(Chap11) LAN overview

• Bridge

  • What is a goal of a bridge?  to extend LAN by separating a collision domain at Physical layer and increasing throughput (decreasing end-to-end latency)
  • What are other benefits of connecting multiple LAN segments with a bridge in terms of reliability, security and geography?
  • Bridges can connect different MAC protocols as well as the same type of MAC protocols.
  • Is there an LLC sub-layer on the bridge? Nope!

   

  What are the advantages of disadvantages of fixed/dynamic routing?
  
  

  Forwarding table

  • "forwarding table 엔트리의 MAC address" : 엔트리가 생성될 때는 수신한 프레임의 송신자(source) MAC 주소 를 기록하며, forwarding  table 을 lookup 할 때는 수신한 프레임의 수신자(destination) MAC 주소를 key 값으로 사용함.
  • The forwarding table of 802.1D MAC bridge protocol includes entries, < MAC address, an outgoing port, status, timer >.
  • When a frame F arrives at X, a bridge searches the table in order to find the entry E whose MAC address matches a destination MAC address in F. 

  1. The frame F is forwarded when the port Y ( != X) in the entry E and Y is not blocked" 
  2. The frame F is filtered when "the port in the entry E equals X", or when "the port in the found entry is blocked (status == blocking)",
  3. The frame F is  flooded when "no entry is found"; 아직 Address learning이 완료되지 않은 상태일 수 있으므로.. (연습문제에 추가설명)

   

  What are two effects of a loop in the topology of LAN segments (bridged LAN) ?

  • Broadcast storm : forward endlessly a broadcast frame whose destination MAC address is a broadcast MAC address (0xFFFFFFFFFFFF) 
  • MAC address flapping : Address learning 과정중 Forwarding table에 특정 MAC 주소에 해당하는 entry가 반복적으로 update 되는 현상 --> Endless flooding and/or unintended filtering  
  • Thus, we need a spanning tree algorithm which removes a loop in the bridged LAN.

   

  IEEE 802.1D MAC Bridge tries to form a minimum spanning tree (MST) which connects LAN segments without a closed loop.

  1. Set up ID and a cost per port for each bridge.
  2. Elect a Root Bridge
  3. Each bridge selects a root port among its ports. (각 브릿지 마다 자신의 포트들 중 Root bridge에 도달하기에 가장 가까운(최소 비용) 포트를 찾아 root port로 지정.)
  4. For each LAN segment, a designated port is determined. (각 LAN segment 마다 Root bridge 와 가장 가까운 port 를 designate port 로 선정.)
  5. Each bridge blockㄴ the port which is neither a root port nor a designated port. (Root 포트도 아니고 Designated 포트도 아닌 포트의 status를 blocking으로 변경하고 사용하지 않음. 그러나 추후 네트워크 토폴로지가 변경되면 사용될 수도 있음)
  6. 이런 과정은 bridge 들이 BPDU를 주고 받으면서 distributed algorithm으로 동작함.

  What are differences among a hub, a bridge and a L2-switch?

  • Unlike Hubs, bridges and L2-switches can connect nodes which use the different MAC protocols and/or different data rate using a buffer.
  • All stations connected via a hub are in the same collision domain, thus hubs slow down the network Meanwhile, bridges and L2-switches separate the collision domains. Therefore, bridges and L2-switches reduce collision and increase throughput. 
  • Unlike hubs, bridges and L2-switches are more intelligent. Then bridges and L2-switches can forward a frame to a particular port based on a destination MAC address by learning which source MAC address arriving at which port. Also, they can resolve a closed loop in a network topology by computing a spanning tree in the network topology.
  • Unlike bridges, L2-switches can forward multiple frames at a time and can implement wire speed at each port and they are good for implementing a high-speed LAN; Bridge는 한 번에 한 개 frame만 store-and-forward 방식으로 처리하며, 일반적으로 2개의 포트로 사용되어 H/W 성능이 L2-SW 보다 떨어진다. 반면, L2-SW는 bridge의 소프트웨어 기능을 포함하면서, 다중의 station들을 star topology로 (multi-ports) 연결하여 고속 전송을 구현하기 위해 cut-through 방식을 포함, 하드웨어 성능을 높인 네트워크 장비이다. 

  • 허브에 연결된 모든 station들은 같은 collision domain에 속하므로, 두 개이상의 station들이  동시에 TX를 할 수 없다. 즉 허브에 연결된 모든 station들을 동일한 collision domain에 있고 따라서 MAC 프로토콜이 필요하다.
  • 버퍼를 이용하여 동시에 두 개 이상의 프레임을 스위칭하여 포트들 사이의 collision 이 발생하지 않는 L2-switch의 경우에도 station이 Half duplex NIC 카드를 사용하고 있으면 스위치 포트는 Half duplex 모드로 동작하며, 스위치 포트와 station의 NIC  카드 사이가 하나의 collision domain 이 된다. 즉, 스위치와 station 사이에 동시 TX 가 일어날 수 없어 둘 사이에  MAC 프로토콜이 필요하다.
  • Station의 NIC 카드가 full duplex 이고 스위치 포트를 full duplex 모드로 사용한다면 하나의 station이 TX와 RX를 동시에 할 수 있게 된다. 이런 상태가 되면 스위치와 station 사이 point-to-point 링크에서 collision은 발생하지 않으므로 MAC 프로토콜도 더 이상 필요없다. (12장에서 설명)

  • L2-switches have more interfaces (ports) than bridges. 만일 모두 half duplex NIC 카드를 사용하는 station들이 L2-SW에 연결되어있다면, max. throughput은 (스위칭 보드의 성능이 뒷받침된다는 가정하에) Source station과 destination station이 중복되지 않게 짝지어 (pair-wise하게) 통신하는 경우 (가령 10Mbps port 6개면, max. throughput은 30Mbps)에 해당한다. 
  • Full-duplex mode로 동작하는 L2-SW와 연결된 station이 모두 full-duplex adapter (NIC)를 사용한다면  (스위칭 보드의 성능이 뒷받침된다는 가정하에) 각 station이 TX와 RX를 동시에 할 수 있게되므로, max. throughput은  (모든 링크가 동일한 속도라고 가정할 때) [ link speed X port_개수 ] 로 증대한다. 
  • What are differences between a cut-through switch and a store-and-forward switch?
  • For up to 1Gbps Ethernet, Hubs, bridges and L2-switches can be used with stations operating in half or full-duplex mode. However, a L2-switch is required for Ethernet faster than 10Gbps and the stations should operate in full-duplex mode.

  • N개의 station이 하나의 broadcast domain 을 구성하고 있을 때 collision domain의 개수가 많을 수록 전체 throughput이 올라갈 확률이 높다. (MAC 알고리즘 성능 무시)
  • N개의 station이 하나의 collision domain 에 연결되어있을때 하나의 TX가 성공적일 확률, P_s = P X N X (1-P)(N-1) ; P는 각 staton이 TX 를 시도할 확률; 즉 collision domain에 포함된 "station 개수가 클수록 또한 하나의 staion이 TX할 확률이 높을 수로" (= network load가 높아질 수록) P_s는 낮아진다.