Datalink lan equipment
Transcript of Datalink lan equipment
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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
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A B C D
Livello Fisico
• Tutti I dispositivi nello stesso dominio di collisione • Tutti I dispositivi nello stesso dominio di broadcast • Tutti I dispositivi condivisono la banda
Repeaters e Hub operano a livello Fisico
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• Man mano che aumentano le stazioni aumntano le collisiioni
• Uso di CSMA/CD
• Limita le dimensioni della rete
Hubs: unico dominio di collisione
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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)
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Esempio di Bridging
• Separazione di più laboratori con traffico interno intenso • Rende possibile più trasmissioni contemporanee che non interessano gli stessi
segmenti
B B B
File server
workstation
Dorsale LAN
Traffico locale
filtro
Traffico sulla dorsale
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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
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• 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
Switches
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• Ogni segmento indivudua un dominio di collisione • Tutti I segmenti sono sullo stesso dominio di broadcast
Data Link
OR 1 2 3 1 2 4
Bridges e Switches operano a livello di Link
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• Domini di collisione per segmento
• I Broadcasts sono commutati su tutti I segmenti
Memory
Switch
Switches
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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
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Il backward learning
• Inizialmente la MAC address table è vuota
MAC address table
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0 E1
E2 E3
A B
C D
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Il backward learning
• 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)
MAC address table
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0: 0260.8c01.1111
E0 E1
E2 E3 D C
BA
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Il backward learning
• 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)
MAC address table
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0: 0260.8c01.1111 E3: 0260.8c01.4444
E0 E1
E2 E3 D C
A B
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Invio selettivo delle trame
• La stazione D invia una trama alla stazione C • La destinazione è nota, la trama non viene inviata a tutti (no
flooding)
E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 E1: 0260.8c01.3333 E3: 0260.8c01.4444
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0 E1
E2 E3
X X D C
A B
MAC address table
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• 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
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0 E1
E2 E3 D C
A B E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 E1: 0260.8c01.3333 E3: 0260.8c01.4444
MAC address table
Gestione trame broadcast e multicast
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• Essenzialmente software-based • Una istanza di spanning-tree per bridge • Tipicamente fino a 16 porte per bridge
Bridging
• Hardware based (ASIC) • Multiple istanze di spanning-tree per bridge • Un numero elevato di porte (dipende dalla fabric)
LAN Switching
Bridging e Switching
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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 Port-based switching Ad ogni porta corrisponde un solo indirizzo Ethernet Segment-based switching Ad ogni porta corrispondono più indirizzi (ad esempio è collegata ad un hub)
Frame
Frame
Frame
Frame
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Tecnologia degli Switch
Shared Memory
Switching Matrix o Fabric
Bus-Architecture
Memorizza i pacchetti in una memoria comune a tutte le porte Invia in pacchetti in memoria alla porta destinazione
Utilizza una matrice di commutazione In base all’indirizzo e al contenuto della tabella viene attivata la connessione necessaria
Ha un BUS interno condiviso ad alta velocità La comunicazione interna usa TDMA
1
2
3
4
crossbar
1
2
3
4
High speed TDMA BUS
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• Terminologia: n x m switch ha n inputs and m outputs
• 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
Input port
Output port
Output port
Output port
Output port
Fabric
Tecnologia degli Switch
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• 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
Mux demux
Outputs
Write control
Read control
Buffer memory
Shared Memory/Bus Switch
Input Ports
Output Ports
Shared bus
1 2
N 1
2 M
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
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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
2
21
Port 1
Port 2
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• 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.
(c)
Shifter
Buffers
(b)
Shifter
Buffers
(a)
Shifter
Buffers
Output Port Buffer per Uno switch N-x-4
Bufferizzazione
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Crossbar Switch (KnockOut)
Filter
Broadcast Bus Input lines
Concentrator Shifter Output Queues Output line 0 1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 3 4 5 6 7
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The route two cells take through the switch.
6 = 110 (down, down, up) 1 = 001 (up, up, down)
6=110
1=001
110
001
110
001
110
001
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
Banyan Switches
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Cell collisions, e.g., 5&7; (also 0&3; 6&4; 2&1).
101
111
000
001
010
011
100
101
110
111 111
101
Same inputs, sorted, no collisions
Banyan Switches
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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)
0 5 6 2 7 3 1 4
0 6 5 2 7 1 3 4
0 2 6 5 7 4 1 3
0 7 2 4 5 3 6 1
0 3 7 5 2 1 4 6
0 1 3 2 5 4 7 6
0 6 2 5 7 1 4 3
0 2 5 6 7 4 3 1
0 7 2 4 3 5 1 6
0 3 5 7 1 2 4 6
0 1 2 3 4 5 6 7
Batcher Networks
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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.
n n+k n+k
n
n
n
n
n
n
k k
Banyans Outputs Selector
TRAP Batcher
Inputs
Delay
Batcher-Banyan Switch
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Topologie con ridondanza
– Topologie Ridondanti eliminano i single points of failure – In compenso possone essere causa di broadcast storms, trame ripetute e
instabilità del MAC address database
Segmento 1
Segmento 2
Server/host X Router Y
35
Segmento 1
Segmento 2
Server/host X Router Y
Broadcast
Switch A Switch B
• L’Host X invia un Broadcast
Il problema dei broadcast storm
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Segmento 1
Segmento 2
Server/host X Router Y
Broadcast
Switch A Switch B
• 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
Il problema dei broadcast storm
37
Segmento 1
Segmento 2
Server/host X Router Y
Broadcast
• Gli switches continuano a rigenerare e propagare I broadcast all’infinito (Broadcast Storm)
Switch A Switch B
Il problema dei broadcast storm
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Replicazione di trama
Segmento 1
Segmento 2
Server/host X Router Y Unicast
Switch A Switch B
• 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
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Segment 1
Segment 2
Server/host X Router Y
Unicast
Switch A Switch B
• Entrambi gli switch inviano il messaggio su tutte le porte • Il Router Y riceve 2 copie della medesima trama
Unicast
Unicast
Replicazione di trama
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Segment 1
Segment 2
Server/host X Router Y
Unicast Unicast
Switch A Switch B
• 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
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
Instabilità del MAC address database
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Segmento 1
Segmento 2
Server/host X Router Y
Unicast Unicast
Switch A Switch B
• 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
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
Instabilità del MAC database
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– Topologie più complesse possono causare loop multipli – Il Layer 2 non dispone di meccanismi per bloccare i loop
Server/host
Workstations
Loop
Loop
Loop
Problema di loops multipli
Broadcast
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Soluzione: Spanning-Tree Protocol
Rende una topologia ridondante “loop free” mettendo in stato di blocco alcune porte
Block x
p158
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• Un root bridge per network (radice dellʼalbero) • Una root port per non-root bridge (uplink verso radice) • Una designated port per segmento
x
Designated port (F) Root port (F)
Designated port (F) Nondesignated port (B)
Root bridge Non-root bridge SW X SW Y
100baseT
10baseT
Spanning Tree: funzionamento
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Switch Y Default priority 32768 (8000 hex) MAC 0c0022222222
Switch X Default priority 32768 (8000 hex) MAC 0c0011111111
BPDU
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
Spanning Tree: selezione root bridge
46
Switch Y Default priority 32768 MAC 0c0022222222
Switch X Default priority 32768 MAC 0c0011111111
Root bridge
x
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
100baseT
10baseT
Designated port (F) Root port (F)
Nondesignated port (B) Designated port (F)
Spanning Tree: Port
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Link Speed Cost (reratify IEEE spec) Cost (previous IEEE spec) ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 Gbps 2 1 1 Gbps 4 1 100 Mbps 19 10 10 Mbps 100 100
Spanning Tree: costo path
48
Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768
Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
Switch Z Mac 0c0011110000 Default priority 32768
Port 0
Esercizio: • Qualʼè il root bridge? • Quali sono le designated, nondesignated, e root parts? • Quali sono le porte che vanno in forwarding o in blocking?
100baseT
100baseT
Spanning Tree: funzionamento
49
Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768
Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
Switch Z Mac 0c0011110000 Default priority 32768
Port 0
100baseT
100baseT
Designated port (F)
Root port (F)
Nondesignated port (BLK) Designated port (F)
Root port (F)
Spanning Tree: funzionamento
Esercizio: • Qualʼè il root bridge? • Quali sono le designated, nondesignated, e root parts? • Quali sono le porte che vanno in forwarding o in blocking?
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Blocking Listening Learning Forwarding
Nello Spanning-tree ogni porta transita attraverso 4 differenti stati:
Spanning Tree: stati per Port
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Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768
Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
10baseT
x
100baseT
Root Bridge
Designated port Root port (F)
Nondesignated port (BLK) Designated port
Spanning Tree: ricalcolo
Da questa situazione di partenza …
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Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768
Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
10baseT
x
100baseT
Root Bridge
Designated port Root port (F)
Nondesignated port (BLK) Designated port BPDU x MAXAGE x
Spanning Tree: ricalcolo
• Il root bridge va fuori servizio • Il non-root bridge non riceve BPDU per più di MAXAGE secondi
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Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768
Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768
Port 0
Port 1
Port 0
Port 1
10baseT
100baseT
Root Bridge
? Designated port
Designated port ?
x
Spanning Tree: ricalcolo
• B diventa root bridge • La port 1 va in forwarding (si sblocca) e diventa designated port
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• Segmentazione
• Flessibilità
• Sicurezza
3rd floor
2nd floor
1st floor SALES HR ENG
VLAN = broadcast domain = Logical network (subnet)
VLAN
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VLANs e Broadcast Domains
– VLANs e routers confinano i broadcasts nel dominio di origine
Broadcast Domain 1
Broadcast Domain 2
58
Switch A
Green VLAN
Black VLAN
Red VLAN
Switch B
Green VLAN
Black VLAN
Red VLAN
• Ogni VLAN logica è equivalente a un bridge fisico • Le VLANs possono attraversare multipli switches
Funzionalità VLAN
59
Switch A
Green VLAN
Black VLAN
Red VLAN
Switch B
Green VLAN
Black VLAN
Red VLAN
Trunk
• Ogni VLAN logica è equivalente a un bridge fisico • Le VLANs possono attraversare multipli switches • I trunks trasportano il traffico fra multiple VLANs
Fast Ethernet
Funzionalità VLAN
60
Modalità di Associazione
VLAN5
VLAN Statiche VLAN Dinamiche
MAC = 1111.1111.1111
Trunk
VMPS 1111.1111.1111 = vlan 10
VLAN10 Port e0/9 Port e0/4
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Associazione Porte a VLAN
La modalità condiziona le prestazioni
Port-Based
VLAN1
VLAN2 VLAN3
MACAddresses
MACAddresses
VLAN2
MAC-Based
VLAN1
MAC Address Driven (Layer 2)
Port-Driven
• Lʼassociazione delle porte può essere statica o dinamica
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Configurazione Statica VLAN
Engineering VLAN
Marketing VLAN
Sales VLAN
Floor #1 Floor #2 Floor #3
Physical Layer Human Layer
Network Layer 192.20.24.0
Routing Function Interconnects VLANs
192.20.21.0 192.30.20.0
Data Link Layer Broadcast Domains
• All users attached to same switch port must be in the same VLAN
x
65
Tipi di Collegamenti
Trunks
• Un trunk o tagged port è un collegamento in grado di trasportare VLAN multiple
66
Associazione di trame a VLAN
– 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
VLAN1
VLAN1
VLAN2 VLAN2
VLAN3
VLAN3
Backbone
VLAN1 VLAN2 VLAN3
67
Red Red
RED VLAN
Blue
Green
Blue
Green
Green Blue Red
VLAN Tagging
• ISL (Proprietario) • IEEE 802.1Q
Fast Ethernet
• Opzioni possibili per l’interscambio di VLAN ID
RED VLAN
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Tagging di trame: I trunks
– 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
I trunks trasportano le VLANs sul backbone
VLAN Tag settato dalla
porta entrante
VLAN Tag eliminato al
forwording sulla porta uscente
Inter-Switch Link trasporta i
VLAN Tag
69
Trasporto dei Tag
Trunk Link
VLAN100 VLAN200 (Port C)
VLAN200 (Port A)
Legend: Trunk Links
VLAN200 (Access Link)
X
Z
Y
W
Trunk Link
Trunk Link
Frame 1
Tag Frame 2
Frame 3
VLAN200 (Port B)
• Le informazioni dei Tag viaggiano solo su collegamenti Trunk
Y
70
ISL
ISL Header 26 bytes Encapsulated Ethernet frame CRC
4 bytes
– Incapsulamernto con ISL header e CRC dedicato – Supporto per molte VLANs (1024) – Campo VLAN ID specifico – BPDU bit
DA Type User SA LEN
VLAN
AAAA03
BPDU
HSA VLAN BPDU BPDU INDEX RES
71
IEEE 802.1Q
– Usa la trama 802.3 – 2-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)
Initial MAC Address
Initial Type/Data New CRC 2-Byte TPID2-Byte TCI
72
Domain
3/1 3/2
1/1 2/2
1/2 2/1
1/1
Trunk Negotiation
• Il protocollo DTP (Dynamic Trunk Protocol) gestisce la negoziazione dinamica del trunking sui link
C5000-1
C5000-1
C5000-1
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
1.“nuova vlan”
3.Sincronizza e aggiorna lo stato VLAN
2
VTP Domain “X”
74
XXXXXDomain
YY_ domain
3/1 3/2
1/1 2/2
1/2 2/1
4/1 4/2
5/1 1/1
• Gli annunci VTP non si propagano fra domini differenti
N N
N
ADMIN1
CONFIG-REV# N
1 default 1002 fddi-default 1003 token-ring-default 1004 fddinet-default 1003 trnet-default
C5000-1 C5000-2
C5000-3
C5000-4
C5000-6
Propagazione VTP
C5000-5