home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ian & Stuart's Australian Mac: Not for Sale / Another.not.for.sale (Australia).iso / fade into you / being there / Rants / Understanding Switching < prev   
Text File  |  1994-09-18  |  84KB  |  1,420 lines

  1.                                       Understanding Switching and Virtual Networking
  2.                                                         
  3.  
  4.  
  5.    THE BANDWIDTH CHALLENGE 
  6.                                                
  7.                    Not long ago, a single segment supported all users on the corporate LAN.  The typical user
  8.                    device was either an asynchronous terminal or an early generation PC or workstation.  In this
  9.                    environment, where few applications other than terminal emulation and network printing
  10.                    were used, a single LAN segment or ring provided sufficient bandwidth for all users.
  11.  
  12.                    Today, network traffic continues to increase, not only because of the large number of users
  13.                    but also because of the wide range of high-traffic applications supported.  Network
  14.                    administrators are being pressured to provide increasing bandwidth for users while keeping
  15.                    an eye on evolving technologies such as ATM, preserving as much of the existing
  16.                    infrastructure as possible, and living within budgetary constraints.
  17.  
  18.                    Wiring hubs that incorporate multiple LAN networks in combination with internal or
  19.                    external bridge/routers are some of the solutions being used to increase effective bandwidth
  20.                    and network manageability.  Other technologies are also playing an important role in
  21.                    increasing network throughput - some of these are already developed and mature and some
  22.                    are currently emerging.  These solutions include a range of technologies such as FDDI,
  23.                    module switching, port switching, LAN switching, and ATM switching.  Virtual networking
  24.                    is also emerging as a tool to improve network manageability.
  25.  
  26.  
  27.    THE SOLUTION SPECTRUM 
  28.  
  29.                    With a number of different approaches available for improving network throughput, a
  30.                    network administrator must weigh the merits and cost of each solution.  Many networks
  31.                    contain almost the full spectrum of available technologies, with the higher performance and
  32.                    higher-cost solutions existing at the top of the network pyramid (see Figure 1).
  33.  
  34.  
  35. xref image = fig1.tif
  36.  
  37.                                                     Figure 1: The Connections Pyramid
  38.  
  39.  
  40.  
  41.  
  42.                                Understanding Switching and Virtual Networking
  43.                                                  
  44.  
  45.  
  46.                 It is rare for a large network to require the higher-speed, costly technologies such as ATM
  47.                 and FDDI for each and every client station.  It is rarer still to find an organization that has a
  48.                 virtually unlimited budget allowing it to incorporate the latest technology throughout the
  49.                 network infrastructure.  Increasingly the challenge for network administrators is to identify
  50.                 the best technology for supporting a new or emerging application and to blend this
  51.                 technology with the existing network.
  52.  
  53.  
  54. Low-speed Shared LANs 
  55.                 Traditional LANS, such as Ethernet and Token Ring, can be found in almost every network
  56.                 and will continue to play a major role in future networks.  Network congestion occurs in
  57.                 these low-speed shared LANs when a single segment or ring is no longer able to support the
  58.                 generated traffic in a timely fashion.  The ability to segment a LAN into smaller, more
  59.                 manageable workgroups and to limit the traffic between these workgroups are critical
  60.                 components in improving network throughput.  LAN segmenting and traffic filtering are
  61.                 accomplished  using bridges and routers (see Figure 2).  Due to their ability to create multiple
  62.                 segments or rings, bridges and routers can reduce network congestion by effectively
  63.                 increasing the total amount of bandwidth available to each workgroup.
  64.  
  65.  
  66. xref image = fig2.tif
  67.  
  68.                                                  Figure 2: Low-Speed Shared LANs
  69.  
  70.                 Wiring hubs, in combination with network management, also play a role in reducing
  71.                 network congestion in low-speed shared LANS.  Wiring hubs support growing user
  72.                 populations in a structured fashion, similar to the star-wired telephone system, and provide
  73.                 improved problem diagnosis and resolution.  Each port on a wiring hub can be monitored for
  74.                 traffic loads and packet characteristics using network management tools, allowing a network
  75.                 administrator to pinpoint heavy traffic producers and to develop physical groupings around
  76.                 traffic patterns.
  77.  
  78.                 When to use low-speed shared LANs
  79.                 Low-speed shared LANs combined with internetworking devices provide an effective
  80.                 solution for reducing network congestion in small- to medium-sized networks.  As networks
  81.                 become larger and/or traffic increases, the number of available segments or rings becomes a
  82.                 limiting factor - both in physical connections and in the amount of bandwidth available to
  83.                 support traffic.  Other solutions, often in combination with low-speed LANS, need to be
  84.                 considered to address congestion issues.
  85.  
  86.  
  87.  
  88.  
  89.                                      Understanding Switching and Virtual Networking
  90.                                                         
  91.  
  92.  
  93. High-speed Shared LANs 
  94.                  One alternative for reducing congestion on a network is simply providing each user with                
  95.                  higher-bandwidth connections.  Network technologies that provide high-speed user
  96.                  connections include FDDI, TP-DDI, and two proposed standards for 100 Mbps Ethernet -
  97.                  100Base-T and 100Base-VG.  FDDI offers mature standards and products that are available
  98.                  from numerous vendors.  FDDI is typically  used  for  creating  high-speed  backbones  to  connect
  99.                  lower-speed technologies and for direct connection of servers and power users.  It is used to a
  100.                  lesser extent for client connections due to the cost of installing fiber optic wiring and
  101.                  equipping workstations and PCs with new adapter cards.  Per port cost for an FDDI
  102.                  connection is approximately $2000.
  103.  
  104.                  The recently completed TP-DDI standard for operating FDDI protocols over unshielded
  105.                  twisted pair (UTP) wiring may spur the use of FDDI protocols for client delivery.  However,
  106.                  even though TP-DDI may allow existing wiring to be used, the commonly employed 10
  107.                  Mbps Ethernet and 4/16 Mbps Token Ring network interface cards (NICS) and transceivers
  108.                  would still need to be replaced at each end station.  Today, it could cost between $1500 and
  109.                  $1700 per port for a TP-DDI connection.
  110.  
  111.                  The emerging 100 Mbps Ethernet standards also promise to provide high-speed shared
  112.                  media networks for end-user applications.  But although the IEEE 802.3 10OBase-T and
  113.                  IEEE 802.12 10OBase-VG proposals maintain Ethernet ftame compatibility, they require
  114.                  new NIC cards at each end station and will cost approximately $ 1000  per  port  to  implement.
  115.                  While both proposals intend to support operation over Category 3 and Category 5 wiring,
  116.                  only the IEEE 802.12  proposal  currently  demonstrates  Category  3  operation.  The  widespread
  117.                  commercial deployment of 100Base-T and 100Base-VG shared LANs will not occur until
  118.                  devices such as concentrators, switches, and high-end bridge/router interfaces, with proven
  119.                  interoperability, are available from multiple vendors.
  120.  
  121.                  When to use high-speed shared LANs
  122.                  High-speed shared LANs are most appropriate for supporting applications where multiple
  123.                  clients require high-speed access to servers and/or to each other, particularly under high  burst
  124.                  rate conditions.  In this type of application, lower-speed shared media can support users
  125.                  requiring speeds of 10 to 16 Mbps, while the high-speed shared media can support users
  126.                  requiring burst speeds in the range of 100 Mbps.
  127.  
  128.                  High-speed shared LANs are  most  commonly  used  to  address  the  specialized  requirements  of
  129.                  small, high-speed client/server networks.  In most corporations, these networks are usually
  130.                  limited to high-end engineering, medical imaging, and graphics-oriented applications.
  131.  
  132.                  While high-speed shared LANs do increase the available network bandwidth, they are
  133.                  expensive to implement for every station on a network.  The successful use of high-speed
  134.                  shared LANs assumes that adequate wiring, typically Category 5 twisted pair or fiber optic
  135.                  cabling, is already installed or can be installed.  High-speed network interface cards are also
  136.                  required for each client station and server to be connected to the  high-speed  network.  A  more
  137.  
  138.                                Understanding Switching and Virtual Networking
  139.                                                   
  140.  
  141.  
  142.                 cost-effective solution is to divide a single LAN into multiple segments and use
  143.                 internetworking devices in combination with high-speed backbones to provide
  144.                 communication among all devices.
  145.  
  146.  
  147. High-Speed Shared Backbones 
  148.  
  149.                 High-speed backbones can be used to interconnect multiple  lower-speed  hubs,  each  of  which
  150.                 supports groups of clients over low-speed shared-media interfaces, such as  10  Mbps  Ethernet
  151.                 (see Figure 3).  Servers can also be connected to the hubs or directly attached to the high-
  152.                 speed backbone.  While this approach does not provide higher  bandwidth  to  individual  client
  153.                 stations, it can help eliminate throughput bottlenecks to shared computing resources, such  as
  154.                 servers, as well as provide a high-capacity channel to service the communications
  155.                 requirements of a large number of hubs.
  156.  
  157.                 FDDI is often used in this configuration, providing a 100 Mbps shared communication
  158.                 backbone.  When operating over fiber, FDDI is capable of spanning large distances and
  159.                 providing a high level of fault tolerance.  This configuration is referred to as a distributed
  160.                 backbone network.
  161.  
  162.  
  163.  
  164. xref image = fig3.tif
  165.  
  166.  
  167.  
  168.                                               Figure 3: FDDI as a Distributed Backbone
  169.  
  170.                 Alternatively, FDDI (or TP-DDI) can be used in a local or collapsed backbone configuration
  171.                 - potentially making use of a single FDDI (or TP-DDI)  concentrator  to  implement  the  high-
  172.                 speed backbone (see Figure 4).  Some wiring hubs also include an internal FDDI ring.
  173.  
  174.  
  175.  
  176.  
  177.  
  178.                              Understanding Switching and Virtual Networking
  179.  
  180.  
  181. xref image = fig4.tif
  182.  
  183.                                             Figure 4: FDDI as a Collapsed Backbone
  184.  
  185.               When to use a high-speed shared backbone
  186.               High-speed backbones are appropriate when multiple hubs located in a single building or
  187.               campus environment need access to high-speed server(s) and/or each other.  A primary
  188.               advantage to the high-speed backbone approach is that the wiring and NIC cards at the end
  189.               stations can be maintained.  To access the high-speed backbone, one high-speed interface is
  190.               required per department or workgroup hub - typically in the form of a bridge or
  191.               bridge/router - to convert the traffic on the lower-speed network to the appropriate format
  192.               used on the high-speed backbone.
  193.  
  194.               High-speed backbones based on FDDI have been widely deployed and most vendors of
  195.               networking and internetworking equipment support FDDI interfaces.  FDDI is a mature
  196.               technology with proven interoperability and declining connection costs.  There are large
  197.               FDDI networks that efficiently connect many thousands of network users.  For customers
  198.               concerned about future bandwidth availability, a star-wired fiber optic configuration allows a
  199.               smooth migration to future LAN switching or ATM switching technologies.  Fiber optic
  200.               cabling is also an attractive choice in facilities where conduit space is scarce.
  201.  
  202.  
  203. Collapsed Backbone Bridge/Routers 
  204.  
  205.               Another popular form of collapsed backbone uses high-performance multiport
  206.               bridge/routers.  Using high-end bridge/routers allows individual segments or rings to be
  207.               interconnected with Level 3 routing as well as Level 2 bridging when required.  Routing
  208.               between segments and rings allows network administrators to control bandwidth use and to
  209.               enforce access and security provisions.  It also allows network administrators to implement
  210.               mixed media networks, such as networks supporting both Ethernet and Token Ring.
  211.  
  212.  
  213.                                  Understanding Switching and Virtual Networking
  214.                                                     
  215.                  Many collapsed backbone bridge/routers provide the ability to connect to high-speed
  216.                  backbone networks, typically an FDDI backbone.  Collapsed backbone bridge/routers also
  217.                  support a variety of WAN interfaces, allowing them to collapse both LAN segments and
  218.                  distributed WAN networks.
  219.  
  220.                  Because collapsed backbone bridge/routers are designed to be all-purpose, the  cost  per  port  Is
  221.                  relatively high.  Typically, high-end bridge/routers are designed so that each port is  capable  of
  222.                  supporting a full segment or ring of bridged or routed traffic.  Each  interface  usually  supports
  223.                  from four to twenty routing protocols and provides a wide array of Level 3  traffic  and  security
  224.                  control features.
  225.  
  226.                  When to use collapsed backbone bridge/routers
  227.                  Collapsed backbone bridge/routers are  very  good  choices  for  connecting  multiple  medium-  to
  228.                  high-traffic network segments together and enforcing access and security rules between
  229.                  stations.  Because of their ability to support mixed media and WAN interfaces, collapsed
  230.                  backbone bridge/routers are useful in large enterprise networks.  Because  of  their  high  cost
  231.                  per port, however, current collapsed backbone bridge/routers are not  cost-effective  choices  for
  232.                  microsegmenting  LANS.  A  better  solution  for  improving  network  throughput  is  to   combine
  233.                  various switching technologies for segmenting  networks  at  the  client  end  with  a  high-speed
  234.                  backbone or collapsed backbone bridge/router.
  235.  
  236. Switching Technologies 
  237.                  Dividing a single LAN  into  multiple  segments  and  using  internetworking  functions  to  tie
  238.                  these segments together increases the available bandwidth to clients  and  servers.  Historically,
  239.                  network segmentation was achieved  using  physically  separate  units,  such  as  multiple  wiring
  240.                  hubs connected via  two-port  bridges  or  bridge/routers.  This  implementation  is  now  being
  241.                  replaced with high-performance, multipart collapsed  backbone  bridge/routers.  There  is  also  a
  242.                  growing trend toward providing multiple segments in a single chassis and tightly
  243.                  integrating bridge/router and/or switching functions  into  the  enclosure  to  provide  a  much
  244.                  more cost-effective implementation for improving network throughput.  A number of
  245.                  different architectures have emerged that  offer  differing  levels  of  bandwidth  improvement,
  246.                  flexibility, and cost-effectiveness.  Despite their fundamental differences, these  products  are
  247.                  all referred to as switches.
  248.  
  249.                  Switching Defined
  250.                  The term switching means different things to different  vendors  -  creating  confusion  in  the
  251.                  minds of network administrators.  Generally,  all  switching  approaches  make  use  of  some  type
  252.                  of parallel communication.  One way the term switching is used is  to  describe  the  ability  to
  253.                  connect (switch) users, on a module basis or on an individual port basis, to one of the
  254.                  multiple LAN segments or rings within a wiring hub.  This type of switching is typically
  255.                  performed by a network administrator during configuration and is only modified if, for
  256.                  example, a user moves or there is a fault on a  LAN  segment.  This  technology  can  be  viewed
  257.                  as static switching.  Module switching and port switching, described in  this  paper,  fall  into
  258.                  this category.
  259.  
  260.                                    Understanding Switching and Virtual Networking
  261.                                                      
  262.  
  263.  
  264.  
  265.                 Another way the term switching is used is to describe the ability to connect a transmitting
  266.                 station to a destination station "on the fly", or in real time.  This type of switching allows
  267.                 multiple device pairs to communicate simultaneously through a high-speed switching fabric.
  268.                 This switching approach can be referred to as dynamic since connections are established on
  269.                 an as-needed basis.  LAN switching and ATM switching fall into this category.
  270.  
  271.                 Any of these switching technologies, used alone or in combination, can play a part in
  272.                 reducing network congestion.
  273.  
  274.  
  275.  
  276. Module Switching 
  277.  
  278.                 Module switching describes the ability to connect all the devices attached to a given module
  279.                 to one of the physical LANs within a single hub (see Figure 5).  Current generation wiring
  280.                 hubs typically provide between two and five internal segments or rings, providing two to
  281.                 five times the bandwidth of a single LAN.  For example, if a hub contains three internal
  282.                 LANS, a network administrator could provide groups such as marketing, finance, and
  283.                 engineering with their own LANS.  The users from each department would be connected to
  284.                 one or more modules which are then connected (switched) to a designated LAN.  Module
  285.                 switching provides a straightforward way to distribute users across multiple LANs within a
  286.                 wiring hub.  A major benefit of 10 Mbps Ethernet and 4/16 Mbps Token Ring switchable
  287.                 modules is that they support the existing wiring, adapter cards, and end-station software.
  288.                 One limitation is that all users within a department or workgroup must be located within
  289.                 the physical wiring distance of the hub.
  290.  
  291.  
  292.  
  293. xref image = fig5.tif
  294.  
  295.  
  296.                                                         Figure 5: Module Switching
  297.  
  298.                        Understanding Switching and Virtual Networking
  299.                                                    
  300.  
  301.  
  302. In module switching, devices connected to the ports on a concentrator or MAU module may
  303. be switched among the wiring hub's internal LANs via network management control.  Using
  304. this approach, all devices connected to a concentrator or MAU module must switch to the
  305. same LAN at the same time.  A bridging and/or routing function is needed to connect these
  306. internal LANS, providing interoperability among all devices on the network.  While the
  307. internetworking function may be provided by an external device, some wiring hubs support
  308. both module switching and integrated bridging and routing.  A single integrated device
  309. provides a more cost-effective and easier-to-manage solution for creating multi-segment or
  310. multi-ring networks.
  311.  
  312.  
  313. When to use module switching
  314.  
  315. Module switching used in combination with integrated bridging and routing is ideal for
  316. upgrading single-LAN networks that are experiencing throughput problems.  Dividing a
  317. single-LAN network into multiple workgroups and connecting them with a bridge or router
  318. will improve each workgroup's throughput.  Module switching is effective when each
  319. workgroup has its own file server so that constant access to a single file server is eliminated.
  320. It is also effective when the internetworking device connecting the internal segments
  321. provides either multiple connections to shared resources or a high-speed connection to shared
  322. resources (see Figure 6).
  323.  
  324.  
  325. xref image = fig6.tif
  326.  
  327.  
  328.                                                      Figure 6: High-Speed Connection to Shared Resources
  329.  
  330.  
  331.                                      Understanding Switching and Virtual Networking
  332.                                                    
  333.  
  334.  
  335.  
  336.           Port Switching  
  337.  
  338.                        Port switching uses multiple physical LAN segments or rings in a single intelligent hub (see
  339.                        Figure 7) but offers more flexibility than the module switching alternative.  Port switching
  340.                        allows the network administrator to switch users on a per port basis, not a per module basis,
  341.                        among the internal LANS.
  342.  
  343.  
  344.  
  345. xref image = fig7.tif
  346.  
  347.                                                     Figure 7: Port Switching
  348.  
  349.                        While the capital investment is higher for port switching than it is for module switching,
  350.                        port switching reduces labor costs by simplifying adds, moves, and changes.  Individual users
  351.                        can be moved among the available internal LANs via network management control, not by
  352.                        making physical changes in the wiring closet.  For example, if an office that was occupied by
  353.                        an accountant is now occupied by an engineer and module switching is used, the network
  354.                        administrator would have to physically move connections in the wiring closet to implement
  355.                        the change.  Using port switching allows a network administrator to be more responsive to
  356.                        users' requests for connectivity changes and is also useful for fault isolation on a per-port
  357.                        basis.  Like module switching, port switching is compatible with existing wiring, adapter
  358.                        cards, end-station software, and backbone structures.
  359.  
  360.                        When to use port switching
  361.                        Port switching, like module switching, is effective for reducing network congestion in
  362.                        single-LAN networks.  In addition to allowing multiple internal segments, port switching
  363.                        allows individual users to be connected to a specific LAN, providing very high levels of
  364.                        flexibility for network administrators.  Like module switching, port switching allows all users
  365.                        on the defined segments to be interconnected using bridges or routers.
  366.  
  367.  
  368.  
  369.  
  370.  
  371.                                 Understanding Switching and Virtual Networking
  372.                                                   
  373.  
  374.  
  375.                  The ability to quickly connect any port to a different segment is ideal for networks in rapidly
  376.                  growing environments with frequent adds, moves, and changes.  With port switching,
  377.                  reconfigurations can be done simply with network management software - no physical
  378.                  intervention at the station or hub is required.  Port switching also allows a network
  379.                  administrator to respond to change requests at remote sites where there may be little or no
  380.                  network support staff, saving time and money.
  381.  
  382.                  In some networks, certain computing resources or personnel are more prone to move within
  383.                  the organization.  Port switching can be used selectively for these devices or people, while
  384.                  fixed network or module switching hubs are emploved for less transient equipment or
  385.                  people.  Combining port switching with shared LANs and module switching can create a
  386.                  cost-effective solution for meeting specific network needs.
  387.  
  388.  
  389. LAN Switching 
  390.                  Module and port switching provide static switching and allow network administrators to
  391.                  move entire modules or individual users among the internal segments within a multi-
  392.                  segment wiring hub.  These switching technologies allow network administrators to easily
  393.                  reassign users to a given network segment to improve bandwidth utilization.
  394.  
  395.                  A more powerful technology, LAN switching, offers an even greater degree of bandwidth
  396.                  enhancement and connection flexibility.  LAN switching is achieved using a device that
  397.                  generally operates as a high-speed, multipart local bridge.  Each port can be viewed as a
  398.                  separate LAN segment or ring.  The most general purpose LAN switches allow each port to
  399.                  support either a single user or a large number of device addresses.  This feature provides the
  400.                  network administrator with the ability to support either a single power user or an entire
  401.                  shared LAN segment on one port of the switch.
  402.  
  403.                  LAN switches provide dynamic connections between port pairs in a fashion that resembles a
  404.                  telephone central office (CO) switch.  As is also the case in a CO switch, LAN switches can
  405.                  supports multiple simultaneous connections.  It is this characteristic that is mainly responsible
  406.                  for a LAN switch's ability to enhance effective bandwidth.
  407.  
  408.  
  409.  
  410.  
  411.  
  412.  
  413.  
  414.  
  415.  
  416.  
  417.                         Understanding Switching and Virtual Networking
  418.                                            
  419.  
  420. xref image = fig8.tif
  421.  
  422.  
  423.                                       Figure 8: Ethernet LAN Switching
  424.  
  425.      In order to establish connections dynamically, a LAN switch must maintain a directory of
  426.      addresses present on each port.  This directory is often referred to as the forwarding table.  The
  427.      LAN switch learns MAC addresses by observing the source address of incoming packets on
  428.      each port and builds forwarding tables based on these addresses.  The switch intelligently
  429.      forwards packets based on this table, 'ust as a bridge does.  Beyond this, LAN switches can be
  430.      quite different from standard bridges.
  431.  
  432.      Generally, LAN switches are capable of high forwarding rates, typically media speed,
  433.      between sets of port pairs.  Many LAN switches can support a large station population on
  434.      each port, although some power users or servers may be the only device on a port.  Supporting
  435.      a single device on a port effectively allocates the full bandwidth of the segment or ring to the
  436.      connected device.  Using a LAN switch in this way represents the  highest  degree  of
  437.      segmentation possible.  In recognition of this small but growing use of LAN switching, some
  438.      LAN switch implementations now support only a single address (or a very small number of
  439.      MAC addresses) on each port.  This implementation allows some simplification to the design
  440.      of the switch, reducing the cost per port but eliminating the general purpose solution.
  441.  
  442.      While LAN switches are technically feasible for all LANs such as Ethernet, Token Ring, and
  443.      FDDI, they have been implemented primarily for 10 Mbps Ethernet LANS.  Many users have
  444.      already determined, and analysts increasingly agree, that providing 10 Mbps to a high-
  445.      performance client or server device and sharing IO Mbps over an appropriately  sized
  446.      workgroup are sufficient for meeting most current throughput needs.
  447.  
  448.      In the coming years, it is expected that a few very high-end client applications, as well as an
  449.      increasing number of high-performance servers, will require dedicated bandwidth in excess of
  450.      10 Mbps.  LAN switches can also address these  higher-speed  requirements  by  either
  451.      allocating multiple parallel network interfaces to a single server or complementing the
  452.  
  453.  
  454.  
  455.                 Understanding Switching and Virtual Nctworking
  456.                                    
  457.  
  458.  
  459. standard-speed ports with one or more higher-speed interfaces to the server (see Figure 8).  To
  460. use parallel network interfaces, the server must be equipped with a special driver that  is
  461. designed to take advantage of this feature.  Use of a higher-speed interface to the server
  462. requires that the server be equipped with the appropriate NIC card  and  driver,  and  also
  463. assumes that the server is capable of sustaining relatively high throughput across the
  464. interface.  Some popular high-speed interfaces include FDDI, TP-DDI, I 0OBase-T, 1 0OBase-
  465. VG, and ATM.
  466.  
  467.  
  468. xref image = fig9.tif
  469.  
  470.  
  471.                        Figure 9: Ethernet Switching with a High-Speed Server Interface
  472.  
  473. Any of these high-speed interfaces can also be used for creating high-speed connections to
  474. backbone networks.  This allows LAN switches to be interconnected at relatively high speeds
  475. in distributed or collapsed backbone configurations.
  476.  
  477. ATM
  478. Because some LAN switches with a high port density are capable of generating traffic
  479. volumes that exceed the capacity of typical high-speed  interconnects,  such  as  100  Mbps
  480. FDDI, there is increasing interest in backbone interfaces operating at even higher speeds.
  481. ATM may offer such a solution since it aims to provide standardized interfaces at 155 Mbps
  482. and 622 Mbps.  Many network  administrators  view  ATM  as  the  ultimate  solution  to  the
  483. network throughput challenge, but at too high a price (currently about $3000 per port) to be
  484. used as the sole network distribution technology.
  485.  
  486. Although ATM was initially conceived as a technology for the  wide  area  network,  it  has
  487. recently received much attention for use In local area networks for premises backbones.  At
  488. present, ATM is rarely used as a client delivery technology  since,  unlike  LAN  switching
  489. which preserves the investment in the existing network infrastructure, ATM is not
  490. compatible with existing network components.  However, a combination of ATM and LAN
  491.  
  492.  
  493.  
  494.                                               Understanding Switching and Virtual Networking
  495.  
  496.  
  497.  
  498.  
  499.  
  500.                           switching provides an attractive solution for a high performance, scalable network - LAN
  501.                           switching provides a cost-effective client distribution mechanism while maintaining a
  502.                           significant percentage of the investment in the network infrastructure and ATM provides a
  503.                           high-speed LAN or LAN/WAN backbone (see Figure 10).
  504.  
  505.  
  506.  
  507. xref image = fig10.tif
  508.  
  509.  
  510.                                                        Figure 10: Connecting LAN Su,itches using ATAI
  511.  
  512.  
  513.  
  514.                           When to use LAN s itching
  515.  
  516.  
  517.                           LAN switching is primarily used in three applications: as a collapsed backbone solution in a
  518.                           fairly large corporate network, as a department backbone for increasing the available
  519.                           bandwidth, and as a high-speed workgroup solution.
  520.  
  521.  
  522.                                Collapsed Backbone Switch
  523.  
  524.                                 LAN switches can provide many times the effective bandwidth of an existing single-
  525.                                 site network, currently supporting shared media or static switching technologies, in
  526.                                 which overall traffic levels and the resulting congestion have reached a troublesome
  527.                                 level.  A LAN switch can provide many more segments than are offered by currently
  528.                                 available module switching or port switching hubs.  While module and port switching
  529.                                 hubs usually support between two and five LAN segments or rings, LAN switching
  530.                                 devices could support up to 100 Ethernet segments.
  531.  
  532.                                 In this application, the LAN switch functions as a high-performance multipol-t
  533.                                 bridge/router in a collapsed backbone mode, but with less functionality and at a lower
  534.                                 cost than the current generation of high-end bridge/routers (see Figure I 1).
  535.  
  536.  
  537.  
  538.  
  539.  
  540.              Understanding Switching and Virtual Networking
  541.                                 
  542.  
  543. xref image = fig11.tif
  544.  
  545.  
  546.                             Figure I 1: LAN S itch as a Collapsed Backbone
  547.  
  548.      The primary difference between a LAN switch and a multipart bridge/router is that
  549.      the switch typically offers no WAN interfaces and may be limited to bridge-like
  550.      connectivity between ports.  If the corporate network is very large, encompasses
  551.      multiple geographically distributed facilities, melds multiple LAN technologies, or
  552.      requires rigorous security and traffic policy restrictions, then an enterprise class
  553.      bridge/router will typically be required, possibly complemented by LAN switches at
  554.      the department or division level
  555.  
  556.     Department Switch
  557.  
  558.      In very large and complicated networks that need the full services of an enterprise class
  559.      bridge/router at the backbone level, LAN switches can be used to address the
  560.      department or division level requirements in a cost-effective manner (see Figure 12).  In
  561.      this situation, LAN switching can be used to enhance the bandwidth available within
  562.      the department or division, but still integrate easily into the corporate backbone
  563.      network.  Important characteristics in this configuration may include the port density
  564.      provided, the range of backbone interfaces supported, the number of MAC addresses
  565.      supported on a given port, and the level of management information that the unit can
  566.      provide.
  567.  
  568.  
  569.  
  570.  
  571.                             Understanding Switching and Virtual Networking
  572.                                                 
  573.  
  574.  
  575. xref image = fig12.tif
  576.  
  577.  
  578.                                         Figure 12: Department-Level LAN Switch
  579.  
  580.             Workgroup Switch
  581.  
  582.              LAN switches  can  also  be  deployed  to  serve  the  high  performance  requirements  of a
  583.              specific local workgroup.  For example, a CAD/CAM department might be using high-
  584.              performance workstations  that  frequently  access  servers.  If  these  workstations  were
  585.              connected directly to the main corporate network, the level of traffic that they
  586.              generated could have very noticeable negative impacts on the rest of the user
  587.              population.  By  connecting  the  workstations  and  servers  through  a  LAN  switch,  the
  588.              performance of the CAD/CAM department can be improved, and the traffic they
  589.              present to the corporate network can be limited to  routine  traffic  such  as  e-mall  and
  590.              access to corporate data bases.
  591.  
  592.              While significantly  lower  than  the  per-port  cost  of  FDDI  (approximately  $2000  per
  593.              port) and ATM ($3000 to $4000 per port), the cost of basic LAN switching equipment
  594.              today is still higher  ($300  to  $750  per  port)  than  module  switching  (approximately
  595.              $150 per port) and port switching (approximately $250 per port).  Because of this
  596.              capital investment, the decision  to  use  a  LAN  switching  solution  must  be  carefully
  597.              considered.  To  make  the  most  informed  decision,  potential  users  of  LAN  switching
  598.              should fully understand their intended applications.  This understanding allows various
  599.              vendors' design criteria to be compared and contrasted against network requirements.
  600.  
  601.  
  602.  
  603.  
  604.  
  605.  
  606.                                   Understanding Switching and Virtual Networking
  607.                                                       
  608.  
  609.  LAN SWITCHING CRITERIA 
  610.  
  611.                   Due to its compatibility with existing network equipment, LAN switching is often the
  612.                   solution of choice for  network  administrators  who  need  to  reduce  network  congestion  in  the
  613.                   immediate future.  Not all LAN  switch  solutions  are  alike,  however.  There  are  many  factors
  614.                   to consider when choosing a LAN switching solution and they include:
  615.  
  616.                     o   the role of the switch
  617.                     o   s Iystem architecture
  618.                     o   performance characteristics
  619.                     o   port speeds and standards supported
  620.                     o   data forwarding techniques
  621.                     o   Level 2 versus Level 3 switching
  622.                     o   port address characteristics
  623.                     o   flow and congestion control
  624.  
  625. Role of the Switch 
  626.                   The first criterion to consider when choosing  a  LAN  switch  is  the  role  that  LAN  switching
  627.                    will serve in the network.  As described  earlier,  LAN  switching  applications  can  roughly  be
  628.                   divided into three primary applications - corporate, department, and workgroup.  A LAN
  629.                   switch that will exist at the top of the corporate network hierarchy will likely require a
  630.                   broader range of features and capabilities than a product  intended  to  address  a  small,  high-
  631.                   performance workgroup  application.  Features  that  are  non-essential  at  the  workgroup  level
  632.                   may be very critical at the corporate or enterprise level.  For this reason, the per-port cost  of  a
  633.                   LAN switch targeted at the corporate network level will be higher than a unit designed
  634.                   specifically for the workgroup.  While the corporate level  product  might  easily  be  used  at  the
  635.                   workgroup level, it may not be the most cost-effective solution.
  636.  
  637.  
  638. System Architecture 
  639.                   Once the intended role of the LAN switch is determined, it is important to choose a LAN
  640.                   switch architecture that will easily integrate into the planned or existing network.
  641.  
  642.                   Corporate-level Soltitions
  643.                   If the intention of a corporation is  to  design  the  corporate  network  around  a  LAN  switching
  644.                   architecture, then a high-end LAN switch will be the appropriate solution.  This unit will
  645.                   most likely be a switching hub or modular  switch  that  provides  the  following  set  of  features
  646.                   and functions:
  647.  
  648.                     o  high port densities (typically up to 100 ports)
  649.  
  650.                     o  large number of MAC addresses per port (approximately 1000)
  651.  
  652.                                         Understanding Switching and Virtual Networking
  653.                                                             
  654.  
  655.  
  656.  
  657.                       o   high-speed backbone interconnect, such as FDDI
  658.                       o   high-speed server interfaces
  659.                       o   fault-tolerant features such as redundant power systems and backbone connections
  660.                       o   sophisticated network management
  661.                       o   integrated routing features to provide security, firewalls, and possibly WAN interfaces
  662.                       o   complementary functions such as shared media repeaters and lower-speed
  663.                            asynchronous interfaces
  664.  
  665.                     When choosing a switching hub implementation, it is important to consider the other
  666.                     technologies integrated into the hub, in addition to LAN switching.  Examples include local
  667.                     routing, WAN routing, and lower-speed shared media functions (see Figure 13).  Integration
  668.                     of these technologies into a single chassis provides not only a cost-effective single-device
  669.                     solution, but also a solution with a unified management scheme which can save time and
  670.                     money during device configuration and troubleshooting.
  671.  
  672.  
  673.  
  674. xref image = fig13.tif
  675.  
  676.  
  677.                                                        Figure 1 3: Integrated Hub Solution
  678.  
  679.  
  680.                     Department-level Solutions
  681.  
  682.                     Department-level switching solutions may be satisfied with a less comprehensive product.
  683.                     The switch may consist of a fixed configuration standalone unit or a LAN switching card
  684.                     integrated into a traditional wiring hub.  Depending on the specific needs of the department
  685.                     and the requirements for backbone interconnection, the LAN switch may include the
  686.                     following:
  687.  
  688.  
  689.                       o  low to medium port densities (5 to 48 ports)
  690.                       o  hundreds of MAC addresses per port
  691.  
  692.                       Understanding Switching and Virtual Networking
  693.                                    
  694.  
  695.  
  696.              o  high-speed backbone interconnect
  697.              o  high-speed server interface(s)
  698.              o  fault-tolerant features such as redundant power systems and backbone connections
  699.              o  strong network management
  700.              o  complementary functions such as shared media repeaters and lower-speed
  701.                  asynchronous interfaces
  702.  
  703.            Workgroup-level Solutions
  704.            The requirements for a workgroup-level LAN switch vary dramatically depending on the
  705.            planned use.  A modest workgroup switching scheme might be satisfied by a single small
  706.            standatone unit or a low port density hub switch card.  Some high-bandwidth workgroups
  707.            might require medium port density (particularly if a single station is connected to each port),
  708.            multiple high-speed server ports, and a high-speed backbone connection.  A typical low-end
  709.            workgroup switch may have the following characteristics:
  710.  
  711.              o low port densities (5 to 12 ports)
  712.              o tens of MAC addresses per port
  713.              o basic network management
  714.  
  715.            A typical high-end workgroup switch may have the following characteristics:
  716.  
  717.              o medium port densities (12 to 48 ports)
  718.              o  I to approximately I 00 MAC addresses per port
  719.              o  high-speed backbone interconnect
  720.              o  high-speed server interface(s)
  721.              o  strong network management
  722.  
  723.  
  724. Performance Characteristics 
  725.            LAN switch performance is an area that is often misunderstood.  Ideal LAN switch
  726.            performance is a function of the number and speed of the ports provided, the relationship
  727.            between the speed of the low-speed ports and any high-speed ports, and whether ports
  728.            operate in half-duplex or full-duplex mode.  The actual performance of a LAN switch is also
  729.            influenced by the particular hardware implementation that a vendor uses and the types of
  730.            flow control and congestion avoidance techniques that are employed.  LAN switch
  731.            performance can be measured using a number of performance metrics including filtering
  732.            performance, steady state and burst forwarding performance, and steady state and burst
  733.            aggregate throughput.  Most LAN switch vendors emphasize the areas in which their
  734.            products perform the best.
  735.  
  736.  
  737.  
  738.                                       Understanding Switching and Virtual Networking
  739.                                                        
  740.                   A properly designed LAN switch will provide full rate filtering  on  all  ports.  This  guarantees
  741.                   that all incoming packets, regardless of the arrival rate and the packet size  distribution,  will
  742.                   be analyzed as they are received.  Throughput, which may also be referred to as the
  743.                   forwarding rate, can be specified on a per-port basis or a per-unit basis.  Analyzed
  744.                   individually, each port should be capable of full forwarding at the maximum speed of its
  745.                   media type.
  746.  
  747.                   Aggregate throughput, or the aggregate forwarding rate, is more difficult to analyze,
  748.                   especially if the switch supports both high- and low-speed interfaces.  Compounding the
  749.                   difficulty is that fact that some vendors measure the steady state forwarding rate and others
  750.                   measure the burst forwarding rate.  For a switch with all ports of the same speed, the steady
  751.                   state forwarding rate is measured assuming that all ports are paired off in groups of two.  To
  752.                   make the measurement, all port pairs are activated simultaneously  with  one  port  in  each  pair
  753.                   sending data and the other receiving data.  The measurements for all of the  port  pairs  are  then
  754.                   added.  For example, the aggregate throughput for a I 6-port Ethernet switch would be 80
  755.                   Mbps (8 pairs of ports, each transmitting at 10 Mbps).  For a switch with one or more high-
  756.                   speed interfaces, the measurement is more complicated and is influenced by the number of
  757.                   lower-speed ports and the speed of the high-speed interface(s).
  758.  
  759.                   The burst forwarding rate is measured over a short duration during which all ports can
  760.                   operate at full media speed and buffer any excess data that cannot be forwarded due to
  761.                   blocking of an output port.  The duration of the burst must  be  short  because  the  data  buffers
  762.                   available to each port wilt typically be relatively small to avoid unnecessary delay.
  763. Port Speeds and Standards 
  764.                   The most widely installed LAN switches provide support for 10 Mbps Ethernet.  This is
  765.                   changing, however, as more units support one or more high-speed interfaces in addition to
  766.                   the lower-speed 10 Mbps interfaces.  High-speed interfaces  can  be  used  to  support  server  and
  767.                   high-speed client connections and/or to provide an interface to a high-speed backbone.  The
  768.                   most  popular  high-speed  interfaces  include  FDDI  and  TP-DDI,  100  Mbps  Ethernet,  and  155
  769.                   Mbps ATM.
  770.  
  771.                   Determining which high-speed interface is appropriate for a given application will depend
  772.                   on the installed backbone, the high-speed interfaces that can be  supported  by  the  servers  and
  773.                   clients, and the performance level desired between the switch and the high speed client,
  774.                   server, or backbone.
  775. Data Forwarding Techniques v
  776.                   Another criterion to consider when choosing  a  LAN  switch  is  the  data  forwarding  techniques
  777.                   employed.  The  two  most  commonly  implemented  data  forwarding   techniques   are store-and-          
  778.                   forward and cut-through bridging.  Fervent  debates  have  been  held  discussing  the  merits  and
  779.                   drawbacks of these two alternatives.  The debates have focused primarily on the issue of
  780.                   latency through the switch, but switch latency is only one component of the total network
  781.                   delay.  There are two other components that contribute to network delays - packet latency
  782.  
  783.                Understanding Switching and Virtual Networking
  784.                                  
  785.  
  786.  
  787. through every device on the network including end stations, and packet errors.  Po-cket
  788. latency is defined as the period of time that elapses between receipt of the first byte of a
  789. packet and the subsequent retransmission of that same byte.  Packet errors contribute to
  790. network delays by creating the need for higher level software to retransmit data which
  791. increases overall network traffic.  While delay through the switch is an important issue,
  792. limiting total network delays is critical in a switching environment supporting applications
  793. such as multimedia that can be sensitive to delays that either exceed  maximum  length  or
  794. significantly vary over time.
  795.  
  796. Store-and-Forward vs.  Cut-Through Bridging
  797. A number of vendors have supplied products that use cut-through bridging as the
  798. forwarding technique.  Cut-through bridging allows the beginning of a packet to be
  799. transmitted before the end of the packet has been received.  This technique is used in an
  800. attempt to reduce switch latency.  While this technique does reduce  the  latency  measured
  801. through the LAN switch, it can actually add to the total network delay by forwarding
  802. packets before they have been checked for validity, which may allow packets with errors to
  803. propagate.  This propagation of frames with errors can create a significant amount of
  804. unnecessary traffic on the LAN segments.
  805.  
  806. The most widely implemented switch forwarding technique is full store-and-forward, which
  807. is implemented much like a MAC layer bridge.  Packets are fully buffered internally and
  808. checked for validity before the forwarding process is initiated.  The store-and-forward
  809. technique has three advantages over cut-through bridging:
  810.  
  811.   o   Data integrity is assured.  Runt, giant, and pygmy packets and packets with CRC
  812.       errors are detected and not allowed to propagate.
  813.   o   Port speed mismatches are supported.  Cut-through bridging assumes that data is
  814.       arriving and departing at the same speed.  When there are port speed mismatches, as is
  815.       the case when an Ethernet port is switched to an  FDDI  port,  cut-through  bridging
  816.       cannot be used.  Store-and-forward techniques are required in this situation  because
  817.       complete packets must be forwarded.
  818.   o   MAC layer conversion is supported.  Conversion from one LAN technology to another,
  819.       for example Ethernet to FDDI, requires the complete buffering of a frame before it can
  820.       be translated.  In this case, cut-through bridging is not applicable and store-and-
  821.       forward must be employed.
  822.  
  823. Fragment-free Forwarding
  824. A third forwarding approach that has been recently implemented by some vendors is
  825. fragment-free forwarding.  Fragment-free forwarding waits for the first 64 bytes of an
  826. Ethernet frame to be received before transmitting the data to determine if the frame meets
  827. the minimum frame size requirement.  This approach eliminates  the  transmission  of  short
  828. packets and fragments of frames on the network, but still has the other limitations associated
  829. with cut-through bridging.
  830.  
  831.  
  832.  
  833.                                               Understanding Switching and Virtual Networking
  834.                                                                  
  835.  
  836.                           Prioritization
  837.                           A priority mechanism can be combined with store-and-forward processing to ensure
  838.                           unimpeded processing of high priority packet streams.  Traffic generated by or destined for
  839.                           high priority devices can be given preferential access to available throughput and buffering
  840.                           space, providing the lowest possible packet latency and the best guarantee of error-free
  841.                           transmission.
  842.  
  843.          Level 2 vs.  Level 3 Switching v
  844.                           The majority of products in the LAN switch classification operate at Level 2 of the OSI
  845.                           model, providing either store-and-forward or cut-through bridging operation at the MAC
  846.                           layer. These are sometimes referred to as Level 2 switches.A minority of vendors who classify
  847.                           their products as switches have implemented full network layer, or Level 3, routing on a per-
  848.                           port basis.  The routing support is usually limited to a few important protocols such as IP,
  849.                           IPX, and DECnet.  These products are sometimes referred to as Level 3 switches.
  850.  
  851.                           While products that provide store-and-forward bridging and Level 3 routing are really best
  852.                           described as multiprotocol bridge/routers, these products are nonetheless included in most
  853.                           reports on LAN switching.  The distinct advantages of LAN switches should be that they are
  854.                           simple to use and administer, provide an alternative to the complexity of multiprotocol
  855.                           bridge/routers, and are less expensive per port than multipart bridge/routers.  The addition of
  856.                           routing on a per-port basis, in contrast to providing routing on a single backbone port, tends
  857.                           to violate each of these three principles.
  858.  
  859.                           Routing does play an  important  role  in  large  networks.  A  premises-wide  LAN  switching
  860.                           solution will typically employ routing to interconnect bridged domains.  This approach
  861.                           creates firewalls that help eliminate the possibility of broadcast storms.  Routing also
  862.                           provides the ability to convert from the predominant LAN technologies (usually Ethernet) to
  863.                           other technologies such as FDDI, WAN links, and ATM.
  864.  
  865.                           There are two ways to implement the appropriate level  of  routing  required  in  a  network.
  866.                           Routing can be provided with a separate enterprise class bridge/router device or  it  can  be
  867.                           integrated into the LAN switch.  If routing is integrated into the LAN switch architecture,
  868.                           the simplest and most cost-effective implementation is to reserve routing for a few
  869.                           specialized ports on the LAN switch.  This helps maintain the simplicity and low cost
  870.                           implementation of Level 2 LAN switches and will  satisfy  the  requirements  for  routing  in
  871.                           certain high-end applications.
  872.  
  873.                                  Understanding Switching and Virtual Networking
  874.                                                      
  875.  
  876.  
  877.  
  878. Port Address Characteristics 
  879.  
  880.                   The maximum number  of  stations  to  be  connected  to  any  one  port  will  determine  how  many
  881.                   addresses per port are  required.  Some  vendors'  products  fix  a  maximum  number  of  addresses
  882.                   that are available on each port.  For example,  the  number  of  addresses  supported  per  port  on
  883.                   an  Ethernet  LAN  switch  may  range  between  I  and  1024.  Other  vendors  provide a  maximum
  884.                   number of addresses available in the unit, typically in the 256  to  16,000  range.  Since  storing
  885.                   addresses in a forwarding table that can be accessed at very high speeds requires a lot  of  high--
  886.                   speed memory, there is a  fairly  strong  correlation  between  the  maximum  number  of  addresses
  887.                   provided per port or per unit and the price of the LAN switch.
  888.  
  889.                   The lowest cost implementation for  the  manufacturer  is  to  provide  a  single  MAC  address  on
  890.                   each port.  In this case, the cost for the customer of connecting a single user Is  truly  the  cost
  891.                   of an entire port on the LAN switch; there is no possibility of dividing the cost of the
  892.                   individual LAN switch port over multiple attached devices.  This  eliminates  the  ability  of  the
  893.                   LAN switch to support existing LAN segments and to support a growing network.
  894.  
  895.  
  896.  
  897. Flow and Congestion Control 
  898.  
  899.                   Another criterion to consider is the  flow  and  congestion  control  mechanism  used  in  the  LAN
  900.                   switch.  Ideally  a  LAN  switch  should  incorporate  a  non-blocking  design  which  ensures  that
  901.                   there is always enough throughput for each connected port to send or receive traffic from
  902.                   independent sources and destinations at full LAN speeds (e.g.,  at  10  Mbps  for  an  Ethernet
  903.                   switch).  But even systems designed to be non-blocking may experience output blocking.
  904.                   Output blocking occurs when there is not enough bandwidth to support the activity of a
  905.                   specific device.  For example, large numbers of devices sharing a single server can cause
  906.                   output blocking.  In this case, each transmitting device has full LAN speed access to the
  907.                   server, creating the need to send more than 10 Mbps (for an Ethernet  switch)  to  the  server.
  908.                   Figure 14 contrasts a non-blocking traffic pattern with  a  pattern  that  could  introduce  output
  909.                   blocking.
  910.  
  911. xref image = fig14.tif
  912.  
  913.                                            Figure 14: Non-blocking and Output Blocking Traffic Patterns
  914.  
  915.                           Understanding Switching and Virtual Networking
  916.                                             
  917.  
  918.  
  919.       Occasional output blocking is not uncommon in a busy network.  Flow control options are
  920.       designed to help guard against packet loss and performance degradation when output
  921.       blocking occurs.  One flow control option is to provide each switch with the ability to
  922.       activate a back pressure algorithm.  When in use, this algorithm causes hardware to sense and
  923.       limit the potential for packet overrun by consuming bandwidth on the segment generating
  924.       the excess traffic.  For example, an Ethernet switch will send additional packets to the
  925.       offending segment, causing the connected devices to defer transmission and limiting their
  926.       transmission rates while the traffic load is high.  Most packet loss is avoided and
  927.       retransmissions at the upper protocol layers are limited.
  928.  
  929.       Another way to control congestion is to support the designation of individual devices as high
  930.       or low priority.  Data streams to or from high priority devices can be given preferential access
  931.       to internal buffer space and throughput.  This allows network administrators to lessen the
  932.       likelihood of packet loss in critical applications.
  933.  
  934.       Full-duplex Ethernet
  935.       Full-duplex Ethernet has also been implemented as an approach to congestion control.  Full-
  936.       duplex Ethernet makes use of the fact that there are two pairs of wires in star-wired 1OBase-T
  937.       environments - one for transmitting and one for receiving.  By installing NIC cards, hub
  938.       ports, and server and client software that support full-duplex Ethernet, the effective
  939.       bandwidth can be doubled.  The primary advantages of full-duplex Ethernet are that it can
  940.       co-exist with normal half-duplex Ethernet and make use of existing 1OBase-T wiring.  The
  941.       major disadvantage of full-duplex Ethernet is that it requires investment in new NIC cards,
  942.       hub ports, and software.
  943.  
  944.       After evaluating the applications on a network, choosing the technologies that best address
  945.       the reduction of network congestion, and building the network infrastructure, the next issue
  946.       facing the network administrator is how to manage this complex network.  The connection
  947.       flexibility provided by LAN switching in particular creates the need for a way to represent
  948.       devices on a network as functional, not physical, devices.  This need has spurred the
  949.       emergence of virtual networking.
  950.  
  951.  
  952.  
  953.                                  Understanding Switching and Virtual Networking
  954.  
  955.  
  956.  
  957. VIRTUAL NETWORKING 
  958.  
  959.                  There is a lot of confusion about what virtual networking actually  is  or,  more  accurately,
  960.                  what it will be.  Virtual networking, in simple terms,  is  a  network  management  tool  that  will
  961.                  provide the functions necessary for managing a dynamic and complex network.  Ideally,
  962.                  virtual networking will allow a user on a network to move to another building, work from
  963.                  home, or call in from a hotel without changing the configuration of the end station or
  964.                  creating the need for the network administrator to reconfigure any routers on the network.
  965.                  For a virtual networking tool to be effective, it will need an extensive graphical  user  interface
  966.                  (GUI) combined with well-developed SNMP agents in the managed devices.  Vendors with
  967.                  experience in both network management tools and software-based networking devices will
  968.                  have an advantage over vendors lacking this experience.
  969.  
  970.                  Specifically, virtual networking will allow network administrators to:
  971.  
  972.                    o  Create network groups or virtual LANs based on varying criteria
  973.                    o  Allocate and protect network bandwidth
  974.                    o  Control access to the network
  975.                    o  Reduce the cost and complexity of management activities
  976.  
  977.  
  978. Creating Virtual LANs 
  979.                  A necessary component in  implementing  virtual  networking  technology  will  be  the  ability  to
  980.                  create virtual LANS.  A virtual LAN is a collection of  devices  that  have  been  grouped  together
  981.                  logically based on their needs, traffic patterns, location, or any other criteria the  network
  982.                  administrator defines.  Devices in a virtual LAN may be on different physical LAN segments
  983.                  but will function as if they are directly attached to the same LAN.  Network administrators
  984.                  will be able to create virtual LANs from a  network  management  console  rather  than  at  a
  985.                  wiring closet, saving time and money.
  986.  
  987.                  The ability to create virtual LANs will allow the network administrator to group users on an
  988.                  as-needed basis so that they can share information in an  unrestricted  fashion.  Devices  not
  989.                  explicitly placed in a particular virtual LAN will be placed in a default LAN which governs
  990.                  their communication capabilities.  Standard chassis-based or external bridges and routers can
  991.                  be used to provide communication paths between virtual LANs (see Figure 15).
  992.  
  993.  
  994.  
  995.  
  996.  
  997.                              Understanding Switching and Virtual Networking
  998.                                             
  999. xref image = fig15.tif
  1000.  
  1001.  
  1002.                                       Figure 15: Virtual Perspective of a Network
  1003.  
  1004. Allocating and Protecting Network Bandwidth 
  1005.              Any switching technology that has to handle broadcasts or multicasts, including LAN
  1006.              switching and ATM-based LAN emulation, needs to deal with the issue of scalability.  For
  1007.              example, unless restrictions can be placed on traffic flow, when a device sends a multicast it
  1008.              would be delivered to all other devices.  As the number of devices increases, this could
  1009.              introduce multicast storms which could undermine the throughput enhancements that
  1010.              switching provides.  Virtual networking will allows network administrators to limit the
  1011.              propagation of broadcast and -multicast packets.  Broadcasts and multicasts will be exchanged
  1012.              freely within a workgroup or virtual LAN; they will not be sent outside a workgroup.  Using
  1013.              routers instead of virtual networking to accomplish this would be more expensive and
  1014.              provide lower effective throughput.
  1015.  
  1016.  
  1017. Controlling Network Access 
  1018.              Network administrators will also be able to use virtual networking with bridges and routers
  1019.              to set up firewalls that define communication boundaries.  Using a routing function, for
  1020.              example, a network administrator can provide every user on the network with access to
  1021.              electronic mail, but can restrict access to the server in the finance department to members of
  1022.              the finance department.
  1023.  
  1024.  
  1025.  
  1026.  
  1027.  
  1028.                                 Understanding Switching and Virtual Networking
  1029.                                                   
  1030.  
  1031.  
  1032.  Reducing Cost and Complexity of Management 
  1033.                 In general, existing routers in a network will not allow a device to move from one physical
  1034.                 LAN to another without either a change of the device's network address or a reconfiguration
  1035.                 of some or all routers in the network.  In large networks, considerable network administration
  1036.                 time can be spent tracking these changes.  Virtual networking will eliminate these costs by
  1037.                 guaranteeing that all communications from the stations in a workgroup to a router always
  1038.                 occur over the same interface to the router.  Using virtual networking, a user could move to
  1039.                 an office in another building without any need for the network administrator to reconfigure
  1040.                 the network.  This will help control the management overhead associated with moving,
  1041.                 adding, or changing the deployment of stations in the network.  It will also provide
  1042.                 centralized access to devices, limiting the need for physical access to end-stations.
  1043.  
  1044.                 Internal and external bridges and routers can also be used to connect multiple chassis and
  1045.                 extend the scope of a network.  This capability will be extremely powerful when combined
  1046.                 with the ability of virtual LANs to span chassis.  Coexistence of these additional
  1047.                 internetworking devices with existing backbone architectures is also critical.
  1048.  
  1049.  
  1050. CONCLUSION  
  1051.  
  1052.                 Most corporations have a variety of computing needs that require an equally diverge mix of
  1053.                 technical solutions.  For example, a single corporation may use module switching, port
  1054.                 switching, LAN switching, FDDI, and ATM (see Figure 16).
  1055.  
  1056.                   o    The telemarketing group may only require word processing, electronic mail, and
  1057.                        database access.  Segmenting this group using internetworking and module switching
  1058.                        provides them with access to the rest of the network, but separates them from
  1059.                        backbone traffic.
  1060.  
  1061.                   o    A remote site may support a sales and support staff, but have no network
  1062.                        administrator.  Supporting this site with port switching allows the network
  1063.                        administrator at the corporate headquarters to make changes to network connections
  1064.                        through software.
  1065.  
  1066.                   o    The users in marketing communications running high-volume multimedia
  1067.                        applications may best be supported using LAN switching.
  1068.  
  1069.                   o    The engineering department in a separate building may need to share 3-D images
  1070.                        which may require a dedicated FDDI connection to the server in combination with
  1071.                        LAN switching throughout the department.
  1072.  
  1073.                   o    Connecting the two buildings using ATM will provide a technology with enough
  1074.                        bandwidth to handle the exchange of files between the marketing and engineering
  1075.                        departments.
  1076.  
  1077.  
  1078.  
  1079.  
  1080.  
  1081.  
  1082.                                                        Understanding Switching and Virtual Networking
  1083.                                                                                     
  1084.  
  1085. xref image = fig16.tif
  1086.  
  1087.                                                                            Figure 16: Example Corporate Network
  1088.  
  1089.                          Choosing from the many technologies available today, including the various switching
  1090.                          solutions, andplanning for future ones, such as ATM and Virtual Networking, present new
  1091.                          opportunities and challenges for network administrators.
  1092.  
  1093.                          When looking at a solution to increase throughput, several factors should be taken into
  1094.                          account.  These include not only the applications being supported but also price,
  1095.                          performance, flexibility, and compatibility with existing equipment.  In addition to these
  1096.                          qualities, it Is also important to consider the following factors.
  1097.  
  1098. Breadth of  Product Offering 
  1099.  
  1100.                          Since multiple technologies can be employed to solve throughput problems, the ideal vendor
  1101.                          will support several of them, allowing for the flexible re-deployment of products.  A single-
  1102.                          vendor solution also tends to reduce the cost of network management training, provided the
  1103.                          vendor supports its spectrum of products with a unified network management solution.
  1104.  
  1105.  
  1106. Preservation of Investment 
  1107.                          Because network administration budgets are generally constrained, it is important to
  1108.                          examine today's products for migration paths to new technologies.  A vendor should have a
  1109.                          proven track record of providing solutions that are easy to upgrade, not forklift solutions.
  1110.  
  1111.  
  1112.                         Understanding Switching and Virtual Networking
  1113.                                       
  1114.  
  1115.  
  1116.  
  1117. Comprehensive Network Management 
  1118.  
  1119.             As networks grow and support staff and budgets shrink, the ability to respond quickly and
  1120.             easily to change requests and network faults becomes even more important.  Extensive
  1121.             network management applications and rich SNMP agent implementations can provide the
  1122.             tools necessary to meet these challenges.
  1123.  
  1124.  
  1125.  
  1126.             As demonstrated, choosing the best combination of technologies for a particular network can
  1127.             be a challenge.  Choosing a vendor that supports all available networking technologies,
  1128.             particularly within a single chassis, greatly reduces that challenge and minimizes the risks.
  1129.             Xyplex is unique in its ability to offer this combination.
  1130.  
  1131.  
  1132. THE XYPLEX SOLUTION  
  1133.  
  1134.             The Xyplex product line, including the award winning Network 9000 Routing Hub, offers
  1135.             state-of-the-art solutions to the throughput challenge.  Specifically, the Xyplex product line
  1136.             offers the following advantages.
  1137.  
  1138.  
  1139. Software-based Architecture  
  1140.             The software-based architecture of Xyplex products ensures seamless technology integration,
  1141.             superior functionality, common human interfaces, and detailed device management.  It also
  1142.             allows consistent functionality, syntax, and 'look and feel' in both the Network 9000 and
  1143.             standalone devices, greatly reducing the operation and training costs as new component are
  1144.             added to the network.
  1145.  
  1146.  
  1147. Core Technology Ownership 
  1148.             Xyplex designs, develops, and manufactures its own media access, switching, routing, and
  1149.             interface equipment.  This fact ensures not only seamless technology integration but also a
  1150.             more thorough and responsive support organization.  Expertise in these networking
  1151.             technologies provides a strong foundation for migrating to future technologies as wiring-
  1152.             based and software-based technologies continue to merge.
  1153.  
  1154.  
  1155. Compatibility 
  1156.             Because Xyplex has extensive expertise in routing technology, it is in a unique position to
  1157.             interface with other manufacturer's backbone routers.  Xyplex understands routing protocols
  1158.             and consistently provides products that tightly integrate with software-intensive products
  1159.             from other companies.
  1160.  
  1161.  
  1162.  
  1163.  
  1164.  
  1165.                                   Understanding Switching and Virtual Networking
  1166.                                                     
  1167.  
  1168.  
  1169.  Breadth of Product Offering 
  1170.  
  1171.                 Xyplex owns a broad spectrum of core networking technology.  We provide LAN connectivity
  1172.                 for local users, dial-in connectivity for remote users, and wide area connectivity for branch
  1173.                 offices.
  1174.  
  1175.  
  1176.  Preservation of Investment 
  1177.                 Xyplex, alone among intelligent hub vendors, has a single design, the Network 9000, that
  1178.                 spans the spectrum from cost-effective repeater-based media connectivity to software-
  1179.                 intensive LAN switching and integrated routing with ATM support.
  1180.  
  1181.  
  1182. Comprehensive Network Management 
  1183.                 The award-winning ControlPoint network management application provides extensive
  1184.                 SNMP-based management for all Network 9000 components.  A point-and-click graphical
  1185.                 user interface makes it easy to move devices in module switching, port switching, and LAN
  1186.                 switching environments.  ControlPoint will support Xyplex's Virtual Networking
  1187.                 Environment (VNE) which among other features wilt provide the capability of virtual LANs
  1188.                 to span chassis.
  1189.  
  1190.  
  1191.  
  1192.                 The Network 9000 Routing Hub is designed to be easily upgraded to support current and
  1193.                 future technologies, including 100 Mbps Ethernet and ATM.  Network administrators can
  1194.                 install a Network 9000 today and be assured that their investment in Xyplex equipment will
  1195.                 carry them into the future of networking technology.
  1196.  
  1197.  
  1198.  
  1199.  
  1200.  
  1201.                               Understanding Switching and Virtual Networking
  1202.                                                 
  1203.  
  1204.  
  1205. GLOSSARY 
  1206.  
  1207.                 1OBase-T
  1208.                 1OBase-T is an approved proposal by the IEEE 802.3 committee for an industry standard
  1209.                 enabling 10 Mbps Ethernet LAN traffic to be transported over 24-gauge unshielded twisted
  1210.                 pair wiring.
  1211.  
  1212.                 100Base-T
  1213.                 100Base-T is an IEEE 802.3 proposed standard for enabling 100 Mbps Ethernet LAN traffic
  1214.                 to be transported over 24-gauge unshielded twisted pair wiring using the CSMA/CD access
  1215.                 method.
  1216.  
  1217.                 100Base-VG
  1218.                 100Base-VG is an IEEE 802.12 proposed standard to specify the transmission of Ethernet
  1219.                 LAN frames at 100 Mbps over unshielded twisted pair and fiber media.
  1220.  
  1221.                 ATM (Asynchronous Transfer Mode)
  1222.                 ATM uses 53-byte fixed-cell relay transport technology to provide high-speed (155 Mbps
  1223.                 and higher) local and enterprise-wide data transport.
  1224.  
  1225.                 Back pressure algorithm
  1226.                 The back pressure algorithm is a flow control mechanism used in LAN switching that causes
  1227.                 hardware to sense and limit the potential for packet overrun by consuming bandwidth on the
  1228.                 segment generating the excess traffic.
  1229.  
  1230.                 Bridge
  1231.                 A bridge is a device that connects local or wide area networks at the data link layer.
  1232.  
  1233.                 Broadcast
  1234.                 Broadcast packets are sent to all stations in a network.
  1235.  
  1236.                 Category 3 cabling
  1237.                 The Electronics Industry Association/Telecommunications Industry Association (EIA/TIA)
  1238.                 586 standards specifies commercial building telecommunications wiring.  Category 3 wiring
  1239.                 is unshielded twisted pair (UTP) cable specified by the EIA/TIA 586 standard for speeds up
  1240.                 to 10 Mbps and it is the minimum cable required for 1OBase-T Ethernet networks.
  1241.  
  1242.                 Category 5 cabling
  1243.                 Category 5 wiring is unshielded twisted pair (UTP) cable specified by the EIA/TIA 586
  1244.                 standard for speeds up to 100 Mbps, but 155 Mbps is also possible.
  1245.  
  1246.                 CSMA/CD (Carries Sense, Multiple Access with Collision Detection)
  1247.                 CSMA/CD is the IEEE 802.3 access method.  Each network device waits until it senses that
  1248.                 the network is not busy before transmitting and detects possible collisions with other data
  1249.                 that may occur after transmission begins.
  1250.  
  1251.  
  1252.  
  1253.                          Understanding Switching and Virtual Networking
  1254.                                             
  1255.  
  1256.  
  1257.       Cut-through bridging
  1258.       Cut-through bridging is a data forwarding technique used in LAN switches that allows the
  1259.       beginning of a packet to be transmitted before the end of the packet has been received.
  1260.  
  1261.       Data link
  1262.       See Level 2.
  1263.  
  1264.       Departmental LAN
  1265.       A departmental LAN is a network used by a small group  of  people  working  toward  a  similar
  1266.       goal.  Its primary function is to share local resources, such as applications, data, and printers.
  1267.  
  1268.       Dynamic switching
  1269.       Dynamic switching establishes connections  on  an  as-needed  basis.  LAN  switching  and  ATM
  1270.       switching fall into this category.
  1271.  
  1272.       Ethernet
  1273.       An Ethernet network is a 10 Mbps baseband LAN that uses the Carrier Sense, Multiple
  1274.       Access with Collision Detection (CSMA/CD) media access method. 802.3 is the IEEE
  1275.       specification for an Ethernet network.
  1276.     
  1277.       FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
  1278.       FDDI is the American National Standards Institute (ANSI) X3T9.5 specification for a 100
  1279.       Mbps interface for fiber optic networks configured in dual counter-rotating rings.                  
  1280.  
  1281.       Firewall
  1282.       A firewall is an impermeable barrier through which broadcasts and other types of packets
  1283.       cannot pass.  Routers, not bridges, are used to create firewalls.
  1284.  
  1285.       Fragment-free bridging
  1286.       Fragment-free bridging is a forwarding technique used by  Ethernet  LAN  switches  that  waits
  1287.       for the first 64 bytes of an Ethernet frame to be received before transmitting the data to
  1288.       determine if the frame meets the minimum frame size requirement.
  1289.  
  1290.       IEEE 802.3
  1291.       The Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.3 specifies the physical and
  1292.       medium access control (MAC) standards for Ethernet networks.
  1293.  
  1294.       IEEE 802.12
  1295.       IEEE 802.12 Is a proposed standard for 100 Mbps transmission using a shared media MAC
  1296.       standard called demand priority.  Demand priority prioritizes traffic into high and low
  1297.       priority.
  1298.  
  1299.       Internetwork
  1300.       An internetwork is a collection of several networks that are connected by bridges and  routers
  1301.       so that all users and devices can communicate with each other regardless of the network
  1302.       segment to which that are attached.
  1303.  
  1304.  
  1305.                Understanding Switching and Virtual Networking
  1306.                                   
  1307.  
  1308.  
  1309. LAN switching
  1310. LAN switching is a packet transfer mechanism used to provide full bandwidth
  1311. interconnection for all LAN segments or devices connected to the switch.
  1312.  
  1313. Latency
  1314. Packet latency is the period of time that elapses between receipt of the first byte of a packet
  1315. and the subsequent retransmission of that same byte.
  1316.  
  1317. Level 2
  1318. Level 2 refers to the second layer, or data link layer, of the OSI model.  It defines how data is
  1319. packetized and transmitted to and from each network device.  It is divided into two sublayers
  1320. - medium access control (MAC) and logical link control (LLC).
  1321.  
  1322. Level 3
  1323. Level 3 refers to the third layer, or network layer, of the OSI model.  It governs data routing.
  1324.  
  1325. MAC layer
  1326. The MAC layer is the lower sublayer of the data link layer of the OSI model and governs
  1327. access to the transmission media.
  1328.  
  1329. MAC layer address
  1330. The MAC layer address is a unique identification code used by the MAC layer to identify
  1331. devices on a network.
  1332.  
  1333. Module switching
  1334. Module switching describes the ability to connect all the devices attached to a given module
  1335. in a hub to one of the multiple internal physical LANS.
  1336.  
  1337. Multicast
  1338. Multicast packets are single packets that are copied to a specific subset of network addresses.
  1339. In contrast, broadcast packets are sent to all stations in a network.
  1340.  
  1341. Multimedia
  1342. Multimedia is the incorporation of graphics, text, and sound into a single application.
  1343.  
  1344. Network layer
  1345. See level 3.
  1346.  
  1347. NIC (Network Interface Card)
  1348. A NIC is an adapter board that provides the physical connection between a computer and the
  1349. network medium.
  1350.  
  1351. OSI model
  1352. The Open Systems Interconnection (OSI) model is the seven-layer, modular protocol stack
  1353. defined by the International Standards Organization (ISO) for data communications between
  1354. computers.  The seven layers are: physical, data link, network, transport, session,
  1355. presentation, and application.
  1356.  
  1357.  
  1358.                         Understanding Switching and Virtual Networking
  1359.                                            
  1360.  
  1361.  
  1362.       Port switching
  1363.       Port switching describes the ability to switch users on a per-port basis among the internal
  1364.       LANs within a single chassis.
  1365.  
  1366.       Protocol
  1367.       A protocol is a standardized set of rules for establishing and controlling data transmissions,
  1368.       including formatting, timing, sequencing, and error checking.
  1369.  
  1370.       Router
  1371.       A router Is a device that connects LANs at the network layer and supports protocols required
  1372.       for the filtering of packets.
  1373.  
  1374.       Server
  1375.       A server is a computer that provides shared resources to network users.  A server typically has
  1376.       greater CPU power, memory, cache, disk storage, and power supplies than a computer used
  1377.       as a single-user workstation.
  1378.  
  1379.       Static switching
  1380.       Static switching describes connections that must be made and changed under network
  1381.       management control.  Module switching and port switching fall into this category.
  1382.  
  1383.       Store-and-forward bridging
  1384.       Store-and-forward bridging is implemented much like a MAC layer bridge in that packets
  1385.       are fully buffered internally and checked for validity before the forwarding process is
  1386.       initiated.
  1387.  
  1388.       Token Ring
  1389.       Token Ring is the IEEE 802.5 specification for a 4 Mbps or 16 Mbps network that
  1390.       implements a logical ring with a physical star topology.  Token Ring uses a token-passing
  1391.       access method in which the transmitting station must possess an electronic token before it
  1392.       may send its packets to the network.
  1393.  
  1394.       TP-DDI (Twisted Pair-Distributed Data Interface)
  1395.       TP-DDI is a protocol, ratified by the American National Standards Institute, that converts
  1396.       100 Mbps FDDI protocols to copper wiring.
  1397.  
  1398.       UTP (Unshielded Twisted Pair)
  1399.       UTP cabling consists of a pair of foil-encased copper wires twisted around each other.
  1400.  
  1401.       Virtual LAN
  1402.       A virtual LAN is a group of devices that appear to be connected by a multipart bridge,
  1403.       sharing data and multicast information in a closed environment.
  1404.  
  1405.       Virtual networking
  1406.       Virtual networking is a network management tool that allows the separation of the physical
  1407.       aspects of a network's topology from the services delivered.
  1408.  
  1409.  
  1410. For further information please call
  1411.  
  1412. ph: (07) 393 1933
  1413. fax: (07) 391 4143
  1414. email: netarch@kraken.itc.gu.edu.au
  1415.  
  1416. Regards 
  1417.  
  1418. G. Croker
  1419. NetArch - Brisbane
  1420.