Proje Danışmanı: Yrd Doç Dr Ece G. SCHMIDT Proje Sorumlusu: Mustafa SANLI 9.5.2008 Rapor no: 3 Bu proje Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde yürütülmekte olan Yüksek Hızlı Ağlar İçin Zamanlama ve Anahtarlama Mimarilerinin Tasarımı ve Gerçeklenmesi başlıklı doktora tezinin bir parçasıdır. Yönelticiler ve Ağ Anahtarları Teorik Altyapı
1- Giriş İnternet, milyonlarca cihazın bakır, radyo, fiber ve uydu gibi haberleşme hatlarıyla bir birine bağlanmasıyla oluşan ağlardan meydana gelmektedir. Bu ağlarda veri paketleri, son sistemler arasında yönelticiler (router) sayesinde yollarını bulur. Yönelticilerin temel görevi, herhangi bir giriş hattından gelen veri paketinin gitmesi gereken hedefe uygun çıkış hattına iletmektir. Şekil 1 de 3 son sistem ve birçok yönelticiden oluşan bir bilgisayar ağı gösterilmektedir. Şekil 1: 3 son sistem ve bir çok yönelticiden oluşan bir bilgisayar ağı Bir paket alındığında, yöneltici öncelikle paketin başlık (header) kısmındaki hedef adres bilgisini okur. Yönelticide bulunan iletim tablosuna bakılarak bu adrese karşılık gelen çıkış portu bulunur. Sonrasında, yöneltici paketin başlık 2
kısmını ihtiyaca göre değiştirir ve çıkış portuna gönderir. Çıkış portlarında paket kuyrukta bekletilir ve bir süre sonra çıkış hattına verilir. Ağ mimarisi düşünüldüğünde, yönelticiler 3. seviyede çalışırken, ağ anahtarları (network switches) 2. seviyede çalışan cihazlardır. Her iki cihazın da donanımı oldukça benzerdir. Yönelticilerde ek olarak 3. seviye ağ yazılımı bulunmaktadır. Bu nedenle çalışmamızda ağ anahtarları üzerinde durulacaktır. 2- Ağ Anahtarlarının Yapısı Genel anahtar mimarisi aşağıdaki bileşenlerden oluşur. Giriş ve çıkış portları (hat kartı da denmektedir) Bağlantı örgüsü (switch fabric) CPU Şekil 2 de bir ağ anahtarının iç yapısı gösterilmiştir. Hat kartları (line card), verinin anahtara girdiği ve anahtardan çıktığı yerlerdir. Hat kartları, bilgisayar ağını bağlantı örgüsüne bağlar. Elektriksel-optik çevrim, seri-paralel dönüşümü, senkronizasyon, çerçeve işleme (frame processing) gibi fiziksel işlemler hat kartlarında yer alır. Bağlantı örgüsü, giriş ve çıkış hatlarını birbirine bağlar ve anahtarlama işini üstlenir. Anahtarlamadan sonra, paketler çıkış hat kartlarının tampon belleğinde kuyruklanır. Çıkış hattına gönderilecek paket, çıkış hat kartındaki hizmet kalitesi çizelgeleyici tarafından seçilir. Hizmet kalitesi çizelgeleyicinin görevi, farklı trafik kaynaklarına hizmet ayrıcalıkları ve öncelikler sağlamaktır. CPU, adres tablosunun güncellenmesi, paket istatistiklerinin toplanması gibi genel yönetim ve bakım görevlerini üstlenmiştir. 3
Şekil 2: Bir ağ anahtarının iç yapısı Anahtar mimarisinin en önemli özelliklerinden birisi bağlantı örgüsünün speedup ıdır. Speedup, çıkış hat kartına anahtarlanabilen veri hızının cıkış hat hızına oranı olarak tanımlanmaktadır. Speedup ın 1 olduğu durumda, bağlantı örgüsünün hızı çıkış hattının hızına eşittir ve bunun sonucunda, bütün paketler giriş hat kartlarında kuyruklanır ve servis için bağlantı örgüsünü bekler. Ağ anahtarının N giriş ve N çıkış portu olduğunu farzedersek, speedup 1 ile N arasında olursa bazı paketler giriş hat kartında bağlantı örgüsünü bekleyecekler, bazı paketler de çıkış hat kartında hizmet kalitesi çizelgeleyiciyi bekleyeceklerdir. İdeal performansa speedup ın N olduğu durumda ulaşılır. Bu durumda, bağlantı örgüsü tüm giriş hat kartlarından gelen paketleri çıkış hat hızında iletebilecek kadar hızlı olduğu için, giriş hat kartlarında bekleyen hiç paket bulunmaz. Tüm paketler çıkış hat kartlarında kuyruklanır. Speedup=N durumunda, hizmet kalitesi çizelgleyicinin bekleyen tüm paketlere erişimi vardır. İstenilen paket çıkış hattına verilmek üzere seçilebilir. Speedup=N durumu hizmet kalitesi desteğinin en iyi sağlanabildiği durumdur. 4
3- Hizmet Kalitesi (Quality of Service veya QoS) Hizmet kalitesi, gecikme, seğirme ve kayıplara duyarlı uygulamaların verimli çalışabilmesi için kaynak garantileri ve servis farklılığı sağlama yeteneğidir. Hizmet kalitesi, ağdaki farklı akışlara ve paketlere farklı öncelikler atayarak ve verilen servisi farklılaştırarak sağlanır. Hizmet kalitesi desteği sağlayabilmek için, hizmet kalitesi çizelgeleyici, çıkış portlarında kuyruklanan paketlerin hangi sırayla çıkacağına karar verir. Günümüz ağ anahtarlarında, artan hizmet kalitesi gereksinimleri çizelgeleyici tasarımlarını çok önemli ve popüler bir çalışma alanı haline getirmiştir. Literatürdeki çalışmalar bir sonraki raporda anlatılmıştır. 5