Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

администратор должен, во-первых, обнаружить факт отказа, а во-вторых,

ликвидировать последствия отказа, переведя резервную связь в рабочий

режим путём активизации некоторых портов. При поддержке коммутаторами

сети протокола Spanning Tree отказы обнаруживаются автоматически, за счёт

постоянного тестирования связности сети служебными пакетами. После

обнаружения потери связности протокол строит новое покрывающее дерево,

если это возможно, и сеть автоматически восстанавливает

работоспособность. Подробно алгоритм Spanning Tree будет описан в

следующих главах.

Организация виртуальных сетей. Коммутатор позволяет

локализовать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки

и управлять ими, опираясь на механизм пользовательских фильтров. Однако

пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по

конкретным адресам, а широковещательные пакеты он передает всем

сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в

коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов,

иногда называют плоскими – из-за отсутствия барьеров на пути

широковещательных пакетов.

Технология виртуальных локальных сетей (VLAN) позволяет

преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа

узлов сети, пакеты которой, в том числе и широковещательные, на канальном

уровне полностью изолированы от других узлов сети. Это означает, что

передача кадров между разными виртуальными сетями на основании адреса

канального уровня невозможна, независимо от типа адреса – уникального,

группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной

сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот

порт, который связан с адресом назначения кадра.

Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении

процесса создания изолированных сетей, которые затем должны связываться

с помощью маршрутизаторов, реализующих какой-либо протокол сетевого

уровня, например IP. Такое построение сети создает гораздо более мощные

барьеры на пути ошибочного трафика из одной сети в другую. Сегодня

считается, что любая крупная сеть должна включать маршрутизаторы, иначе

потоки ошибочных кадров, например широковещательных, будут

периодически затапливать всю сеть через прозрачные для них коммутаторы,

приводя её в неработоспособное состояние.

Технология виртуальных сетей создает гибкую основу для построения

крупной сети, соединенной маршрутизаторами, так как коммутаторы

позволяют создавать полностью изолированные сегменты программным

путём, не прибегая к физической коммутации.

До появления технологии VLAN для создания отдельной сети

использовались либо физически изолированные сегменты коаксиального

кабеля, либо несвязанные между собой сегменты, построенные на

повторителях и мостах. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в

единую составную сеть. Изменение состава сегментов (переход пользователя

в другую сеть, дробление крупных сегментов) при таком подходе

подразумевает физическую пере коммутацию разъёмов на передних панелях

повторителей или в кроссовых панелях, что не очень удобно в больших сетях,

к тому же высока вероятность ошибки. Подробно организация VLAN будет

описана в следующей главе.

Маршрутизация VLAN. Для связи виртуальных сетей в общую сеть

требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован в

отдельном маршрутизаторе, а может работать и в составе программного

обеспечения коммутатора, который тогда становится комбинированным

устройством – так называемым коммутатором 3-го уровня

Выполнение дополнительных функций может снизить

производительность коммутатора, так как вычисление булевых выражений,

обработка таблиц, фильтрация и приоритетзация трафика, обработка

маршрутов и так далее требует проведения дополнительных вычислений

процессорами портов.

Несмотря на усовершенствования в области эффективности оборудова-

ния и повышение возможностей передающих сред, процесс проектирования

сетей становится все более сложным. Намечается тенденция к использованию

более сложных сред, включая различные носители и межсетевые соединения

за пределами управляемой сети, контролируемой одной организацией. В про-

цессе проектирования важно постоянно помнить о совокупности этих факто-

ров, поскольку тщательное проектирование сети может уменьшить трудно-

сти, связанные с ростом и развитием сетевой среды.

Тщательное проектирование сети является важнейшей предпосылкой её

быстрой и устойчивой работы. Если при проектировании сети допущены

ошибки, то может возникнуть множество непредвиденных проблем и возмож-

ность её роста окажется под угрозой. Процесс проектирования требует глубо-

кого анализа конкретной ситуации.

Проектирование может оказаться сложной задачей. Оно включает в

себя нечто большее, чем просто создание связи между компьютерами. Для

того, чтобы сеть была управляемой и расширяемой, требуется учесть множе-

ство особенностей. Чтобы спланировать надёжную и расширяемую сеть,

проектировщик должен осознавать, что каждый из основных компонентов

сети предъявляет к ней свои особые требования. Даже сеть, содержащий

всего 50 узлов, может создать целый комплекс проблем, которые недуг к не-

предсказуемым результатам. А попытка разработать и построить сеть, вклю-

чающую тысячи узлов может вызнать еще более сложные проблемы. Понима-

ние роли коммутаторов при проектирование сетей – залог создания функцио-

нальной, расширяемой, адаптивной и управляемой сети.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение локальной сети.

2. Дайте определение глобальные сети.

3. Дайте определение капмусной сети.

4. Назовите основные отличается кампусной сети от локальной.

5. Назовите основные отличается глобальной сети от кампусной.

6. Дайте определение сегмента сети.

7. Дайте определение домена коллизий.

8. Что по-вашему обозначает понятие широковещательный домен ?

9. Чем вызван иерархический подход к выбору модели сети ?

10. Дайте определение уровня доступа,

11. Назовите основные функции уровня распределения.

12. Какие функции выполняются на магистральном уровне ?

13. Назовите основные функции коммутаторов уровня доступа.

14. Назовите основные функции коммутаторов уровня распределения.

15. Назовите основные функции коммутаторов магистрального уровня.

16. Чем вызвана задержка в коммутаторах ?

17. Назовите дополнительные функции коммутаторов ?

18. Каким образом осуществляется идентификация источника коммутатором

19. Каким образом коммутатор управляет темпом поступления информации

от источника ?

20. В чём заключается фильтрация пакетов ?

21. Что такое приоритетная обработка пакетов ?

22. Поясните назначение алгоритма покрывающего дерева.

23. Что в себя включает понятие "виртуальная сеть" ?

24. Зачем нужна маршрутизация виртуальных сетей ?

ЛАВА 3. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ

Большинство сетевых проблем с Ethernet вызвано слишком большим

количеством узлов, пробующих послать данные одновременно, вызывая, та-

ким образом, коллизии и перегрузку канала. Столкнувшись с проблемой

медленной работы плоской сети, многие администраторы делают одинаковые

ошибки – начинают предпринимать меры по модернизации кабельной систе-

мы, переходя на более высокие скорости. Плоская сеть представляет собой

компьютеры, связанные мостами и концентраторами. Каждый узел видит дан-

ные, которые отправляет любой другой узел сети. При таком способе органи-

зации "пожирается" невероятное количество вычислительных ресурсов и про-

пускной способности сети, даже без коллизий, вынуждающих повторять

передачу данных. Сеть плоской топологии начинает замедляться из-за увели-

чения количества передаваемых данных, коллизий и других узких мест.

В компаниях и организациях часто возникает проблема создания рабо-

чих групп. В рабочую группу включается несколько пользователей и сетевых

ресурсов – принтеров, сканеров, графопостроителей и т.д. Для качественной

работы группы обычно требуется высокая пропускная способность сети, а

иногда и конфиденциальность информации. При использовании коммутато-

ров, не поддерживающих виртуальные сети для каждой группы необходимо

выделить отдельный коммутатор, к которому и подключить всех пользова-

телей и необходимые им ресурсы. При большом количестве часто меняющих-

ся по составу рабочих групп необходимо иметь достаточное количество ком-

мутаторов, и создание групп производить вручную методом простой комму-

тации, что весьма накладно.

Традиционная сегментация VLAN сегментация

Рис. 3.1. Сети LAN и VLAN и физические границы

VLAN 1

VLAN 2

VLAN 3

LAN 2

LAN 3

LAN 1

Коммутаторы, поддерживающие виртуальные сети позволяют создавать

группы путём программной реализации – конфигурированием коммутатора и

не требуют переконфигурирования физической сети.

Сеть VLAN представляет собой группу сетевых устройств и служб, не

ограниченную физическим сегментом или коммутатором. На рис. 3.1. показа-

но логическое группирование рабочих станций в сети VLAN, в сравнении с

физическим группированием рабочих станций в традиционной сети LAN.

Сети VLAN логически сегментируют сети, использующие коммутацию,

на основе их организационных функций, принадлежности к различным рабо-

чим коллективам (группам) или используемым приложениям, а не на базе фи-

зического или географического расположения. Для передачи информации

между виртуальными сетями необходимо использовать маршрутизатор.

Маршрутизатор устройство достаточно дорогое, поэтому в настоящее время

выпускаются коммутаторы, позволяющие осуществлять маршрутизацию

между виртуальными сетями.

В технической литературе виртуальные сети подразделяют на сквозные

и географические.

Сквозные сети VLAN позволяют группировать устройства на основе

использования ресурсов. Цель сквозных сетей VLAN состоит в том, чтобы не

менее 80% данных передавались внутри локальной виртуальной сети.

Сквозные виртуальные сети обладает следующими характеристиками:

− пользователи группируются в виртуальные сети независимо от их физиче-

ского расположения, но в соответствии с исполняемыми ими рабочими

функциями или с принадлежностью к разным рабочим группам.

− у всех пользователей соотношение передачи данных внутри виртуальной

сети и за её пределы должно быть одним и тем же и составлять 80:20.

− при перемещении пользователя в пределах сети кампуса его членство в

виртуальной сети не должно изменяться,

− в каждой виртуальной сети для всех её членов должны действовать общие

правила безопасности

Географические сети VLAN. По мере того, как корпоративные сети

централизовали свои ресурсы, становилось все сложнее поддерживать

сквозные виртуальные сети. Пользователям требовались различные ресурсы,

многие из которых уже не находились в их виртуальных сетях. По причине

такого изменения в размещении и использования ресурсов в настоящее время

виртуальные сети всё чаще создаются в определенных географических грани-

цах, а не в границах сообщества. Эти географические границы могут быть це-

лым зданием или всего лишь одним коммутатором в монтажном шкафу. В та-

кой географической виртуальной структуре типичным является случай соот-

ношения обмена данными 20% для локального использования и 80% – для

удаленных соединений. Это соотношение прямо противоположно тому, кото-

рое обычно устанавливается при проектировании сквозных виртуальных се-

тей. Хотя такая топология означает, что пользователю приходится пересекать

устройство 3-го уровня (маршрутизатор) для получения доступа к 80% ресур-

сов, она позволяет использовать в сети последовательный детерминирован-

ный способ получения доступа к ресурсам.

Географическими виртуальными сетями значительно легче управлять,

чем виртуальными сетями, устройства которых находятся в географически

различных областях,

Преимущества использования виртуальных сетей заключаются в:

1. Сети VLAN предоставляют эффективный механизм для управления изме-

нениями в топологии сети и значительно снижают затраты, связанные с ре-

конфигурированием концентраторов и маршрутизаторов. Пользователи

виртуальной сети могут использовать одно и то же сетевое адресное про-

странство (т.е. IP-подсеть), независимо от их физического расположения.

Когда пользователи виртуальной сети перемещаются из одного места в

другое, до тех пор, пока они остаются в одной и той же VLAN и подсоеди-

нены к одному и тому же порту коммутатора, их сетевые адреса не изменя-

ются. Изменение расположения пользователя требует лишь таких простых

действий как включение штекера пользователя в соответствующий порт

коммутатора и его конфигурирование. В динамических виртуальных сетях

при просматривании МАС адреса сетевого адаптера переместившейся ра-

бочей станции в VMPS, коммутатор автоматически конфигурирует порт

таким образом, чтобы он оказался в требуемой виртуальной сети.

2. Широковещательные потоки данных не передаются за пределы сети вир-

туальной сети. В свою очередь смежные порты не получают широковеща-

тельных данных, которые генерируются другими виртуальными сетями.

Такой тип конфигурации значительно уменьшает общий объём широкове-

щательных данных, освобождает полосу пропускания для действительно

полезных данных и снижает общий уровень уязвимости сети в отношении

широковещательных штормов. Одной из проблем совместно используе-

мых сетей виртуальных является относительная легкость проникновения в

них. Подключаясь к работающему порту, несанкционированный пользова-

тель получает доступ ко всем данным, передаваемым в сегменте. Чем

больше группа пользователей, тем большие возможности создаются для

потенциального несанкционированного доступа. Одним из экономически

эффективных и легко административно реализуемых способов повышения

уровня безопасности в сети является использование дополнительной функ-

ции коммутатора – идентификации источника. При несанкционированном

подключении к работающему порту коммутатор определяет несуществую-

щий МАС адрес устройства и не пропускает его пакеты, кроме этого неко-

торые коммутаторы формируют сообщение для администратора. Второй

способ повышения безопасности заключается в том, что все неиспользуе-

мые порты объединяются в одну неработающую виртуальную сеть.

Виртуальные сети могут строиться на основе двух основных базовых

моделей:

− сети, базирующиеся на портах (статические);

− сети на основе МАС адресов (динамические);

− сети, основанные на протоколах VLAN.

3.1. Статические виртуальные сети

Принадлежность устройства к статической виртуальной сети на основе

портов проиллюстрирована на рис. 3.2. Конкретной виртуальной сети назна-

чается порт, который не зависит от пользователя или системы, подсоединён-

ной к данному порту. Это означает, что все пользователи, подсоединённые к

данному порту, должны быть членами одной и той же виртуальной сети.

Отдельная рабочая станция пользователя или концентратор, к которому под-

соединены несколько рабочих станций, могут быть подсоединены к отдельно-

му порту коммутатора. Назначение портов виртуальным сетям обычно осу-

ществляет сетевой администратор. Конфигурация порта в этом случае являет-

ся статической и переключение порта на другую виртуальную сеть не может

быть выполнено автоматически без реконфигурированная коммутатора. Сле-

дует обратить внимание на то, что каждая виртуальная сеть находится в

отдельной подсети, а маршрутизатор используется для связи между этими

подсетями.

Каждой виртуальной сети должен быть присвоен уникальный адрес 3-

го уровня (сети или подсети). Это помогает осуществлять коммутацию паке-

тов между виртуальными сетями, в которых имеются маршрутизаторы. Вир-

VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3

192.168.1.0 192.168.2.0 192.168.3.0

Узлы

Коммутатор

Широковещательные

домены

Сетевой уровень

Маршрутизатор

соединяет VLAN

Рис. 3.2. Статическая виртуальная сеть на основе портов

туальные сети могут выступать в качестве сквозных сетей, которые охватыва-

ют всю среду коммутатора, или существовать в определенных географиче-

ских границах.

3.2. Динамические виртуальные сети

В динамической виртуальной сети автоматически определяется принад-

лежность узла к соответствующей VLAN, с помощью сервера политик член-

ства в виртуальных сетях, для определения базы МАС адресов. Эта база дан-

ных может использоваться для динамической адресации виртуальных сетей.

База данных содержит соответствия МАС адресов виртуальным сетям, кото-

рые состоят из допустимых физических адресов, присвоенных определенной

виртуальной сети. Когда пользователь загружает свой компьютер, коммута-

тор изучает МАС адрес и проверяет базу данных на предмет наличия вирту-

альной сети, назначенной этому МАС адресу. Этот процесс позволяет порту

коммутатора оставаться в той же самой виртуальной сети независимо от ме-

стоположения узла. Требуется много усилий по управлению сетью, чтобы

поддерживать базы данных физических адресов. Поэтому этот тип виртуаль-

ных сетей не очень эффективен в больших сетях. Можно использовать интел-

лектуальное программное обеспечение, чтобы сопоставлять номера виртуаль-

ных сетей аппаратным адресам, протоколам или даже адресам приложений,

чтобы создавать динамические виртуальные сети.

Рис. 3.3. Организация VLAN на нескольких коммутаторах

При построении виртуальных сетей охватывающих несколько коммута-

торов, как показано на рис. 3.3, коммутаторы должны каким-то образом раз-

личать циркулирующие по сети пакеты на предмет принадлежности той или

иной виртуальной сети. В виртуальных сетях с несколькими коммутаторами

заголовки пакетов модифицируются для указания идентификатора ID (тега –

признака) виртуальной сети до того, как они будет отправлены в канал между

коммутаторами. Перед отправкой пакета конечному устройству его заголовок

изменяется и приобретает первоначальный вид. Идентификатор логически

VLAN 1 VLAN 2 VLAN 3

VLAN 1 VLAN 1

VLAN 2

VLAN 3 VLAN 3

VLAN 2

идентифицирует принадлежность пакета к определенной виртуальной сети. В

сетях используются четыре метода, или протокола, позволяющих отслежи-

вать кадры виртуальных сетей:

− IEEE 802.10;

− IEEE 802.1Q;

− Inter-Switch Link (ISL):

− LAN Emulation (LANE).

Признаки пакетов в спецификации IEEE 802.10. Протокол 802.10 яв-

ляется стандартным методом идентификации виртуальных сетей путём встав-

ки идентификатора в заголовок пакета. Это процесс называется добавлением

признака (тега). Протокол IEEE 802.10 используется для передачи информа-

ции виртуальным сетям по FDDI. Заголовок кадра FDDI содержит идентифи-

катор безопасности (SAID), поле точки соединения (LSAP) и поле управления

пространством (MDF). Поле SAID в заголовке кадра идентифицирует вирту-

альную сеть. В связи с тем, что сети FDDI в нашей стране встречаются крайне

редко, то этот протокол детально рассматриваться не будет.

Рис. 3.4. Идентификатор протокола IEEE 802.1Q

Протокол IEEE 802.1Q, как и протокол IEEE 802.10 для определения

виртуальных сетей использует вставку идентификатора размером в два байта,

как показано на рис. 3.4, который содержит следующие поля:

− Ethertype. Это поле определяет принадлежность пакета протоколу IEEE

802.1Q, при условии что его содержимое равно 0х8100, в противном слу-

чае этот пакет не принадлежит протоколу IEEE 802.1Q;

− PR. Трёхразрядное поле приоритета – определяет важность пакета;

− ID VLAN. Идентификатор – определяет номер виртуальной сети. Всего

может существовать не более 4096 виртуальных сетей.

Длина/тип

PRE

46 - 1500

SFD

CRC

Данные

Холостые

данные

6617

Признак

Длина/тип

PRE

SFD

CRC

Данные

Холостые

данные

Ethertype (0x8100)

ID VLAN

Признак Token Ring/Ethernet