Les ponts (bridging) Limitations des LAN. Pont 21/02/12. Interconnexion des LAN au niveau 2 (Mac)

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1 Les ponts (bridging) Interconnexion des LAN au niveau 2 (Mac) LI 2012 Bridging 1 Limitations des LAN LAN «simples» : Limitations géographiques pour CSMA/C : distance maximale diminue si débit augmente quelques km à quelques centaines de m Wifi : débit diminue avec la distance Limitations en nombre de machines 1 LAN = 1 domaine de collision Cumul du traffic de toutes machines Pas de redondance 1 seule méthode d accès et 1 seul débit/lan => Nécessité d interconnecter des LAN LI 2012 Bridging 2 Pont Pont ou Bridge (commutateur/switch ethernet) Equipement qui interconnecte 2 ou plusieurs LAN au niveau 2 trames (niveau Mac) reçues par une interface (ou port) retransmises par 0,1 ou plusieurs interfaces sur la base d informations de niveau Mac (indépendant adresse IP) Forme un LAN étendu plusieurs LAN et ponts = un domaine de broadcast eux modes de commutation de trames Store and Forward ou Cut-Through LI 2012 Bridging 3 1

2 Pont Store and Forward trame lue entièrement et stockée (store) puis propagée (forward) si correcte si collision en émission : réémise par pont très simple (ex : 1 PC et n cartes ethernet) connexion de LAN à débits différents ou même de LAN à méthodes d accès différentes introduit délai rapport longueur_trame / débit trame de 1500 octets 1,2 ms à 10Mb/s 0,12 ms à 100Mb/s, comparé à quelques µs pour un hub LI 2012 Bridging 4 Pont cut through trame propagée en sortie avant fin de réception Avantage élai de traversée plus faible Indépendant longueur trame Inconvénients Pas possible entre 2 LAN de débit ou méthode d accès différents Complique traitement des collisions LI 2012 Bridging 5 Ponts et «routage» des trames Un pont doit déterminer sur quel(s) port(s) envoyer chaque trame eux grandes approches Ponts transparents très répandus (switchs ethernet) aucun mécanisme nécessaire dans les stations normalisés IEEE Ponts à outage par la Source Source oute Transparent Bridging ( ) Station source détermine route (liste de ponts) à traverser trame contient la route nécessite modification trames et stations implantés en environnement Token ing et FI LI 2012 Bridging 6 2

3 Ponts transparents u point de vue des stations l existence des ponts est «invisible» des stations eux grandes fonctions Construction de la table de propagation forwarding table (ou forwarding database) comment commuter les trames reçues (vers quel port)? Gérer l interconnexion des ponts éviter les boucles, autoriser la redondance, Spanning Tree Protocol LI 2012 Bridging 7 Table de propagation Table contient une ligne connue Principaux interface(s), age, flags l adresse mac sert d index l interface (ou port) est celle qui permet d atteindre l adresse (éventuellement plusieurs si multicast) age : validité de cette ligne (principe d un cache) des flags peuvent indiquer si ligne configurée statiquement ou dynamiquement si l adresse doit être filtrée LI 2012 Bridging 8 Algorithme de propagation A réception d une trame par l interface i, à destination Si la trame est incorrecte elle est ignorée Sinonsi est dans la table, avec interface j Si j = i la trame est ignorée /* même côté que S */ sinon la trame est envoyée par l interface j fsi Sinon /* inconnue, inclut en général broadcast/multicast */ trame émise par toute interface active i Fsi LI 2012 Bridging 9 3

4 Algorithme de propagation (2) emarques si présente dans tables de chaque pont trame ne circule que «là où il faut» du LAN émetteur, de pont en pont, au LAN récepteur => pont filtrant en particulier si émetteur et récepteur même LAN => trame ne sort pas de ce LAN Si inconnue (ou multicast, broadcast) trame envoyée dans tout le LAN étendu => arrive à son (ses) destinataire s il existe diffusion à toutes les machines comme avec LAN simple => LAN étendu = domaine de broadcast LI 2012 Bridging 10 Construction de la table Configuration manuelle/statique peu pratique administrateur doit connaître adresse Mac et localisation réservée à des cas particuliers (filtrage, ) Configuration dynamique automatique «apprentissage» arrivée d une trame d adresse source S par l interface i ajouter ou mettre à jour ligne de S, avec interface i ré-initialiser l age si l age d une ligne arrive à expiration ligne supprimée de la table (ex : 300s sans activité) LI 2012 Bridging 11 Apprentissage Nouvelle station sur le réseau émet trame (par exemple broadcast AP, HCP) => tous les ponts apprennent localisation information rafraîchie Station devient inactive (ou supprimée) => information disparaît des tables age limite paramètre global standard 300s gain de place LI 2012 Bridging 12 4

5 Apprentissage (2) A chaque changement de topologie changement des interfaces actives age limite des lignes de la table diminué plus grande réactivité car interface vers adresse peut changer Quelques cas particuliers plusieurs machines machine déplacée? LI 2012 Bridging 13 Exemple table propagation Commande Sho mac address sur switch cisco Mac Address Table Vlan Mac Address Type Ports All 000e.d7ff.1c40 STATIC CPU /* adresse locale */ e YNAMIC Gi0/ d.2cf4 YNAMIC Gi0/ b3a7.dcdd YNAMIC Gi0/ b3cb.653c YNAMIC Gi0/ b3cb.6727 YNAMIC Gi0/ b.466c.43fb YNAMIC Fa0/23 LI 2012 Bridging 14 Exemple table propagation (2) sho mac add multicast Vlan Mac Address Type Ports e00.013c IGMP Fa0/7, Fa0/24, Gi0/ e7f.fffa IGMP Fa0/2, Fa0/24, Gi0/ e7f.fffd IGMP Gi0/ e IGMP Gi0/1 LI 2012 Bridging 15 5

6 Spanning Tree Protocol STP Objectifs permettre des ponts transparents autoriser redondance physique boucle entre ponts => tolérance coupure de lien ou boucles involontaires erreur / malveillance Mais éviter trames qui bouclent en particulier trames broadcast ou inconnues risque de prolifération exponentielle effondrement du réseau LI 2012 Bridging 16 Prolifération exponentielle LI 2012 Bridging 17 STP(2) Objectifs autoriser changements de topologie => adaptation dynamique (et «rapide») autoconfigurable (boite noire) Principe : à partir du graphe du réseau (avec cycles) construire arbre ( = pas de cycle) arête arbre <=> désactivée (pour les données) reproductible toujours le même arbre pour le même graphe LI 2012 Bridging 18 6

7 Principe du STP Modèle de graphe (biparti) eux types de nœuds ponts identificateur unique : priorité (16 bits) ex : priority 32768, address 000e.d7ff.1c40 LAN Arête : connexion entre un ponts et un LAN correspond à un port (interface d un pont) chaque interface a un numéro, une priorité, et un coût ex : Port path cost 19, Port priority 128, Port Identifier coût fonction débit (défaut : 10M => 100,100M => 19, Giga => 4) LI 2012 Bridging 19 Principe du STP (2) Construire un arbre des plus courts chemins depuis un pont élu (+ petit ident.) : racine vers tous les autres ponts et LAN distance = coût des arêtes (interfaces) ex-aequo départagés par identité des ponts (toutes identité des ports (toutes pour un même pont) LI 2012 Bridging 20 Principe STP (2) Les ports peuvent être (rôle) racine : port qui mène vers la racine par le meilleur chemin désigné : port du LAN sur le + court chemin racine vers ce LAN les ports racine et désignés sont dans l arbre «inactivé» ni racine, ni désigné Alternate ou Backup (bouclage 2 ports) dans STP ne fait pas partie de l arbre ( = redondant) un port inactivé sur chaque cycle du graphe (supprime boucle) En situation stable les ports racine, désigné émettent et reçoivent trames de données (état «forwarding») les ports inactivés filtrent trames de données (état «blocking»)(mais pas trames STP) LI 2012 Bridging 21 7

8 Exemple (rôle/état des interfaces) Interface ole Sts Cost Prio.Nbr Type Fa0/1 esg FW P2p /* P2p = Full uplex */ Fa0/4 esg FW P2p Fa0/5 esg FW P2p Fa0/10 esg FW P2p Fa0/14 esg FW Shr /* shared = hub */ Fa0/15 Back BLK Shr Fa0/16 esg FW P2p Fa0/18 esg FW P2p Fa0/23 esg FW P2p Fa0/24 esg FW P2p Gi0/1 esg FW P2p Gi0/2 oot FW P2p LI 2012 Bridging 22 Message STP 1 message BPU Conf. Bridge Protocol ata Unit Principaux paramètres 1) Identité de la racine 2) istance entre racine et pont émetteur BPU 3) Identité pont émetteur 4) port par lequel le BPU a été émis Plus différents paramètres de délai Max age : durée de conservation d un BPU doit être rafraîchi périodiquement (cache) Forwarding delay : délai avant usage port de l arbre Hello Time : délai entre deux BPU périodiques BPU reçus classés sur paramètres 1 à 4 (ordre lexico.) LI 2012 Bridging 23 Algorithme STP Chaque pont pour chaque BPU reçu ajoute coût port au coût annoncé dans BPU conserve chaque BPU reçu pendant Max_age calcule le meilleur de ces BPU => détermine racine, distance à la racine, port racine détermine lesquels de ses ports sont désignés pas de BPU reçu (feuille) ou moins bon que ceux qu il enverrait => meilleurs pour atteindre d autres LAN envoie des BPU sur les ports désignés, à réception d un BPU par port racine (ou tous les Hello_Time avec STP) LI 2012 Bridging 24 8

9 Algorithme STP (2) Sur un pont 2 types événements réception d un BPU rafraîchir age du BPU si déjà connu sinon recalculer si les ports racines et désignés changent propager BPU échéance du délai Max age l un des BPU a expiré recalculer ports racines et désignés, propager BPU cas particulier : plus de BPU en cache => pont devient candidat racine Pont racine envoi BPU tous les Hello time (2s) sur ports désignés LI 2012 Bridging 25 Transmission de données Port passe dans le rôle désigné ou racine suite branchement sur le port ou changement arbre autre lien coupé sur un cycle port passe en état LEANING met à jour table de forwarding ne propage pas trames de données via ce port après forwarding delay (défaut : 15s) passe en état FOWAING em : état LISTENING quand rôle non encore fixé (démarrage, ) LI 2012 Bridging 26 Transmission de données (2) Port quitte le rôle désigné ou racine suite débranchement sur le port ou changement arbre autre lien crée un cycle port passe en état BLOCKING ne propage pas trames de données via ce port continue de traiter les messages BPU reçus Principe : à la création d un cycle 1 port du cycle passe en BLOCKING avant qu 1 autre port du cycle passe en FOWAING => pas de boucle de données LI 2012 Bridging 27 9

10 Exemple L1 P2 P1 L2 B P4 L4 P3 L3 Hypothèses Tous les liens même coûts ordre ponts = ordre numéros port P3->P4 meilleur P3->L2 P1 racine 1 BPU émis par chaque port toutes les 2s P4 reçoit 2 BPU de P3 onnées de L1 à L4 L1 -> P2 -> P1 -> P3 -> P4 -> L4 LI 2012 Bridging 28 Branchement P2-L2 P1 P2 P3 B L1 L2 B P4 L4 B L3 Ajout P2-L2 P2 envoie BPU et port LIS P3 reçoit BPU via L2 bloque port vers L2 (ALT) P4 reçoit meilleur BPU par L2 port vers L2 devient racine port vers P3 devient bloqué (ALT) Pendant 15s P2->L2 et P4 -> L2 LEANING L4 isolé LI 2012 Bridging 29 euxième branchement P2-L2 L1 P2 B P1 P4 L4 P3 B L2 B L3 Hypothèse : deuxième port meilleur que premier Branchement P2 envoie BPU par 2ème P2 reçoit BPU par 1er 1er port BACK/BLOCK 2ème port ES/LEAN Après 15s 2ème port ES/FOW LI 2012 Bridging 30 10

11 Coupure P1-P3 L1 P2 B P1 P4 L4 X P3 B L2 B L3 Coupure P1-P3 pendant Max-age (20s) réseau coupé mais P3 reçoit BPU de P2 Timeout sur P3 P3-L2 devient racine/lean P3-P1 devient désigné nouveau BPU via P3-P4 moins bon que P2-P4 Après 15s P3-L2 devient racine/fow urée isolement L3 : 35s LI 2012 Bridging 31 X P1 P2 P3 B L1 L2 B B P4 L4 Coupure P1-P2 L3 P1-P2 coupé P2 ne reçoit plus de BPU Après 20s timeout P2 déclare racine envoie BPU sur chaque port P3 a meilleure racine P3-L2 devient désignée P2 retrouve racine P1 P2-L2 devient racine P4 meilleur chemin par P3 (coût) P4-P3 racine P4-L2 bloquant LI 2012 Bridging 32 BPU : encapsulation LLC LI 2012 Bridging 33 11

12 BPU détails LI 2012 Bridging 34 Indicateur TC : Topology Change Un pont qui constate un changement de topologie (rôle d un port) Envoie des BPU avec flag TC pendant 15s Les autres ponts Propagent les BPU avec ce flag iminuent la durée de vie de la table de propagation Permet de tenir compte plus vite changements de route LI 2012 Bridging 35 Exemple création boucle entre ports 14 et 15 du même pont ébut : seul port 15 connecté temps 91 : connexion port 14, 15 n émet plus temps 95 : émission TC (Topology change)par port 14 pendant 30s temps 163 : débranchement port 14 temps 179 : BPU 14 périmé BPU TC émis par 15 LI 2012 Bridging 36 12

13 Exemple (état du pont) Spanning tree enabled protocol ieee oot I Priority 4098 Address 000e c0 Cost 20 /* 20 = 5 liens giga */ Port 26 (GigabitEthernet0/2) Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward elay 15 sec Bridge I Priority (priority sys-id-ext 90) Address 000e.d7ff.1c40 Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward elay 15 sec Aging Time 300 LI 2012 Bridging 37 Etat pont (2) VLAN0090 is executing the ieee compatible Spanning Tree protocol Bridge Identifier has priority 32768, sysid 90, address 000e.d7ff.1c40 Configured hello time 2, max age 20, forward delay 15 Current root has priority 4098, address 000e c0 oot port is 26 (GigabitEthernet0/2), cost of root path is 20 Topology change flag not set, detected flag not set Number of topology changes 3604 last change occurred 00:02:11 ago from FastEthernet0/14 Times: hold 1, topology change 35, notification 2 hello 2, max age 20, forward delay 15 Timers: hello 0, topology change 0, notification 0, aging 300 LI 2012 Bridging 38 Etat d un port Port 14 (FastEthernet0/14) of VLAN0090 is forwarding Port path cost 19, Port priority 128, Port Identifier esignated root has priority 4098, address 000e c0 esignated bridge has priority 32858, address 000e.d7ff.1c40 pont et ce port désignés */ esignated port id is , designated path cost 20 Timers: message age 0, forward delay 0, hold 0 Number of transitions to forwarding state: 1 Link type is point-to-point by default BPU: sent 111, received 1 /* ce LI 2012 Bridging 39 13

14 Port bloqué (boucle entre 14 et 15) Port 15 (FastEthernet0/15) of VLAN0090 is blocking Port path cost 19, Port priority 128, Port Identifier esignated root has priority 4098, address 000e c0 esignated bridge has priority 32858, address 000e.d7ff.1c40 esignated port id is , designated path cost 20 /* ce port n est pas désigné */ Timers: message age 6, forward delay 0, hold 0 Number of transitions to forwarding state: 0 Link type is point-to-point by default BPU: sent 1, received 112 LI 2012 Bridging 40 Création d une boucle suite des états /* 15 branché sur HUB */ Fa0/15 esg FW Shr /* 14 branché sur même HUB : détection par switch */ Fa0/14 esg LIS Shr Fa0/15 esg FW Shr /* blocage de 15, 14 passe désigné */ Fa0/14 esg LIS Shr Fa0/15 Back BLK Shr /* 14 passe en learning */ Fa0/14 esg LN Shr Fa0/15 Back BLK Shr /* 14 passe en forwarding */ Fa0/14 esg FW Shr Fa0/15 Back BLK Shr LI 2012 Bridging 41 Suppression boucle Fa0/14 esg FW Shr Fa0/15 Back BLK Shr /* ébranche 14 */ Fa0/15 Back BLK Shr /* attente time out du message 14 */ /* 15 passe en désigné listening */ Fa0/15 esg LIS Shr /* 15 en learning */ Fa0/15 esg LN Shr /* 15 en forwarding */ Fa0/15 esg FW Shr LI 2012 Bridging 42 14

15 Ponts transparents : synthèse Avantages transparents pour les stations boite noire, pas de configuration Indépendant protocole niveau 3 IPv4, IPv6, grand réseau «commuté» petits domaines de collision CSMA/C interconnexion de LAN à débits différents (10/100/1000) LI 2012 Bridging 43 Ponts transparents : synthèse (2) Inconvénients grand domaine de broadcast bande passante occupée par broadcast lenteur de reconfiguration du STP jusqu à plusieurs dizaines de secondes même avec STP (voir annexe) si réseaux partagés (hubs) Liens redondants inutilisés pas de partage de charge (sauf VLAN) chemins utilisés dans le réseau non optimaux LI 2012 Bridging 44 Amélioration STP : STP apid STP : 802.1w, intégré accélère stabilisation produit même arbre que STP synchronisation entre ponts avant passage en forwarding dans le cas de liens PàP Full uplex cas courant entre commutateurs ethernet nécessite BPU dans les 2 sens proposition => acceptation accélère passage en forwarding en étant sûr que les données sont filtrées sur un port du cycle LI 2012 Bridging 45 15

16 STP Flags dans BPU STP Bit 1 : Topology change Bit 2 : Proposal Bits 3-4 : Port role ( 0 inconnu, 1 Alt ou Backup, 2 root, 3 esignated) Bit 5 : Learning Bit 6 : Forwarding Bit 7 : Agreement (réponse à BPU avec Proposal) Bit 8 : Topology Change Ack LI 2012 Bridging 46 Exemple STP : création d un cycle P4 L1 is For, For P2 For is, For P5 P1, For is P7 L2 situation initiale branchement P1-P2 P1 envoie Prop ES à P2 P2 passe en IS P4 et P5 P3 envoie Agree à P1 P1 passe en FOW vers P2 coupure «sous» P2 P2 envoie Prop es à P4 P6 P4 accepte (L1 feuille) P2 envoie Prop es à P5 P5 passe en IS vers P7 envoie Agree à P2 B P2 passe en For coupure «sous» P5 => Block P7-P6 LI 2012 Bridging 47 Exemple STP LI 2012 Bridging 48 16