Advanced Switching

Stand vom: 23.9.2010. Copyright: Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH.

Verantwortliche Personen:

Overall: Rukhsar Khan, Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH (Training)

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Inhaltsverzeichnis

Cover

Inhaltsverzeichnis

1. Advanced Switching

1.1. Entwicklung des LAN-Bereichs

1.1.1. 10Base2, 10Base5

1.1.2. Erweiterung durch Repeater

1.1.3. 5-4-3-2-1 Repeater-Regel

1.1.4. Erweiterung durch Bridges

1.1.5. Erweiterung durch Router

1.1.6. Erweiterung durch Switches

1.1.7. VLAN-Implementierung

1.1.8. VLAN-Implementierung mit einem Router

1.1.9. Multilayer-Switch

1.1.10. Multilayer-Switches – Netzwerkdesign

1.1.11. Netzwerkausfall 1 und 2

1.2. Grundfunktion einer Transparent-Bridge

1.2.1. Lernfunktion

1.2.2. Filtering-Funktion

1.2.3. Forwarding

1.2.4. Unknown-Unicast-Flooding

1.2.5. Broadcast-Flooding

1.2.6. Multicast-Flooding

1.2.7. Beispiel eines Kommunikationsablaufs

1.2.8. Beispiel eines Kommunikationsablaufs

1.2.9. Beispiel eines Kommunikationsablaufs

1.2.10. Beispiel eines Kommunikationsablaufs

1.2.11. Beispiel eines Kommunikationsablaufs

1.2.12. Aging-Parameter-Werte

1.2.13. Überprüfen der MAC-Adress-Tabelle

1.2.14. Bridge Redundanz

1.2.15. Duplizierte Frames

1.2.16. Inkonsistenz der MAC-Adress-Tabelle

1.2.17. Bridging-Loop

1.2.18. Spanning-Tree-Protokoll

1.2.19. Aushandlung der Root-Bridge

1.2.20. Auswahl der Root-Bridge

1.2.21. Port-Parameter

1.2.22. STP-Port-Zustände (Port States)

1.2.23. Forward-Delay-Timer des STP

1.2.24. Max-Age-Timer vom STP

1.2.25. Funktion des Max-Age-Timers

1.2.26. Ohne Max-Age-Timer

1.2.27. Layout Beispielnetzwerk

1.2.28. Verifizieren des Spanning-Tree-Protokolls - G1S1

1.2.29. Verifizieren des Spanning-Tree-Protokolls - G1S2

1.2.30. Verifizieren des Spanning-Tree-Protokolls - G1S3

1.2.31. STP-Topologie 2

1.2.32. STP-Topologie 3

1.2.33. STP-Topologie 4

1.2.34. STP-Topologie 5

1.2.35. BPDU – Paketinhalt

1.2.36. Konfigurations-BPDUs

1.2.37. Topology-Change-BPDUs

1.2.38. Beispielnetzwerk mit STP-Topologie

1.2.39. Verifizieren des Spanning-Tree Protokolls – G1S1 Detail

1.2.40. Verifizieren des Spanning-Tree-Protokolls – G1S2 Detail

1.2.41. Verifizieren des Spanning-Tree-Protokolls - G1S3 Detail

1.3. Der Layer-2-Switch

1.3.1. Der Switch im Schichtenmodell

1.3.2. Vergleich zwischen Bridges und Switches

1.3.3. Switch mit einem einzigen VLAN

1.3.4. Switch mit zwei VLANs

1.3.5. Physikalische LANs

1.3.6. Virtuelle LANs

1.3.7. Nachteile einer Switching-Umgebung

1.3.8. Vorteil von VLANs

1.3.9. Switchübergreifende VLANs

1.3.10. Nachteil von VLAN-Umgebungen

1.3.11. Cisco-ISL

1.3.12. IEEE 802.1Q

1.3.13. Statische VLANs

1.3.14. Dynamische VLANs

1.3.15. Dynamische VLANs

1.3.16. Eigenschaften des VTP-Protokolls

1.3.17. VTP-Terminologie

1.3.18. VTP-Transparent-Modus

1.3.19. Verhalten der VTP-Modi

1.3.20. VTP-Advertisements

1.3.21. VTP-Advertisement-Request

1.3.22. VTP-Summary-Advertisement

1.3.23. VTP-Subset-Advertisement

1.3.24. Configuration-Revision-Nummer

1.3.25. Einfügen eines neuen Switches

1.3.26. Nachteil von VLAN-Umgebungen

1.3.27. Nachteil von VLAN-Umgebungen

1.3.28. Lösung: VTP-Pruning

1.3.29. Layout Beispielnetzwerk

1.3.30. IP-Konfiguration

1.3.31. Schnittstelle VLAN 1

1.3.32. Trunk-Konfiguration – G1S1

1.3.33. Trunk-Verifikation – G1S1

1.3.34. VTP-Konfiguration – G1S1

1.3.35. VTP-Verifikation – G1S2

1.3.36. VTP-Konfiguration – G1S3

1.3.37. VTP-Verifikation – G1S3

1.3.38. VLAN-Konfiguration – G1S1

1.3.39. VLAN-Verifikation – G1S1

1.3.40. VLAN-Konfiguration – G1S3

1.3.41. VLAN-Verifikation – G1S3

1.3.42. Weitere Verifikationsbefehle

1.3.43. Verifikation des Schnittstellen-Status – G1S3

1.3.44. Verifikation des Switchports - G1S3

1.3.45. Komplette Konfiguration - G1S1

1.3.46. Quell-MAC-basiertes Load-Balancing

1.3.47. Ziel-MAC-basiertes Load-Balancing

1.3.48. Etherchannel-Technik

1.3.49. Zusammenfassen von Schnittstellen

1.3.50. Konfiguration des Fast-Etherchannels

1.3.51. Verifikation des Fast-Etherchannels – G1S1

1.3.52. Trunk-Verifikation – G1S1

1.3.53. Komplette Konfiguration – G1S1

1.3.54. Verifikation des Spanning-Trees – G1S1

1.3.55. Verifikation des Spanning-Trees – G1S2

1.3.56. Verifikation des Spanning-Trees – G1S3

1.3.57. Aktivieren des VTP-Prunings

1.3.58. Verifizieren des VTP-Prunings

1.4. Layer-3-Routing

1.4.1. Layout Beispielnetzwerk

1.4.2. Konfiguration des Cisco ISL

1.4.3. Konfiguration des IEEE 802.1Q

1.4.4. Layout des Beispielnetzwerks

1.4.5. Konfiguration des IP-Routings – G1S1

1.4.6. Konfiguration des IP-Routings – G1S2

1.4.7. VLAN-Schnittstellen – G1S1

1.4.8. Verifikation des IP-Routings - G1S1

1.4.9. Logische Sichtweise

1.4.10. Layout Beispielnetzwerk

1.4.11. Routing und Switching

1.4.12. Core-Routing-Konfiguration – G1S1

1.4.13. Core-Routing-Konfiguration – G1S2

1.4.14. Core-Routing-Verifikation – G1S1

1.5. Spanning-Tree-Erweiterungen -- Cisco

1.5.1. Status Blocking

1.5.2. Netzausfall 1

1.5.3. Netzausfall 2

1.5.4. Neustart einer Endstation

1.5.5. Uplinkfast

1.5.6. Uplinkfast – Eigenschaften

1.5.7. Eigenschaften von Uplinkfast

1.5.8. Eigenschaften von Uplinkfast

1.5.9. Backbonefast

1.5.10. Backbonefast

1.5.11. Portfast

1.5.12. Restriktionen von Portfast

1.5.13. Mehrere STP-Instanzen

1.5.14. Vorteil von PVST

1.5.15. Eindeutige Bridge-ID pro VLAN (früher)

1.5.16. Eindeutige Bridge-ID pro VLAN (heute)

1.5.17. Extended-System-ID im Detail

1.5.18. Eigenschaften der Extended-System-ID

1.5.19. Aktivieren von Uplinkfast

1.5.20. Aktivieren von Backbonefast

1.5.21. Aktivieren von Portfast

1.5.22. Optimieren von PVST

1.5.23. Spanning-Tree-Verifikation – G1S3

1.5.24. Spanning-Tree-Verifikation – G1S1 und G1S2

1.5.25. Spanning-Tree-Schnittstellen-Verifikation – G1S3 und G1S1

1.5.26. Spanning-Tree-Schnittstellen-Verifikation – G1S2

1.6. Spanning-Tree-Erweiterungen – IEEE

1.6.1. Aushandlung der Root-Bridge

1.6.2. Port-Rollen (Port Roles)

1.6.3. Port-Zustände (Port States)

1.6.4. RSTP-BPDU

1.6.5. Alternate-Port/Discarding- bzw. Blocking-Zustand

1.6.6. Netzausfall 1

1.6.7. Netzausfall 2

1.6.8. Proposal-Flag

1.6.9. Agreement-Flag

1.6.10. Konvergenzverhalten von RSTP

1.6.11. Proposal-/Agreement-Funktion

1.6.12. Link-Typen

1.6.13. Edge-Port

1.6.14. Portkosten-Parameter

1.6.15. Aktivieren des Rapid-PVST

1.6.16. MST-Instanzen

1.6.17. MST-Regionen

1.6.18. MST-Instanz 0 und STP-Kompatibilität

1.6.19. Aktivieren von RSTP und MST

1.6.20. Bridge-Priorität

1.6.21. Root-Funktion

1.6.22. Verifizieren von MST und RSTP

1.6.23. Verifizieren des MST

1.6.24. Spanning-Tree-Verifikation – G1S3

1.6.25. Spanning-Tree-Verifikation – G1S1 und G1S2

1.6.26. Spanning-Tree-Schnittstellen-Verifikation - G1S3 und G1S1

1.6.27. Spanning-Tree-Schnittstellen-Verifikation - G1S2

1.7. Spanning-Tree-Optionen

1.7.1. Problembeschreibung

1.7.2. Anwendung des BPDU-Guards

1.7.3. Konfigurieren des BPDU-Guards

1.7.4. Problembeschreibung

1.7.5. Anwendung des Root-Guards

1.7.6. Konfigurieren des Root-Guards

1.8. Hot-Standby-Routing-Protokoll

1.8.1. Standard-Gateway

1.8.2. Proxy-ARP-Funktion

1.8.3. Proxy-ARP-Funktion

1.8.4. Grundfunktionalität des HSRP

1.8.5. HSRP-Failover

1.8.6. Interface-Tracking im HSRP

1.8.7. Interface-Tracking und Failover

1.8.8. Lastverteilung mit dem HSRP

1.8.9. Lastverteilung und Failover

1.8.10. Aktivieren des HSRP

1.8.11. Konfigurieren von mehreren HSRP-Gruppen

1.8.12. Konfigurieren des Interface-Trackings

1.8.13. Verändern der HSRP-Timer

1.8.14. HSRP-Verifikation im Detail – R1 und R2

1.8.15. Zusammengefasste HSRP-Verifikation – R1 und R2

1.8.16. Debugging des HSRP

1.8.17. Layout Beispielnetzwerk

1.8.18. HSRP-Konfiguration – G1S1

1.8.19. HSRP-Konfiguration – G1S2

1.8.20. HSRP-Verifikation – G1S1 und G1S2

1.8.21. HSRP-Verifikation im Detail – G1S1 und G1S2

1.9. Grundlagen des IP-Multicastings

1.9.1. Unicast-Verkehrsbeziehungen

1.9.2. Broadcast-Verkehrsbeziehung

1.9.3. Multicast-Verkehrsbeziehung 1 (one-to-many, Audio-/Video-Server)

1.9.4. Multicast-Verkehrsbeziehung 2 (many-to-many, Videokonferenz)

1.9.5. Videokonferenz durch Unicasts

1.9.6. Videokonferenz durch Broadcasts

1.9.7. Videokonferenz durch Multicasts

1.9.8. Cisco IP/TV Server und IP/TV Client

1.9.9. UCL-Anwendungen

1.9.10. UCL-Anwendung – Multicast Session Directory (SDR)

1.9.11. Lokale Gruppenregistrierung

1.9.12. Lokale Gruppenregistrierung

1.9.13. Verwaltung lokaler Gruppen

1.9.14. Multicast-Flooding gemäß IEEE 802.1D

1.9.15. Multicast-Registrierungsprotokolle

1.9.16. Globale Gruppenbekanntgabe

1.9.17. Globale Gruppenverwaltung und Gruppenbekanntgabe

1.9.18. Multicast-Routing-Protokolle

1.9.19. Komplexität des Multicast-Routings

1.9.20. Distribution-Tree

1.9.21. Distribution-Tree – neuer Empfänger und ehemaliger Empfänger bzw. weiterer neuer Empfänger

1.9.22. Shortest-Path-Tree (SPT) / Source-Distribution-Tree

1.9.23. SPT-Eigenschaften

1.9.24. SPT-Eigenschaften

1.9.25. Shared-Distribution-Tree

1.9.26. Eigenschaften eines Shared-Distribution-Trees

1.9.27. Eigenschaften eines Shared-Distribution-Trees

1.9.28. Multicast-Routing-Protokolle

1.9.29. PIM-DM

1.9.30. PIM-DM

1.9.31. PIM-DM

1.9.32. PIM-DM

1.9.33. PIM-DM

1.9.34. PIM-SM

1.9.35. PIM-SM

1.9.36. PIM-SM

1.9.37. PIM-SM

1.9.38. PIM-SM

1.9.39. PIM-SM-SPT-Switchover

1.9.40. Multicast-Scoping

1.9.41. TTL-Schwellenwerte

1.9.42. TTL-Schwellenwerte

1.9.43. TTL-Schwellenwerte

1.9.44. TTL-Schwellenwerte

1.9.45. Klasse-D-Adressbereich

1.9.46. Adressstruktur des IP-Multicastings

1.9.47. Zuordnung von Multicast-IP- zu Multicast-MAC-Adresse

1.9.48. Zuordnung von Multicast-IP- zu Multicast-MAC-Adresse

1.9.49. Adress-Überschneidungs-Verhältnis von 32:1

1.10. IP-Multicasting im Detail

1.10.1. General IGMP Membership Query

1.10.2. IGMP Membership Report

1.10.3. Keine explizite Gruppenbekanntgabe durch PIM-DM

1.10.4. Fluten von Multicast-Daten

1.10.5. Multicast-Status (Forwarding)

1.10.6. Assert-Funktion

1.10.7. Schnittstelle Prune

1.10.8. SPT-Zustand

1.10.9. Prune-Meldung

1.10.10. SPT-Endzustand

1.10.11. Reflooding-Intervall von 3 Minuten

1.10.12. Assert-Meldung

1.10.13. Prune-Meldung

1.10.14. Graft-Meldung

1.10.15. Graft-Ack-Meldung – SPT-Erweiterung

1.10.16. IGMP-Leave-Group-Meldung

1.10.17. IGMP Membership Query

1.10.18. IGMP-Group-Timeout – Prune-Meldung

1.10.19. Layout Beispielnetzwerk

1.10.20. Aktivieren von IP-Multicasting und PIM-Dense-Modus

1.10.21. Verifizieren des IP-Multicastings

1.10.22. PIM-Schnittstellen-Parameter

1.10.23. Neighbor-Tabelle des PIM

1.10.24. IGMP-Schnittstellen-Parameter

1.10.25. Neustart von SDR ohne Multicast-Sitzungen

1.10.26. IGMP-Gruppeninformation

1.10.27. IGMP-Gruppeninformation

1.10.28. Multicast-Routing-Tabelle – R1

1.10.29. Multicast-Routing-Tabelle – R4

1.10.30. SDR-Session-Announcement

1.10.31. Multicast-Routing-Tabelle – R1

1.10.32. Multicast-Routing-Tabelle – R4

1.10.33. WBD-Sitzung / 1. Member Join

1.10.34. IGMP-Gruppeninformation

1.10.35. WBD-Sitzung / Fluten von Multicast-Daten

1.10.36. Multicast-Routing-Tabelle – R1 und R2

1.10.37. WBD-Sitzung / 2. Member Join

1.10.38. Multicast-Routing-Tabelle – R1 und R2

1.10.39. WBD-Sitzung / Multicast-Daten

1.10.40. Multicast-Routing-Tabelle – R1 und R2

1.10.41. Anmeldung eines Multicast-Empfängers

1.10.42. Shared-Distribution-Tree

1.10.43. Anmeldung eines Multicast-Senders

1.10.44. Anmeldung eines Multicast-Senders

1.10.45. Anmeldung eines Multicast-Senders

1.10.46. Endzustand des Shared-Distribution-Trees

1.10.47. Übertragung der Multicast-Daten

1.10.48. Shortest-Path-Tree-Switchover

1.10.49. Shortest-Path-Tree (S, G)

1.10.50. (S, G)-Prune-Meldung (Shared-Distribution-Tree)

1.10.51. Endzustand der Distribution-Trees

1.10.52. IGMP-Leave-Group-Meldung

1.10.53. IGMP-Membership-Query

1.10.54. IGMP-Group-Timeout

1.10.55. (*, G)- & (S, G)-Prune

1.10.56. (*, G)- & (S, G)-Prune

1.10.57. (*, G)- und (S, G)-Prune und Endzustand von PIM-SM

1.10.58. Layout Beispielnetzwerk

1.10.59. Aktivieren von IP-Multicasting und PIM-Sparse-Modus

1.10.60. Verifizieren des IP-Multicastings

1.10.61. PIM-Schnittstellen-Parameter – R1 und R4

1.10.62. IGMP-Gruppeninformation

1.10.63. Multicast-Routing-Tabelle – R1 und R2

1.10.64. Multicast-Routing-Tabelle – R4

1.10.65. Multicast-Routing-Tabelle – R1 und R3

1.10.66. Multicast-Routing-Tabelle – R5

1.10.67. Multicast-Routing-Tabelle – R1 und R2

1.10.68. Multicast-Routing-Tabelle – R4

1.10.69. Multicast-Routing-Tabelle – R3

1.10.70. Multicast-Routing-Tabelle – R5

1.10.71. Konfigurieren des IGMP-Snoopings

1.10.72. Verifizieren des IGMP-Snoopings

1.10.73. Verifizieren des IGMP-Snoopings

1.10.74. RP-Kandidaten und Mapping-Agents

1.10.75. Konfiguration eines RP-Kandidaten

1.10.76. Konfiguration eines Mapping-Agents

1.10.77. Verifikation des Auto-RP

1.10.78. Optimieren des Auto-RP

1.11. Switch-Security

1.11.1. Konfigurieren der Port-Security

1.11.2. Verifizieren der Port-Security

1.11.3. Verifizieren der Port-Security

1.11.4. Konfigurieren von VLAN-Access-Control-Lists

1.11.5. Verifizieren von VLAN-Access-Control-Lists

1.12. Glossar

1.13. Stichwortverzeichnis

1.14. Metadaten "Advanced Switching"

1. Advanced Switching

Vorwort

Während in den Lehrbüchern Basic Internetworking, Band 1 und Basic Internetworking, Band 2 die Grundlagen von Computernetzwerken behandelt werden, lernen wir in diesem Lehrbuch, wie man große Campus-LANs aufbaut und betreibt. Dabei wurde die Entwicklung des LAN-Bereichs auch historisch aufgegriffen, damit dem Studierenden klar wird, wie es angefangen bei den Bridges über die Router und Layer-2-Switches zu den heutigen Multilayer-Switches gekommen ist.

Dieses Buch beginnt mit einigen Wiederholungen aus den obigen Titeln und geht dann auf alle erforderlichen Tiefen der einzelnen Protokolle ein, die in komplexen LANs benötigt werden.

In der Hoffnung, dass es uns gelungen ist, ein praxisnahes, übersichtlichen und gut leserliches Buch zu veröffentlichen, wünschen wir dem Leser viel Spaß!

Rukhsar Khan
Airnet Technologie- und Bildungszentrum GmbH
September 2010

1.1. Entwicklung des LAN-Bereichs

Kapitelübersicht

Die Entwicklung des LAN-Bereichs in den letzten zwei Jahrzehnten war gigantisch. Während Ende der 1980er Jahre bzw. sogar bis Mitte der 1990er Jahre noch viele LANs auf der Grundlage von Koaxialkabeln mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von gerade einmal 10 Mbit/s für alle angeschlossenen Komponenten aufgebaut waren, existieren heute bereits dedizierte Verbindungen mit mehreren Gigabit pro Sekunde. Die Übertragungsgeschwindigkeit allein ist jedoch nicht ausschlaggebend. Die Effizienz eines Netzwerks wird von vielen weiteren Faktoren bestimmt.

Lernziele

Vom Koaxsegment zum Multilayer-Switch

Der Aufbau großer Campus-LANs

1.1.1. 10Base2, 10Base5

AIRNET Technologie- und Bildungszentrum GmbH – http://www.airnet.de

Die Abbildung zeigt die zwei klassischen Koaxialkabel 10Base2 und 10Base5. 10Base2 – aufgrund des geringen Kabeldurchmessers oft auch Thin-Ethernet genannt – unterstützt eine maximale Segmentlänge von ca. 2 * 100 m (genau 185 m). 10Base5 – aufgrund des größeren Kabeldurchmessers auch Thick-Ethernet genannt – hat eine maximale Segmentlänge von 5 * 100 m. Es handelt sich hierbei jeweils um Segmente, die allen angeschlossenen Komponenten eine gemeinsame (shared) Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s zur Verfügung stellen.

1.1.2. Erweiterung durch Repeater

AIRNET Technologie- und Bildungszentrum GmbH – http://www.airnet.de

Wird die maximale Segmentlänge erreicht, kann durch sogenannte Repeater eine Verlängerung des Segmentes vorgenommen werden. Repeater sind Signalverstärker, die lediglich das elektrische Signal auf der physikalischen Schicht verstärken. Bis zu fünf Segmente können durch vier Repeater miteinander verbunden werden. Ein weiterer Repeater ist hiernach nicht mehr zulässig.

1.1.3. 5-4-3-2-1 Repeater-Regel

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Es gibt eine bekannte Repeater-Regel, die 5-4-3-2-1 genannt wird. Diese Regel besagt, dass fünf Segmente über vier Repeater miteinander verbunden werden dürfen. Lediglich drei der insgesamt fünf Segmente dürfen aktiv sein, was bedeutet, dass nur auf drei Segmenten Komponenten angeschlossen sein dürfen. Auf zwei Segmenten dürfen keine Komponenten angeschlossen werden. Diese Segmente dienen lediglich der Verlängerung des Gesamtnetzwerks. Das Gesamtnetzwerk stellt eine große Kollisionsdomäne dar.

1.1.4. Erweiterung durch Bridges

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Der Hauptnachteil der obigen Netzwerkumgebung besteht darin, dass keine logische Trennung vorgenommen wurde. Jede Komponente, die in einer Kollisionsdomäne angeschlossen ist, teilt sich die Bandbreite mit jeder anderen angeschlossenen Komponente. In einer Kollisionsdomäne darf zu einer gegebenen Zeit nur ein einziges Signal existieren. Versenden zwei Komponenten gleichzeitig Daten, kommt es zu einer Kollision. Diese muss anschließend bereinigt werden. Um die 1990er Jahre herum gab es viele solcher Netzwerkumgebungen. Diese wuchsen damals überproportional, bis gewaltige Überlastsituationen auftraten. Als Lösung hierzu wurden Bridges eingesetzt. Diese nahmen eine logische Trennung des Netzwerks auf der Sicherungsschicht (Data Link Layer) vor. So stellte zum Beispiel jeder Port einer Bridge eine eigenständige Kollisionsdomäne dar. Hierdurch war ein paralleles Datenaufkommen möglich, was zu einem effektiv höheren Durchsatz des Gesamtnetzwerks führte. Bridges hatten jedoch einen Nachteil: Sie mußten gemäß der Spezifikation IEEE 802.1d empfangene Broadcasts auf jeden Port – außer dem empfangenden Port – weiterleiten. Daher bildete die Bridge eine einzige Broadcast-Domäne. (Abbildung).

1.1.5. Erweiterung durch Router

AIRNET Technologie- und Bildungszentrum GmbH – http://www.airnet.de

Da die LAN-Protokolle, die um die 1990er Jahre eingesetzt wurden, sehr broadcastintensiv waren, gab es in den damaligen Bridging-Umgebungen eine sehr hohe Broadcastlast. Je größer die Netzwerke wurden, umso größer wurde auch die Broadcastlast. Die Antwortzeiten im Netzwerk stiegen enorm an, bis eine vernünftige Kommunikation nicht mehr möglich war. Als Lösung hierfür wurden Anfang bis Mitte der 1990er Jahre verstärkt Router eingesetzt. Router bilden pro Schnittstelle eine eigenständige Broadcast-Domäne. Die Broadcasts einer Broadcast-Domäne x werden nicht in eine Broadcast-Domäne y übertragen. Der Router ist sozusagen eine Broadcast-Barriere.

Ein Hauptnachteil von Routern ist die Verzögerungszeit während der Übertragung von Datenpaketen. Router sind Komponenten, die auf der Netzwerkschicht arbeiten, und müssen daher alle Datenpakete, die sie weiterleiten, bis zu dieser Schicht verarbeiten. Dies bedeutet im Einzelnen, dass die Datenpakete an der empfangenden Schnittstelle bis zum IP-Header zunächst entkapselt werden. Anschließend wird die IP-Adresse des Ziels aus dem IP-Header ausgelesen. Dann wird die Routing-Tabelle nach einem passenden Eintrag durchsucht. Sollte eine Route für die Ziel-IP-Adresse vorhanden sein, wird ermittelt, auf welcher Ausgangsschnittstelle das Datenpaket versendet werden muss. Anschließend wird das IP-Paket neu gekapselt und über die Ausgangsschnittstelle versendet. Dieser Prozess war bei den damaligen Routern softwarebasierend und löste mehrere CPU-Interrupts aus. Auch diese Tatsache trug zu der höheren Verzögerungszeit während der Datenübertragung bei.

1.1.6. Erweiterung durch Switches

AIRNET Technologie- und Bildungszentrum GmbH – http://www.airnet.de

Mitte der 1990er Jahre wurden Switches entwickelt. Im Prinzip funktionieren sie wie ihre Vorgänger, die Bridges. In der Abbildung ist zu sehen, dass auch Switches pro Interface eine eigenständige Kollisionsdomäne bilden und der gesamte Switch eine einzige Broadcast-Domäne ist. Der Hauptunterschied zu den Bridges besteht jedoch in der Übertragungszeit. Bridges waren, genauso wie Router, softwarebasierend. Dementsprechend hatten sie hohe Verzögerungszeiten während der Übertragung von Datenframes. Switches hingegen sind hardwarebasierend. Sie haben sogenannte ASIC-Chips, die das Weiterleiten von Datenframes aus der Hardware ermöglichen. Switches sind in anderen Worten „hardwarebasierende Bridges“. Der Datendurchsatz eines Switches ist um ein Vielfaches höher als der Durchsatz der alten Bridges.

1.1.7. VLAN-Implementierung

AIRNET Technologie- und Bildungszentrum GmbH – http://www.airnet.de

Da aber bei den Switches - genauso wie bei den Bridges - die Broadcastproblematik weiterhin existiert, wurden virtuelle LANs (VLANs) eingeführt. Ein VLAN ist eine Layer-2-Broadcast-Domäne. Zwei VLANs sind zwei voneinander unabhängige Layer-2-Broadcast-Domänen. Ein VLAN x kann nicht direkt mit einem VLAN y kommunizieren, da eine logische Trennung auf der Sicherungsschicht (Layer 2) existiert. Somit bleiben die Broadcasts immer innerhalb eines VLANs. Physikalisch können sich die VLANs jedoch auf dem gleichen Switch befinden. Die Abbildung zeigt einen Switch mit insgesamt vier VLANs. Mehrere Ports sind Bestandteil eines jeden VLANs. Die VLANs sind voneinander isoliert. Eine direkte Kommunikation zwischen Ports des einen VLANs mit Ports eines anderen VLANs ist nicht möglich.

Weiterhin ist zu sehen, dass jedem VLAN ein IP-Subnetz zugeordnet wurde. Somit ergibt sich die folgende Regel:

1 VLAN = 1 Broadcast-Domäne = 1 IP-Subnetz.

Ein IP-Subnetz wird einem VLAN auf die gleiche Weise zugeordnet wie einem physikalischen Segment. Genauso wie ein physikalisches Segment selbst keine IP-Adresse hat, sondern die Komponenten, die an dieses Segment angeschlossen werden, eine IP-Adresse haben, wird auch dem VLAN selbst keine IP-Adresse zugeordnet, sondern die Komponenten, die Bestandteil eines VLANs sind, erhalten eine IP-Adresse.

1.1.8. VLAN-Implementierung mit einem Router

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Durch die VLAN-Implementierung werden anstelle einer großen Broadcast-Domäne viele kleine Broadcast-Domänen aufgebaut. Hierdurch kann die Broadcastlast zwar besser kontrolliert werden, jedoch besteht auch in jedem Netzwerk die Anforderung, dass viele VLANs miteinander kommunizieren müssen. An dieser Stelle ist wieder ein Router erforderlich. In der Abbildung ist ein externer Router zu sehen, der jeweils ein Interface in jedem VLAN hat. Somit ist er in der Lage, zwischen den VLANs zu routen. Diese Implementierung hat jedoch wieder den Nachteil, dass der Router softwarebasierend ist und somit sehr hohe Verzögerungszeiten während der Datenübertragung anfallen.

1.1.9. Multilayer-Switch

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Eine endgültige Lösung, die allen heutigen Anforderungen im LAN-Bereich gerecht wird, stellen Multilayer-Switches bzw. Layer-3-Switches dar. Diese sind seit Ende der 1990er Jahre verfügbar. Bei einem Multilayer-Switch handelt es sich um eine Komponente, die sowohl Daten auf der Sicherungsschicht (Layer 2) als auch auf der Vermittlungsschicht (Layer 3) weiterleiten kann. Sowohl die Layer-2- als auch die Layer-3-Daten werden sehr schnell durch die Hardware verarbeitet. Hierfür stehen die bereits erwähnten ASIC-Chips zur Verfügung. Somit ist ein langsamer, externer Router für die Layer-3-Funktion nicht mehr erforderlich. Die Abbildung zeigt unsere bekannte VLAN-Umgebung, bestehend aus vier VLANs. Daten innerhalb eines VLANs werden vom Multilayer-Switch über den Layer 2, Daten zwischen VLANs werden über den Layer 3 weitergeleitet. Anders als bei externen Routern entspricht der Datendurchsatz des Layer-3-Forwardings dem des Layer-2-Forwardings.

1.1.10. Multilayer-Switches – Netzwerkdesign

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