Bölüm 27: Switch'ler

Kimse ona söylemiyor. Kutu, üstünden geçen frame’leri dinleyerek öğreniyor ve öğrendikçe herkese bağırmayı bırakıyor.

Kutunun adı switch ve bir yerel ağda kimin neyi duyacağını bugün artık kablo değil, onun tablosu belirliyor. Peki o tabloyu kim, ne zaman yazıyor?

Tabloyu kim yazıyor?

Switch bir data link layer cihazı ve hiç de edilgen bir kutu değil. Frame’i alıyor, saklıyor, sonra iletiyor; kararını verirken de frame’in başına bakıyor.

Makinen frame’i switch’e adreslemiyor; karşı makinenin fabrika adresini yazıyor ve arada bir cihaz durduğundan haberi bile olmuyor. Switch ağın görünmez elemanıdır.

Görünmez olduğu kadar da bakımsızdır. Kutuyu prize takar, kabloları geçirir, işine dönersin. Tablosunu kendi doldurur; hiçbir yönetici tek satır yapılandırmaz.

O tablonun her satırı üç alan taşıyor: bir MAC adresi, o adrese ulaşan interface ve kaydın zaman damgası. Standart metnindeki adı iletme veritabanı, sahadaki adı MAC adres tablosu ya da, tutulduğu hızlı bellek türünden, CAM tablosu.

Asıl numara satırın nereden geldiğinde. Switch hedef adresten hiçbir şey öğrenmez, kaynak adresten öğrenir. Gelen frame’in göndericisini alır, frame’in girdiği port numarasıyla eşler ve tabloya yazar. Konuşan herkes konuştuğu anda yerini ele veriyor.

Bunun için her port karışık modda çalışır. 21. bölümde yakalama yaparken kartı bu moda almıştın; switch’in portları zaten hep öyle durur. Kendisine gelmeyen frame’leri de alır, çünkü öğrenmesi gereken onlardır.

Mahalle bakkalı defterini nasıl tutuyorsa switch de tablosunu öyle tutuyor. Benzetme burada bir adım öteye gidiyor: bakkal sorup öğreniyordu, switch sormuyor bile.

Ölçek de dikkat ister. Adres alanı 48 bit, yani iki üzeri kırk sekiz kadar olası ad var. Bir switch’in tablosu ise ev tipinde birkaç bin, büyük kurumsal modellerde birkaç yüz bin satır. Switch adres uzayını tutmuyor, yalnızca duyduklarını tutuyor.

Hedefi tanımıyorsa ne oluyor?

Frame içeri girdiğinde sıra sabit: kaynak kaydı önce, hedef araması sonra. Aramanın üç sonucu var ve üçü de ayrı bir davranış üretiyor.

Hedef, frame’in geldiği portta görünüyorsa switch frame’i hiç iletmez. Düşürür. İki makine aynı kabloda oturuyorsa birbirlerini zaten duymuşlardır; bu davranışın adı filtreleme.

Hedefin yeri biliniyorsa frame tek bir kablodan çıkar. Ağın geri kalanı o trafiği hiç görmez. Switch’in bütün değeri bu cümlede.

Hedef tabloda yoksa switch bilmediğini itiraf eder. Frame’i geldiği port dışındaki bütün portlardan kopyalar. Bu davranışın adı flooding (taşkın). Kopya gönderene geri verilmez; kimse kendi frame’ini geri almaz.

Bilinmeyen makine cevap verdiği anda frame’i switch’e girer, switch onun portunu öğrenir ve o adrese bir daha flooding yapmaz. Bilgisizlik tek bir frame boyunca sürüyor.

Tablonun ilk frame’den başlayarak nasıl dolduğunu izleyelim:

Bir frame türü bu kuralın dışında kalıyor. Tümü bir olan FF-FF-FF-FF-FF-FF dizisi broadcast adresiydi; o adrese giden frame, tablo ne kadar dolu olursa olsun bütün portlarda kopyalanır. Switch broadcast’i kesmez. ARP, switch’in ardında da bağırarak çalışmayı sürdürür.

Açık bıraktığım broadcast domain sınırının cevabı burada duruyor. Ağda yalnızca hub, bridge ve switch varsa ortaya tek bir broadcast domain çıkıyor. O duvarı ancak router örüyor.

Kayıtların bir de ömrü var. Bir adresten belli bir süre frame gelmezse satır silinir; bu süreye yaşlanma süresi deniyor ve tipik değeri 5 dakika, yani 300 saniye. Süre ayarlanabiliyor. Tablodaki satırların çoğu dinamik, yani switch’in kendi öğrendikleri; yaşlanma yalnızca onlara işler. Yönetici elle statik satır da ekleyebilir. Statik satır yaşlanmaz, silinene kadar tabloda kalır.

Neden beş dakika? Süre kısa olursa switch sessiz duran makineleri unutur ve onlar için gereksiz yere flooding yapar. Uzun olursa, yeri değişip henüz hiç konuşmamış bir makineye giden frame’ler eski portuna gönderilmeye devam eder. Makine konuştuğu anda switch satırı hemen düzeltir; yaşlanmayı beklemez.

Bir Cisco switch’in konsoluna girersen tabloyu tek komutla görebilirsin:

Switch# show mac address-table
          Mac Address Table
-------------------------------------------

Vlan    Mac Address       Type        Ports
----    -----------       --------    -----
   1    0000.5e00.531c    DYNAMIC     Gi0/3
   1    0000.5e00.537b    DYNAMIC     Gi0/5
   1    0000.5e00.53a4    STATIC      Gi0/1
Total Mac Addresses for this criterion: 3

Cisco adresi noktayla ayrılmış dörtlü gruplar hâlinde yazar; 0000.5e00.531c, tireli yazımla 00-00-5e-00-53-1c. İlk sütundaki VLAN’ı 29. bölümde açacağız: switch bir adresi VLAN’ıyla birlikte öğrenir ve aynı MAC iki VLAN’da iki ayrı satır olabilir.

İki makine aynı ağda nasıl konuşuyor?

Parçalar tamamlandı. Kartın kendi adı, komşunun sorulması ve switch’in öğrenmesi ayrı ayrı duruyordu; şimdi üçünü tek bir konuşmada birden yürütelim.

Sahneyi sade tutalım. Aynı switch’e bağlı iki makine var: A’nın adresi 192.0.2.10, B’ninki 192.0.2.40, maske ikisinde de 255.255.255.0. Switch yeni açılmış, yani tablosu boş. A, B’ye bir istek gönderecek.

Karar. A hedef adresi kendi maskesinden geçiriyor ve iki sonucun aynı çıktığını görüyor; B komşu olduğuna göre frame geçide değil, doğrudan B’ye yazılacak.

Komşunun donanım adresi. A’nın ARP tablosunda B’nin satırı yok. A bir ARP isteğini broadcast ediyor; frame’in hedef MAC alanında FF-FF-FF-FF-FF-FF, sorusu “192.0.2.40 kimde?”.

Switch’in ilk öğrenmesi. Frame switch’e giriyor. Switch kaynak MAC alanına bakıp A’yı geldiği portla eşliyor; tablonun ilk satırı böyle yazılıyor. Hedef broadcast adresi olduğu için frame’i giriş portu dışındaki bütün portlara kopyalıyor.

Cevap. Soruyu ağdaki herkes duyuyor, yalnızca B cevaplıyor. Cevabı broadcast’le değil, doğrudan A’ya yazıyor. Bu frame switch’e girdiğinde tabloya ikinci satır düşüyor ve cevap yalnızca A’nın portundan çıkıyor.

Asıl veri. A artık B’nin MAC adresini biliyor. İsteği yazıyor, frame’in hedefine B’nin adresini koyuyor. Switch tablosuna bakıp tek bir porta iletiyor. Ağdaki üçüncü bir makine bu frame’i hiç görmüyor.

Konuşmanın tamamında dikkat etmen gereken şey şu: switch paketin içindeki IP adresine bir kez bile bakmadı. Bütün kararlarını frame’in iki MAC alanıyla verdi. A ile B’nin gözünde aradaki switch yok gibi duruyor; ikisi de karşısındakiyle doğrudan konuştuğunu sanıyor.

Yerel ağın tanımını da buradan çıkarabilirsin: aynı ağda olmak, frame’in araya bir router girmeden karşı tarafa varabilmesi demek. Peki hedef başka bir ağdaysa? Bu beş adımın yalnızca ilki değişiyor, ama sonrası tamamen başka bir hikâyeye dönüşüyor.

Switch ağı neye böldü?

Switch’e giden her kablo kendi başına bir collision domain. Bağlantı tam çift yönlü çalışıyor ve o kabloda collision olmuyor. 24 portlu bir switch 24 collision domain ve tek broadcast domain demek.

Yerini aldığı cihaza bakınca fark keskinleşiyor. Önceki bölümdeki hub her sinyali bütün portlara kopyalıyordu: 24 portlu bir hub’da tek frame 23 gereksiz kopya üretir ve kutunun tamamı tek kocaman collision domain’e dönüşür.

Aynı frame öğrenmiş bir switch’te portların yalnızca %4,2’sini meşgul ediyor. Kalan yirmi üç kablo aynı anda başka konuşmalar taşıyor.

Switch ile hub arasındaki farkın altında özel donanım var. Switch frame’i genel amaçlı bir işlemcide değil, ASIC denen özel bir yongada yönlendiriyor; gecikmenin mikrosaniyeyle ölçülmesinin sebebi bu. Yongaya frame’in ne kadarını okutacağın ise ayrı bir tercih ve onu birazdan göreceğiz.

Küçük bir ev switch’inin veri sayfası bu tercihleri sayıya çeviriyor. MAC adres veritabanı 4.000 giriş, toplam paket tamponu 128 KB. İç gecikme 10 Mbit/s portta 30 µs, 100 Mbit/s portta 6 µs, 1000 Mbit/s portta 4 µs. Port başına iletme hızı da sırasıyla 14.800, 148.800 ve 1.480.000 paket.

Ortadaki sayı tesadüf değil. En küçük frame telde 84 bayt, yani 672 bit yer kaplıyordu; aynı kanal maliyeti 100 Mbit/s’de saniyede 148.809 frame veriyor. Veri sayfasındaki 148.800 bu sayının yuvarlanmış hâli: switch en küçük frame’lerle bile hattın tamamını taşıyabiliyor.

Bütün portlar aynı anda tam yüklenirse iç elektronik yetişemeyip frame düşürebilir; buna bloklama, yetişebilene bloklamayan switch deniyor.

Bridge ile switch arasındaki fark ne?

Peki switch nereden çıktı? Birdenbire ortaya çıkmadı: ondan önce üç cihaz vardı ve her biri bir öncekinin tek bir eksiğini kapattı. Sırayı bir kez görürsen switch’in ne olduğunu da kendiliğinden anlıyorsun.

Repeater en basiti ve en dürüstü. İki portu var, tek işi de zayıflamış sinyali tazeleyip öbür tarafa geçirmek. İçinden ne geçtiğini bilmiyor; frame diye bir kavramı da yok, adres diye bir kavramı da. Kablonun boyunu uzatıyor, başka hiçbir şey yapmıyor.

Hub çok portlu bir repeater’dan ibaret. Aynı işi ikiden fazla kabloya yayıyor: bir porttan aldığı elektriği kalan bütün portlara kopyalıyor. Tablosu yok, kararı yok; bütün portlar tek bir collision domain’in içinde kalıyor.

Bridge zincirin kırıldığı yer. İlk kez bir cihaz frame’i okuyor: hedef MAC adresine bakıyor, kendi öğrendiği tabloya danışıyor ve frame’i ancak gerekiyorsa öbür tarafa geçiriyor. Bu bölümün başında anlattığım üç karar, yani öğrenme, flooding ve iletme, bridge’le doğdu. İki kablo parçasını tek bir broadcast domain’de birleştirirken collision alanlarını ayrı tutuyor.

Switch ise çok portlu bir bridge. Kavram olarak yeni bir şey getirmiyor; getirdiği şey ölçek ve hız.

Peki ikisi aynı işi yapıyorsa neden iki ad taşıyorlar? Dürüst cevap şaşırtıcı: standart hâlâ ikisine birden bridge diyor. Bu işi ilk tarif eden IEEE 802.1D’nin başlığı “MAC Bridges”, bugün onun yerini alan 802.1Q’nunki “Bridges and Bridged Networks”; switch’in yaptığı iş bu belgelerde bridging diye tanımlı. Bölümün sonunda göreceğin Spanning Tree Protocol’ün mesajlarına BPDU, seçtiği cihaza da kök bridge denmesinin sebebi budur; kutunun üstünde switch yazsa bile standart onu bridge sayıyor.

Yine de aradaki farkı önemsiz sayma, çünkü aynı işi başka türlü yapıyorlar. Bridge’in iki ile on altı arası portu olurdu; switch’te yirmi dördü, kırk sekizi geçtiğini görürsün. Bridge kararını genel amaçlı bir işlemcide yazılımla verirdi, switch özel bir yongada veriyor. Sonuç da buradan çıkıyor: bridge frame’leri sırayla işlerken switch bütün portlarda aynı anda hat hızında çalışabiliyor.

Switch frame’i ne zaman iletmeye başlıyor?

Hızın ikinci kaynağını da kararın ne kadar erken verildiğinde bulacaksın. Üç ayrı davranış var, ama aralarındaki bütün farkı tek bir soruda toplayabilirsin: iletmeye başlamadan önce frame’in ne kadarını okuyorsun?

Store-and-forward (sakla ve ilet) frame’in tamamını bekliyor. Sonunda FCS’yi hesaplayıp kuyruktaki değerle karşılaştırıyor, tutmuyorsa frame’i atıyor. 64 bayttan kısa ve 1.518 bayttan uzun frame’ler de burada eleniyor. Bedeli gecikme: frame uzadıkça bekleme de uzuyor. Buna karşılık giriş ile çıkış portunun hızı farklı olduğunda tek çalışan kip bu, çünkü frame zaten baştan sona tamponda duruyor.

Cut-through (kes ve geç) hedef MAC adresini okur okumaz iletmeye başlıyor. Adres frame’in ilk altı baytı olduğu için karar neredeyse anında veriliyor ve gecikme frame’in boyundan bağımsız hâle geliyor. Karşılığında FCS hiç kontrol edilmiyor: bozuk frame de aynı hızla öbür tarafa geçiyor ve ancak varış makinesinde eleniyor. Switch burada hatayı gidermiyor, yalnızca taşıyor.

Fragment-free (parçasız) ikisinin ortasında duruyor. İlk 64 baytı okuyup öyle başlıyor. O sayı sana tanıdık gelmeli: önceki bölümde dilim süresinden türettiğimiz asgari frame boyu. Collision’ların bıraktığı bozuk parçalar o pencerenin içinde kaldığı için, 64 baytı bekleyen bir switch onların hemen hepsini yakalıyor.

Bugün karşına çıkan switch’lerin neredeyse hepsinde varsayılan kipi store-and-forward olarak bulacaksın. Çünkü hatalı frame’i ağa hiç salmamak, kazanılan birkaç mikrosaniyeden değerli sayılıyor; üstelik hızlar arttıkça o birkaç mikrosaniye zaten küçülüyor. Cut-through ise gecikmenin paraya çevrildiği yerlerde yaşamaya devam ediyor: yüksek başarımlı hesaplama kümeleri ve borsa işlem sistemleri.

Flooding ne zaman kusura dönüşür?

Tablonun bir sınırı olduğunu söylemiştim; saldırgan da bunu biliyor. MAC flooding saldırısı sahte kaynak adresli çok sayıda frame’le tabloyu doldurur, gerçek adreslere yer bırakmaz. O noktadan sonra switch her şeyi flooding’e verir. Switch’li ağda dinleme zorlaşıyor ama bitmiyor. Tabloda kaydı olmayan hedefler ile broadcast frame’leri hâlâ herkese ulaşıyor.

Savunması port güvenliği. Bir porta kaç MAC adresinin ilişkilendirilebileceğini sınırlarsın; sınır aşılınca port askıya alınır, gelen veri yok sayılır ya da port tümden kapatılır.

İkinci tuzak kabloda. İki switch arasına yedek olsun diye ikinci bir bağlantı çekmek makul bir fikir gibi durur. Sonucu döngü yolu oluyor. Döngüye giren frame sonsuza dek dolaşır, trafik hattın azami hızına tırmanır ve ağ doyar.

Kapalı bir makineye yollanan tek bir frame bunu başlatmaya yetiyor. Adres hiçbir switch’in tablosunda karşılık bulmaz, her switch onu flooding’le çoğaltır ve döngü varsa kopyalar birikmeye başlar. Frame’lerde, IP’deki TTL gibi bir ömür alanı yok; döngüdeki bir kopya kendi kendine hiç ölmüyor.

IEEE 802.1D bu yüzden Spanning Tree Protocol’ü (STP, yayılan ağaç protokolü) tanımladı. Yedekli bağlantılar fiziksel olarak yerinde durur ama bazı portlar bloklanır, geriye tek bir etkin yol kalır. Bridge’ler birbirlerine BPDU adı verilen küçük mesajlar yolluyor; kimliği en küçük olan kök bridge seçiliyor. Kimlik, varsayılanı 32.768 olan öncelik değeri ile cihazın MAC adresinin birleşimi.

Bir port beş durumdan birinde bulunur: bloklama, dinleme, öğrenme, gönderme, kapama. Özgün protokolde dinleme ve öğrenme 30 saniye sürüyordu; bir kablo koptuğunda ağın kendine gelmesi yarım dakikayı, bazen daha fazlasını buluyordu. Hızlı sürümü (RSTP) zamanlayıcı beklemek yerine komşularla doğrudan el sıkışıyor ve yol koptuğunda bloklu portu çoğu zaman bir saniyenin altında açıyor.

Buraya kadar ayrı ayrı gördüğün şeyler tek bir interface çıktısında yan yana duruyor. MTU paketin üst sınırını çiziyordu; switch’in portunda o sınır da, spanning tree durumu da, flooding ayarı da ayrı birer satır:

Switch# show interface fastethernet 0/2

  MTU 1500 bayt
  Spanning tree durumu: gönderme
  Bilinmeyen unicast flooding'i: açık

Özet

• Switch kendi öğreniyor: tablosunu kaynak adreslerden kurar, tak-çalıştır çalışır ve her satırında bir adres, bir interface, bir zaman damgası tutar.
• Üç karar veriyor: hedef aynı porttaysa frame’i düşürür, yeri biliniyorsa tek kablodan yollar, bilinmiyorsa bütün portlara kopyalar.
• Flooding bilgisizliğin bedeli: yalnızca bir frame sürer, ama broadcast adresine giden frame’lerde hiç bitmez.
• Aynı ağda konuşmak tek frame’dir: hedef komşuysa frame doğrudan ona yazılır ve switch paketin içindeki IP adresine hiç bakmadan iletir.
• Switch collision’u böler, broadcast’i bölmez: port sayısı kadar collision domain üretir ve hepsini tek bir broadcast domain’in içinde bırakır.
• Switch çok portlu bir bridge’dir: repeater sinyali tazeler, hub onu bütün portlara yayar, bridge ilk kez frame’i okur; switch’in eklediği şey kavram değil, ölçek ve hız.
• İletme kipi ne kadar okunduğuyla belirlenir: store-and-forward frame’in tamamını alıp FCS’yi denetler, cut-through ilk altı bayttan sonra başlar, fragment-free ise collision penceresi olan 64 baytı bekler.
• Yedeklilik denetimsiz kurulmuyor: ikinci bir kablo döngü demektir ve Spanning Tree Protocol olmadan ağ kendi kopyalarında boğulur.

Switch artık kimin hangi kabloda olduğunu biliyor ve ağı senin adına parçalara ayırdı. Ama o kabloları kimse rastgele çekmedi. Binadaki her prizin bu kutuya nasıl ulaştığının bir düzeni var; peki o düzenin adı ne?