simile all'algoritmo dello standard IEEE 802.1D

ROUTING DISTRIBUITO

• Tabelle calcolate da ogni router dialogando con gli altri router e con le stazioni

• Algoritmi Distance Vector (Bellman-Ford)– Quando un nodo modifica le proprie tabelle, ne invia una copia

"massaggiata" (distance vector) ai nodi adiacenti, che la fondono con quelle provenienti dagli altri nodi, etc.

– Convergenza: O(Cn), ma O(n2) e O(n3) nel caso tipico

• Algoritmi Link State– Ogni router eslprora il proprio intorno e informa gli altri, che si

costruiscono una mappa completa della rete con l'algoritmo di Dijkstra (Shortest Path First)

– Complessità: Elog N (E=numero link, N=numero nodi)

– Esegue in 150 ms su CPU a 1 MIPS con 600 nodi e 300 link

– Base del protocollo OSPF, abbastanza usato per TCP/IP

SWITCHING DI LIVELLO 3 E 4

• Se uno switch può commutare pacchetti sulla base dell'indirizzo MAC, perché non può fare lo stesso per l'indirizzo Network?

• Protocollo IP switching definito da Ypsilon Networks (RCF-1577), ma altri approcci sono possibili

• Gli switch diventano sempre più sofisticati, e implementano funzionalità tipiche del livello Network (layer 3 switching)

– Non è una novità: molti bridge sono in realtà brouter

• Tendenza a portare lo switching a livello 4 (protocollo definito da Yago Systems)