Netzwerk-Grundlagen – Netzwerkprotokolle für virtuelle Strukturen Virtuelle Systeme verlangen flache Netze

Netzwerkstrukturen sind heute relativ starr. Virtualisierung und Cloud Computing verlangen aber nach dynamisch schaltbaren Netzanbindungen. Die strukturierte Verkabelung mit fest zugewiesenen Ports, Bandbreiten und Kabeln wird flexibler werden müssen.

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Traditionelle Netzwerkstrukturen sind meist mehrstufig und als Baumstruktur realisiert. Ausgehend vom Backbone verzweigt sich das Netz immer weiter bis hin zum Benutzerarbeitsplatz oder allgemeinen Endknoten für jegliche Geräte.

Die unterste Ebene stellt auch den Standardrouter für die Benutzerendgeräte bereit. Eine Stufe darüber finden sich die Aggregation-Switches. Ihrem Namen folgend aggregieren sie die Endgeräte und deren Netzanbindung auf einer höheren Stufe.

Am oberen Ende befinden sich schließlich die Core Switches. Sie bilden das Rückgrat (den Backbone) der Netzstruktur und sorgen für eine schnelle und sichere Kommunikation.

Die hier beschriebene Strukturierung gilt in der Regel für die Netzwerkanbindung der Benutzergeräte. Im Datacenter findet sich aber eine ähnliche Strukturierung. Da im Datacenter eine weitaus höhere Last bewältigt werden muss, kommen hier jedoch leistungsfähigere Netzwerkkomponenten zum Einsatz. Im Kern ist die Struktur aber ähnlich. Die Netzwerkinterfaces der Server oder Blades werden im Blade-Chassis oder den Top-of-Rack Switches aggregiert und schließlich über die Core Switches mit dem Backbone verknüpft.

Traditionelle Netze mit strukturierter Verkabelung

Diese Strukturierung des gesamten Netzes in mehrere Stufen hat sich in der Vergangenheit bewährt. Sie erlaubt eine Optimierung des gesamten Netzaufbaus und genaue Abstimmung der Netzwerkbandbreite. Die Datenpakete werden dabei über mehrere Knoten vom Sender zum Empfänger geschleust. Wenngleich die traditionellen Router, die auf der Ebene des IOS/OSI-Layer 3 arbeiteten, heute meist ausgedient haben, so ist die Technik im Kern die gleiche geblieben.

Anstelle des Routings anhand der Layer-3-Informationen und der IP-Adresse ist nunmehr das Layer-2-Switching getreten. Dabei erfolgt das Routen anhand der MAC-Informationen, nicht anhand der IP-Adressen. Doch die prinzipiellen Anforderungen sind die gleichen geblieben. Nach wie vor gilt es, den richtigen und wenn möglich schnellsten Weg für die Datenpakete zu finden – egal ob diese nun über einen Router oder Switch geschleust werden.

Eine zweite zentrale Forderung an jegliche Kommunikation ist die Absicherung des Weges gegen Ausfälle oder temporäre Engpässe eines Weges. Das TCP-Protokoll sorgt dabei für eine gesicherte Übertragung unabhängig vom gewählten Weg.

Dazu müssen aber mehrere mögliche Wege vom Sender eines Datenpaketes zum Empfänger existieren. Dies erfolgt durch die Routing-Protokolle. Doch virtuelle Strukturen haben andere Anforderungen an das Routing. Die dynamische Bereitstellung der Ressourcen erfordert eine flexible Anpassung der IP-Adressen, der MAC-Adressen oder etwa der VLAN-Konfigurationen.

Anstelle der statischen Routen mit Routingtabellen tritt dabei die dynamische Abstimmung der beteiligten Netzwerkkomponenten. Durch spezielle Routing-Protokolle stimmen sich die Partner ab.

weiter mit: Spanning Tree Protocol (STP), Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), Open Shortest Path First (OSPF) Shortest Path Bridging (SPB) und Transparent Interconnect of Lots of Links (TRILL)

Spanning Tree Protocol und Rapid Spanning Tree Protocol

Um den richtigen Weg zwischen zwei Knoten zu finden, setzte man in der Vergangenheit auf das Spanning Tree Protocol (STP). Spanning Tree ist ein spezielles Verwaltungsprotokoll. Dessen Ziel liegt in der Optimierung des Weges. Das Protokoll ist nach IEEE in der Norm 802.1D standardisiert.

Spanning Tree sorgt dafür, dass es immer nur einen gültigen Weg zwischen zwei Netzwerkknoten gibt. Durch die Abstimmungen des Protokolls sollen Schleifen oder redundante Pfade verhindert werden. Denn dies könnte Duplikate von Daten zur Folge haben, was wiederum Netzwerkfehler nach sich ziehen kann.

Die Basis eines Spanning-Tree-Netzes stellt die Root Bridge dar. Sie gilt als Ursprung eines Netzes. Wer zur Root-Bridge wird, wird durch seine Priorität bestimmt. Falls es mehrere Elemente mit gleicher Priorität gibt, so erfolgt die Auswahl anhand der MAC-Adresse. Ausgehend von der Root Bridge werden dann die Netzwerkpfade festgelegt, die von der Root Bridge zu erreichen sind. Gibt es mehrere mögliche Wege, so bestehen redundante Pfade. Diese werden deaktiviert. Die Pfade, über die letztendlich die Kommunikation erfolgen soll, bleiben hingegen aktiv.

Spanning Tree wurde vor geraumer Zeit zum Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) weiterentwickelt. RSTP kommt besser mit den laufenden Änderungen in der Netzwerkstruktur zurecht. Die Maßgabe dabei ist, dass Änderungen an der Netzstruktur nicht sofort übernommen werden müssen. Die Kommunikation wird stattdessen anhand der bestehenden Netzwerkstruktur durchgeführt und Änderungen schrittweise übernommen.

Open Shortest Path First (OSPF)

Als alternatives Protokoll für das Netzwerkmanagement greift man oftmals auf Open Shortest Path First (OSPF) zurück. Auch OSPF dient, wie Spanning Tree, zur Wegebestimmung zwischen zwei Knoten. OSPF kann als Weiterentwicklung des RIP (Routing Information Protocol) oder auch Spanning Tree betrachtet werden.

RIP wurde in früheren Netzwerken meist zur Wegebestimmung eingesetzt. OSPF hat gegenüber den früheren Protokollen einige Vorzüge und ist weitaus dynamischer. OSPF ist ein Layer-2-Multipath-Protokoll. Layer-2-Multipath-Implementierungen basieren auf einem vermaschten Netzwerk.

Kernstück von OSPF ist eine Tabelle benachbarter Router, zu denen eine Netzwerkbaugruppe Verbindung hat. Durch den Austausch von Routing-Informationen wird die Tabelle aufgebaut und dann auch laufend aktualisiert. Ein weiterer Vorteil von OSPF liegt darin, dass jeder Router die vollständige Netztopologie kennt.

Die Übermittlung der Routing-Informationen erfolgt zwischen dem OSPF-Router und seinen Nachbarn. Dabei tauschen die Geräte spezielle Nachrichten (Link State Advertisements) aus. OSPF sorgt, im Gegensatz zu RIP, für Verbindungen ohne Schleifen. Es verhindert damit, dass Datenpakete im Kreis geroutet werden.

Shortest Path Bridging (SPB)

Bei Shortest Path Bridging (SPB) handelt es sich um ein international genormtes Standard-Protokoll (IEEE 802.1aq). Das Protokoll soll Produkten unterschiedlicher Hersteller die Kommunikation in virtuellen Strukturen mit dynamischer Lastverschiebung besser ermöglichen.

Bei SPB erfolgt eine Kapselung der Nutzdaten. Die Grundlage dazu stellt ein Linkstate-Protokoll dar. Durch das Protokoll werden der Netzaufbau und die Abhängigkeiten mit den Partnerknoten ausgetauscht. SPB erlaubt eine Selbstoptimierung des Netzwerks. Hierbei können alle physikalischen Wege genutzt werden.

Transparent Interconnect of Lots of Links (TRILL)

TRILL (Transparent Interconnect of Lots of Links) soll ebenso wie Spanning Tree oder OSPF die Flusssteuerung in Netzwerken verbessern. Es vermeidet die Nachteile von Shortest Path Bridging, die im Zusammenhang mit beliebigen Netzwerk-Topologien auftreten können. TRILL wird vor allem vom IETF und von Cisco vorangetrieben.

Ebenso wie OSPF soll es die Nachteile von Spanning Tree vermeiden. TRILL verlangt bzw. definiert ein spezielles Protokoll mit den Informationen des Link State Routing.

Durch das Link-State-Protokoll werden benachbarte Bridges über die Existenz der weiteren Bridges informiert. Es dient dazu, den nächstgelegenen Netzwerkknoten zu ermitteln. TRILL unterstützt durch seine Routing-Protokolle auch ein Layer-2-Multipathing.

Es sorgt außerdem dafür, dass Latenzzeiten verringert werden. Dadurch wird die Netzwerkkommunikation besser auf neue Anwendungsfelder wie etwa Fibre Channel over Ethernet (FCoE) abgestimmt.

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