Введение в виртуальные Локальные Сети: (Virtual LAN, VLAN) Часть 1

В данной статье будет рассмотрено принципы работы и построения виртуальных локальных сетей VLAN.

В коммутируемых сетях уровня 2 сеть представляется "плоской" (см. рис.1). Любой широковещательный пакет пересылается всем устройствам, вне зависимости от того, нужно ли устройству принимать эти данные.

Поскольку коммутация на уровне 2 формирует отдельные домены конфликтов для каждого подключенного к переключателю устройства, снижаются ограничения на длину сегмента Ethernet, т.е. можно строить более крупные сети. Увеличение количества пользователей и устройств приводит к увеличению количества широковещательных рассылок и пакетов, обрабатываемых каждым устройством.

Еще одной проблемой "плоской" коммутации уровня 2 является безопасность сети. Имейте в виду, что все пользователи "видят" все устройства. Нельзя отменить широковещательные рассылки в устройстве и ответы пользователей на эти рассылки. Увеличить уровень безопасности позволяет защита паролями серверов и других устройств.

Создание виртуальной локальной сети VLAN помогает решить многие проблемы коммутации уровня 2, что и будет показано ниже.

Управление широковещательными рассылками

Широковещательные рассылки свойственны любому протоколу, но их частота зависит от особенностей протокола, исполняемых в объединенной сети приложений и методов использования сетевых служб. Иногда приходится переписывать старые приложения, чтобы сократить количество широковещательных рассылок. Однако приложения нового поколения требовательны к полосе пропускания и занимают все ресурсы, которые обнаруживают. Мультимедийные приложения интенсивно пользуются широковещательными и многоадресными рассылками. На степень интенсивности широковещательных рассылок приложения влияют сбои оборудования, неадекватная сегментация и плохо разработанные брандмауэры. Во время проектирования сети рекомендуется принимать специальные меры, поскольку широковещательные рассылки распространяются по коммутируемой сети. По умолчанию маршрутизаторы возвращают такие рассылки только в исходную сеть, но переключатели направляют широковещательные рассылки во все сегменты. Именно поэтому сеть называется "плоской", ведь формируется единый домен широковещательных рассылок.

Сетевой администратор обязан гарантировать правильность сегментации сети, чтобы проблемы отдельного сегмента не распространялись на всю сеть. Эффективнее всего сделать это с помощью коммутации и маршрутизации. Поскольку переключатель имеет лучшее отношение стоимости к эффективности, многие компании переходят от "плоских" сетей к сетям с полной коммутацией или к сетям VLAN. Все устройства сети VLAN являются членами одного широковещательного домена и получают все широковещательные рассылки. По умолчанию широковещательные рассылки фильтруются на всех портах переключателей, которые не являются членами одной сети VLAN.

Маршрутизаторы, переключатели уровня 3 и модули коммутации путей RSM (route switch module) надо использовать совместно с переключателями, чтобы предоставить соединения между сетями VLAN и предотвращения распространения по всей сети широковещательных рассылок.

Безопасность

Еще одной проблемой плоских сетей является безопасность, что определяется соединением концентраторов и переключателей через маршрутизаторы. Защита сети обеспечивается маршрутизаторами. Однако любой человек, подключившийся к физической сети, получает доступ к ее ресурсам. Кроме того, пользователь может подключить сетевой анализатор к концентратору и наблюдать весь сетевой трафик. Дополнительная проблема связана с включением пользователя в рабочую группу — достаточно подключить сетевую станцию к концентратору. Использование VLAN и создание нескольких групп широковещательных рассылок позволит администратору управлять каждым портом и пользователем. Пользователи уже не смогут самостоятельно подключать свои рабочие станции к произвольному порту переключателя и получать доступ к сетевым ресурсам. Администратор контролирует каждый порт и все предоставляемые пользователям ресурсы. Группы формируются на основе требований пользователей к сетевым ресурсам, поэтому переключатель можно настроить на режим уведомления сетевой станции управления о любых попытках неавторизованного доступа к сетевым ресурсам. Если присутствуют коммуникации между сетями VLAN, можно реализовать ограничения на доступ через маршрутизаторы. Ограничения накладываются на аппаратные адреса, протоколы и приложения.

Гибкость и масштабируемость

Переключатель уровня 2 не фильтрует, а только читает кадры, поскольку не анализирует сведения протокола сетевого уровня. Это приводит к перенаправлению переключателем всех широковещательных рассылок. Однако создание сети VLAN формирует домены широковещательных рассылок. Эти рассылки из узла одной сети VLAN не будут направлены в порты другой сети VLAN. За счет присваивания коммутируемых портов и пользователей определенной группе VLAN одного переключателя или группы связанных переключателей (такая группа называется фабрикой коммутации —switch fabric) мы увеличиваем гибкость при добавлении пользователя только в один домен широковещательной рассылки, причем вне зависимости от физического местоположения пользователя. Это предотвращает распространение во всей объединенной сети шторма широковещательных рассылок при неисправности сетевого адаптера (NIC, network interface card ) или приложения.

Когда сеть VLAN становится очень большой, можно сформировать новые сети VLAN, не позволив широковещательным рассылкам занять слишком много полосы пропускания. Чем меньше пользователей в сети VLAN, тем на меньшее количество пользователей действуют широковещательные рассылки. Для понимания того, как VLAN выглядит с точки зрения переключателя, полезно сначала рассмотреть обычные локализованные магистрали. На рис. 2 показана локализованная магистраль (collapsed backbone), созданная за счет подключения физических локальных сетей к маршрутизатору. Каждая сеть подключена к маршрутизатору и имеет собственный логический номер сети. Каждый узел отдельной физической сети должен соблюдать этот сетевой номер для взаимодействия в полученной объединенной сети. Рассмотрим ту же схему на основе переключателя. Рис. 3 показывает, как переключатель устраняет физические границы взаимодействия в объединенной сети.

Переключатель обладает большей гибкостью и масштабируемостью, чем маршрутизатор. Можно группировать пользователей в сообщества по интересам, что называется организационной структурой сети VLAN.

Использование переключателя вроде бы отменяет необходимость в маршрутизаторе. Это не так. На рис. 3 видны четыре сети VLAN (домены широковещательных рассылок). Узлы в каждой сети VLAN могут взаимодействовать друг с другом, но не с другими сетями VLAN или с их узлами. Во время конфигурации VLAN узлы должны находиться в пределах локализованной магистрали (см. рис. 2). Что же нужно хосту на рис. 2 для обращения к узлу 'или хосту другой сети? Хосту необходимо обратиться через маршрутизатор или другое устройство уровня 3, как и при коммуникации внутри VLAN (см. рис. 3). Взаимодействие между сетями VLAN, как и между физическими сетями, должно проводиться через устройство уровня 3.

Членство в сети VLAN

Сеть VLAN обычно создается администратором, который присваивает ей порты переключателя. Такой способ называется статической виртуальной локальной, сетью (static VLAN) . Если администратор немного постарается и присвоит через базу данных аппаратные адреса всех хостов, переключатель можно настроить на динамическое создание сети VLAN.

Статические сети VLAN

Статические сети VLAN являются типичным способом формирования.таких сетей и отличаются высокой безопасностью. Присвоенные сети VLAN порты переключателей всегда сохраняют свое действие, пока администратор не выполнит новое присваивание портов. Этот тип VLAN легко конфигурировать и отслеживать, причем статические VLAN хорошо подходят для сетей, где контролируется перемещение пользователей. Программы сетевого управления помогут выполнить присваивание портов. Однако подобные программы использовать не обязательно.

Динамические сети VLAN

Динамические сети VLAN автоматически отслеживают присваивание узлов. Использование интеллектуального программного обеспечения сетевого управления допускает формирование динамических VLAN на основе аппаратных адресов (MAC), протоколов и даже приложений. Предположим, МАС-адрес был введен в приложение централизованного управления VLAN. Если порт будет затем подключен к неприсвоенному порту переключателя, база данных управления VLAN найдет аппаратный адрес, присвоит его и сконфигурирует порт переключателя для нужной сети VLAN. Это упрощает административные задачи по управлению и настройке. Если пользователь перемещается в другое место сети, порт переключателя будет автоматически присвоен снова в нужную сеть VLAN. Однако для первоначального наполнения базы данных администратору придется поработать.

Администраторы сетей Cisco могут пользоваться службой VMPS (VLAN Management Policy Server, сервер политики управления виртуальной локальной сетью) для установки базы данных МАС-адресов, которая используется при создании динамических сетей VLAN. VMPS — это база данных для преобразования МАС-адресов в сети VLAN.

Идентификация сетей VLAN

Сеть VLAN может распространяться на несколько соединенных переключателей. Устройства в такой коммутационной фабрике отслеживает как сами кадры, так и их принадлежность определенной сети VLAN. Для этого выполняется маркирование кадров (frame tagging). Переключатели смогут направлять кадры в соответствующие порты. В такой среде коммутации существуют два разных типа связей:

Связи доступа (Access link) Связи, принадлежащие только одной сети VLAN и считающиеся основной связью отдельного порта переключателя. Любое устройство, подключенное к связи доступа, не подозревает о своем членстве в сети VLAN. Это устройство считает себя частью широковещательного домена, но не подозревает о реальном членстве в физической сети. Переключатели удаляют всю информацию о VLAN еще до передачи кадра в связь доступа. Устройства на связях доступа не могут взаимодействовать с устройствами вне своей сети VLAN, если только пакеты не проходят через маршрутизатор.

Магистральные связи (Trunk link) Магистральные линии способны обслуживать несколько сетей VLAN. Название этих линий заимствовано из телефонных систем, где магистральные линии способны одновременно передавать несколько телефонных переговоров. В компьютерных сетях магистральные линии служат для связи переключателей с переключателями, маршрутизаторами и даже с серверами. В магистральных связях поддерживаются только протоколы Fast Ethernet или Gigabit Ethernet. Для идентификации в кадре принадлежности к определенной сети VLAN, построенной на технологии Ethernet, переключатель Cisco поддерживает две разные схемы идентификации: ISL и 802. lq. Магистральные связи служат для транспорта VLAN между устройствами и могут настраиваться на поддержку всех или только нескольких сетей VLAN.

Магистральные связи сохраняют принадлежность к "родной" VLAN (т.е. виртуальной локальной сети по умолчанию), которая используется при отказе магистральной линии.

Маркировка кадров

Переключателю объединенной сети необходимо отслеживать пользователей и кадры, которые проходят через коммутационную фабрику и сеть VLAN. Коммутационной фабрикой называют группу переключателей, совместно использующих одинаковую информацию о сети VLAN. Идентификация {маркировка) кадров предполагает присваивание кадрам уникального идентификатора, определенного пользователем. Часто это называют присваиванием VLAN ID или присваиванием цвета.

Компания Cisco разработала метод маркировки кадров, используемый для передачи кадров Ethernet по магистральным связям. Маркер (тег) сети VLAN удаляется перед выходом кадра из магистральной связи. Любой получивший кадр переключатель обязан идентифицировать VLAN ID, чтобы определить дальнейшие действия с кадром на основе таблицы фильтрации. Если кадр попадает в переключатель, подключенный к другой магистральной связи, кадр направляется в порт этой магистральной линии. Когда кадр попадает в конец магистральной связи и должен поступить в связь доступа, переключатель удаляет идентификатор VLAN. Оконечное устройство получит кадр без какой-либо информации о сети VLAN.

Методы идентификации VLAN

Для отслеживания кадров, перемещающихся через коммутационную фабрику, используется идентификатор VLAN. Он отмечает принадлежность кадров определенной сети VLAN . Существует несколько методов отслеживания кадров в магистральных связях:

Протокол ISL Протокол ISL (Inter-Switch Link — связи между переключателями) лицензирован для переключателей компании Cisco и используется только в линиях сетей FastEthernet и Gigabit Ethernet. Протокол может применяться к порту переключателя, интерфейсу маршрутизатора или интерфейсу сетевого адаптера на сервере, который является магистральным. Такой магистральный сервер пригоден для создания сетей VLAN, не нарушающих правила "80/20". Магистральный сервер одновременно является членом всех сетей VLAN (доменов широковещательных рассылок). Пользователям не нужно пересекать устройство уровня 3 для доступа к серверу, совместно используемому в организации.

IEEE 802.1q Протокол создан институтом IEEE в качестве стандартного метода маркирования кадров. Протокол предполагает вставку в кадр дополнительного поля для идентификации VLAN. Для создания магистральной связи между коммутируемыми линиями Cisco и переключателем другого производителя придется использовать протокол 802.lq, который обеспечит работу магистральной связи. LANE Протокол эмуляции локальной сети LANE (LAN emulation) служит для взаимодействия нескольких VLAN поверх ATM.

802.10 (FDDI) Позволяет пересылать информацию VLAN поверх FDDL. Использует поле SAID в заголовке кадра для идентификации VLAN. Протокол лицензирован для устройств Cisco.

Протокол ISL

Протокол ISL (Inter-Switch Link) является способом явного маркирования информации о VLAN в кадрах Ethernet. Маркировка позволяет мультиплексировать VLAN в магистральных линиях с помощью внешнего метода инкапсуляции. За счет LSL можно обеспечить межсоединения нескольких переключателей при сохранении информации о VLAN, причем при перемещении трафика как через переключатель, так и по магистральной связи. Протокол ISL характеризуется небольшой задержкой и высокой производительностью на уровне линий связи для FastEthernet в полу и полнодуплексном режиме.

Протокол ISL разработан компанией Cisco, поэтому ISL считают лицензионным только для устройств Cisco. Если необходим нелицензионный протокол для VLAN, используйте 802.lq (см. в книге CCNP: Switching Study Guide).ISL является внешним процессом маркирования, т.е. исходный кадр никак не изменяется, но дополняется новым 26-байтным заголовком ISL. Кроме того, в конец кадра вставляется второе 4-байтное поле проверочной последовательности кадра FCS (frame check sequence). Поскольку кадр инкапсулируется, прочитать его смогут только устройства, поддерживающие протокол ISL. Кадры не должны превышать 1522 байтов. Получившее кадр ISL устройство может посчитать этот кадр слишком большим, учитывая, что в Ethernet максимальная длина сегмента равна 1518 байт.

В портах нескольких VLAN (магистральные порты) каждый кадр маркируется при поступлении в переключатель. Сетевой адаптер (NIC, network interface card), поддерживающий протокол ISL, позволяет серверу получать и отправлять маркированные кадры для нескольких сетей VLAN. Причем кадры могут проходить по нескольким VLAN без пересечения маршрутизатора, что снижает задержку. Такая технология может использоваться в сетевых зондах и анализаторах. Пользователь сможет подключиться к серверу, не пересекая маршрутизатор при каждом обращении к любому информационному ресурсу. Например, сетевой администратор может п ользоваться технологией ISL для одновременного включения файлового сервера в несколько сетей VLAN.Важно понять, что информация протокола ISL о VLAN добавляется в кадр только при перенаправлении в порт, настроенный на режим магистральной связи. Инкапсуляция ISL удаляется из кадра, как только он попадает в связь доступа.

Магистральные связи

Магистральные линии являются соединениями "точка-точка" на скорости 100- или 1000 Мбит/с между двумя переключателями, между переключателем и маршрутизатором или между переключателем и сервером. Магистральные связи способны доставлять трафик в несколько сетей VLAN (одновременно поддерживается от 1 до 1005 сетей). Не допускается работа магистральных связей в линиях 10 Мбит /с. Магистральная связь позволяет одновременно сделать порт членом нескольких сетей VLAN, чтобы, например, магистральный сервер смог одновременно находиться в двух широковещательных доменах. Пользователи смогут не пересекать устройство уровня 3 (маршрутизатор) при входе и использовании сервера. Кроме того, при соединении переключателей магистральная связь позволит переносить по линии отдельную или всю информацию VLAN. Если не сформировать магистральную связь между переключателями, то по умолчанию эти устройства смогут передавать по связи только информацию одной сети VLAN. Все сети VLAN конфигурируются с магистральными связями, если только они не создаются администратором вручную.

Переключатели Cisco используют протокол DTP (Dynamic Trunking Protocol, протокол динамических магистральных взаимодействий) для управления отказом от магистрального режима в программном двигателе переключателя Catalyst версии 4.2 или выше и использования протокола ISL или 802.lq. DTP — это протокол "точка-точка", который создан для передачи информации о магистральных связях по магистральным линиям 802. lq.

Далее, "Введение в виртуальные Локальные Сети: (Virtual LAN, VLAN) Часть 2"

Источник: blogsvazista.ru/vvedenie-v-virtualnie-localnie-seti-vlan-1/