10_MLSwitching. ! Ideati per essere semplici, hanno limitazioni. ! Da realizzare poco costosi! Da utilizzare non è indispensabile saperli configurare

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1 Nota di Copyright Multi-layer switch commutazione hardware a vari livelli Mario Baldi Politecnico di Torino mario.baldi@polito.it staff.polito.it/mario.baldi Basato sul capitolo 10 di: M. Baldi, P. Nicoletti, Switched LAN, McGraw-Hill, 2002, ISBN ! Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slide (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà degli autori indicati a pag. 1.! Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione.! Ogni altra utilizzazione o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampate) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori.! L informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. Gli autori non assumono alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione).! In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slide.! In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deve essere riportata anche in utilizzi parziali. 10_MLSwitching Copyright M. Baldi - P. Nicoletti: see page 2 10_MLSwitching - 2 Gli switch di livello 2 non bastano. Perché?! Ideati per essere semplici, hanno limitazioni! Da realizzare poco costosi! Da utilizzare non è indispensabile saperli configurare! Ne risulta un limite sulla dimensione delle LAN! Una rete di grandi dimensioni viene divisa in LAN separate! Eventualmente virtuali (VLAN)! Router inoltrano i pacchetti tra queste LAN Commutatori con supporto hardware per inoltrare pacchetti in base a informazioni pertinenti ad uno o più livelli (layer) 10_MLSwitching _MLSwitching - 4

2 Limiti degli switch di livello 2! Sicurezza! Il filtering database è popolato automaticamente! Generalmente non si realizzano politiche di filtraggio! Politiche di filtraggio sono normalmente implementate su apparati più sofisticati come i router! Propagazione non limitata del traffico broadcast! Livello di broadcast cresce con il numero di stazioni! Vulnerabilità a broadcast storm! Percorsi chiusi (maglie)! Malfunzionamento di interfacce! I router non inoltrano traffico broadcast Limiti degli switch di livello 2! Indirizzamento piatto! Ogni destinazione raggiungibile deve essere esplicitamente elencata nel filtering database! L indirizzamento di protocolli di livello 3 (per esempio IP) è gerarchico! Una entry nella forwarding table consente l inoltro di pacchetti verso un insieme di destinazioni! Per esempio, le destinazioni con lo stesso network prefix! Indirizzamento gerarchico consente di mantenere costante la dimensione della forwarding table al crescere della rete! Aumentare la granularità di raggruppamento (aggregation) 10_MLSwitching _MLSwitching - 6 Limiti degli switch di livello 2! Limitate capacità di routing! Tutto il traffico è inoltrato lungo uno stesso albero (lo spanning tree)! Percorsi non ottimali! Utilizzo non uniforme delle risorse di rete! I link che non sono parte dello spanning tree non sono utilizzati!! Recupero lento dei guasti! Può richiedere tempi dell ordine del minuto! IEEE 802.1w definisce RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)! Limitato numero massimo di bridge in cascata! IEEE 802.1D consiglia non più di 7! Taratura fine dei parametri permette un numero più elevato! IEEE 802.1s per operatività su reti di grosse dimensioni Apparati di livello 3 superano questi limiti! La semplicità non è stata un obiettivo primario nella progettazione dei router! I protocolli di routing sono progettati per massima efficienza! I router sono tradizionalmente più lenti! Fanno operazioni più complesse! Estrazione del paccheto di livello 3, modifica, costruzione di trama di livello 2 per la trasmissione del pacchetto! Routing richiede longest prefix matching! Protocolli di routing richiedono scambio ed elaborazione di informazioni! Implementazione hardware è più difficile 10_MLSwitching _MLSwitching - 8

3 Router: apparato per collegamenti geografici (?!?) Rete geografica (Internet, intranet, extranet) Separazione della rete in LAN indipendenti Utilizzo più pesante di router A Inoltro su collegamenti ad alta velocità (10 Mb/s - 10 Gb/s) Router Bridge Switch Inoltro su collegamenti a bassa velocità Elevate prestazioni non sono indispensabili Layer 3 switch B Switch Prestazioni elevate dei router divengono un fattore determinante 10_MLSwitching _MLSwitching - 10 Esecuzione hardware delle funzionalità di routing? Non subito...! Realizzazione di ASIC (Application Specific Integrated Circuit) è difficile e richiede tempi di progetto lunghi! Qualche anno fa competenze e strumenti erano limitati! Si dovevano soddisfare necessità di mercato! Soluzione temporanea: espedienti per migliorare le prestazioni in attesa di ASIC per il routing! Dipendenti dal particolare campo di applicazione! Evoluzione degli switch di livello 2 Passo 1: Lo scenario di applicazione - VLAN VLAN 33 VLAN 11 VLAN 10 VLAN 7 Layer VLAN 18 3 switch VLAN 15 VLAN 5 L uso estensivo di VLAN genera l esigenza di comunicazione tra VLAN distinte VLAN 21 10_MLSwitching _MLSwitching - 12

4 Visione fisica: necessità di one-arm-router A B Router Switch Passo 2: one-arm-router installato nello switch! Scheda di routing da inserire nello chassis dello switch! L utilizzatore non acquistare un router da un altro fornitore! Vantaggioso per il fornitore che non condivide il cliente! Vantaggioso per il cliente che ha un solo fornitore! L utilizzatore non introduce un ulteriore apparato nei propri armadi di cablaggio! Non c è necessità di altre competenze! Stessa interfaccia di configurazione! Stesso sistema di monitoring e gestione 10_MLSwitching _MLSwitching - 14 Passo 3: one-arm-router integrato con lo switch! Le funzionalità di routing condividono lo stesso hardware dello switch! Stesso chassis, backplane, alimentazione, modulo di gestione, ecc.! Aumentando il livello di integrazione si possono far condividere più componenti...!... e informazioni 10_MLSwitching - 15 Integrazione stretta per ottimizzare le prestazioni 10_MLSwitching - 16 Risultato: Multi-Layer Switch! Integrazione di funzionalità di router e switch cercando di ottenere il meglio dei due mondi! Prestazioni degli switch (livello 2): il braccio! Intelligenza dei router (livello 3): la mente Commutazione di trame Ethernet in base all indirizzo destinazione del pacchetto IP trasportato! Inizialmente soluzioni proprietarie...! cut-through routing, IP switching, route once/switch thereafter, flow-based routing, tag switching!... in seguito standardizzate! MPLS (Multi-Protocol Label Switching)! MPOA (Multi-Protocol Over ATM)

5 Layer 3 switch! Intelligenza dei router e velocità degli switch! Switch è associato ad alte prestazioni! Layer 3 è associato a funzionalità sofisticate ed efficienza! ASIC implementano le funzionalità tipiche dei router! Tradizionalmente implementate in software Fattori abilitanti:! Raffinamento delle tecniche per progettazione e realizzazione ASIC! Caratteristiche derivanti dallo specifico campo di applicazione Fattori abilitanti per Layer 3 Switch! Utilizzo in ambito locale interfacce dello stesso tipo (Ethernet)! Minore varietà di funzionalità di livello 2 da implementare! Economia di scala di componentistica Ethernet! Assemblaggio compatto riduce la dimensione delle schede! Reti moderne basate quasi esclusivamente su IP! Supporto hardware per routing IP! Altri protocolli trattati tramite software! Supporto hardware per IPX e AppleTalk in alcuni prodotti! Specifica e implementazione di IP e protocolli accessori sono ormai stabili! Caratteristiche più nuove realizzate tramite software! In genere nuove funzionalità sono poco utilizzate 10_MLSwitching _MLSwitching - 18 Architettura dei Layer 3 Switch CPU e RAM Switching Fabric Fabric Stessa architettura degli Switch Ethernet (di livello 2) stesse problematiche Distribuzione delle funzionalità! Processore centrale: controllo! Esecuzione dei protocolli di routing! Compilazione della tabella di inoltro (routing table)! Riconfigurazione della switching fabric! Management! Processori di interfaccia! Inoltro pacchetti! Parsing pacchetto! Decisione di routing! Eventuale modifica del pacchetto! Scalabilità: ogni processore di interfaccia elabora solo i pacchetti ricevuti da quella interfaccia! Più interfacce aumenta il numero di processori 10_MLSwitching _MLSwitching - 20

6 Problematiche! Aggiornamento e distribuzione di informazioni! Routing table deve essere acceduta dai processori di interfaccia! Complesse tecniche di condivisione e sincronizzazione! Tabella centralizzata! Copie locali (cache)! Coordinamento tra i processori di interfaccia e il processore centrale! Politiche di controllo della switching fabric! Tecniche sofisticate (e proprietarie) sviluppate dai costruttori negli anni! Riutilizzo dell esperienza maturata con gli switch Ethernet! Opportunità di differenziazione Prestazioni! Full speed: elaborazione e commutazione in tempo reale dei pacchetti ricevibili complessivamente da tutte le interfacce! Routing (determinazione dell interfaccia di uscita) è un fattore limitante! Wire speed: ASIC di routing operante alla velocità con cui i pacchetti sono ricevuti sul collegamenti! Prestazioni misurate normalmente in numero di pacchetti elaborati e commutati al secondo (pps)! Pacchetti di dimensione minima sono i più critici! Minimo payload Ethernet/minimo pacchetto IP: 64 byte! Un interfaccia Gigabit Ethernet wire speed deve elaborare 1.5 Mpps 10_MLSwitching _MLSwitching - 22 Scalabilità Numero massimo di interfacce ammesse dal sistema! Backplane! Switiching fabric Nel valutare l acquisto di un apparato:! Numero di alloggiamenti nel backplane! Presenza di moduli switching fabric! Bloccante o no! Speedup! Altrimenti, banda del bus (collegamenti del backplane)! Eventuale popolazione parziale per evitare blocking Latenza! Indice di prestazioni! Dipendente dall architettura hardware e software dell apparato Componenti! Ricezione del pacchetto! Velocità dei collegamenti! Store-and-forward: dimensione del pacchetto! Cut-through: pochi microsecondi! Routing: determinazione dell interfaccia di uscita! Switching: spostamento all interfaccia di uscita! Tempo di accodamento! Dipende dal traffico istantaneo 10_MLSwitching _MLSwitching - 24

7 Store-and-forward o Cut-through?! Ricezione di un pacchetto IP in trama Ethernet! Dimensione massima (1500 byte) a 10 Mb/s > 1 ms! Dimensione minima (64 byte) a 10 Mb/s ~70 µs! Dimensione massima (1500 byte) a 1 Gb/s ~10 µs! Comparabile al tempo necessario per routing e switching! Cut-through funziona solo tra interfacce alla stessa velocità! La maggior parte di apparati utilizzati nelle reti odierne installa interfacce di diversa velocità! Cut-through non vantaggioso ad elevate velocità Il cut-through non è molto diffuso negli apparati attualmente sul mercato Layer 3 Switch come Multi-Layer Switch! Tutti i principali costruttori offrono vari modelli di Layer 3 Switch! Configurazione fissa o modulare! Varie fasce di prestazioni e prezzo! Si tratta in realtà di Multi-Layer Switch (nuova concezione)! Layer 2 Switch switch Ethernet con supporto per VLAN! Layer 3 Switch router hardware! No integrazione no accezione originale! Flessibilità nell utilizzare fuzionalità di livello 2 o livello 3! Configurabile no necessità di sostituire hardware! Scelta dinamica in base al traffico ricevuto! Evoluzione dei BRouter 10_MLSwitching _MLSwitching - 26 Utilizzo (di principio) dei Layer 3 Switch A B Layer 3 switch Complessità del piano di indirizzamento Ad ogni interfaccia di Layer 3 switch corrisponde una rete logica IP (Logical IP Subnet, LIS)! Assegnare indirizzo e prefisso ad ogni interfaccia! Meccanismi automatici standard sono oggi disponibili solo per configurare le stazioni (DHCP relay essenziale!)! Normalmente manuale! Facile introdurre errori dato l elevato numero di interfacce! Per stazioni collegate direttamente si spreca il 50% degli indirizzi! Spostamento di una stazione richiede riconfigurazione! Elevato numero di LIS complica piano di indirizzamento! Facile introdurre errori! Difficile da manutenere 10_MLSwitching _MLSwitching - 28

8 I Layer 2 Switch non servono proprio più?! Layer 3 switch risolve in principio i problemi per cui sono state inventate le VLAN! Nascono problemi di configurazione e indirizzamento Limite all utilizzo di VLAN in reti aventi Layer 2 Switch e Layer 3 Switch A Layer 2 Switch e VLAN sono oggi ancora molto utilizzati!! Layer 3 switch B Utilizzo misto di layer 2 switch e layer 3 switch crea limitazioni all uso delle VLAN Switch A e B non possono appartenere alla stessa VLAN 10_MLSwitching _MLSwitching - 30 Utilità dei Multi-Layer Switch! Multi-Layer Switch al centro della rete sono in grado di inoltrare trame Ethernet! Si può creare una VLAN che include A e B! Commutazione di trame Ethernet scambiate da A e B! Routing di pacchetti IP scambiati da altre stazioni! Massima flassibilità nell associare stazioni a VLAN! Commutazione a livello 3 di pacchetti scambiati tra stazioni di VLAN differenti Configurazione dei Multi-Layer Switch! Commutazione di livello 2 abilitata per default in apparati attualmente presenti sul mercato! Tutte le porte sono parte di una stessa VLAN! L apparato senza configurazione funziona da bridge! Porte possono essere assegnate a nuove VLAN! Assegnazione di un indirizzo IP ad un interfaccia abilita il routing da e per la VLAN di cui l interfaccia fa parte! Le funzionalità del router vanno configurate esplicitamente! Attivazione di protocolli di routing, definizione di route statiche, ecc.! Funzionamento da Layer 3 Switch: assegnare ogni porta ad una VLAN differente! DHCP Relay implementato ed abilitato per default 10_MLSwitching _MLSwitching - 32

9 Evoluzione degli apparati Un caso pratico (e imminente!): IPv6! Principi di inoltro sono identici a IPv4, ma gli ASIC vanno rifatti! Formato di pacchetto differente! Formato di indirizzi differente! Indirizzi più lunghi, non trattabili da T-CAM (ternary content addressable memory) oggi presenti sul mercato! Supporto hardware per inoltro di IPv6 non è attualmente presente sul mercato! Nei router tradizionali un semplice upgrade software consente l introduzione di nuove funzionalità o varianti! Possibile anche nei Layer 3 Switch! Latenza più elevata per pacchetti che richiedono elaborazione software Layer 3 Switching un altro ostacolo nella migrazione a IPv6! Applicazioni IPv6 sono più lente di quelle IPv4! Routing (software) tra VLAN di IPv6! Più lento prestazioni ridotte! Routing hardware tra le VLAN delle IPv4! Utenti che hanno accettato di fare da cavie nella sperimentazione se ne pentono e divengono ostili a IPv6! Soluzione: unica VLAN per IPv6! Stazioni IPv4 e IPv6 non collegabili alla stessa porta! Stazioni collegate ad un ripetitore devono avere tutte lo stesso protocollo! Dual stack non utilizzabile! Due vincoli problematici in fase di transizione 10_MLSwitching _MLSwitching - 34