TRILL -- TRansparent Interconnection of Lots Links

T ► TRILL TRILL Transparent Interconnection of Lots of Links Autor: Prof. Dr.-Ing. Moderne Netzwerke basieren heute ausschließlich auf der Ethernet- Anatol Badach Technologie, verwenden das generische Internet Protocol (IP) und werden in Form einer Multilayer-Architektur aufgebaut. In solchen Netzwerkarchitekturen werden mehrere Ethernet Switches als sog. Access Switches, Distribution Switches oder Aggregation Switches eingesetzt. Diese Switches funktionieren oft als Layer-2-Switches (kurz L2-Switches), deren Aufgabe in der Weiterleitung empfange- ner MAC-Frames1 (Media Access Control) – auch Ethernet-Frames genannt – besteht. Werden in einem Netzwerk, um eine hohe Verfügbarkeit seiner Dienste erreichen zu können, aber mehrere L2-Switches eingesetzt Auszug aus dem und sind einige von ihnen bzw. auch einige der Links redundant, so Werk: können unerwünschte Effekte entstehen. Insbesondere wenn mehre- re redundante Wege zu einem Zielrechner führen, kann dieser mit mehreren Kopien ein und desselben Ethernet-Frames überflutet werden oder es kann sogar zur Zirkulation von Frames im Netzwerk kommen – es können sich also sog. Loops (logische Schleifen) bil- den. Solche Ereignisse im Netzwerk können verschiedene negative Auswirkungen haben, deren Folgen sich nicht im Voraus abschätzen lassen. Hinzu kommen noch weitere Herausforderungen. Besonders die Virtualisierung im Netzwerkbereich, d.h. der Einsatz Herausgeber: von zahlreichen virtuellen Maschinen (Virtual Machine, VM) und Heinz Schulte ihre Nutzung als Server, was eine Serverkonsolidierung in Datacen- WEKA-Verlag tern zur Folge hat, stellt neue Anforderungen an Netzwerke. Um ISBN 978-3-8276- diesen gerecht zu werden und gleichzeitig die negativen Auswirkun- 9142-2 gen infolge der soeben geschilderten eventuellen unerwünschten Ereignisse in Netzwerken vermeiden zu können, wird seit 2006 das Konzept Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) entwickelt. 1 Da die MAC-Funktion zum Layer 2 (Schicht 2) im Schichtenmodell der Rechnerkommunikation gehört, spricht man vom Layer-2-Switch. 1 T ► TRILL TRILL liefert neue Ideen zur Integration von Layer-2-Switching mit Routing. Sein Konzept besteht darin, dass optimale und Loop-freie Routen zur Übermittlung von Ethernet-Frames in hochverfügbaren Netzwerkinfrastrukturen mit redundanten Komponenten dynamisch bestimmt werden. Mit Unterstützung von TRILL in L2-Switches entstehen die genannten negativen Effekte nicht mehr und sämtliche Netzwerkkomponenten (Switches, Links) können effektiv, also ohne blockiert zu werden, genutzt werden. Die Entwicklung von TRILL wird von der gleichnamigen Working Group der IETF koordiniert. Das Konzept und der Einsatz von TRILL werden in mehren IETF-Dokumenten, in sog. Requests for Comments (RFCs), spezifiziert.2 TRILL versus STP und RSTP Mit dem Ziel, durch Loops verursachte negative Auswirkungen in Ethernet-Netzwerken zu vermeiden, wurde bereits Ende der Achtzi- gerjahre – als noch sog. Ethernet Bridges (kurz Bridges) im Einsatz waren – das Spanning Tree Protocol (STP) [1] entwickelt und im Standard IEEE 802.1D des IEEE3 spezifiziert. Die Aufgabe des STP besteht darin, redundante Wege und Loops in Netzwerken mit Bridges zu entdecken und alle redundanten Netzwerkkomponenten, die negative Effekte verursachen können, zu „sperren“, damit auto- matisch eine neue äquivalente Netzwerktopologie in Form einer Baumtopologie generiert werden kann, in der keine der erwähnten negativen Effekte auftreten. Das STP ist aber noch an ursprüngliche, kollisionsbehaftete Ether- nets angepasst und berücksichtigt deshalb nicht die Eigenschaften moderner Netzwerke mit Switches und bidirektionalen Links zwi- schen ihnen. STP ist in modernen Netzwerken nicht ausreichend leistungsfähig, denn die Konvergenzzeit zu einer neuen aktiven Baumtopologie, während der die eigentliche Netzwerkfunktion de facto kurz unterbrochen wird, ist bei STP relativ lang. Aus diesem Grund war eine Modifikation des STP notwendig. Als Ergebnis 2 http://datatracker.ietf.org/wg/trill 3 Institute of Electrical and Electronics Engineers 2 T ► TRILL dieser Modifikation entstand das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). [1] Das RSTP berücksichtigt bereits die Besonderheiten von Netzwer- ken mit L2-Switches und kann sogar parallel zum STP eingesetzt werden – d.h. in einem Netzwerk können beispielsweise einige Switches nur STP und andere nur RSTP unterstützen. Die beiden Protokolle STP und RSTP haben jedoch einen gravierenden Nach- teil. Dieser entsteht dadurch, dass sie redundante, einwandfrei funk- tionierende Netzwerkkomponenten während eines störungsfreien Netzwerkbetriebs einfach „sperren“, damit automatisch eine funk- tionell äquivalente – eine sog. Loop-freie – Netzwerkbaumtopologie entsteht. Folglich sperren sie auch alle redundanten Wege zwischen Rechnern, was dazu führt, dass beim Einsatz von STP bzw. RSTP keine Möglichkeit mehr besteht, große Datenmengen zwischen zwei Servern über parallele Wege zu transferieren4, obwohl hierfür intak- te Netzwerkkomponenten existieren. Dieses Verhalten der Protokolle STP und RSTP wird als ein großes Handicap beim Einsatz in modernen Datacentern angesehen (vgl. Bild 004698). Aus diesem Grund ist RSTP für den Einsatz in Data- centern mit zahlreichen, redundant ausgelegten Servern praktisch ungeeignet. Aus der Notwendigkeit heraus, sämtliche intakte Netz- werkkomponenten immer nutzen zu können und dabei eine parallele, aber Loop-freie Übermittlung von Ethernet-Frames zwischen Rech- nern zu ermöglichen, entstand TRILL. Strukturierter Aufbau von Netzwerken TRILL eignet sich ideal zum Einsatz in modernen, unternehmens- weiten Netzwerkinfrastrukturen. Deren Besonderheiten werden jetzt kurz erläutert. Um die an heutige Netzwerke gestellten Anforderungen, wie z.B. die Garantie der Skalierbarkeit, erfüllen zu können, werden diese strukturiert aufgebaut – und zwar vollkommen unabgängig davon, 4 Dies ist oft bei der Sicherung (Backup) von virtuellen Servern und bei Umzügen von virtuellen Maschinen der Fall. Man spricht auch von VM- Mobilität oder von vMotion. 3 T ► TRILL ob das Netzwerk ein oder mehrere Gebäude umfasst. Bild 004697 illustriert eine typische Netzwerkstruktur. Diese enthält mehrere redundante Komponenten (Switches, Links), damit eine hohe Ver- fügbarkeit der Netzwerkdienste garantiert werden kann. Bild 004697: Strukturierter Aufbau betriebssicherer Netzwerke AS: Access Switch (als Layer-2-Switch) R: Router DS/GS: Distribution Switch/Aggregation Switch (als Layer-2/3-Switch) Für den Anschluss von Clients (Arbeitsplatzrechner, IP-Telefone) an das Netzwerk setzt man in der Regel L2-Switches als Access Swit- ches ein, die in der Netzwerkarchitektur einen Access Layer bilden. Um die Kommunikation (z.B. IP-Telefonie) zwischen über ver- schiedene Access Switches an das Netzwerk angebundenen Clients zu ermöglichen, werden die Access Switches miteinander über sog. Distribution Switches5, die einen Distribution Layer bilden, verbun- den. Im Netzwerk wird ein sog. Kernbereich – oft als Core bezeichnet – gebildet. Das Ziel dabei ist, einerseits die Distribution Switches so miteinander zu vernetzen, dass eine uneingeschränkte Kommunika- 5 Die Funktion der Distribution Switches hängt von der Größe des Netzwerks ab. In einem kleinen Netzwerk und ohne Bildung von IP-Subnetzen kann ein Layer-2-Switch als Distribution Switch dienen. In größeren Netzwerken mit IP-Subnetzen ist im Distribution Switch eine Routingfunktion nötig. Als Distribution Switches werden daher oft sog. Multilayer Switches (d.h. Layer- 2- und Layer-3-Switches, kurz L2/3-Switches genannt) eingesetzt. 4 T ► TRILL tion zwischen allen Clients garantiert werden kann und andererseits den Clients den Zugang zu allen im Datacenter untergebrachten Servern zu gewährleisten. Das Datacenter wird mit dem Core über spezielle Multilayer Swit- ches verbunden. Weil diese Switches die zum Datacenter gerichteten Datenströme bündeln, bezeichnet man sie oft als Aggregation Swit- ches und spricht demzufolge auch vom Aggregation Layer. Für den Anschluss von Servern werden spezielle L2-Switches als Server Access Switches eingesetzt.6 Bedeutung von TRILL Am Beispiel der Kommunikation zwischen Servern aus einem Vir- tual Local Area Network (VLAN)7 illustriert Bild 004698 die Bedeu- tung von TRILL und vergleicht sie mit dem Einsatz von STP/RSTP. Wie aus Bild 004698a ersichtlich ist, werden beim Einsatz von STP/RSTP alle zum Switch E führenden Links als redundante Links betrachtet und gesperrt, um eine Loop-freie Baumtopologie mit dem Switch D als sog.