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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 95 Strukturprotokolle der Datenkommunikation – IEEE 802.1ad Link Aggregation

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Nachdem wir über TCP/IP und die Internet-Protokolle einen Weg in Richtung moderner, anwendungsorientierter Infrastrukturen gegangen sind, wollen wir uns jetzt wieder auf wichtige technische Themen im LAN-Umfeld und strukturbildende Protokolle für Campus/Backbone-Netze konzentrieren. Wir beginnen mit der Link Aggregierung. VLANs, VPNs, MPLS, QoS und VoIP sind Themen kommender Folgen.

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Beim Trunking sorgen parallele Leitungen für höhere Netkapazitäten und mehr Power
Beim Trunking sorgen parallele Leitungen für höhere Netkapazitäten und mehr Power
( Archiv: Vogel Business Media )

Eigentlich ist es ein naheliegendes Konzept, die Leistung von Datenverbindungen zwischen Switches untereinander oder zu bestimmten Endgeräten wie Servern einfach dadurch zu steigern, dass man mehrere Leitungen parallel führt und benutzt. Schon in der Frühzeit der LANs hat man oftmals einen Server mit mehreren Adapterkarten versehen, um sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Erst im Juli 1998 wurde jedoch die Gründung einer Arbeitsgruppe für Trunking, die Link Aggregation Task Force, von den IEEE Leitgremien genehmigt. Die Gruppe arbeitet unter der Bezeichnung IEEE 802.3ad, was kennzeichnet, dass sie sich nur um Lösungen für den Ethernet-Bereich kümmert.

Ein Zusammenfassen (Aggregierung) der Links soll auf der Schicht zwei stattfinden und völlig transparent für die Endgeräte sein. Wenn parallele Verbindungen bestehen, soll die Last auch über diese verteilt werden. Dies ist nicht nur für den Hochlastfall sehr sinnvoll, sondern senkt auch die im normalen Betrieb durchschnittlich belegte Bandbreite und damit die Oberwellen, die vom System letztlich ausgehen können.

Wenn eine oder mehrere der parallelen Leitungen ausfällt, soll der Gesamtverkehr automatisch auf die verbleibenden Leitungen verteilt werden. Dies ist eine ganz wesentliche Forderung beim Aufbau redundanter Strukturen für die Erhöhung der Gesamtzuverlässigkeit von Netzen.

Ein zu simpel geplanter Einsatz von Switches führt auf Netze mit Single Points of Failure. Link Aggregation ist ein erster wesentlicher Schritt, um hier auch auf Ethernet-Basis Abhilfe schaffen zu können. Natürlich unterstützt IEEE 802.3ad alle bisherigen Spezifikationen von 802.3. Dies bedeutet alle Spezifikationen für die Bandbreiten 10 Mbit/s bis 100 Gbit/s, den MAC-Dienst, das Physical Layer Signalling ,die LLC und die generellen funktionalen Anforderungen der Umgebung. Kommunikation von Server zu Server und von Switch zu Switch. Außerdem sollen Diagnose-Parameter für die Übergabe an Management-Systeme definiert werden, dies macht man ja für alle Teilstandards.

So einfach sich das vielleicht zunächst einmal anhört, so kompliziert ist es im Detail. Die Teilnehmer einer MAC-Verbindung sind es gewohnt, dass die Pakete in genau der gleichen Reihenfolge ankommen, wie sie auch abgeschickt worden sind. Dies ist aus dem ursprünglichen Ethernet-Übertragungsverfahren zu erklären, welches die Bits auf das gemeinschaftliche Busmedium setzt. Es gibt vom passiven Medium aus betrachtet nun keinen Grund, dass sich Bits irgendwie überholen. Das gilt erst recht für ganze Pakete und im Gegensatz zu Verfahren für Fernkommunikationssysteme wie HDLC (High Level Data Link Control) oder SDLC (Synchronous Data Link Control) sind auf der MAC-Teilschicht keinerlei Mechanismen etabliert, um die Reihenfolge von Paketen zu überwachen oder in irgendeiner Weise zu gewährleisten.

Sonderfall Link-Aggregierung

Bei der Link-Aggregierung liegt hier jedoch ganz klar eine andere Situation vor: zwei oder mehr Pakete, die von einem höheren Protokoll an die MAC-Teilschicht übergeben wurden, können auf verschiedenen Links übertragen werden und z.B. gleichzeitig in den Empfangsschaltkreisen des Empfängers ankommen. Hier muss aber jetzt irgendeine Entscheidung getroffen werden, in welcher Reihenfolge die gleichzeitig angekommenen Pakete an den Empfangspuffer übergeben werden, der sie seinerseits an der äußeren MAC-Schnittstelle dem höheren Protokoll übergibt.

Nimmt man noch den Begriff der „Flows“ aus der Umgebung der virtuellen Netze bzw. Priorisierungsverfahren hinzu, muss bei der Link Aggregierung das Problem gelöst werden, einerseits MAC-Frames recht freizügig über verschiedene Leitungen zu multiplexen, andererseits aber die Sendereihenfolge einzelner Flows und einzelner Pakete innerhalb der Flows beizubehalten. Es wäre nämlich der Sache wenig förderlich, ein Verfahren zu standardisieren, welches nachher nicht mit den anderen neueren Verfahren zusammenarbeiten kann.

IEEE 802.3ad geht dabei den Weg, ein einheitliches Empfangsverfahren zu spezifizieren, aber verschiedene Sendeverfahren für die Optimierung unterschiedlicher Verkehrsformen zwischen Clients und Servern, Switches und Switches sowie Switches und Servern zu definieren. Für die Implementierung einer Backup-Funktion reicht es nicht aus, einfach im Bedarfsfalle auf eine andere Leitung umzuschalten. Vielmehr muss man darauf achten, dass die MAC-Adresstabellen konsistent bleiben können. Somit dürfen die Schaltverfahren in den Switches sich nicht mehr alleine auf physische Ports beziehen, sondern es müssen logische Ports definiert werden, die ihrerseits eine Gruppe aggregierter physischer Ports repräsentieren und deshalb auch als Aggregierungs-Ports bezeichnet werden.

Aggregation Port

Dann kann der Switch nämlich alle MAC-Adressen, die auf einer Menge von aggregierten Links gelegt werden, diesem einen logischen Port zuordnen. Möchte er dann zu diesen MAC-Adressen etwas schicken, spricht das Switching-Verfahren den logischen Port als Ziel an. Die Lage bei den physischen Verbindungen dieses Ports kann sich mittlerweile geändert haben, das ist aus der Perspektive des Switching-Vorgangs jedoch gleichgültig.

Um dann aber nicht auf dieser Ebene zwischen logischen Aggregierungs-Ports und physischen Link Ports wieder ein komplexes Zuordnungs-Verfahren realisieren zu müssen, hat man sich darauf verständigt, die Ports, die in einer Link-Gruppe (LAG, Link Aggregierungs Gruppe) zusammengefasst werden, dem Port als Aggregierungs-Port zuzuordnen, der die niedrigste Nummer hat. Insgesamt muss man die Aggregierungs-Funktionalität aushandeln und Kennungen verschicken, sonst klappt die Zusammenarbeit zwischen Adapterkarten und Switches sowie Switches und Switches nicht.

Um dies systematisch durchsetzen zu können, muss die MAC-Schicht wiederum weiter aufgespalten werden.

Nach oben hin gerichtet ist das 802.3 MAC Client Interface, welches nach Definition üblicherweise mit der LLC zusammenarbeitet. Die Link-Aggregierung soll für die Teilnehmer völlig transparent sein. Das Link Aggregation Control Protocol, welches die Link Aggregierung steuert, muss also unter dem MAC-Client Interface, aber oberhalb der „herkömmlichen“ MAC implementiert sein.

Insgesamt ergibt sich damit ein Modell mit drei weiteren Teilschichten:

  • LAC Distribution/Collector – Teilschicht, die die Pakete aus dem Paketstrom des Client Interface auf verschiedene Trunks verteilt bzw. ankommende Pakete wieder in Paketströme richtig einsortiert, also multiplext.
  • LAC Control – Teilschicht, die physische Links dem logischen Aggregat hinzufügt und wegnimmt.
  • MAC Control – Teilschicht, die die herkömmliche IEEE 802.3 MAC anspricht.

weiter mit: Erlaubte und verbotene Aggregierungen

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