Multi-layer switch commutazione hardware a vari livelli. Mario Baldi. Politecnico di Torino.

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1 Multi-layer switch commutazione hardware a vari livelli Mario Baldi Politecnico di Torino Basato sul capitolo 10 di: M. Baldi, P. Nicoletti, Switched LAN, McGraw-Hill, 2002, ISBN _MLSwitching Copyright M. Baldi - P. Nicoletti: see page 2

2 Nota di Copyright 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 dell Istruzione, dell Università e della Ricerca, 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 - 2

3 10_MLSwitching - 3 Commutatori con supporto hardware per inoltrare pacchetti in base a informazioni pertinenti ad uno o più livelli (layer)

4 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 10_MLSwitching - 4

5 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 10_MLSwitching - 5

6 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 - 6

7 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 10_MLSwitching - 7

8 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 - 8

9 Router: apparato per collegamenti geografici (?!?) Rete geografica (Internet, intranet, extranet) Router Bridge Switch Inoltro su collegamenti a bassa velocità Elevate prestazioni non sono indispensabili 10_MLSwitching - 9

10 Separazione della rete in LAN indipendenti Utilizzo più pesante di router A Inoltro su collegamenti ad alta velocità (10 Mb/s - 10 Gb/s) Layer 3 switch B Switch Prestazioni elevate dei router divengono un fattore determinante 10_MLSwitching - 10

11 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 10_MLSwitching - 11

12 Passo 1: Lo scenario di applicazione - VLAN VLAN 10 VLAN 11 VLAN 7 Layer 3 switch VLAN 18 VLAN 15 VLAN 5 L uso estensivo di VLAN genera l esigenza di comunicazione tra VLAN distinte VLAN 33 VLAN 21 10_MLSwitching - 12

13 Visione fisica: necessità di one-arm-router A Router B Switch 10_MLSwitching - 13

14 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 - 14

15 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 Integrazione stretta per ottimizzare le prestazioni 10_MLSwitching - 15

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) 10_MLSwitching - 16

17 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 10_MLSwitching - 17

18 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 - 18

19 Architettura dei Layer 3 Switch CPU e RAM Interfaccia Interfaccia Interfaccia Interfaccia Interfaccia Switching Fabric Fabric Interfaccia Stessa architettura degli Switch Ethernet (di livello 2) stesse problematiche 10_MLSwitching - 19

20 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 - 20

21 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 10_MLSwitching - 21

22 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 - 22

23 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 10_MLSwitching - 23

24 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 - 24

25 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 10_MLSwitching - 25

26 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 - 26

27 Utilizzo (di principio) dei Layer 3 Switch A Layer 3 switch B 10_MLSwitching - 27

28 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 - 28

29 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 Layer 2 Switch e VLAN sono oggi ancora molto utilizzati!! Utilizzo misto di layer 2 switch e layer 3 switch crea limitazioni all uso delle VLAN 10_MLSwitching - 29

30 Limite all utilizzo di VLAN in reti aventi Layer 2 Switch e Layer 3 Switch A Layer 3 switch B Switch A e B non possono appartenere alla stessa VLAN 10_MLSwitching - 30

31 Utilità dei Multi-Layer Switch Multi-Layer Switch al centro della rete sono in grado di inoltrare trame Ethernet SipuòcreareunaVLAN cheinclude 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 10_MLSwitching - 31

32 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 - 32

33 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 Alcuni modelli possono non avere neppure inoltro software 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 10_MLSwitching - 33

34 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 Basta un solo L3 Switch che inoltra IPv6 La VLAN IPv6 viola la logica delle altre VLAN aziendali Dual stack non utilizzabile Stazioni collegate ad un ripetitore devono avere tutte lo stesso protocollo Due vincoli problematici in fase di transizione 10_MLSwitching - 34