Link Aggregation/Link Aggregation Control Protocol

topic kurze Beschreibung

Beschreibung

Link Aggregation (kurz: LA) bezeichnet im Rahmen der Netzwerktechnik verschiedene Verfahren zur Bündelung mehrerer physischer LAN-Schnittstellen zu einem logischen Kanal zum Zwecke der Erhöhung des Datendurchsatzes und der Ausfallsicherheit gegenüber einer einfachen Netzwerkschnittstelle.

• Eine verbreitete und herstellerübergreifende Implementierung stellt das Link Aggregation Control Protocol (LACP) dar, welches im Rahmen der IEEE als IEEE 802.3ad, seit dem Jahr 2008 als IEEE 802.1AX bezeichnet, normiert ist.

Neben LACP bestehen noch proprietäre Lösungen zur dynamischen Bündelung, zum Beispiel das PAgP von Cisco, MESH von HP.

• Weiterhin existieren noch statische Link-Aggregation-Verfahren, die alle mehr oder weniger proprietär sind und somit nicht herstellerübergreifend eingesetzt werden können.

Link Aggregation nach IEEE 802.1AX-2008 (früher IEEE 802.3ad) ist ein Standard zur parallelen Bündelung von mehreren Netzwerkverbindungen.

• Vorteile einer Link Aggregation gegenüber einer herkömmlichen Verbindung über ein einzelnes Kabel sind eine höhere Verfügbarkeit sowie eine höhere mögliche Übertragungsgeschwindigkeit (abhängig von den jeweiligen Lastverteilungs-Algorithmen).
• In diesem Artikel finden Sie Grundlagen Informationen zu Link Aggregation und LACP, ein konkretes Beispiel dazu im Artikel Link Aggregation beim Modular Server.

Entwicklung

Die ersten Implementierungen dieser Technik stammen von Kalpana (heute Cisco) und dienten ursprünglich ausschließlich der Erhöhung des Datendurchsatzes zwischen zwei Ethernet-Switches, welche ebenfalls von Kalpana erfunden wurden.

• Heutige Implementierungen können auch Server und andere Systeme wie Network Attached Storage (NAS) per Link Aggregation mit höherem Durchsatz an eine Netzwerkstruktur anbinden.

Bezeichnung

Je nach Hersteller oder Kontext werden für die Bündelung von Ethernet-Schnittstellen verschiedene Bezeichnungen als Synonyme für Link Aggregation benutzt:

• Link Aggregation (LA) und Link Aggregation Control Protocol (LACP) als normierter Begriff bei IEEE
• Bündelung als deutscher Begriff für die Ethernet-Kanal-Bündelung
• Bonding im Linux-Umfeld
• Etherchannel bei Cisco
• Port Aggregation bei Hewlett-Packard
• Trunking bei Brocade, Sun Microsystems und einigen anderen Herstellern
• Teaming bei Novell Netware und Microsoft Windows

Allgemeines

Ein PC ist mittels zweier Ethernet-Verbindungen und der Link Aggregation mit einem zentralen Switch verbunden

Allgemein werden mehrere physische Ethernet-Schnittstellen, welche alle als Fullduplex-Verbindungen ausgeführt sein müssen, zu einer logischen Endpunktverbindung zwischen zwei Geräten zusammengeschaltet, beispielsweise einem PC mit zwei Ethernet-Schnittstellen, welche parallel mit zwei Ports an einem Netzwerk-Switch verbunden werden. Üblicherweise wird LA bei Datenraten von 1 GBit/s und darüber bei Gigabit-Ethernet eingesetzt.

Durch die parallelen Verbindungen kann, der Anzahl der zusammengefassten Verbindungen entsprechend, der Gesamtdurchsatz höher sein.

• Ein weiterer Vorteil ist eine erhöhte Verfügbarkeit dieser Art von Verbindung.
• So können bei einigen Verfahren eine oder mehrere physische Schnittstellen ausfallen, ohne dass der logische Kanal unterbrochen wird, solange zumindest noch eine physische Verbindung besteht.
• Lediglich der Datendurchsatz vermindert sich entsprechend den fehlenden Verbindungen.

Eigenschaften

Im Netzwerk-Stack ist der Link Aggregation Sublayer innerhalb des Data Link Layers (Sicherungsschicht) implementiert, konkret zwischen dem MAC Client und MAC Sublayern

Eine Link Aggregation Group (LAG) nach IEEE 802.1AX-2008 (früher IEEE 802.3ad) hat folgende Eigenschaften:

• LAG bietet ein automatisches Recovery bei Ausfällen von einzelnen physischen Links.
• Solange zumindest ein physischer Link vorhanden ist, bleibt die LAG Verbindung aufrecht.
• Der Datenverkehr wird frameweise über die physischen Links verteilt.
• Alle Frames, die zu einer bestimmten Datenkommunikation gehören, werden aber über dieselbe physische Verbindung (Kabel) übertragen.
• Das gewährleistet die Zustellung der einzelnen Frames einer Datenkommunikation in der richtigen Reihenfolge (verhindert mis-ordering).

Verteilung des Datenverkehrs

Link Aggregation erlaubt die Verteilung von Ethernet Frames auf alle verfügbaren physischen Links einer LAG.

• Damit übersteigt der mögliche Datendurchsatz die Datenrate eines einzelnen physischen Links.

Für die Verteilung (Frame Distributor) definiert der IEEE Standard allerdings keine konkreten Algorithmen.

• Die einzigen Vorgaben sind:
• Die Reihenfolge von Frames einer bestimmten Datenkommunikation darf nicht vertauscht werden.
• Frames dürfen nicht dupliziert werden.

Das Original-Zitat aus dem Kapitel 5.2.4 Frame Distributor beschreibt das folgendermaßen:

This standard does not mandate any particular distribution algorithm(s); however, any distribution algorithm shall ensure that, when frames are received by a Frame Collector as specified in 5.2.3, the algorithm shall not cause

a) Misordering of frames that are part of any given conversation, or

b) Duplication of frames.

The above requirement to maintain frame ordering is met by ensuring that all frames that compose a given conversation are transmitted on a single link in the order that they are generated by the MAC Client; hence, this requirement does not involve the addition (or modification) of any information to the MAC frame, nor any buffering or processing on the part of the corresponding Frame Collector in order to reorder frames.

Die Qualität wie gut die einzelnen Frames verteilt werden und wie hoch der praktische mögliche Datendurchsatz steigt, hängt somit von der konkreten Implementierung der Link Aggregation in einem Switch bzw. Treiber ab.

• FreeBSD verwendet dazu beispielsweise eine Hash des Protokoll Headers.
• Der Hash beinhaltet dabei Ethernet/MAC Quell- und Zieladressen, falls verfügbar ein VLAN-tag, sowie IPv4/IPv6 Quell- und Zieladressen.

Weitere Informationen dazu finden Sie im Artikel Link Aggregation Lastverteilungs-Algorithmen.

Bündelungsverfahren

Option	Beschreibung
Roundrobin	Hier werden alle zur Verfügung stehenden Leitungen abwechselnd der Reihe nach benutzt.
DA-Trunking	Hier wird anhand des Modulo der Destination-MAC-Adresse die elementare Schnittstelle gewählt.
SA-Trunking	Hier wird anhand des Modulo der Source-MAC-Adresse die elementare Schnittstelle gewählt.
SA-DA-Trunking	Hier wird anhand des Modulo der Source-MAC-Adresse und der Destination-MAC-Adresse die elementare Schnittstelle gewählt.
Adaptives Trunking	Hier wird erst bei 100 % Auslastung der ersten elementaren Schnittstelle eine weitere zugeschaltet.
Dynamisches Trunking	ist im Standard Link Aggregation Control Protocol (LACP) und bei proprietären Verfahren wie PAgP möglich.

Grundlegende Implementierung

Die grundlegende Implementierung einer Kanalbündelung zwischen zwei Ethernet-Switches kommt mit erstaunlich geringen Änderungen (im Vergleich zu einem normalen Switch) aus.

• Natürlich muss das Management Interface zur Definition des Trunks erweitert werden.
• Dann ist die Art und Weise, wie ein Switch seine SAT (engl. Vorlage:Lang – Tabelle mit den MAC-Adressen der Absender) erlernt, betroffen, und schließlich werden Broadcasts und Pakete, die an unbekannte Ziel-MAC-Adressen gerichtet sind, vom Trunk gesondert behandelt.

• Management Interface: Es müssen Menüstrukturen zur Verwaltung der Trunks geschaffen werden.
• Adress-Lernphase: Empfängt ein Switch auf einem Trunk-Port eine unbekannte Absenderadresse, so wird diese nicht automatisch dem Adressstapel (SAT) dieses Ports zugeordnet, vielmehr versucht der Switch allen Mitgliedern des Trunks eine gleiche Netzlast zuzuordnen und wird daher neue Absenderadressen gleichmäßig auf alle zum Trunk gehörenden Ports verteilen.
• So erhält also etwa der Port, der momentan die wenigsten Einträge in seiner SAT führt, die neue Adresse.
• Je nach Implementierung kommen auch andere Verteilungsstrategien zum Einsatz, siehe Abschnitt Bündelungsverfahren.
• Broadcasts und unbekannte Adressen: Diese werden bei einem Trunk nicht über alle Ports geschickt, sondern pro Trunk nur über eine Leitung, im Allgemeinen wird der Port mit der niedrigsten Port-Nummer gewählt.
• Je nach Implementierung werden zur Auswahl des Ports auch andere Strategien genutzt, siehe Abschnitt Bündelungsverfahren.

Interessanterweise sind keine weiteren Maßnahmen nötig, um eine einfache Implementierung zu realisieren.

• Die Implementierung der Transportmechanismen (Vorlage:Lang, Vorlage:Lang usw.) benötigt keine Änderung.
• Dennoch ist diese grundlegende Implementierung bei weitem nicht optimal und eignet sich eigentlich nur für das Koppeln zweier Netze.
• Ein Nachteil besteht darin, dass je MAC-Adresse nur ein Port des Trunks benutzt wird – für eine einzelne Station bedeutet es, dass sie keine Vorteile hat – nur das Netz insgesamt profitiert.
• Weiterhin kann es vorkommen, dass die aktivsten Stationen zufällig alle dem gleichen Port zugeordnet sind, so dass folglich die Last nicht gleichmäßig innerhalb des Trunks verteilt wird.
• Auch gibt es Bündelungsverfahren, die leistungsstarke Server anbinden können.
• All diese Fakten haben dazu geführt, dass viele Hersteller verschiedene, aber auch weiterentwickelte Implementierungen anbieten.
• Diese sind in der Regel nicht miteinander kompatibel.
• Diese Inkompatibilitäten haben dazu geführt, dass sich das IEEE mit dem Problem befasst und das Link Aggregation Control Protocol (LACP, IEEE 802.3ad) spezifiziert hat.

Link Aggregation

Static Link Aggregation

Bei der statischen Link Aggregation werden alle Konfigurationsparameter einmalig auf beiden beteiligten Komponenten einer LAG eingerichtet.

Anmerkung: VMware ESX/ESXi 4.0, 4.1 & ESXi 5.0 unterstützen ausschließlich Static Link Aggregation. Seit ESXi 5.1 wird Dynamic Link Aggregation/LACP auch unterstützt. Es gibt jedoch auch mit ESXi 5.5 noch bestimmte Einschränkungen bei der Verwendung von LACP.

Der IEEE Standard beschreibt die Steuerung der Link Aggregation in Kapitel 5.3 Link Aggregation Control ab Seite 23.

Dynamic Link Aggregation - Link Aggregation Control Protocol (LACP)

Das Link Aggregation Control Protocol (LACP) erlaubt darüber hinaus den Austausch von Informationen bezüglich der Link Aggregation zwischen den zwei Mitgliedern einer Link Aggregation.

• Diese Informationen werden in LACPDUs (Link Aggregation Control Protocol Data Units) verpackt.

Bei LACP kann jeder einzelne Port als Active LACP oder Passive LACP konfiguriert werden:

• Passive LACP: der Port bevorzugt von sich aus keine LACPDUs zu übertragen.
• Nur wenn die Gegenstelle Active LACP hat, überträgt der Port LACPDUs (preference not to speak unless spoken to).
• Active LACP: der Port bevorzugt LACPDUs zu übertragen und somit das Protokoll zu sprechen - unabhängig davon ob die Gegenstelle Passive LACP hat oder nicht (a preference to speak regardless).

LACP bietet gegenüber einer statischen Link Aggregation folgende Vorteile:

• Ein Ausfall eines physischen Links wird selbst dann erkannt, wenn die Punkt-zu-Punkt Verbindung über einen Media Konverter läuft und damit der Link-Status am Switchport auf Up bleibt.
• Da LACPDUs auf dieser Verbindung damit ausbleiben, wird dieser Link aus der LAG entfernt.
• Somit gehen darüber keine Pakete verloren.
• Die beiden Geräte können sich gegenseitig die LAG Konfiguration bestätigen.
• Bei statischer Link Aggregation werden Konfigurations- oder Verkabelungsfehler oft nicht so schnell erkannt.

Der IEEE Standard beschreibt LACP im Kapitel 5.4 Link Aggregation Control Protocol (LACP) ab Seite 30.

Anwendungen

Voraussetzungen

Die einzelnen Links einer Link Aggregation Group müssen immer parallele Punkt-zu-Punkt Verbindungen sein.

Alle verwendeten Links müssen

• im full-duplex Modus sein
• die gleiche Datenrate (zumeist 1 GBit/s) haben
• parallele Punkt-zu-Punkt Verbindungen sein
• an einer Endstelle immer genau auf einen Switch oder Server gehen.
• Link Aggregation mit mehreren Switches an einem Ende der Link Aggragation wie etwa bei Split Multi-Link Trunking (SMLT) von Nortel ist nicht möglich. Einzige Ausnahme sind virtuelle Switche, die zwar aus mehreren physischen Switchen bestehen, nach außen sich aber wie ein einzelner Switch verhalten (z.B.
• Cisco Virtual Switching System 1440 (VSS1440) oder Juniper Virtual Chassis (3000er/4000er Reihe)).

Siehe auch

Allgemein

• Link Aggregation steigert Sicherheit und erhöht Durchsatz (ADMIN Magazin 4/2012)
• LACP (de.wikipedia.org)
• Network Connectivity: IEEE 802.3AD Dynamic and Static Switch configuration for different team modes (intel.com/support)
• Network Connectivity: How do I use Teaming with Advanced Networking Services (ANS)? (intel.com/support)
• Moderne LAN-Technologien: IEEE 802.1ad Link Aggregation (ip-insider.de, Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 24)
• Link Aggregation Control Protocol (LACP) (802.3ad) for Gigabit Interfaces (Cisco IOS Software Releases 12.2 SB)

Linux

• Linux Ethernet Bonding Driver HOWTO (kernel.org)
• Link Aggregation and High Availability with Bonding (Guide to IP Layer Network Administration with Linux)
• How to configure network bonding in Linux (backdrift.org)
• NIC Bonding unter Debian

Links

Weblinks

1. IEEE 802.x Standards (LAN)
2. Link Aggregation und LACP Grundlagen (Thomas Krenn Wiki)
3. Etherchannel und Load Balancing bei Cisco
4. Port Trunking bei Hewlett-Packard

Testfragen

Testfrage 1

Antwort1

Testfrage 2

Antwort2

Testfrage 3

Antwort3

Testfrage 4

Antwort4

Testfrage 5

Antwort5