(T) Fizyczna budowa przełącznika sieciowego

Fizyczna budowa przełącznika sieciowego

Budowa wewnętrzna

Podstawowe komponenty przełącznika warstwy trzeciej (MLS)

  • Switching Processor – Przetwarza protokoły związane z warstwą drugą modelu OSI, takie jak STP, CDP, VTP czy DTP.
  • Routing Processor – Przetwarza protokoły związane z warstwą trzecią modelu OSI, takie jak Routing, ACL czy ARP.
    • W zależności od modelu przełącznika, procesor warstwy drugiej jak i trzeciej może stanowić jeden fizyczny komponent (Router and Switch Processor) bądź dwa odrębne komponenty RP oraz SP.
  • Switch Fabric – Stanowi wewnętrzne łącze pomiędzy interfejsami przełącznika a innymi komponentami fizycznymi.
  • ASIC (Application-Specyfic Integrated Circuit) – Komponent fizyczny (Hardware) wyspecjalizowany do wykonywania jednego bądź wielu zadań. Np. przetwarzania nadchodzących ramek Ethernet-owych czy szyfrowania pakietów IP.
  • Memory – Przełączniki wielowarstwowe posiadają wiele rodzajów wyspecjalizowanej pamięci fizycznej:
    • Pamięć Flash – Przetrzymuje obraz startowy systemu Cisco IOS.
    • Pamięć DRAM – Przetrzymuje zawartość tablicy Routingu, tablicy odwzorowania adresów ARP, tablicy FIB, oraz tablicy Adjacency Table jak i zawartość aktualnej, aktywnej konfiguracji urządzenia (Running Config).
    • Pamięć NVRAM – Przetrzymuje konfigurację startową systemu Cisco IOS.
    • Pamięć CAM – Przetrzymuje zawartość tablicy MAC Address Table.
    • Pamięć TCAM – Przetrzymuje zawartość tablicy FIB.
    • Pamięć SRAM – Przetrzymuje zawartość tablicy Adjacency Table.
Pamięć DRAM przechowuje niektóre komponenty systemu Cisco IOS, takie jak bieżącą konfigurację systemu (Running Config) tablicę routingu, tablicę odwzorowania adresów ARP, tablicę FIB czy tablicę Adjacency Table. Cześć powyższych komponentów jest kopiowana a następnie przetrzymywana w pamięć TCAM (Tablica FIB oraz tablica Adjacency Table). Jako że pamięć DRAM jest bardziej pojemna od pamięci TCAM istnieje możliwość, że z powodu ograniczonego miejsca, pamięć TCAM ulegnie przepełnieniu. Co może wiązać się z znaczącym wzrostem ilości procesów „IP Input” przetwarzanych przez procesor CPU. Wynikających z baku możności zapisu tras routingu w szybkiej pamięci TCAM, a tym samym przetwarzania części nadchodzącego ruchu sieciowego przez procesor RP.

Komponenty fizyczne urządzenia sieciowego

  • Interface Processor – Wyspecjalizowany chip (ASIC) stanowiący część interfejsu sieciowego. Zajmuje się dekodowaniem elektrycznych bądź optycznych sygnałów docierających do interfejsu, za pomocą nośnika fizycznego. Przetwarza nadchodzące sygnały optyczne bądź elektryczne w dane binarne oraz wychodzące dane binarne w sygnały elektryczne bądź optyczne.
  • Central Processing Unit – Główna jednostką CPU na której operuje system Cisco IOS.
  • Memory – Pamięć wykorzystywana w urządzeniach sieciowych do buforowania nadchodzących jak i wychodzących ramek, przetrzymywania tablicy routingu czy switching-u oraz zapisu reszty danych wykorzystywanych przez system Cisco IOS.  
    • DRAM (Dynamic Random-Access Memory).
    • SDRAM (Synchronous Dynamic Random-Access Memory).
  • Backplanes & Switch Fabric – Ramki Ethernet-owe przychodzące na interfejs sieciowy, trafiają do lokalnego bufora pamięci, skąd po przetworzeniu są kierowane na bufor wyjściowy innego interfejsu sieciowego. Aby wykonać ten proces, w urządzeniu musi istnieć wewnętrzna komunikacja. Wewnętrzną wymianą danych w obrębie jednego urządzenia zajmuje się moduł Switch Fabric, wykorzystujący jedną z następujących technologii:
    • Shared Memory – Nadchodzące ramki są kopiowane do szybkiej pamięci współdzielonej przez szereg interfejsów sieciowych. W tym wypadku główne ograniczenie wydajności stanowi przepustowość pamięci współdzielonej.
    • Crossbar Switching Fabric – Każdy z interfejsów posiada wyspecjalizowaną jednostkę podejmującą decyzje o drodze następnego przeskoku, dzięki czemu wszystkie interfejsy mogą być ze sobą połączone bezpośrednio.
    • Bus Backplane – Interfejsy sieciowe są połączone z pamięcią współdzieloną za pomocą szyny Bus.

Wizualizacja budowy wewnętrznej urządzenia sieciowego

Wizualizacja budowy wewnętrznej przełącznika warstwy trzeciej
  • Rx/Tx Buffer – Każda nadchodząca jak i wychodząca ramka Ethernet-owa jest przetrzymywana w buforze pamięci określonego interfejsu sieciowego. W zależności od modelu przełącznika, każdy z interfejsów może posiadać własny bufor pamięci, bądź też współdzielić go z grupą innych interfejsów sieciowych czy wszystkimi interfejsami określonego urządzenia.
  • Interfejs ASIC – Stanowi wyspecjalizowany rodzaj modułu ASIC, zajmującego się wykrywaniem kolizji (CSMA/CD) czy tagowaniem wychodzących ramek Ethernet-owych na połączeniach Trunk-owych. W przypadku urządzeń posiadających dedykowany bufor względem każdego interfejsu przełącznika, moduł interface ASIC zarządza wymianą danych pomiędzy buforami (Rx/Tx) a szyną Switch Fabric.
  • Forwarding Engine – W zależności od rodzaju modelu, przełącznik może posiadać wiele modułów Forwarding Engine współpracujących z odpowiadającymi im pamięciami TCAM. Zarówno moduł Forwarding Engine jak i pamięci TCAM może być dedykowana do konkretnych zadań takich jak switching L2 , routing L3, polityki QoS czy listy ACL.

Rodzaje modułów Switch Fabric

  • Shared Bus Switch Fabric – Wewnętrznie łączy interfejsy przełącznika w topologii szyny (Bus topology), w której dane pomiędzy interfejsami a silnikiem Forwarding Engine, nie mogą być przesyłane jednocześnie (Każdy z interfejsów musi poczekać na wolne pasmo, kontrolowane za pomocą odpowiednich komponentów fizycznych (Main Bus Controler)).
Wizualizacja modułu Shared Bus Switch Fabric
  • Shared Ring Switch Fabric – Wewnętrznie łączy interfejsy przełącznika w topologii pierścienia (Ring topology). W tym przypadku każdy z interfejsów posiada swój własny silnik Forwarding Engine, a pierścień łączący interfejsy służy do przesyłania ramek Ethernetowych z interfejsu wejściowego (Ingress) na interfejs wyjściowy (Engress). Tak samo jak w przypadku modułu Shared Bus, w Switch Fabric dane nie mogą być nadawane jednocześnie.
Wizualizacja modułu Shared Ring Switch Fabric

Rodzaje pamięci wykorzystywanych w przełącznikach

  • Pamięć CAM (Content Addressable Memory) – Przechowuje zawartość tablicy „MAC address table” danego przełącznika. Dzięki swojej budowie umożliwia szybkie porównywanie adresu docelowego MAC address, odebranej ramki Ethernet-owej z zawartością tablicy „MAC address table” zapisanej w pamięci CAM, umożliwiając tym samym szybką identyfikację właściwego interfejsu wyjściowego. W pamięci CAM zawarte są informacje o:
    • Aresie MAC (Dane pozyskane z nadchodzących ramek Ethernet-owych).
    • Interfejsie, z którego nadeszła dana ramka Ethernet-owa.
    • Sieci VLAN do której należy określony interfejs sieciowy.
Pamięć CAM jest pamięcią binarną która posiada dwa rodzaje odpowiedzi: 0 lub 1.
  • Pamięć TCAM (Ternary Content Addressable Memory) – Przechowuje skompilowane wpisy, skonfigurowanych na przełączniku list ACL oraz polityk protokołu QoS. Przenosząc je z postaci wpisów systemowych na poziom sprzętowej pamięci fizycznej TCAM. W porównaniu do pamięci CAM, pamięć TCAM dodaje dodatkowy trzeci bit odpowiedzi X. W sumie zawierając trzy (Ternary) rodzaje odpowiedzi: zgadza się 1, nie zgadza się 0 oraz nie ma znaczenia X.
  • Pamięć TCAM składa się z trzech wartości VMR: Value (134 Bits), Mask (134 Bits) oraz Result. Z których pierwsza wartość zawiera poniższe informacje, druga określa dane użyteczne zawarte w pierwszej wartości, natomiast trzecia definiuje akcję jaką należy podjąć po przeszukaniu zawartości pamięci TCAM:
    • IP protocol.
    • IP ToS (Type of Service).
    • Source IP.
    • Source port.
    • Source port LOU (Logical Operation Unit).
    • Destination IP.
    • Destination port.
    • Destination port LOU (Logical Operation Unit).
Przeważnie przełączniki wielowarstwowe posiadają wiele oddzielnych pamięci TCAM, dzięki czemu mogą np. odseparować listy wychodzące od przychodzących.

Podział funkcjonalności przełącznika

  • Warstwa Management Plane – Nadzoruje proces zarządzania systemem IOS, za pomocą protokołu SSH, Telnet, HTTP bądź HTTPS. Umożliwiając zdalną kontrolę oraz monitoring urządzenia, jak i jego systemu.
  • Warstwa Control Plane – Nadzoruje proces wymiany danych pomiędzy sąsiednimi urządzeniami warstwy trzeciej, uzupełniając na ich podstawie zawartość tablicy routingu RIB.
  • Warstwa Data, Forwarding Plane – Kieruje przepływem danych nadchodzących do lokalnego przełącznika. Dzięki tablicy CAM przełącznik wie na który interfejs wychodzący skierować nadchodzącą ramkę Ethernet-ową, natomiast dzięki tablicy FIB (Forwarding Information Base) przełącznik zarządza przepływem pakietów warstwy trzeciej.

Tryby pracy interfejsów przełącznika MLS

  • Access. Trunk. Dynamic auto / desirable (All Layer 2).
  • Layer 3 Interface.
  • SVI (Switch Virtual Interface).
  • EthernetChanel.
  • Privat-VLAN.

Pozostałe tematy związane ze wstępem do warstwy drugiej

PDFPRINT

Robert T Kucharski

Cisco Network Engineer in GPW.

Dodaj komentarz