Hierarchisches Netzwerk: Kern-, Verteilungs- und Zugriffsschicht

Hierarchisches Netzwerkdesign

Konzept

Hierarchisches Netzwerkdesign ist ein Netzwerkarchitekturansatz zum Aufbau zuverlässiger, skalierbarer und effizienter Computernetzwerksysteme. Durch die Entwurfsmethodik wird eine bessere Verwaltung, Leistung und Sicherheit erreicht, indem das Netzwerk in verschiedene Schichten mit jeweils spezifischen Funktionen und Verantwortlichkeiten unterteilt wird. Das ursprünglich von Cisco im Jahr 2002 eingeführte hierarchische Netzwerkdesign ist in vielen Netzwerkdesigns zur Standardpraxis geworden.

Bei herkömmlichen flachen Netzwerkdesigns werden Netzwerke über Hubs und Switches verbunden, deren Verwaltung und Wartung mit zunehmender Skalierung schwieriger wird. Die Einführung des hierarchischen Netzwerkdesigns begegnet diesen Herausforderungen, indem das Netzwerk in verschiedene Schichten unterteilt wird, um den Datenverkehr besser zu kontrollieren, Antwortzeiten zu verbessern und die Netzwerkleistung zu optimieren.

Hierarchie

Ein hierarchisches Netzwerkdesign besteht normalerweise aus den folgenden Hauptschichten:

1. Zugriffsebene: Dies ist der Einstiegspunkt für Benutzergeräte (z. B. Computer, Mobiltelefone, Drucker usw.), um auf das Netzwerk zuzugreifen. Die Zugriffsschicht ist für die Bereitstellung von Benutzerzugriff, Authentifizierung, Sicherheitsrichtlinien und anderen Funktionen verantwortlich, führt aber auch die Verarbeitung des lokalen Datenverkehrs durch. Switches spielen in dieser Schicht eine Schlüsselrolle und verbinden Benutzergeräte mit dem Netzwerk.

2. Verteilungsschicht: Die Verteilungsschicht befindet sich zwischen der Zugriffsschicht und der Kernschicht und ist für die Verbindung verschiedener Subnetze der Zugriffsschicht verantwortlich. Auf der Verteilungsebene wird der Datenverkehr aggregiert und gefiltert sowie zwischen Sektoren getrennt (durch virtuelle LAN- oder VLAN-Technologie).

3. Kernschicht: Die Kernschicht ist das Rückgrat des Netzwerks und für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und den Verkehrsaustausch verantwortlich. Es verbindet die verschiedenen Aggregationsschichten und sorgt für hohe Netzwerkverfügbarkeit und Redundanz. Die Kernschicht muss sich durch hohe Bandbreite, geringe Latenz und hohe Verfügbarkeit auszeichnen.

Vorteile

Zu den Vorteilen des hierarchischen Netzwerkdesigns gehören:

• Skalierbarkeit: Das hierarchische Design erleichtert die horizontale Skalierung des Netzwerks bei zunehmender Anzahl von Benutzern und Geräten.
• Einfache Verwaltung: Jede Schicht verfügt über klar definierte Funktionen und Verantwortlichkeiten, wodurch die Netzwerkverwaltung einfacher und kontrollierbarer wird.
• Leistungsoptimierung: Das hierarchische Design ermöglicht die Verkehrskontrolle und -optimierung auf verschiedenen Ebenen, um eine bessere Netzwerkleistung und Reaktionszeiten zu gewährleisten.
• Sicherheit: Das hierarchische Design unterstützt die Implementierung von Sicherheitsrichtlinien und ermöglicht die Zugriffskontrolle auf der Zugriffs- und Aggregationsebene, um die Netzwerksicherheit zu verbessern.

Kernschicht

Die Kernschicht ist das Rückgrat des Netzwerks, das für die Datenübertragung zwischen den verschiedenen Teilen des Netzwerks mit hoher Geschwindigkeit und hoher Effizienz verantwortlich ist. Die Kernschicht besteht normalerweise aus einer Reihe von Geräten mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kapazität, wie Routern und Switches. Auf dieser Ebene besteht die Hauptaufgabe darin, Daten so schnell wie möglich von einem Punkt zum anderen zu übertragen, ohne dass eine komplexe Verarbeitung oder Entscheidungsfindung erforderlich ist. Daher müssen sich Design und Management der Kernschicht auf die Leistung und Bandbreite der Geräte sowie auf die Zuverlässigkeit und Redundanz des Netzwerks konzentrieren.

Eigenschaften

Wichtige Verbindungspunkte: Die Kernschicht verbindet verschiedene Netzwerkkomponenten wie die Aggregationsschicht und die Zugriffsschicht. Es ist der Hauptkanal für den Datenfluss durch das Netzwerk und muss sich daher durch eine hohe Bandbreite und geringe Latenz auszeichnen, um sicherzustellen, dass Daten schnell und effizient übertragen werden können.

Hohe Geschwindigkeit und Effizienz: Die Hauptaufgabe der Kernschicht besteht darin, große Datenmengen schnell weiterzuleiten. Daher sollte die Kernschicht Hochgeschwindigkeits-Switching-Geräte verwenden, um die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung im Netzwerk zu unterstützen.

Redundanz und Hochverfügbarkeit: Aufgrund der Bedeutung der Kernschicht sollte beim Netzwerkdesign Redundanz berücksichtigt werden, um einen Single Point of Failure zu vermeiden. Nutzen Sie Technologien wie redundante Verbindungen und Hot-Backup-Geräte, um sicherzustellen, dass das Netzwerk im Falle eines Ausfalls verfügbar bleibt.

Schnelle Erholung: Im Falle eines Ausfalls der Kernschicht muss das Netzwerk in der Lage sein, sich schnell wiederherzustellen. Schnelle Fehlererkennungs- und Umschaltmechanismen können die Auswirkungen von Netzwerkunterbrechungen reduzieren und die Geschäftskontinuität gewährleisten.

Vermeiden Sie Komplexität: Die Kernschicht sollte so einfach wie möglich gehalten werden, um komplexe Paketoperationen zu vermeiden. Dies trägt dazu bei, die Effizienz der Datenübertragung zu steigern und potenzielle Fehlerquellen zu reduzieren.

Fehlertoleranz: Die Kernschichtausrüstung sollte über eine gute Fehlertoleranz verfügen und in der Lage sein, hohe Lasten und ungewöhnliche Bedingungen zu bewältigen, um die Netzwerkstabilität sicherzustellen.

Skalierbarkeit: Obwohl die Anzahl der Geräte in der Kernschicht relativ gering ist, sollten sie dennoch skalierbar sein. Durch den Einsatz hochwertiger Geräte kann die Kernschicht ohne Leistungseinbußen erweitert werden.

Typische Geräte

Hochleistungsschalter: Die Kernschicht erfordert eine hohe Bandbreite und geringe Latenz, um große Datenübertragungsmengen im Netzwerk zu unterstützen. Hochleistungs-Switches verfügen in der Regel über einen hohen Durchsatz und schnelle Weiterleitungsfunktionen, um den Anforderungen der Kernschicht gerecht zu werden.

Router: In einigen Netzwerken umfasst die Kernschicht möglicherweise Router, die das Routing und die Paketweiterleitung zwischen verschiedenen Subnetzen übernehmen. Diese Router müssen über Hochgeschwindigkeits-Routing- und Weiterleitungsfunktionen verfügen, um eine schnelle Datenübertragung zu gewährleisten.

Layer-3-Switch: Layer-3-Switches können eine doppelte Rolle bei Switching- und Routing-Funktionen in der Core-Schicht spielen. Sie können Hochgeschwindigkeits-Datenweiterleitung und komplexe Netzwerkrichtlinien unterstützen.

Hochverfügbarkeitsschalter: Um die Zuverlässigkeit der Kernschicht sicherzustellen, sind Hochverfügbarkeits-Switches normalerweise mit redundanten Verbindungen, Hot-Backups und schnellen Failover-Funktionen ausgestattet. Diese Funktionen gewährleisten eine schnelle Wiederherstellung im Fehlerfall.

Modularer Schalter: Modulare Switches ermöglichen das Hinzufügen verschiedener Modultypen nach Bedarf, um unterschiedliche Netzwerkanforderungen zu erfüllen. Diese Switches bieten oft die Flexibilität, Ports und Funktionen zu konfigurieren.

Rechenzentrumswechsel: In großen Rechenzentrumsnetzwerken kann die Kernschicht Rechenzentrums-Switches umfassen, die speziell für die Unterstützung umfangreicher Datenübertragungen, Virtualisierung und Cloud Computing entwickelt wurden.

Verteilungsschicht

Die Verteilungsschicht (auch Aggregations- oder Konvergenzschicht genannt) befindet sich auf der mittleren Ebene des Netzwerks und ist für die Verarbeitung und Verteilung von Daten von der Zugriffsschicht zur Kernschicht verantwortlich. Geräte auf der Aggregationsebene benötigen in der Regel eine höhere Rechenleistung, da sie komplexere Entscheidungen treffen müssen, beispielsweise Routing auf der Grundlage von Netzwerkrichtlinien. Darüber hinaus werden auf der Konvergenzschicht Sicherheitsrichtlinien und QoS-Kontrollen (Quality of Service) durchgesetzt.

Eigenschaften

Traffic-Aggregation und -Verteilung: Die Hauptaufgabe der Konvergenzschicht besteht darin, den eingehenden Datenverkehr von der Zugriffsschicht zu bündeln und an den Rest des Netzwerks zu verteilen. Dies trägt dazu bei, eine Überlastung der Kernschicht zu vermeiden und gleichzeitig die Leistung des gesamten Netzwerks zu optimieren.

Mehrere Switches und Router: Die Aggregationsschicht besteht typischerweise aus mehreren Switches und Routern (oder Layer-3-Switches), von denen jeder eine Verbindung zu mehreren Geräten in der Zugriffsschicht herstellt. Die Verbindungen zwischen diesen Geräten ermöglichen den Datenverkehr zwischen verschiedenen Subnetzen.

Grenzen und Verteilungsblöcke: Die Verteilungsschicht selbst fungiert als Grenze des Netzwerks und bildet einen relativ separaten Block des Netzwerks. Diese Verteilungsblöcke ermöglichen die Weiterleitung des Datenverkehrs von einem Block zum anderen über die Kernschicht. Der Vorteil von Verteilungsblöcken besteht darin, dass Probleme in einem Block nicht auf den Rest des Netzwerks übergreifen und so die Verfügbarkeit und Wartbarkeit des Netzwerks erhöhen.

Anwenden von Netzwerkrichtlinien: Auf der Aggregationsschicht werden Netzwerkrichtlinien angewendet und Zugriffskontrolle, Verkehrsbeschränkungen und andere Sicherheitsrichtlinien können durchgesetzt werden. Dies trägt dazu bei, das Netzwerk vor unbefugtem Zugriff und böswilligem Verhalten zu schützen.

Zusätzliche Sicherheitsschicht: Die Verteilungsschicht verbindet nicht nur die Zugriffsschicht mit der Kernschicht, sondern fungiert auch als zusätzliche Sicherheitsschicht zwischen der Zugriffsschicht und dem gesamten Netzwerk. Durch die Implementierung von Zugriffskontrollen und anderen Sicherheitsmaßnahmen erhöht die Aggregationsschicht die Gesamtsicherheit des Netzwerks.

Segregation und Isolation: Die Aggregationsschicht ermöglicht die Trennung zwischen verschiedenen Abteilungen, Funktionen oder Benutzergruppen durch Methoden wie VLAN-Technologie. Dies trägt dazu bei, potenzielle Interferenzen und Konflikte zu minimieren und die Verwaltbarkeit des Netzwerks zu verbessern.

Typische Geräte

Layer-3-Switches: Layer-3-Switches sind mit Switching- und Routing-Funktionen ausgestattet, die eine schnelle Bereitstellung und Weiterleitung des Datenverkehrs in einem Netzwerk ermöglichen. Sie sind häufig in der Lage, komplexere Netzwerkrichtlinien wie VLAN-Trennung, Routing zwischen Subnetzen usw. zu handhaben.

Verteilungsrouter: In einigen Netzwerkarchitekturen kann die Aggregationsschicht Verteilungsrouter umfassen, um die Datenverkehrsaggregation und -weiterleitung zu verwalten. Diese Router sind in der Lage, mehrere Subnetze der Zugriffsschicht zu verbinden und den Datenverkehr an die Kernschicht oder andere Ziele zu leiten.

Aggregationsschalter: Aggregation-Switches sind speziell dafür konzipiert, mehrere Access-Layer-Switches oder -Geräte zu verbinden, ihren Datenverkehr zu aggregieren und an den Core-Layer weiterzuleiten. Diese Switches verfügen typischerweise über Hochgeschwindigkeits-Switching-Funktionen und eine große Anzahl von Ports.

Routing-Schalter: Routing-Switches integrieren Switching- und Routing-Funktionen und ermöglichen schnelle Weiterleitungs- und Routing-Entscheidungen zwischen der Netzwerk- und Verbindungsschicht. Sie können mit komplexen Netzwerktopologien und Routingtabellen umgehen.

Mehrschichtiger Schalter: Multilayer-Switches kombinieren Switching- und Routing-Funktionen und werden typischerweise zur Abwicklung von Aggregation-Layer-Aufgaben verwendet und unterstützen VLAN-Segmentierung, Routing und Lastausgleich.

Zugriffsschicht

Die Zugriffsschicht (auch Edge-Schicht genannt) ist die äußerste Schicht des Netzwerks und für die Verbindung von Endbenutzergeräten wie Computern, Mobiltelefonen und anderen Netzwerkgeräten verantwortlich. Auf der Zugriffsebene müssen Geräte in der Regel eine große Anzahl von Verbindungen mit niedriger Geschwindigkeit und geringem Volumen bewältigen und verschiedene Dienste wie Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) und Network Address Translation (NAT) bereitstellen. Bei der Gestaltung und Verwaltung der Zugriffsschicht müssen die Bedürfnisse und Erfahrungen des Benutzers sowie die Anzahl und Art der Geräte berücksichtigt werden.

Eigenschaften

Verbindungspunkt des Benutzergeräts: Die Zugriffsschicht ist der Einstiegspunkt für Benutzergeräte (z. B. Laptops, Smartphones, Tablets, Drucker usw.), um eine Verbindung zum Netzwerk herzustellen. Der Endbenutzer realisiert den Zugriff auf Netzwerkressourcen über die Zugriffsschicht.

Schalterdichte: Aufgrund der großen Anzahl angeschlossener Benutzergeräte erfordert die Zugriffsschicht normalerweise den Einsatz von Switches mit hoher Dichte. Diese Switches müssen über eine hohe Portdichte verfügen, um den Anschluss mehrerer Benutzergeräte zu unterstützen.

Fülle an Funktionen: Access-Layer-Switches müssen mit umfangreichen Funktionen ausgestattet sein, um den Anforderungen verschiedener Benutzergeräte gerecht zu werden. Zu diesen Funktionen können Erkennung und Konfiguration, Sicherheitsauthentifizierung, QoS-Markierung, Routing-Protokolle, Spanning Tree-Protokolle und mehr gehören.

Sicherheit: Die Zugriffsschicht ist die erste Grenze des Netzwerks und muss hochsicher sein. Durch den Einsatz von Technologien wie 802.1X-Authentifizierung, Portsicherheit und VLAN-Isolierung kann verhindert werden, dass nicht autorisierte Geräte auf das Netzwerk zugreifen.

Netzwerkidentifikation: Durch DHCP, 802.1X-Authentifizierung und andere Mechanismen kann die Zugriffsschicht die mit dem Netzwerk verbundenen Geräte identifizieren und steuern, um sicherzustellen, dass nur legitime Geräte auf das Netzwerk zugreifen können.

QoS-Unterstützung: Die Zugriffsschicht muss QoS (Quality of Service) unterstützen, um sicherzustellen, dass Netzwerkressourcen ordnungsgemäß zugewiesen werden. Durch die Kennzeichnung, Überwachung und Warteschlangeneinteilung des Datenverkehrs wird sichergestellt, dass kritische Anwendungen ausreichend Bandbreite erhalten.

Unterstützung der physischen Infrastruktur: Access-Layer-Switches unterstützen typischerweise PoE (Power over Ethernet), das einige Geräte (z. B. IP-Telefone, Kameras) mit Strom versorgt und die Verkabelungsanforderungen vereinfacht.

Verbindung zur Aggregationsschicht: Der Feed von der Zugriffsschicht in die Aggregationsschicht bedeutet, dass Benutzergeräte eine Verbindung am Switch in der Zugriffsschicht aufbauen. Die Aggregationsschicht leitet die Daten weiter an die Kernschicht und ermöglicht so den Datenfluss zwischen verschiedenen Netzwerkschichten.

Typische Ausrüstung

Zugriffsschalter: Zugangsschalter sind Schlüsselgeräte für die Verbindung von Benutzergeräten. Sie verfügen in der Regel über eine hohe Portdichte und unterstützen den Anschluss mehrerer Benutzergeräte. Access-Layer-Switches bieten grundlegende Netzwerkkonnektivität und Switching-Funktionen.

Drahtlose Zugangspunkte (WAPs): In einer drahtlosen Netzwerkumgebung sind WAPs Schlüsselgeräte, die drahtlose Geräte (z. B. Laptops, Smartphones) mit dem Netzwerk verbinden. Sie stellen Wi-Fi-Konnektivität bereit und ermöglichen mobilen Geräten den Zugriff auf Netzwerkressourcen.

Netzwerk-Switches: Zusätzlich zu Access-Layer-Switches können in einigen Szenarien auch reguläre Netzwerk-Switches verwendet werden. Sie können an den Access-Layer-Switch angeschlossen werden, um die Verbindung mehrerer Benutzergeräte zu realisieren.

802.1X-Authentifizierungsserver: Die Zugriffsschicht muss eine Sicherheitsauthentifizierung implementieren, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Geräte auf das Netzwerk zugreifen können. 802.1X-Authentifizierungsserver werden verwendet, um die Identität von Benutzergeräten zu überprüfen und die Zugriffskontrolle zu implementieren.

VLAN-Verwaltungsgeräte: Die Zugriffsschicht muss möglicherweise eine VLAN-Trennung (Virtual LAN) implementieren, um verschiedene Benutzergeräte in verschiedenen virtuellen Netzwerken zu isolieren. VLAN-Verwaltungsgeräte werden zur Konfiguration und Verwaltung verschiedener VLANs verwendet.

Power-over-Ethernet-Switch: Um die Stromversorgung von Geräten zu vereinfachen, kann die Zugriffsschicht PoE-Switches verwenden, die eine Reihe von Geräten (z. B. IP-Telefone, Kameras) mit Strom versorgen können.

Netzwerkzugriffskontrollserver: Ein NAC-Server wird verwendet, um die Netzwerkzugriffskontrolle durchzusetzen und sicherzustellen, dass mit dem Netzwerk verbundene Geräte Sicherheitsrichtlinien und Compliance-Anforderungen erfüllen.

Vergleich

Aspekt	Kernschicht	Verteilungsschicht	Zugriffsschicht
Funktionen	– Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zur Unterstützung eines hohen Durchsatzes – Redundanz und hohe Verfügbarkeit – Schnelle Wiederherstellung und Lastausgleich	– Datenverkehrsaggregation und -verteilung, Verbindung verschiedener Subnetze – Anwenden von Netzwerkrichtlinien und QoS-Markierung – Horizontale Skalierung und Redundanz	– Anschließen von Endbenutzergeräten – Unterstützung einer großen Anzahl angeschlossener Geräte, hohe Portdichte – Sichere Authentifizierung, Netzwerkidentität, QoS-Unterstützung
Hardware-Anforderungen	– Switching-Geräte mit hoher Bandbreite und geringer Latenz – Redundante Verbindungen und Hot-Standby – Hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz	– Hochgeschwindigkeits-Vermittlungsgeräte mit Unterstützung für die Verkehrsaggregation – Mehrere Switches und Router – Hot Standby und redundante Verbindungen	– Switch mit hoher Dichte zur Unterstützung einer großen Anzahl von Benutzerverbindungen – PoE-Unterstützung für die Stromversorgung – Sicherheitsfunktionen und QoS-Unterstützung
Sicherheit	– Grenzsicherung zur Einschränkung des externen Zugriffs – Schützt das Kernnetzwerk vor unbefugtem Zugriff	– Anwenden von Netzwerkrichtlinien und Zugriffskontrolle – Trennen Sie verschiedene Abteilungen und Benutzergruppen – Unbefugten Zugriff verhindern	– Erste Grenze, ein hohes Maß an Sicherheit erforderlich – 802.1X-Authentifizierung, Portsicherheit – Verhindern Sie unbefugten Gerätezugriff
Skalierbarkeit	– Qualitätsskalierung (besseres Gerät). – Vermeidet CPU-intensive Vorgänge	– Unterstützt Qualitäts- statt Quantitätsskalierung – Hoch skalierbar	– Unterstützt eine große Anzahl von Geräteverbindungen, hoch skalierbar – Vereinfacht das Hinzufügen und Verwalten von Geräten – Erweiterung der Geräteanzahl
Management und Wartung	– Vereinfachtes Design mit weniger Fehlerquellen – Redundantes Design zur Reduzierung einzelner Fehlerquellen – Hohe Verfügbarkeit und schnelle Wiederherstellung	– Verteilte Blockverwaltung, Probleme wirken sich nicht auf andere Teile aus – Hohe Verfügbarkeit und Wartbarkeit	– Gerätevielfalt und Verwaltungskomplexität – Es muss eine große Anzahl angeschlossener Geräte verwaltet werden – Herausforderungen bei der Geräteverwaltung, Fehlerbehebung und Durchsetzung von Sicherheitsrichtlinien

Zusammenfassung

Die Zuordnung der Netzwerkhierarchie ist eine komplexe, aber wichtige Aufgabe. Der Netzwerktechniker muss die Anforderungen und Ressourcen des Netzwerks berücksichtigen und eine effiziente, zuverlässige und verwaltbare Architektur für das gesamte Netzwerk entwerfen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist es wichtig, die Funktionen und Anforderungen der Kern-, Verteilungs- und Zugriffsebenen zu verstehen.