Hoofdstuk 8: Componenten voor lokale netwerken
advertisement
Hoofdstuk 8: Componenten voor lokale netwerken 8.1 Inleiding 8.2 De ontwikkeling van lokale netwerken Begin jaren 80: koppeling van terminals aan centrale computersystemen was bepalend voor lokale netwerken Terminals waren uitgerust met seriële interface die niet rechtstreeks kon gekoppeld worden aan een lokaal netwerk. terminalservers beschikbaar die waren uitgerust met ethernet- of token-ringinterface en aantal seriële aansluitingen. Sinds introductie netwerkbesturingssysteem: mogelijk via centrale servers gegevens centraal op te slaan. file- en printsharing mogelijk. Dmv ethernet- of token-ring-netwerkkaart rechtstreekse aansluiting mogelijk. Door deze ontwikkeling zijn terminals op werkplekken vervangen door pc’s met eigen geheugen, harddisk en processor. Behoefte aan opslagcapaciteit is in de loop der jaren toegenomen.(door grafische interfaces, internet en email) Dit alles heeft geleid tot koppeling van lokale netwerken. netwerken worden meer afhankelijk betrouwbaarheid en goede beveiliging vereist. 8.3 De repeater De maximale segmentlengte van een lokaal netwerk wordt bepaald door het gebruikte medium en het toegepaste toegangsmechanisme. Eerste lokale netwerken: gebruik van coaxkabel max. segmentlengte beperk tot 500m Men wou meerdere segmenten koppelen om grotere afstand te overbruggen invoer repeater Repeater = signaalversterker die pakketten transparant doorgeeft , onafhankelijk v/d inhoud ervan. Repeater-koppeling vind plaats op de fysieke laag. Voor een succesvolle koppeling tussen 2 stations op beide netwerken, moeten deze gelijk zijn aan elkaar vanaf OSI- laag 2 een token-ring segment en een ethernet-segment kunnen niet onderling worden verbonden via een repeater. De segmenten mogen wel verschillend van medium zijn.(10base2 en 10base5 bv) Een repeater geeft niet alleen databits door, maar ook botsingen en signaalfouten. Een probleem op 1 segment plant zich voort op de andere segmenten. 8.4 De hub Moderne lokale netwerken zijn hoofdzakelijk opgebouwd uit stervormige twisted-pair bekabeling die naar de werkplekken wordt geleidt via centrale ruimten. Deze bekabeling = verbonden via HUB Ethernet-hub: kan beschouwd worden als standaard ethernet-omgeving die een aantal poorten heeft voor bep. type medium. Een hub simuleert een ethernet-segment d.m.v. zijn ingebouwde elektronica. Netwerkpoorten in een hub zijn onderling verbonden via databus. Vervult functionaliteit van LAN-segment waarop netwerkpoorten via repeater zijn aangesloten. repeater-hub genoemd. 2 belangrijke soorten hub: -stackable HUB Vast aantal poorten, niet uitbreidbaar. Voor meer poorten worden hubs op elkaar aangesloten via businterface - HUB gebaseerd op uitbreidbaar chassis Groter en complexer. Biedt aantal slots waarin interfacekaarten kunnen worden geplaatst. Interfacekaarten zijn voorzien van netwerkpoorten, en kunnen worden bezien als afzonderlijke HUB. Uitbreiding mogelijk door (hot-swappable) insteekkaarten toe te voegen. Belangrijke functionaliteit van de moderne HUB wordt gevormd door mogelijkheden voor netwerkmanagement: - poorten aan en uit schakelen - storingen detecteren (dmv SNMP-agent die wordt aangestuurd vanuit managementstation) - managementstation is uitgerust met management-software Functionaliteit van management software en functionaliteit van SNMP agent bepalen mogelijkheden voor management van de HUB. Chassis-HUB = standaard voorzien van managementkaarten en biedt meer functionaliteit dan stackable HUB. De stackable HUB heeft een ingebouwde management-module. 8.5 De bridge Bridge is 1 van de mogelijkheden om LAN-segmenten onderling te koppelen met meer intelligentie. Bridge is meer dan medium om data door te geven Voordat een pakket wordt doorgegeven onderzoekt de bridge het MAC-adres en bepaalt zo of transport kan plaatsvinden. Koppeling dmv bridge vindt plaats op laag 2 van het OSI-model.(niveau van MAC-sublaag). Succesvolle koppeling tussen 2 LAN-segmenten als de invulling van alle lagen boven laag 2 identiek is. (incl. invulling LLC-sublaag) Bridge kan (in tegenstelling tot repeater) worden ingezet om lokale netwerken met verschillend toegangsprotocol met mekaar te verbinden. (bv ethernet met token-ring) dit stelt beperkingen tav maximale lengte van de frames. Bridge transporteert data pakket voor pakket. Als het MAC-adres van het ontvangende station voorkomt in de MAC-adrestabel wordt het pakket overgezet. = filterfunctie. Bridge kan zijn uitgerust met 2 netwerkpoorten. Voor iedere poort wordt softwarematig een MACadrestabel bijgehouden. Deze wordt gevuld door alle MAC-adressen op het segment te kopiëren naar deze tabel. Ieder adres wordt even bijgehouden en weer gewist als de Holdtime is verstreken. voorkomen dat niet-actieve stations worden geadresseerd of dat stations niet meer worden herkend. Voordelen van koppeling met bridge tov repeater of HUB: - ene segment niet belast met frames van andere - foutsituaties niet doorgegeven omdat bridge controleert op juiste frame-opbouw - Vermeden dat botsingen worden doorgegeven van ene segment naar andere(bij ethernet) Algoritmen voor een bridge Bij complexe lokale netwerken kan het zijn dat meerdere transmissiepaden aanwezig zijn tussen 2 stations in het netwerk. elke bridge maakt een keuze voor een bepaalde uitgangspoort, op basis van het MAC-adres van het betreffende pakket. De route tussen 2 stations moet uniek zijn aanvullende maatregelen noodzakelijk. Het kan zijn dat 2 bridges hetzelfde pekket tegelijk op hetzelfde segment afleveren. foutsituatie Oplossing: bridge-algoritme 2 soorten bridge-algoritmen: 1. De spanning-tree algoritme - word door bridges zelf uitgevoerd transparant voor de eindstations: aangesloten eindstations nemen zelf niet deel aan het algoritme bridges wisselen onderling topologische gegevens uit bridges zorgen ervoor dat tussen 2 willekeurige eindstations slechts 1 actief verbindingspad bestaat door parallelle paden uit te schakelen wordt vaak gebruikt om belangrijke bridgeverbindingen tussen LAN-segmenten redundant uit te voeren. Bij uitval van een bridge neemt een andere bridge voorgaande situatie over In praktijk uitsluitend toegepast bij bridges die ethernet-LAN-segmenten met elkaar verbinden Nadeel: de omschakeltijd van de algoritme in complexe omgevingen is relatief lang , kan oplopen tot enkele minuten, doordat er vele info moet worden uitgewisseld tussen ≠ bridges. 2. De source-routing-algoritme - eindstation speelt actieve rol: communicatie tussen eindstations is niet transparant zendend eindstation stippelt pad uit naar ontvangend station (voor dat er communicatie is) het pad wordt gezocht d.m.v. een broadcast-pakket dat door alle tussenliggende bridges over alle poorten wordt gestuurd pakket wordt niet door ontvangende poort gestuurd bij passeren van bridge voegt deze identificatie aan pakket toe ontvangend station wordt bereikt via alle mogelijke paden in netwerk Ontvangend station stuurt alle frames terug zender kan adhv frames en info van bridges de kortste route bepalen bij uiteindelijke transport legt zendend station het te volgen pad vast. - Bridges worden toegepast binnen lokale netwerken op basis van token ring. Voordeel voor de bridges: moeten geen tabellen bij houden van mogelijke paden Nadeel: bij complexe netwerken kan hoeveelheid broadcast-frames groot worden en performance v/h lokale netwerk nadelig beïnvloeden. Praktische toepassing van bridges Bridge wordt in praktijk gebruikt om LAN-segmenten met elkaar te verbinden en te zorgen voor beheersmatige scheiding van het teansport van frames over het netwerk Inzetten v/e bridge voorkomt dat de aangesloten stations te lijden hebben onder zware belasting of storing op een van de segmenten. Pag 230 tekening + uitleg 8.6 De router Bezit meer intelligentie dan repeater en bridge en kan complexere situaties ondersteunen. Bij het passeren van een router wordt het bestemmingsadres van het frame geanalyseerd. Koppeling tss 2 segmenten in lokaal netwerk gebeurt op ISO-laag 3(netwerklaag) Een router: - schakelt op basis van netwerk-adres van het pakket. - Heeft kennis van gehele topologie van het netwerk Hierdoor kunnen ze ook net netwerken worden verbonden die gebruikmaken van ≠ invullingen van laag 1 & 2 van het referentiemodel. De verschillen in lagen zijn voor de router transparant omdat hetzelfde netwerkprotocol wordt gebruikt. IP-protocol is veelgebruikt in netwerken met routers. Netwerkadres MAC-adres Netwerkadres: 1. netwerknummer 2. modemnummer Niet vast toegekend aan een station maar maakt deel uit van softwarematig nummerplan Bij verhuizing naar ander netwerksegementstation krijgt ander netwerkadres 1. Geeft unieke identificatie aan netwerksegment 2. Adresseert netwerknode Subnetten: netwerksegmenten met verschillend netwerknummer die onderdeel uitmaken van hetzelfde netwerk en hetzelfde netwerkprotocol gebruiken Verbinding met een router is transparant voor alle bovenliggende protocollen: ≠ typen pakketten kunnen worden doorgegeven als hetzelfde netwerkprotocol wordt gebruikt. Routering Methode om in een netwerken zo optimaal mogelijke route uit te stippelen tussen bron en bestemming (onafhankelijk van topologie en onderlinge transporttechnologieën) Router Y Segment B 2 1 Segment A segment D 1 station 11 2 3 station 33 Segment C router X station 44 station 11 op segment A(adres A.11) wil pakket sturen naar station 33 op station B(adres B.33) A sturt pakket naar router X(waarvan adres vaststaat in station 11) router kijkt in routeringstabel via welke router of node hij B kan bereiken conclusie: node Y op poort 2 pakket verstuurd via poort 2 naar node Y conclusie: subnet B op poort 2 verstuurt pakket via deze poort B.33 herkent eigen adres en haalt pakket van het netwerk af. Relatie tussen routering en bridging Eens lezen onderaan pagina 232 Routeringsprotocollen Bij netwerken met meerdere router is het noodzakelijk dat iedere router op de hoogte is van de netwerktopologie. Elke poort op de router bouwt routeringstabel op om op de juiste wijze te kunnen doorrouteren. Om de topologie en routeringsinfo tussen de routers te onderhouden worden routeringsprotocollen gebruikt: - Interior Gateway Protocol (binnen een privé-netwerk) (Bijv RIP en OSFP) - Exterior Gateway Protocol (tussen privé-netwerken en openbare internet) - Border Gaeway Protocol (tussen privé-netwerken zonder tussenkomst van openbaar netwerk) Het Router Information Protocol Zeer eenvoudige opbouw: waarde van een verbinding tussen 2 stations wordt vertaald in aantal hops(aantal tussenliggende routers). Werking is gebaseerd op RIP-advertisements Wordt om de dertig seconden gezonden Houdt in dat iedere router een tabel uitzendt over het netwerk met hierin aantal bekende subnetten en afstand in aantal hops naar alle andere routers. Alle routers in het netwerk passen hun routeringstabellen aan deze berichten aan. De route met het minste hops wordt de gekozen route. Nadelen: - grote netwerkbelasting door voortdurende advertisements - veranderingen in topologie worden pas na 30 seconden opgemerkt(in ergste geval) - herrouteren van verbindingen of benutten van parallelle verbindingen tussen subnetten is niet mogelijk RIP enkel nog gebruikt binnen netwerken met beperkte toegang Interior Gateway Router Protocol en Enhanced Interior Gateway Router Protocol Dit zijn fabrikantspecifieke gateway-protocols die zijn ontwikkeld door Cisco-systems en worden gebruikt door de routers van deze fabrikant. IGRP en EIGRP kunnen parallelle paden tussen 2 subnetten tegelijkertijd gebruiken en automatisch herrouteren. EIGRP is een van de meest geavanceerde IP-protocollen en wordt continu verbeterd. Ze kunnen net gebruikt worden in netwerken met routers van een andere fabrikant. Open Shortest Path First (OSPF) Opvolger van het RIP en is meer geavanceerd. Er wordt bij OSPF alleen info uitgewisseld als er echt iets veranderd in het netwerk. De waarde van een bep. route wordt bij OSPF niet alleen bepaald adhv een aantal tussenliggende hops, maar ook door parameters (zoals beschikbare bandbreedte en vertragingstijd). De parameters worden gebruikt om aan elke route een bep. gewicht toe te kennen. wordt efficiënter gebruikgemaakt van de beschikbare verbindingen binnen grotere netwerken. Netwerk wordt verdeeld in areas, die bestaan op een of meerdere subnetten of netwerken. De routers binnen een area alleen betrekking op routering binnen de eigen area. Routering tussen de areas door inter-area-routers. beperkt noodzakelijke uitwisseling van info en zorgt voor goede schaalbaarheid van ASFP Door variatie van het aantal en de omvang v/d areas optimale afstemming mogelijk tussen omvang v/h netwerk en complexiteit v/d routering van dit netwerk. Routers van ≠ fabrikanten kunnen in een netwerk zijn opgenomen en onderling communiceren via OSPF. Multiprotocolrouter Vroeger: vooral ingezet om lokale netwerken onderling te verbinden via WAN. Door introductie van multiprotocolrouters werden routers in jaren 90 ook in toenemende mate toegepast binnen het lokale netwerk. Multiprotocolrouter = combinatie van bridge en meerdere routers samengevoegd. Ze zijn in staat zich als bridge of router te gedragen afhankelijk van het netwerkprotocol. IP-pakketten kunnen apart gerouteerd worden. Netbios-pakketten kunnen via een bridge worden getransporteerd op basis van MAC-adres. Per routerpoort worden meerdere routeringstabellen of MAC-tabellen opgebouwd en onderhouden. Collapsed backbone Nadeel shared LAN: backbone-segment heeft zelfde snelheid als de aangekoppelde segmenten. Als de belasting op het netwerk tussen de segmenten of tussen de segmenten en het backbone-segment toeneemt zal de backbone een ernstige bottleneck gaan vormen. Hedendaagse snelle multiprotocolrouters zijn voorzien van een interne databus met als functie een snelle onderlinge verbinding van de router-engines achter iedere netwerkpoort, zonder congestie. Transmissiesnelheid op die databus kan enkele honderden Mbps tot enkele Gbps zijn. Als interne databus als backbone-segment wordt gebruikt capaciteit van backbone-segment drastisch verhoogd. In jaren 90: veel lokale netwerken aangelegd volgens dit model, waarbij hus aan centrale router werden gekoppeld via glasvezel. Multiprotocolrouter met hoge capaciteit en genoeg netwerkpoorten gebruikt als centrale eenheid binnen het lokale netwerk. Voordeel van dit model: ieder segment aangesloten achter routerpoort. 8.7. De switch LAN-switch heeft zelfde functionaliteit als bridge met betrekking tot het MAC-adres, maar doet dit veel sneller. De hoge snelheid wordt bereikt omdat de switch alleen het MAC-adres in de header onderzoekt en dan het frame op de juiste switchpoort verzendt.(header van het frame wordt reeds verzonden terwijl frame nog moet binnekomen). LANswitches die frames wirespeed konden verzenden. Nauwelijks verschil tussen pakketsnelheid(op Transmiddiemedium) en switch-performance. Kans op fouten bij switches die op deze wijze werken = groter want controle op juiste frame-opbouw en foutdetectie ontbreken. Introductie van: - token-ring switches - FDDI-switches - Switches voor specifieke toepassingen (bv workgroupswitches) - Backbone-switches (oderling verbinden van groepen workgroupswitches) Door inzet LAN-switches nieuw concept voor lokale netwerken opvolger collapsed-backbone Switched LAN Bij conventionele shared LAN’s alle aangesloten stations delen het medium ze delen ook de beschikbare bandbreedte Bridges kunnen een ethernet-segment in kleinere delen splitsen beschikbare bandbreedte moet over minder stations worden verdeeld. Reductie van aantal stations per segment kan worden doorgevoerd tot er nog 1 station per segment is == Microsegmentatie. volledige bandbreedte is ter beschikking voor 1 station. Bij een LAN-switch is er sprake van een shared LAN met slechts 1 gebruiker. Door moderne switching technologie aangesloten stations hebben volledige bandbreedte wire-speed ter beschikking. Tegenwoordig worden hub’s niet meer veel gebruikt, maar vervangen door switches. Laag 2 en laag 3 switches Kunnen worden beschouwd als multipoort switches Schakelen binnengekomen frames op basis van MAC-adressen v/d datalinklaag. Laag-3 switches kunnen worden beschouwd als zeer snelle multipoort-routers die zich onderscheiden van conventionele routers omdat de basisfuncties van routering apart worden behandeld. Route discovery & frame-forwarding De processen om het vertrekpunt en de bestemming te bepalen gebeuren nog steeds softwarematig. Het terug verzenden van die frames gebeurt op een hardwarematige manier. Men noemt dit layer-21/2 . Er wordt veel aandacht aan de snelheid besteed laag-3 switches van minder intelligentie voorzien dan conventionele routers. algemene inzetbaarheid van laag-3 switches is minder groot. Ze worden hoofdzakelijk ingezet in netwerken waar beperkte functionaliteit genoodzaakt is. Moderne ethernet-switches bieden grote keuzevrijheid op basis waarvan switched LAN’s kunnen worden opgebouwd met laag-2 en laag-3 switches (Ook combinatie van beide mogelijk) Een switched LAN op basis van laag-2 switches = 1 broadcast-domein: - Broadcast-pakketten die uitgezonden zijn door bepaalde netwerkprotocollen kunnen zich door het hele lokale netwerk voortplanten. - Verkeer dat bestemd is voor 1 bepaalde afdeling belast ook andere afdelingen. - Fouten planten zich makkelijker voort - Eenvoudig te beheren: geen bemoeienis met subnetindelingen en mutaties Lokaal netwerk op basis van laag-3 switches : - verdeeld in subnetten en kan door juiste configuratie opgedeeld worden in autonome lokale netwerken die met elkaar zijn verbonden via laag-3 switches - complexer dan voorgaande netwerk In praktijk: combinaties van beide. Lokale netwerk kan worden verdeeld in aantal logische segmenten die veelal overeenkomen met een deel v/d organisatie. Binnen deze segmenten laag 2switches toegepast & segmenten onderling verbonden met laag-3-backbone switches. Full-duplex Bij LAN-switches: - geen sprake van delen van een segment door meerdere stations - 1 segment 1 gebruiker - Geen noodzaak voor CSMA/CD-toegangsprotocol Bij LAN switches die mogelijkheid bieden om stations, servers of andere switches te koppelen op basis van full-duplex-ethernet wordt daarom CSMA/CD uitgeschakeld. (werkstation en server moeten niet meer zien of het segment vrij is alvorens kan worden verzonden) LAN-switch detecteert eventueel gelijk verzonden verkeer. Volledige bandbreedte= voor beide *netwerkcomponenten ter beschikking. Als er een bandbreedte van bijv 20Mbps ter beschikking is, betekent dat 10Mbps in elke richting. VLAN’s Virtual LAN technologie makt het mogelijk segmentatie dynamisch op te bouwen (in tegenstelling tot lokaal netwerk met switches) Dynamisch wil zeggen dat de segmentatie eenvoudig kan worden aangepast aan veranderende omstandigheden. In een lokaal netwerk dat VLAN-technologie gebruikt kunnen ≠ VLAN’s worden gedefinieerd. De VLAN’s worden beschouwd als ‘seperate’ LAN’s binnen het grote netwerk en vormen ieder een gesloten segment. == Broadcast-domain. Communicatie tss. stations of servers in ≠ VLAN’s dient plaats te vinden d.m.v. routering. Via externe router of routeringssoftware in de switch. Zie figuur 8.16 pagina 241 + uitleg onderaan pag 240 In de praktijk zijn er ≠ vormen van VLAN’s mogelijk: - Port-based VLAN: worden ingedeeld naar poorten of groepen poorten op switches. hardwaregebonden - MAC-level VLAN: het MAC-adres van een station bepaalt het VLAN. Deze indeling is vastgelegd door hardwareadres van betreffende netwerkkaart - Network-level VLAN: netwerkadres bepaalt het VLAN. Deze indeling is geheel zelf samen te stellen door de gehanteerde IP-adressering - Protocol-level VLAN: het type protocol bepaalt bij welk VLAN een gebruiker wordt ingedeeld. Hiermee zijn eenvoudig VLAN’s te realiseren die opgebouwd zijn uit bv stations die alleen IP-protocol gebruiken. Veel producten op de markt ondersteunen alleen port-based VLAN’s hardwareafhankelijkheid gecreëerd. Nadeel port-based VLANs: - per switchpoort 1 VLAN kan leiden tot beperkingen waarbij een switchpoort meer dan gebruiker bedient. - Uit voorgaande volgt dat servers alleen lid kunnen zijn van meer dan 1 VLAN als deze meer dan 1 poort op de switch ter beschikking hebben server moet meerdere netwerkkaarten bezitten. In de MAC-level VLAN’s kunnen systemen wel lid zijn van meerdere VLAN’s Nadeel van MAC-level VLAN’s: administratie van lange en foutgevoelige MAC-adressen is beheersmatig zeer intensief. Nadeel van MAC-level VLAN’s: voorwaarde dat iedere gebruiker een statisch netwerkadres heeft. Protocol -level VLAN’s: maken mogelijk om adhv gebruikte protocol elke gebruiker automatisch in te delen bij het betreffende VLAN. IEEE-802.1.Q.- specificatie: hierin zijn VLAN –frameformaat , VLAN-protocoltype en VLAN-identifier vastgelegd. In praktijk: - gebruik VLAN’s beperkt tot port-level VLAN’s om lokaal netwerk, opgebouwd uit laag 2 en 3 switches flexibel te kunnen indelen - fabrikanten van LAN-switches hebben opl ontwikkeld om over 1 fast-ethernet of gigabitethernet- kanaal meerdere VLAN’s op te bouwen == VLAN-trunks* * Deze bieden mogelijkheid om efficiënt gebruik te maken van dure backbone-verbindingen van backbone-switches naar workgroup-switches in de Satellite Equipment Room. Servers kunnen ook via VLAN-trunks onderdeel uitmaken van meerdere VLAN’s zodat routering tss VLAN’s niet nodig is. 8.8 De gateway In het algemeen voert een gateway een protocolconversie uit die zich uitstrekt over meer dan de eerste drie lagen van het ISO/OSI-referentiemodel. Gateway is in staat vertaling te maken van het ene naar het andere netwerk zonder gemeenschappelijke factor. hiervoor beschikt gateway over grote processorcapaciteit. Voor de conversie worden pakketten uit 1 netwerk geheel ontleed,geanalyseerd, geconverteerd en dan terug in pakketten verdeeld en verder getransporteerd. die complexe activiteiten leiden tot beperkingen in transportsnelheid. Gateway wordt enkel ingezet als de noodzaak tot koppelen van de 2 ≠ netwerken groter is dan het performance-verlies.
