Table Of ContentIP Network Design Guide
MartinW.Murhammer,Kok-Keong Lee,PayamMotallebi,
Paolo Borghi,Karl Wozabal
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SG24-2580-01
International Technical Support Organization SG24-2580-01
IP Network Design Guide
June 1999
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SecondEdition(June1999)
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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
HowThis BookIsOrganized . ...... ....... ...... ....... ...... ....... ..ix
TheTeamThatWroteThisRedbook. ....... ...... ....... ...... ....... .. x
Comments Welcome . ...... ...... ....... ...... ....... ...... ....... ..xi
Chapter 1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 The Internet Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1.1 A Brief History of the Internet and IP Technologies. . . . . . . . . . . . . . .1
1.1.2 The Open Systems Interconnection (OSI) Model. . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.1.3 The TCP/IP Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.1.4 The Need for Design in IP Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.1.5 Designing an IP Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.2 Application Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.2.1 Bandwidth Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.2.2 Performance Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.2.3 Protocols Required . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.2.4 Quality of Service/Type of Service (QoS/ToS). . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.2.5 Sensitivity to Packet Loss and Delay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2.6 Multicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2.7 Proxy-Enabled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2.8 Directory Needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2.9 Distributed Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.2.10 Scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.2.11 Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.3 Platform Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.4 Infrastructure Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.5 The Perfect Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
Chapter 2. The Network Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.1 Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.1.1 The Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.1.2 LAN Technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
2.1.3 WAN Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.1.4 Asynchronous Transfer Mode (ATM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
2.1.5 Fast Internet Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
2.1.6 Wireless IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
2.2 The Connecting Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
2.2.1 Hub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
2.2.2 Bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
2.2.3 Router. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
2.2.4 Switch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
2.3 ATM Versus Switched High-Speed LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
2.4 Factors That Affect a Network Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
2.4.1 Size Matters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
2.4.2 Geographies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
2.4.3 Politics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
2.4.4 Types of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
2.4.5 Need For Fault Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
2.4.6 To Switch or Not to Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
2.4.7 Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
2.4.8 Cost Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
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2.4.9 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Chapter 3. Address, Name and Network Management . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1 Address Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.1 IP Addresses and Address Classes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.2 Special Case Addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.3 Subnets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.4 IP Address Registration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.5 IP Address Exhaustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.1.6 Classless Inter-Domain Routing (CIDR). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.7 The Next Generation of the Internet Address IPv6, IPng . . . . . . . . . 83
3.1.8 Address Management Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2 Address Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.1 Static. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.2 Reverse Address Resolution Protocol (RARP). . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.3 Bootstrap Protocol (BootP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.4 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP). . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3 Name Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3.1 Static Files. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3.2 The Domain Name System (DNS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.3 Dynamic Domain Name System (DDNS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.4 DNS Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.5 Does The Network Need DNS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3.6 Domain Administration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3.7 A Few Words on Creating Subdomains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.8 A Note on Naming Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3.9 Registering An Organization’s Domain Name . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3.10 Dynamic DNS Names (DDNS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.3.11 Microsoft Windows Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.12 Final Word On DNS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4 Network Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.1 The Various Disciplines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.4.2 The Mechanics of Network Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.4.3 The Effects of Network Management on Networks. . . . . . . . . . . . . 123
3.4.4 The Management Strategy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Chapter 4. IP Routing and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.1 The Need for Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2 The Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3 The Routing Protocols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3.1 Static Routing versus Dynamic Routing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.2 Routing Information Protocol (RIP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.3 RIP Version 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3.4 Open Shortest Path First (OSPF). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.3.5 Border Gateway Protocol-4 (BGP-4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.4 Choosing a Routing Protocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.5 Bypassing Routers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.5.1 Router Accelerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.5.2 Next Hop Resolution Protocol (NHRP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.5.3 Route Switching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.5.4 Multiprotocol over ATM (MPOA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5.5 VLAN IP Cut-Through . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.6 Important Notes about IP Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
iv IPNetworkDesignGuide
4.6.1 Physical versus Logical Network Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
4.6.2 Flat versus Hierarchical Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
4.6.3 Centralized Routing versus Distributed Routing. . . . . . . . . . . . . . . .152
4.6.4 Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
4.6.5 Frame Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
4.6.6 Filtering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
4.6.7 Multicast Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
4.6.8 Policy-Based Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
4.6.9 Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
Chapter 5. Remote Access. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
5.1 Remote Access Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
5.1.1 Remote-to-Remote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
5.1.2 Remote-to-LAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
5.1.3 LAN-to-Remote. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
5.1.4 LAN-to-LAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
5.2 Remote Access Technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
5.2.1 Remote Control Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
5.2.2 Remote Client Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
5.2.3 Remote Node Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
5.2.4 Remote Dial Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
5.2.5 Dial Scenario Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
5.2.6 Remote Access Authentication Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
5.2.7 Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
5.2.8 Layer 2 Forwarding (L2F) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
5.2.9 Layer 2 Tunneling Protocol (L2TP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
5.2.10 VPN Remote User Access. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Chapter 6. IP Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
6.1 Security Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
6.1.1 Common Attacks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
6.1.2 Observing the Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187
6.2 Solutions to Security Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
6.2.1 Implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
6.3 The Need for a Security Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
6.3.1 Network Security Policy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
6.4 Incorporating Security into Your Network Design . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
6.4.1 Expecting the Worst, Planning for the Worst. . . . . . . . . . . . . . . . . .194
6.4.2 Which Technology To Apply, and Where?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
6.5 Security Technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
6.5.1 Securing the Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
6.5.2 Securing the Transactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210
6.5.3 Securing the Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
6.5.4 Securing the Servers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
6.5.5 Hot Topics in IP Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
Chapter 7. Multicasting and Quality of Service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
7.1 The Road to Multicasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227
7.1.1 Basics of Multicasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
7.1.2 Types of Multicasting Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
7.2 Multicasting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
7.2.1 Multicast Backbone on the Internet (MBONE). . . . . . . . . . . . . . . . .230
7.2.2 IP Multicast Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
7.2.3 Multicast Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234
v
7.2.4 Multicast Address Resolution Server (MARS) . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.3 Designing a Multicasting Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.4 Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.4.1 Transport for New Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.4.2 Quality of Service for IP Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.4.3 Resource Reservation Protocol (RSVP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.4.4 Multiprotocol Label Switching (MPLS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.4.5 Differentiated Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.5 Congestion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.5.1 First-In-First-Out (FIFO). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.5.2 Priority Queuing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.5.3 Weighted Fair Queuing (WFQ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.6 Implementing QoS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Chapter 8. Internetwork Design Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.1 Small Sized Network (<80 Users) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.1.1 Connectivity Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.1.2 Logical Network Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.1.3 Network Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.1.4 Addressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.1.5 Naming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.1.6 Connecting the Network to the Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.2 Medium Size Network (<500 Users). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.2.1 Connectivity Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2.2 Logical Network Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.2.3 Addressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.2.4 Naming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.2.5 Remote Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.2.6 Connecting the Network to the Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
8.3 Large Size Network (>500 Users) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Appendix A. Voice over IP ... ...... ....... ...... ....... ...... .....271
A.1 TheNeedforStandardization ..... ....... ...... ....... ...... .....271
A.1.1 TheH.323ITU-TRecommendations......... ....... ...... .....271
A.2 TheVoiceoverIPProtocolStack .. ....... ...... ....... ...... .....273
A.3 VoiceTerminology andParameters. ....... ...... ....... ...... .....273
A.4 VoiceoverIP DesignandImplementations.. ...... ....... ...... .....275
A.4.1 TheVoiceoverIP DesignApproach ... ...... ....... ...... .....277
Appendix B. IBM TCP/IP Products Functional Overview ... ...... .....279
B.1 SoftwareOperatingSystemImplementations ...... ....... ...... .....279
B.2 IBMHardwarePlatform Implementations ... ...... ....... ...... .....284
Appendix C. Special Notices. ...... ....... ...... ....... ...... .....287
Appendix D. Related Publications .. ....... ...... ....... ...... .....289
D.1 InternationalTechnicalSupportOrganizationPublications......... .....289
D.2 Redbooks onCD-ROMs ......... ....... ...... ....... ...... .....289
D.3 OtherResources ... ...... ...... ....... ...... ....... ...... .....289
How to Get ITSO Redbooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
IBMRedbook OrderForm...... ...... ....... ...... ....... ...... .....292
vi IPNetworkDesignGuide
List of Abbreviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
ITSO Redbook Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309
vii
viii IPNetworkDesignGuide
