Reti di Calcolatori. Apparati data link layer per reti LAN

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1 Reti di Calcolatori Apparati data link layer per reti LAN

2 Repeater e Hub Per costruire reti più ampie diversi cavi possono essere connessi con ripetitori Un ripetitore opera al livello fisico amplificando e ritrasmettendo il segnale in modo bidirezionale 2 transceiver non possono essere distanti più di 2.5 Km Non ci possono essere più di 4 ripetitori fra 2 transceiver (delay) A B C D ripetitore 2

3 Repeaters e Hub operano a livello Fisico Livello Fisico A B C D Tutti I dispositivi nello stesso dominio di collisione Tutti I dispositivi nello stesso dominio di broadcast Tutti I dispositivi condivisono la banda 3

4 Hubs: unico dominio di collisione Man mano che aumentano le stazioni aumntano le collisiioni Uso di CSMA/CD Limita le dimensioni della rete 4

5 Bridge e Switch Permettono di connettere più LAN mantenendo la suddivisione a livello data link Si possono collegare LAN operanti con protocolli diversi Si creano domini di collisione separati diminuendo il carico di ciascuna sottorete (il traffico locale rimane confinato nella sottorete) Si può aumentare la dimensione della LAN (es. lunghezza delle linee) frazionando la rete in segmenti Si confinano i malfunzionamenti dovuti a stazioni difettose Aumentano la sicurezza dei dati - uso malizioso del modo promiscuo (il traffico interno ad una sottorete non è visibile dalle altre collegate con bridge/switch) 5

6 Esempio di Bridging Separazione di più laboratori con traffico interno intenso Rende possibile più trasmissioni contemporanee che non interessano gli stessi segmenti Dorsale LAN B B B filtro File server Traffico locale Traffico sulla dorsale workstation 6

7 Bridging di Rete a 2 segmenti 7

8 Bridging di Rete ad albero 8

9 Transparent Bridging Inserimento plug-and-play (nessuna configurazione) Modalità disponibile sia su bridges che switches Il bridge osserva in modo promiscuo il traffico delle LAN a cui è connesso Osservando il traffico costruisce una tabella hash interna (MAC addresstable) che associa ogni indirizzo MAC alla porta corrispondente del bridge (backward learning) Con la tabella il bridge decide se scartare il frame (la destinazione è la stessa porta di arrivo) o ritrasmetterlo su un altra linea 9

10 Switches Ha la stessa modalità di funzionamento del bridge Ha un numero di porte superiore a 2 (es. 8,12,24) Ogni porta può essere collegata a un segmento della rete o a una stazione singola Uno switch è funzionalmente equivalente a un bridge multi-porta switch hub 10

11 Bridges e Switches operano a livello di Link Data Link OR Ogni segmento indivudua un dominio di collisione Tutti I segmenti sono sullo stesso dominio di broadcast 11

12 Switches Switch Domini di collisione per segmento I Broadcasts sono commutati su tutti I segmenti Memory 12

13 Il backward learning Al boot le tabelle sono vuote Se un pacchetto ha una destinazione sconosciuta viene emesso su tutte le porte eccetto quella di provenienza In ogni caso viene usato l indirizzo di provenienza per definire la posizione del mittente nella tabella Per gestire topologie dinamiche viene memorizzato anche il momento di arrivo dell ultimo frame da un dato indirizzo. Periodicamente vengono eliminate le linee più vecchie Dopo pochi messaggi le tabelle sono a regime e la struttura raggiunge la piena efficienza 13

14 Il backward learning MAC address table A B c E0 E1 c C E2 E3 D c c Inizialmente la MAC address table è vuota 14

15 Il backward learning MAC address table E0: c A B c E0 E1 c C c E2 E3 D c La Stazione A invia una trama alla Stazione C Lo Switch memorizza l associazione fra il MAC address della stazione A e la porta E0 osservando l indirizzo sorgente delle trame La trama dalla szazione A alla stazione C è inviata su tutte le porte trasnne la porta E0 (flooding verso gli indirizzi unicast non noti) 15

16 Il backward learning MAC address table A E0: c E3: c B c E0 E1 c C c E2 E3 D c La stazione D invia una trama alla stazione C Lo Switch memorizza l associazione fra il MAC address della stazione D e la porta E3 osservando l indirizzo sorgente delle trame La trama dalla szazione D alla stazione C è inviata su tutte le porte trasnne la porta E3 (flooding verso gli indirizzi unicast non noti) 16

17 Invio selettivo delle trame A c C c MAC address table E0: c E2: c E1: c E3: c E0 E2 X X E1 E3 B c D c La stazione D invia una trama alla stazione C La destinazione è nota, la trama non viene inviata a tutti (no flooding) 17

18 Gestione trame broadcast e multicast MAC address table A c E0 E0: c E2: c E1: c E3: c E1 B c C c E2 E3 D c La stazione D invia una trama broadcast o multicast Le trame broadcast e multicast frames sono inviate a tutte le porte eccetto quella di origine 18

19 Bridging e Switching Bridging Essenzialmente software-based Una istanza di spanning-tree per bridge Tipicamente fino a 16 porte per bridge LAN Switching Hardware based (ASIC) Multiple istanze di spanning-tree per bridge Un numero elevato di porte (dipende dalla fabric) 19

20 Tipi di switch Cut-through switching Il frame è subito reindirizzato sulla porta corretta Store-and-forward Il frame è letto completamente dallo switch Viene controllato il CRC prima di inviarlo In caso di errore il frame è scartato Permette di filtrare il traffico Frame Port-based switching Ad ogni porta corrisponde un solo indirizzo Ethernet Frame Frame Frame Segment-based switching Ad ogni porta corrispondono più indirizzi (ad esempio è collegata ad un hub) 20

21 Tecnologia degli Switch Shared Memory Memorizza i pacchetti in una memoria comune a tutte le porte Invia in pacchetti in memoria alla porta destinazione Switching Matrix o Fabric Utilizza una matrice di commutazione In base all indirizzo e al contenuto della tabella viene attivata la connessione necessaria Bus-Architecture Ha un BUS interno condiviso ad alta velocità La comunicazione interna usa TDMA crossbar High speed TDMA BUS 21

22 Tecnologia degli Switch Terminologia: n x m switch ha n inputs and m outputs Input port Output port Obiettivi Massimo throughput Scalabilità (rispetto a n) Porte e Fabrics Porte Contengono le componenti elettriche o ottiche (circuiteria di controllo, hardware di interfaccia etc.) di trasmissione e ricezione, Prevedono meccanismi di bufferizzazione (cells) per le trame in attesa di trasmissione o ricezione Fabric Recapita le trame in input su una porta verso una porta di output. (più efficientemente possibile) Può effettuare bufferizzazione delle trame (internal buffering fabric). Input port Input port Input port 22 Fabric Output port Output port Output port

23 Shared Memory/Bus Switch Limitata scalabilità (le risorse condivise si saturano col carico) Grande disponibilità di spazio di bufferizzazione Realizzati tramite componenti COTS (es. PC) In grado di scrivere una trama alla volta in memoria o sul bus condiviso In presenza di n porte il trasferimento Mux-memoria deve essere n volte più veloce della capacità del link Inputs Outputs Shared bus Mux Buffer memory demux 1 2 N 1 2 M Write control Read control Input Ports Output Ports 23

24 Crossbar Switch 4X4 crossbar: Concettualmente semplice (ogni input connesso a ogni possibile output) Possibili problemi di contesa La complessità delle porte di uscita aumenta più velocemente di quella delle porte in ingresso Un crossbar switch perfetto può teoricamente commutare trame concorrentemente da tutte le n porte di input a tutte le m porte di output 24

25 Full Fabric vs. Crossbar Switch 25

26 Bufferizzazione Può ridurre il throughput (fino al 59% quando gli arrivi sono uniformemente distribuiti). E fondamentale per gestire la QoS (non si può sempre usare FIFO o RR) E indispensabile in presenza di possibili contese Porte di input (contesa sulla fabric) fabric buffers interni (contesa sulle output ports) Porte di output (contesa sui links) Switch Port 1 Port 2 26

27 Bufferizzazione Output Port Buffer per Uno switch N-x-4 Ogni porta di output ha un buffer dedicato I Buffers avengono riempiti in logica round-robin (da uno shifter) L ordine di arrivo è preservato A) 3 packets arrive B) 3 packets arrive, 1 leaves C) 1 packet arrives, 1 leaves. (a) (b) (c) Shifter Buffers Shifter Buffers Shifter Buffers 27

28 Crossbar Switch (KnockOut) Input lines Filter Broadcast Bus Concentrator Shifter Output Queues Output line

29 Banyan Switches The route two cells take through the switch. 6 = 110 (down, down, up) 1 = 001 (up, up, down) 6= =

30 Banyan Switches Cell collisions, e.g., 5&7; (also 0&3; 6&4; 2&1). 101 Same inputs, sorted, no collisions

31 31 switching element that sorts inputs (1 path from each In to each Out) some elements send larger number to the top element ( ) some elements send larger number to the bottom element ( ) (if only 1 number, take the output opposite arrow head) Batcher Networks

32 Batcher-Banyan Switch Ottenuti come variazioni di multipli banyans che accettano fino a l pecchetti destinati a 1 porta per volta. A selector sends any extras to Delay for recycling). The Trap identifies the extras for Selector to be recycled. k Delay k Inputs n n+k n+k Batch TRAP er Select or n n n Banyans n n n Outputs 32

33 Batcher-Banyan Switch (esempio con 4 celle)

34 Topologie con ridondanza Server/host X Router Y Segmento 1 Segmento 2 Topologie Ridondanti eliminano i single points of failure In compenso possone essere causa di broadcast storms, trame ripetute e instabilità del MAC address database 34

35 Il problema dei broadcast storm Server/host X Router Y Segmento 1 Broadcast Switch A Switch B Segmento 2 L Host X invia un Broadcast 35

36 Il problema dei broadcast storm Server/host X Router Y Broadcast Segmento 1 Switch A Switch B 36 Segmento 2 Lo switch A replica il Broadcast su tutte le sue porte (anche quella verso lo switch B) Lo switch B replica il Broadcast su tutte le sue porte (anche quella verso lo switch A) Il Broadcast ritorna ad A

37 Il problema dei broadcast storm Server/host X Router Y Segmento 1 Switch A Broadcast Switch B Segmento 2 Gli switches continuano a rigenerare e propagare I broadcast all infinito (Broadcast Storm) 37

38 Replicazione di trama Server/host X Unicast Router Y Segmento 1 Switch A Switch B Segmento 2 L host X invia una trama unicast al router Y L indirizzo MAC del Router Y non è stato imparato da nessuno dei 2 switches 38

39 Replicazione di trama Server/host X Unicast Unicast Router Y Segment 1 Unicast Switch A Switch B Segment 2 Entrambi gli switch inviano il messaggio su tutte le porte Il Router Y riceve 2 copie della medesima trama 39

40 Instabilità del MAC address database Server/host X Router Y Unicast Switch A Port 0 Port 1 Segment 1 Unicast Port 0 Switch B Port 1 Segment 2 L host X invia una trama unicast al router Y L indirizzo MAC del Router Y non è stato imparato da nessuno dei 2 switches Gli Switch A and B vedono il MAC address di X sulla porta 0 40

41 Instabilità del MAC database Server/host X Router Y Unicast Switch A Port 0 Port 1 Segmento 1 Unicast Port 0 Switch B Port 1 Segmento 2 La trama diretta al router Y è inviata a tutte le porte Gli switch A and B vedono in maniera non corretta il MAC address di X sulla porta 1 41

42 Problema di loops multipli Broadcast Server/host Loop Loop Loop Workstations Topologie più complesse possono causare loop multipli Il Layer 2 non dispone di meccanismi per bloccare i loop 42

43 Soluzione: Spanning-Tree Protocol x Block Rende una topologia ridondante loop free mettendo in stato di blocco alcune porte 43 p158

44 Spanning Tree: funzionamento Un root bridge per network (radice dellʼalbero) Una root port per non-root bridge (uplink verso radice) Una designated port per segmento baset Root bridge Designated port (F) SW X Designated port (F) baset SW Y x Root port (F) Nondesignated port (B) 44 Non-root bridge

45 Spanning Tree: selezione root bridge Switch X Default priority (8000 hex) MAC 0c BPDU Switch Y Default priority (8000 hex) MAC 0c BPDU = Bridge protocol data unit (default = inviata ogni 2 seconds) Root bridge = Bridge col più basso bridge ID Bridge ID = Bridge priority + bridge MAC address 45

46 Spanning Tree: Port baset Port 0 Designated port (F) Port 0 Root port (F) Switch X Default priority MAC 0c Root bridge Port 1 Designated port (F) Port 1 x Switch Y Default priority MAC 0c Nondesignated port (B) baset 46

47 Spanning Tree: costo path Link Speed Cost (reratify IEEE spec) Cost (previous IEEE spec) Gbps Gbps Mbps Mbps

48 Spanning Tree: funzionamento Port 0 Switch Z Mac 0c Default priority Switch X MAC 0c Default priority Port 0 Port 1 baset baset Port 0 Port 1 Esercizio: Qualʼè il root bridge? Quali sono le designated, nondesignated, e root parts? Quali sono le porte che vanno in forwarding o in blocking? 48 Switch Y MAC 0c Default priority 32768

49 Spanning Tree: funzionamento Port 0 Switch Z Mac 0c Default priority Designated port (F) Switch X MAC 0c Default priority Port 0 Port 1 baset Root port (F) Designated port (F) baset Port 0 Port 1 Root port (F) Switch Y MAC 0c Default priority Nondesignated port (BLK) Esercizio: Qualʼè il root bridge? Quali sono le designated, nondesignated, e root parts? Quali sono le porte che vanno in forwarding o in blocking?

50 Spanning Tree: stati per Port Nello Spanning-tree ogni porta transita attraverso 4 differenti stati: Blocking Listening Learning Forwarding 50

51 Spanning Tree: ricalcolo baset Switch X MAC 0c Default priority Designated port Port 0 Root Bridge Port 1 Designated port Port 0 Port 1 x Root port (F) Switch Y MAC 0c Default priority Nondesignated port (BLK) baset Da questa situazione di partenza 51

52 Spanning Tree: ricalcolo baset Switch X MAC 0c Default priority Designated port Port 0 x Root Bridge Port 1 Designated port Port 0 MAXAGE x BPDU Port 1 x Root port (F) Switch Y MAC 0c Default priority Nondesignated port (BLK) baset Il root bridge va fuori servizio Il non-root bridge non riceve BPDU per più di MAXAGE secondi 52

53 Spanning Tree: ricalcolo baset Switch X MAC 0c Default priority 32768? Designated port Port 0 Port 0 x Switch Y MAC 0c Root Bridge Default priority Port 1 Port 1? Designated port baset B diventa root bridge La port 1 va in forwarding (si sblocca) e diventa designated port 53

54 VLAN VLAN = broadcast domain = Logical network (subnet) Segmentazione 3rd floor Flessibilità 2nd floor 1st floor SALES HR ENG Sicurezza 54

55 Broadcast Domain In una rete flat ogni dispositivo vede ogni pacchetto trasmesso 55

56 VLANs Una VLAN individua un a broadcast domain 56

57 VLANs e Broadcast Domains Broadcast Domain 2 Broadcast Domain 1 VLANs e routers confinano i broadcasts nel dominio di origine 57

58 Funzionalità VLAN Switch A Switch B Red VLAN Black VLAN Green VLAN Red VLAN Black VLAN Green VLAN Ogni VLAN logica è equivalente a un bridge fisico Le VLANs possono attraversare multipli switches 58

59 Funzionalità VLAN Switch A Trunk Fast Ethernet Switch B Red VLAN Black VLAN Green VLAN Red VLAN Black VLAN Green VLAN Ogni VLAN logica è equivalente a un bridge fisico Le VLANs possono attraversare multipli switches I trunks trasportano il traffico fra multiple VLANs 59

60 Modalità di Associazione VLAN Statiche VLAN Dinamiche Port e0/4 VLAN5 Trunk Port e0/9 VLAN10 VMPS = vlan 10 MAC =

61 Associazione Porte a VLAN Lʼassociazione delle porte può essere statica o dinamica Port-Based MAC-Based VLAN1 VLAN2 VLAN3 Port-Driven MAC Addresses VLAN1 MAC Addresses VLAN2 MAC Address Driven (Layer 2) La modalità condiziona le prestazioni 61

62 Associazione VLAN per Porta Massimizza le prestazioni VLAN 3 VLAN 1 VLAN 2 62

63 Configurazione Statica VLAN Network Layer Routing Function Interconnects VLANs Data Link Layer Broadcast Domains Engineering VLAN Marketing VLAN Sales VLAN Physical Layer Human Layer Floor #1 Floor #2 Floor #3 ll users attached to same switch port must be in the same VLA x 63

64 Tipi di Collegamenti Collegamenti di accesso Ogni collegamento è associato a una sola VLAN 64

65 Tipi di Collegamenti Trunks Un trunk o tagged port è un collegamento in grado di trasportare VLAN multiple 65

66 Associazione di trame a VLAN VLAN1 VLAN1VLAN2VLAN3 Backbone VLAN2 VLAN3 VLAN3 VLAN2 VLAN1 Logica sviluppata per la comunicazione inter-switch in ambienti multi-vlan Nell header di ciascuna trama è trasportato un VLAN ID Opera al Layer 2 66

67 VLAN Tagging Green Blue Fast Ethernet Green Blue Red Green Blue Red RED VLAN Red RED VLAN Opzioni possibili per l interscambio di VLAN ID ISL (Proprietario) IEEE 802.1Q 67

68 Tagging di trame: I trunks I trunks trasportano le VLANs sul backbone VLAN Tag settato dalla porta entrante Inter-Switch Link trasporta i VLAN Tag Gestito in ASIC Non intrusivo per Ie stazioni client Implementabile fra switches, routers e switches, switches e server con interfacce in grado di supportare il tagging VLAN Tag eliminato al forwording sulla porta uscente 68

69 Trasporto dei Tag VLAN100 Trunk Link Trunk Link W 2 X Tag Frame Trunk Link Z 3 Frame VLAN200 (Port C) 1 Frame VLAN200 (Port A) Y Y VLAN200 (Port B) Legend: Trunk Links VLAN200 (Access Link) Le informazioni dei Tag viaggiano solo su collegamenti Trunk 69

70 ISL ISL Header 26 bytes Encapsulated Ethernet frame CRC 4 bytes DA Type User SA LEN AAAA03 HSA VLANBPDU INDEX RES VLAN BPDU Incapsulamernto con ISL header e CRC dedicato Supporto per molte VLANs (1024) Campo VLAN ID specifico BPDU bit 70

71 IEEE 802.1Q Initial MAC Address 2-Byte TPID 2-Byte TCI Initial Type/Data New CRC Usa la trama byte tag protocol identifier (TPID) Fissato a 0x8100. Questo valore indica che la trama trasporta informazioni _(tag) 802.1Q/802.1p. 2-byte tag control information (TCI) 71

72 Trunk Negotiation Domain 1/1 C /1 3/2 1/1 2/2 C /2 2/1 C Il protocollo DTP (Dynamic Trunk Protocol) gestisce la negoziazione dinamica del trunking sui link 72

73 VLAN Trunking Protocol (VTP) Un sistema di messaggistica che consente fra switches lo scombio di informazioni relative alle VLAN Garantisce la consistenza delle VLAN all interno di un domunio amministrativo unico VTP invia I messaggi/annunci solo sulle porte trunk VTP Domain X 3.Sincronizza e aggiorna lo stato VLAN 2 1. nuova vlan 73

74 Propagazione VTP ADMIN1 CONFIG-REV# N 1 default 1002 fddi-default 1003 token-ring-default 1004 fddinet-default 1003 trnet-default N Gli annunci VTP non si propagano fra domini differenti XXXXX Domain N C /1 3/2 N YY_ domain C /1 4/2 1/1 2/2 5/1 1/1 C /2 2/1 C C C

75 VTP Pruning Green VLAN Broadcast Traffic Pruned Here C Port 4 Port 2 Host B C C Port 5 Port 1 Host A C C C Il VTP pruning limita il traffico reletivo a VLAN ai soli links che supportano le VLAN 75