Изучение виртуальных локальных сетей VLAN

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь:

- применять стандартные методы для защиты объектов.

знать:

- основные приемы работы в компьютерных сетях;

- технологии передачи и обмена данными в сетях;

- информационные ресурсы компьютерных сетей.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы:

Локальные сети в настоящее время принято строить на основании технологи коммутируемого Ethernet. Стремятся минимизировать число используемых концентраторов (хабов-hab) и использовать преимущественно коммутаторы (свичи - switch). В коммутаторе между приёмником и передатчиком на время соединения образуется виртуальный канал (virtual circuit) точка-точка. Такая сеть может быть рассмотрена как совокупность независимых пар приёмник-передатчик, каждая из которых использует всю полосу пропускания. Коммутатор позволяет осуществлять параллельную

передачу информации. Коммутация уменьшает вероятность переполнения в сетях Ethernet.

Если коммутатору необходимо передать пакет на какой-то выходной порт, и этот порт занят, то пакет помещается в буферную память. Это позволяет согласовать скорости передатчиков и приёмников пакетов.

Для отправки фрейма через коммутатор используются два метода:

Отправка с промежуточным хранением (store-and-forward). Пакет должен быть принят полностью до того как будет начата его отправка.

Сквозной метод (cut-through). Коммутатор принимает начало пакета, считывает в нём адрес пункта назначения и начинает отправлять пакет ещё до его полного получения.

Ethernet-коммутатор узнаёт МАС адреса устройств в сети путём чтения адресов источников в принимаемых пакетах. Коммутатор запоминает в своих внутренних таблицах информацию на какие порты и с каких МАС адресов приходят пакеты. При подключении к одному порту нескольких устройств через концентратор (hub) в таблице одному порту будет соответствовать несколько MAC- адресов. Таблицы хранятся в памяти, адресуемой по смыслу (content-addressable memory, CAM): если адрес отправителя отсутствует в таблице, то он туда заносится. Наряду с парами адрес-порт, в таблице хранится и метка времени. Метка времени в строке таблицы изменяется либо при приходе на коммутатор пакета с таким же адресом, либо при обращении коммутатора по этому адресу. Если строка таблицы не использовалась определённый период времени, то она удаляется.

Это позволяет коммутатору поддерживать правильный список адресов устройств для передачи пакетов.

Используя CAM таблицу адресов и содержащийся в пришедшем пакете адрес получателя, коммутатор организует виртуальное соединение порта отправителя с портом получателя и передает пакет через это соединение. Виртуальное соединение между портами коммутатора сохраняется в течение передачи одного пакета, т.е. для каждого пакета виртуальное соединение организуется заново на основе содержащегося в этом пакете адреса получателя.

Поскольку пакет передается только в тот порт, к которому подключен адресат, остальные устройства подключенные к коммутатору, не получат этот пакет.

В коммутаторах Ethernet передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала.

При передаче широковещательного пакета, в коммутаторе образуется «веер» каналов по принципу один ко многим. Примерами источников широковещательного трафика являются ARP и маршрутизирующие протоколы.

Коммутаторы можно соединять друг с другом. При этом группа попарно прямо либо косвенно связанных коммутаторов образует один логический коммутатор с теоретически произвольным числом портов. То есть коммутаторы позволяют создавать теоретически сколь угодно большую локальную сеть. Правильное соединение коммутаторов, то есть выбор топологии сети составляет одну из важнейших задач проектирования локальных сетей.

Рекомендуется осуществлять соединение коммутаторов по слоям (рисунок 1): серверный слой, слой распределения (distribution) и слой доступа (access). Рядовые компьютеры подключаются к слою доступа, а сервера к серверному слою.

Рисунок 1.

Главным препятствием для создания больших локальных сетей с помощью одних только коммутаторов является нелинейный рост объёма широковещательного трафика с ростом числа устройств в сети. При числе устройств в сети более, чем 2000 (по другим оценкам 500, по третьим 4000 – всё зависит от топологии сети и класса решаемых задач) объём широковещательного трафика резко возрастает. Добавление новых устройств

резко снижает производительность сети. Например. Если в сети из нескольких тысяч устройств один из компьютеров A впервые осуществляет IP соединение с другим компьютером

B в этой сети, то он должен предварительно послать ко всем устройствам

сети широковещательный ARP запрос для определения MAC адреса компьютера B.

Локальная сеть, созданная с помощью одних только коммутаторов представляет один домен широковещания. Уменьшить домен широковещания можно, физически разделив локальную сеть на независимые подсети (независимые группы попарно связанных коммутаторов) и соединить их в единое целое с использованием маршрутизаторов. Такую задачу можно решить только на этапе построения сети, но не в момент её эксплуатации. Здесь на помощь приходят виртуальные локальные сети

VLAN (virtual local area network).

Виртуальная локальная сеть VLAN представляет собой совокупность портов одного или более коммутаторов (Рисунок 2).

Рисунок 2.

VLAN позволяют логически разбить исходную локальную сеть на несколько независимых локальных сетей без физического обрыва сетевых соединений. Для этого администратор сети должен на каждом коммутаторе назначить, какие его порты относятся к каким VLAN. По умолчанию все порты коммутатора относятся к одной VLAN с номером 1. Максимальное число VLAN в коммутаторе равно общему числу его портов. Правильная разбивка локальной сети на VLAN составляет одну из важнейших задач

проектирования.

VLAN ведут себя так же, как и физически разделённые локальные сети. То есть после разбивки сети на VLAN мы получим несколько локальных сетей, которые далее необходимо объединить в единое целое с помощьюмаршрутизации на третьем сетевом уровне.

Концепция VLAN, помимо решения проблемы с широковещательным трафиком даёт также ряд дополнительных преимуществ: формирование локальных сетей не по месту расположения ближайшего коммутатора, а по принадлежности компьютеров к решению той или иной производственной задачи; создание сети по типу потребляемого вычислительного ресурса и требуемой серверной услуги (файл-сервер, сервер баз данных). VLAN позволяют вести различную политику безопасности для разных виртуальных сетей; переводить компьютер из одной сети в другую без осуществления

физического перемещения или переподключения.

Для обмена информацией о VLAN коммутаторы используют магистральный (транковый) протокол. Для осуществления обмена информацией о VLAN между коммутаторами вы должны создать магистральные порты. Магистральный порт это порт, используемый для передачи информации о VLAN в другие сетевые устройства,

присоединенные к этому порту. Обычные порты не рекламируют информацию о VLAN, но любой порт может быть настроен для приема/передачи информации о VLAN. Вы должны активизировать магистральный протокол на нужных портах, так как он выключен по умолчанию.

Порт коммутатора работает либо в режиме доступа либо в магистральном режиме. Соответственно связь, подсоединённая к порту является либо связью доступа либо магистральной связью. В режиме доступа порт принадлежит только одной VLAN. Порт доступа присоединяется к оконечному устройству: ПК, рабочей станции, серверу,

хабу. Фреймы, проходящие через порт доступа, являются обычными Ethernet

фреймами.

Магистральные связи способны поддерживать несколько VLAN. VLAN на различных коммутаторах связываются через магистральный протокол. Магистральные порты не принадлежат определённой VLAN и используются для подсоединения к другим коммутаторам, маршрутизаторам или серверам, имеющим сетевые адаптеры с возможностью для подключения ко многим VLAN.

Магистрали могут расширить VLAN по всей сети. Для магистральных целей назначают высокоскоростные порты коммутаторов: Gigabit Ethernet и 10Gigabit.

Для мультиплексирования трафика VLAN существуют специальные протоколы, позволяющие приёмным портам определить, какому VLAN принадлежит пакет. Для связи между устройствами Cisco используется протокол Inter-Switch Link (ISL). При наличии в сети оборудования нескольких производителей применяется протокол IEEE 802.1Q

Без магистральных связей для поддержки VLAN должно быть организовано по одной связи доступа для каждой VLAN. Такой подход дорог и неэффективен, поэтому магистральные связи абсолютно необходимы при проектировании локальных сетей.

Рисунок 3.

На рисунке 3 порты А и В на коммутаторе Y определены как связи доступа на одной и той же VLAN 200. По определению они могут принадлежать только одной VLAN и не могут получать ethernet фреймы, содержащие идентификатор VLAN. Например, когда Y получает трафик от порта А к порту В, то он не добавляет ISL заголовокок в ethernet фреймы.

Порт С на коммутаторе Z также является портом доступа и также принадлежит к VLAN 200. Если порт А пересылает фрейм в порт С, то происходит следующее:

1. Коммутатор Y получает фрейм и, сопоставляя номер порта назначения с номером VLAN, определяет его как трафик, направленный к VLAN 200 на другом коммутаторе,

2. Коммутатор Y добавляет к фрейму ISL заголовок с номером VLAN и пересылает фрейм через промежуточный коммутатор на магистральную связь.

3. Этот процесс повторяется на каждом коммутаторе по пути фрейма к конечному порту С.

4. Коммутатор Z получает фрейм, удаляет ISL заголовок и направляет фрейм на порт С.

Если порт находится в магистральном режиме, то он может быть настроен или для транспорта всех VLAN или ограниченного множества VLAN. Магистральные связи используются для связи коммутаторов с другими коммутаторами, маршрутизаторами или с серверами, имеющими поддержку VLAN.

Согласно базовой терминологии магистраль это связь точка-точка, поддерживающая несколько VLAN. Целью магистрали является сохранение номеров портов при создании связи между двумя устройствами, образующими VLAN.

Рисунок 4.

Верхняя фигура на рисунке 4 показывает способ создания VLAN путём использования двух физических связей между коммутаторами (по одной на каждую VLAN). Это решение плохо масштабируется: при добавлении третьего VLAN надо пожертвовать ещё двумя портами. Это решение неэффективно и в смысле разделения нагрузки: малый трафик на некоторых связях может не стоить того, что эта связь является пучком виртуальных

связей через одну физическую связь. На нижней фигуре одна физическая связь способна нести трафик для любой VLAN. Для достижения этого коммутатор Sa так оформляет фреймы, что Sb знает, на какую VLAN они направляется. Для такого оформления пакетов используются либо стандарт IEEE 802.1Q либо Cisco протокол ISL (Inter-Switch Link).

Для больших сетей ручная конфигурация VLAN становится весьма трудоёмкой задачей. Cisco VLAN Trunk Protocol (VTP) служит для автоматического обмена информацией о VLAN через магистральные порты.

Преимуществом использования VTP является то, что вы можете контролировать добавление, удаление или изменение сетей VLAN из коммутаторов на котором созданы VTP сервера. После настройки ваших коммутаторов как VTP серверов, остальные коммутаторы вашей сети могут быть настроены как клиенты, которые только получают VLAN информацию.

Недостатком является ненужный трафик, создаваемый на магистральный портах для устройств, которым возможно не нужна эта информация. Если ваша сеть будет содержать много коммутаторов, содержащих много виртуальных сетей, расположенных в разных коммутаторах, возможно, имеет смысл использовать VTP. Если ваша сеть останется

достаточно статической, и VLAN не будут добавляться или изменяться по отношению к начальной конфигурации, то лучше использовать статическое определение виртуальных сетей.

В топологии локальных сетей возможны циклы (петли). Например, уже

три коммутатора соединённых друг с другом по кругу образуют цикл в топологии. Петли приводят к неоднозначности при определении пути от источника пакетов к приёмнику. Для решения этой серьёзной проблемы был разработан протокол связующего дерева STP (spanning tree protocol). Для графа топологии каждой VLAN, которая определена в сети, строится минимальное покрывающее дерево (граф без циклов) с вершиной в

некотором коммутаторе. Для физической реализации таких деревьев STP переводит избыточные порты в состояние блокировки. Расчёт деревьев производится параллельно на всех коммутаторах. Далее пакеты во VLAN идут только по путям, определённым в построенных покрывающих деревьях.

При изменении топологии, активации/остановке портов происходит пересчёт

покрывающих деревьев.

Для создания топологии связующего дерева существуют специальные фреймы, называемые модулями данных мостового протокола (bridge protocol data units, BPDU). Эти фреймы отправляются и принимаются всеми коммутаторами в сети через равные промежутки времени.

Задания для практического занятия: