Bölüm 5 : ANAHTARLAR, KÖPRÜLER, YÖNLENDİRİCİLER Türkçe (İngilizce) karşılıklar Anahtar (Switch) Uzam bölüşümlü anahtarlama (space-division switching) Zaman bölüşümlü anahtarlama (time-division switching) Çoğullayıcı (multiplexer) Çoğullama çözücü (demultiplexer) Çaprazlayıcı (crossbar) Çaprazlama noktası (crosspoint) Anahtarlama elemanı (switching element) Çok seviyeli arabağlantı ağları (multistage interconnection networks) Kendiliğinden yönlenebilen (self-routing) Çekişme (contention) Ölçeklenebilir (scalability) Tıkanabilen (blocking) Tıkanmaz (nonblocking) Bölüt (segment) Merkez yönlendiriciler (core routers) Kenar yönlendiriciler (edge routers) Bölüm Hedefi Bu bölümü bitirdiğinizde Anahtar yapılarını Tek seviyeli anahtar yapılarını Çok seviyeli anahtar yapılarını Köprülerin çalışma şeklini Yönlendiricilerin işlevini öğrenmiş olacaksınız. Anahtarlar, köprüler ve yönlendiriciler, bilgisayar ağları arasında geçiş yapmamızı sağlayan birimlerdir. Bu birimlerin yer aldığı ortamlar homojen (aynı protokolü kullanan) ya da heterojen (farklı protokolleri kullanan) olabilir. Bu bölümde, adı geçen birimlerin yapıları, görevleri ve çalışma prensipleri hakkında bilgi verilecektir. 5.1 Anahtarlar : Anahtar (switch) kelimesi, telefon haberleşmesinden günümüze gelmiştir. Eski telefon çağrılarını gerçeklerken iki uç nokta arasında adanmış fiziksel bir bağlantı oluşturulurdu. Bu bağlantıda anahtarlar, farklı hatları birleştirerek bir uç birimden diğer uç birimine uzayan yolun kurulması için kullanılırdı. Paket kavramı ile ağ kaynaklarının paylaşımı gündeme geldi. Artık bir fiziksel hat aynı anda pek çok uçtan uça bağlantıya hizmet verebiliyor ve kaynaklar daha verimli kullanılabiliyor. Doğal olarak bu ortamda kullanılan paketlerin yapısı daha karmaşık bir hal aldı. Şekil 5.1 anahtarların temel yapısını göstermektedir. Bu yapı aslında bir anahtarın işlevini de ortaya koyar. Bir anahtarın amacı giriş portlarına gelen paketleri istenen çıkış portlarına aktarmaktır. Bu 1
aktarımın kayıpsız ve çabuk olması hedeflenir. Anahtarları N girişi ve N çıkışı olan kutular şeklinde düşünebiliriz. Şekil 5.1 de gösterildiği gibi giriş portlarına gelen paketler giriş kontrol (GK) birimi üzerinden anahtarlama birimine oradan da gitmesi beklenen çıkış kontrol (ÇK) birimlerine ulaştırılır. Anahtarlama birimi girişler ve çıkışlar arasındaki paket aktarımını sağlayarak paketlerin istenen çıkışa ulaştırılmasını sağlar. Bu biriminin çalışması bir işlemci grubu tarafından kontrol edilir. Şekil 5.1 Anahtarların temel yapısı Anahtarların iç yapıları birbirinden farklı olabilir. Genelde anahtarlar iç yapılarına göre iki farklı grupta toplanırlar: 1) zaman bölüşümlü anahtarlama tekniğini kullananlar ve 2) uzam bölüşümlü anahtarlama tekniğini kullananlar. 5.1.1 Zaman Bölüşümlü Anahtarlama Zaman bölüşümlü anahtarlarda (time division switching) bütün girişler ve çıkışlar tarafından paylaşılan hızlı bir veri yolu ya da bellek vardır. Şekil 5.2 her iki örneği de göstermektedir. Paylaşılan ortamlar üzerinde aynı anda sadece tek bir giriş-çıkış çifti için veri aktarımı yapılabilir. Bu nedenle, teknik zaman bölüşümlü olarak adlandırılır. Paylaşılan ortam bellek olunca bir çoğullayıcıya ve çoğullama çözücüye ihtiyaç duyulur. Hangi giriş-çıkış çiftleri arasında veri aktarımı yapılacağı konrol işlemcisi tarafından belirlenir. Zaman bölüşümlü anahtarların kapasitesi paylaşılan ortamın kapasitesi ile kısıtlıdır. Şekil 5.2 Zaman bölüşümlü anahtarlama 2
5.1.2 Uzam Bölüşümlü Anahtarlama Uzam bölüşümlü anahtarlamada (space division switching) aynı anda birden fazla girişçıkış çifti için anahtarlama yapılabilir. Bu anahtarlarda kapasite, teorik olarak, (herhangi bir giriş hattının kapasitesi) x (giriş sayısı) kadar arttırılabilir. Ancak bu pratikte her zaman mümkün değildir. Anahtarlama sırasında birden fazla paket anahtar içindeki aynı iç yolu kullanmak veya çıkış portuna ulaşmak isteyebilir. Bu durumda çekişme (contention) olur ve paketlerden biri yoluna devam ederken diğeri yok edilir ya da arabelleklerde bekletilir. Çekişmeler anahtar içi çekişmeler ve çıkış portu çekişmeleri olmak üzere ikiye ayrılır. Anahtarın yapısına bağlı olarak çekişmeler farklı teknikler kullanılarak çözülebilir. Yapısı gereği iç çekişmelerin oluşmasına imkan veren anahtarlara tıkanabilen (blocking) anahtarlar denir. Diğerlerine ise tıkanmaz (nonblocking) anahtarlar denir. Uzam bölüşümlü anahtarları iki grupta inceleyebiliriz : tek seviyeli anahtarlar, çok seviyeli anahtarlar. 5.1.2.1 Tek Seviyeli Anahtarlar Tek seviyeli (single stage) anahtarlarda gelen paket tek bir sekme sonucunda çıkışa (çıkış portuna) erişebilecek hale gelir. Bu anahtarlarda her bir giriş-çıkış port çifti arasında o bağlantıya özel bir hat bulunur ya da yaratılabilir. Tek seviyeli anahtarların en basit örneği çaprazlayıcı anahtardır (crossbar). Bu anahtarlar Şekil 5.3 te gösterildiği gibi gerçeklenebilir. Uzam bölüşümü özelliği şekilde açıkça görülür. Birinci girişten beşinci çıkışa bir paket aktarılırken, aynı anda ikinci girişten üçüncü çıkışa başka bir paket de aktarılabilir. Çaprazlayıcılarda anahtar içi çekişmeler yaşanmaz. Bu da herhangi bir anda giriş portlarına gelen paketlerin farklı çıkış portlarını istemesi durumunda her birinin yerine ulaşacağını gösterir. Bu nedenle tıkanmasız anahtarların en iyi örneklerindendir. Farklı girişlere gelen paketlerin aynı çıkış portunu istemesi durumunda çıkış portu çekişmeleri yaşanır. 1 2 1 2 1 2 N N N 1 2 N Şekil 5.3 Tek seviyeli uzam bölüşümlü anahtarlar 3
Çaprazlayıcılarda her bir çaprazlama noktası (crosspoint) bir anahtarlama elemanı (switching element) olarak adlandırılır ve paketin bir girişten diğerine aktarılmasını sağlar. Çaprazlayıcıların karmaşıklığı anahtarlama elemanlarının ve bağlantıların miktarı düşünüldüğünde N 2 dir. N nin değeri arttıkça çaprazlayıcıların gerçeklenmesi güçleşir çünkü tüm giriş ve çıkış portlarına giden bağlantıların aynı yonga üzerinde olması gerekir. Buna karşın tıkanmasız bir yapıya sahip olması bu anahtarları pek çok uygulama için çekici hale getirir. 5.1.2.2 Çok Seviyeli Anahtarlar Çok seviyeli (multi-stage) anahtarlar, çok seviyeli arabağlantı ağları olarak da adlandırılır. Adından da anlaşılanileceği gibi bir paketin çıkış portuna ulaşabilmesi için bir kaç sekme yapması gerekir. Her sekme geçilen anahtarlama elemanı sayısını gösterir. Çaprazlayıcılarda bir olan sekme sayısı çok seviyeli anahtarlarda anahtarın yapısına bağlı olarak değişim gösterir. Şekil 5.4 te çok seviyeli anahtar ailesinde yeralan bir grup anahtar yapısı görülmektedir. Banyan, Clos ve Benes ağları çok seviyeli anahtar yapılarında sıkça kullanılır. a) Banyan anahtarı b) Clos anahtarı c) Benes anahtarı Şekil 5.4 Çok seviyeli uzam bölüşümlü anahtarlar 4
Çok seviyeli anahtarlardan Banyan anahtarlar üzerindeki paketler merkezi bir birimin kontrolü olmadan kendiliğinden yönlenebilir (self-routing). Yolun kendiliğinden bulunması sırasında her seviyedeki anahtarlama elemanı ilgili adres bitinin değerine bakarak paketin gönderileceği çıkışa karar verir. Örneğin Şekil 5.5 teki 2x2 boyutundaki anahtarlama elemanlarından oluşmuş Banyan anahtarına gelen ve 110 adresli çıkışa gitmek isteyen paket için 1. seviyede, 1 çıkışı (alttaki çıkış), 2. seviyede, 1 çıkışı (alttaki çıkış), 3. seviyede, 0 çıkışı (üstteki çıkış) seçilir. Sonuçta, paket 110 adresine sahip çıkışa iletilmiş olur. Yukarıdaki örnekte görüldüğü gibi, anahtarların çıkışları gibi anahtarlama elemanlarının çıkışları da numaralanır (sıfırdan başlayarak). Bu numaralandırma düzeni paketlerin yönlendirilmesinde kullanılır. Bir paket hangi girişe gelirse gelsin, yönlendirilirken Banyan anahtarındaki her anahtarlama elemanında aynı yöntem uygulanır. Şekil 5.5 Bir Banyan anahtarında paket yönlendirme Çok seviyeli anahtar yapılarında, Şekil 5.6 da gösterildiği gibi hem anahtar içi çekişmeler hem de çıkış portu çekişmeleri yaşanabilir. İç çekişmeler farklı çıkışlara ulaşmak isteyen paketlerden de kaynaklanabilir. Bunun nedeni bazı yolların farklı yollara ulaşırken ortak kullanılmasıdır. Çıkış portu çekişmesi ise aynı çıkışa ulaşmak isteyen paketler olduğunda kaçınılmazdır ve anahtarın yapısından bağımsızdır. Yapısından dolayı iç çekişmelere izin veren anahtarlara tıkanabilen (blocking) anahtarlar denir. Sadece çıkış portu çekişmesine izin veren anahtarlara ise tıkanmaz (nonblocking) anahtarlar denir. Tıkanabilen anahtarların bu yönünü iyileştirmek için özel tekniklerin kullanılması gerekir. 5
Şekil 5.6 Çok seviyeli bir anahtardaki çekişme tipleri Çok seviyeli anahtarları modüler yapıları nedeniyle birkaç yonga üzerinde gerçeklemek mümkündür. Bu da, anahtarın ölçeklenebilir olmasını sağlar ve önemli bir avantajdır. 5.2. Köprüler Köprüler (bridges) aynı protokolü kullanan yerel alan ağlarını birbirine bağlamak için kullanılır. Köprülerle bağlanmış yerel alan ağları kullanıcıya tek bir yerel alan ağı varmış izlenimini verir. Köprüler verinin adres kısmını incelerler ve yerel bir bilgisayarı hedef alan paketleri diğer ağlara geçirmezler. Şekil 5.7 te birkaç köprü kullanarak birleştirilmiş bir yerel alan ağ grubu görülmektedir. Köprülerin birleştirdiği yerel alan ağlarının her birine bölüt (segment) adı verilir. Şekil 5.7. Bir kaç köprü ile birleştirilmiş yerel alan ağları 6
Daha büyük ve tek bir ağ kullanmak yerine küçük yerel alan ağlarını birbirine köprüler üzerinden bağlamanın uygulamada pek çok yararı vardır. 1) Aynı bölümde çalışan ekibi tek bir yerel alan ağ üzerine toplayarak onların arasındaki trafiğin diğer bölümlerin ağları üzerine yayılmasını önlenmiş olur. Bu hem kaynakların verimli kullanımını sağlar hem de güvenlik açısından önemlidir. 2) Küçük yerel ağlar oluşturup bunları birbirine bağlamak büyük ve tek bir ağ oluşturmaktan daha ekonomik olabilir. Köprüler bağlı bulundukları yerel alan ağları üzerindeki bilgisayarların adreslerini bilirler ve paketleri gerekli ağlara kopyalarlar. Bu bilgilendirme bazen operatör tarafından yapılır. Eğer uyarlanır (adaptive) ya da öğrenebilen (learning) bir köprü kullanılıyorsa, köprü bu bilgiyi ağ üzerindeki işlemleri gerçeklerken öğrenir. Bu işlemi Şekil 5.8 teki ağ üzerinde izleyebiliriz. Köprü gelen çerçevelerdeki kaynak adreslerini takip ederek bilgisayarların yer aldığı yerel alan ağları hakkında bilgi edinir ve bunu ilgili tabloya yazar. Gelen çerçeveler de bu tablolardaki verilere göre ilgili yerel alan ağına gönderir. Bir köprü, nerede olduğunu bilmediği bir bilgisayar için gelen çerçevelerin bağlı bulunduğu tüm yerel alan ağlarına iletilmesini sağlar. Bölüt X B Bölüt Y A B C D E F Şekil 5.8. İki yerel alan ağını bağlayan bir öğrenebilen köprü Şekil 5.8 teki ortama yerleştirilen köprünün akan trafiğe bakarak tablolarını oluşturmasını Şekil 5.9 da izleyebiliriz. Senaryo her ne olursa olsun, öğrenebilen köprü gelişmelere bakarak tablolarını oluşturur. Bu arada, hiç trafik yaratmayan bir bilgisayarın hangi bölütte olduğunu bilmek mümkün olmayacaktır. Olay Tablo Bölüt X Tablo Bölüt Y Köprü çalışmaya başlar - - A, D ye çerçeve gönderir A B, C ye çerçeve gönderir A, B D, A ya çerçeve gönderir A, B D F tüme gönderir (broadcast) A, B D, F E, F ye çerçeve gönderir A, B D, E, F C, A ya çerçeve gönderir A, B, C D, E, F Şekil 5.9 Olası bir senaryo için Şekil 5.8 teki köprüye ait tabloların oluşturulması 7
Köprülerden oluşan bir ağda halkaların oluşturulmamasına dikkat edilmelidir. Bir halka oluşumunda halkada yer alan bölütlerdeki bilgisayarlara aynı çerçeveler bir kaç kez ulaşacaktır. Bu durumda bazı köprülerin veri aktarmasına izin verilmemelidir. Birbirinden uzak yerel alan ağlarını kiralık hatlar (leased lines) üzerinden birleştirmek için, Şekil 5.10 da gösterildiği gibi uzak köprüler (remote bridges) kullanılır. Şekil 5.10 Uzak köprüler [1] den alınmıştır. 5.3. Yönlendiriciler Yönlendiriciler (routers), paketlerin kaynaktan varış noktasına iletimini sağlayan birimlerdir. İki nokta (kaynak-varış) arasındaki uygun yolun bulunması (geçilecek düğümlerin belirlenmesi) onların görevidir. Yerel alan ağları ile geniş alan ağları arasındaki geçişleri de sağlarlar. Yönlendiriciler, Şekil 5.11 de gösterildiği gibi, farklı protokollere sahip yerel alan ya da geniş alan ağlarını da bir araya getirirler. Şekil 5.11 Farklı protokolleri kullanan yerel alan ağlarının bir yönlendirici ile bağlanması 8
Yönlendirme sırasında yönlendirme tabloları kullanılır. Yönlendirme tablolarında bir varış noktasına giden en uygun yolun bulunması için kullanılacak parametreler saklanır. Bu tablolar özel yönlendirme algoritmaları kullanılarak hazırlanır. Bölüm 6 da bu algoritmalar üzerinde detaylı olarak durulacaktır. Yönlendirme tabloları ile ilgili önemli noktalardan biri de bu tablolar üzerindeki arama süresidir. Yönlendirme tabloları çok büyük olabilir. Yüksek kapasiteli hatlardan birim zamanda gelen paket miktarının yoğunluğu da düşünülerek tablolardaki arama (tablolara erişim) süresinin düşürülmesi gerekir. Bu amaçla hem yazılım hem de donanım temelli iyileştirici yöntemler kullanılır. Yönlendiricileri merkez (core) ve kenar(edge) yönlendiriciler olmak üzere, Şekil 5.12 de gösterildiği gibi, iki sınıfa ayırabiliriz. Merkez yönlendiriciler daha fazla porta, hızlı hatlara ve yoğun bir trafiğe sahiptir. Bu yoğunluk altında hızla çalışabilmesi için hızlı bir donanım ve bellek erişim (yönlendirme tablosuna ulaşmak için) mekanizmasına ihtiyacı vardır. Merkez yönlendiricilerinin dayanıklılığı çok hassas bir noktadır. Bozulmaları büyük kayıplara neden olabilir. Bu nedenle yedekli çalıştırılmalıdırlar. Kenar yönlendiriciler ise geniş alan ağlarına yerel trafiğin aktarılması için kullanılır. Şekil 5.12 Merkez ve kenar yönlendiriciler 9