Виртуальные ЛКС - назначение, средства формирования, организация функционирования, оценка

1. Введение

В сегодняшней экономике доходность и мобильность предприятий и организаций являются важнейшими факторами их существования и развития в условиях жесткой конкуренции. Чтобы деятельность предприятий оставалась эффективной и доходной, они должны быть гибкими по отношению к изменениям в деловом климате, а их деловые операции должны проводится динамично, чтобы быстро реагировать на эти изменения. Коммерческие и некоммерческие организации, финансовые институты и предприятия должны становиться все более маневренными, чтобы уменьшить используемые ими ресурсы и увеличить эффективность их использования. Для этого выполнение работы должно производиться как можно меньшим количеством людей, а временные рабочие группы, создаваемые для решения какой-либо задачи, должны быть переформированы при ее завершении. Такая динамичная среда требует гибкой организации сети, поддерживающей быстро изменяющиеся условия и потребности предприятий в процессе их функционирования и развития. В этих условиях компьютерные сети предприятий становятся важнейшей частью информационной инфраструктуры, которая обеспечивает условия для успешной работы предприятия.

Сетевая инфраструктура должна быть гибкой, наращиваемой, достаточно производительной, защищенной и хорошо управляемой, чтобы обеспечивать функционирование информационной инфраструктуры предприятия без существенных затрат. Сети с использованием разделяемой среды (концентраторы) не обеспечивают достаточно хорошо ни одного из перечисленных свойств сети. Такие сетевые технологии как коммутация и маршрутизация также не решают многих проблем функционирования сети. При использовании коммутации плохо управляется широковещательный трафик, невелики возможности обеспечения безопасности, имеются потенциально "узкие места". Маршрутизация увеличивает накладные расходы и усложняет администрирование сети. Использование перечисленных технологий не исключает ручного вмешательства администратора, когда для организации логической группы необходимо физически произвести переключение рабочей станции с одного сегмента ЛВС на другой. Ручная коммутация требует довольно много времени и усилий и может закончиться установкой некорректного соединения. Технология виртуальных сетей, вобравшая в себя лучшее из современных сетевых технологий, решает множество проблем функционирования сети.

1. Теоретические основы построения виртуальных ЛКС

1.1 Назначение виртуальных  сетей

Кроме своего основного назначения - повышения пропускной способности связей в сети - коммутатор позволяет локализовывать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако, пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик 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 широковещательного трафика.

Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами 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.

Говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain), по аналогии с доменом коллизий, который образуется повторителями сетей Ethernet.

Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связываться с помощью протоколов сетевого уровня. Для решения этой задачи до появления технологии виртуальных сетей использовались отдельные повторители, каждый из которых образовывал независимую сеть. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в единую интерсеть (рис. 1 Приложение А).

При изменении состава сегментов (переход пользователя в другую сеть, дробление крупных сегментов) при таком подходе приходится производить физическую перекоммутацию разъемов на передних панелях повторителей или в кроссовых панелях, что не очень удобно в больших сетях - много физической работы, к тому же высока вероятность ошибки.

Поэтому для устранения необходимости физической перекоммутации узлов стали применять многосегментные повторители (рис. 2 Приложение А). В наиболее совершенных моделях таких повторителей приписывание отдельного порта к любому из внутренних сегментов производится программным путем, обычно с помощью удобного графического интерфейса. Примерами таких повторителей могут служить концентратор Distributed 5000 компании Bay Networks и концентратор PortSwitch компании 3Com. Программное приписывание порта сегменту часто называют статической или конфигурационной коммутацией.

Однако, решение задачи изменения состава сегментов с помощью повторителей накладывает некоторые ограничения на структуру сети - количество сегментов такого повторителя обычно невелико, поэтому выделить каждому узлу свой сегмент, как это можно сделать с помощью коммутатора, нереально. Поэтому сети, построенные на основе повторителей с конфигурационной коммутацией, по-прежнему основаны на разделении среды передачи данных между большим количеством узлов, и, следовательно, обладают гораздо меньшей производительностью по сравнению с сетями, построенными на основе коммутаторов.

При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:

повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;

изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.Для связи виртуальных сетей в интерсеть требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован в отдельном маршрутизаторе, а может работать и в составе программного обеспечения коммутатора.

1.2. Типы виртуальных  сетей

Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов долгое время была не стандартизована, хотя и была реализована в очень широком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Такое положение должно скоро измениться, так как институт IEEE в апреле окончательно принял спецификации 802.1q/p, которые описывают стандартный способ построения виртуальных сетей.

В виду долгого отсутствия стандартов каждый производитель разработал свою технологию построения виртуальных сетей, которая, как правило, была несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети проще создавать пока на оборудовании одного производителя. Исключение составляют только виртуальные сети, построенные на основе спецификации LANE (LAN Emulation), предназначенной для обеспечения взаимодействия АТМ-коммутаторов с традиционным оборудованием локальных сетей.

Существует несколько способов построения виртуальных сетей:

Группировка портов.

Группировка МАС-адресов.

Использование меток в дополнительном поле кадра - частные протоколы и спецификации IEEE 802.1 Q/p.

Спецификация LANE для АТМ-комутаторов.

Использование сетевого уровня.

1.3. VLAN на основе группировки портов

При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в виртуальные сети портов коммутатора (рис. 3 Приложение А).

Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети - все равно трафик этих узлов будет общим.

Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы - достаточно каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным виртуальным сетям. Обычно, такая операция выполняется путем перетаскивания мышью графических символов портов на графические символы сетей.

1.4. VLAN на основе группировки  МАС-адресов

Второй способ, который используется для образования виртуальных сетей основан на группировании МАС-адресов. При существовании в сети большого количества узлов этот способ требует выполнения большого количества ручных операций от администратора. Однако, он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов.

Рисунок 4 Приложения А иллюстрирует проблему, возникающую при создании виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, поддерживающих технику группирования портов. Если узлы какой-либо виртуальной сети подключены к разным коммутаторам, то для соединения коммутаторов каждой такой сети должна быть выделена своя пара портов. В противном случае, если коммутаторы будут связаны только одной парой портов, информация о принадлежности кадра той или иной виртуальной сети при передаче из коммутатора в коммутатор будет утеряна. Таким образом, коммутаторы с группировкой портов требуют для своего соединения столько портов, сколько виртуальных сетей они поддерживают. Порты и кабели используются при таком способе очень расточительно. Кроме того, при соединении виртуальных сетей через маршрутизатор для каждой виртуальной сети выделяется в этом случае отдельный кабель, что затрудняет вертикальную разводку, особенно если узлы виртуальной сети присутствуют на нескольких этажах (рис. 5 Приложение А).

Группирование МАС-адресов в сеть на каждом коммутаторе избавляет от необходимости их связи несколькими портами, однако требует выполнения большого количества ручных операций по маркировке МАС-адресов на каждом коммутаторе сети.

1.5. Использование меток  в дополнительном поле кадра - стандарты 802.1 Q/p и фирменные решения

Описанные два подхода основаны только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам моста и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр. Остальные подходы используют имеющиеся или дополнительные поля кадра для сохранения информации и принадлежности кадра при его перемещениях между коммутаторами сети. При этом нет необходимости запоминать в каждом коммутаторе принадлежность всех МАС-адресов интерсети виртуальным сетям.

Если используется дополнительное поле с пометкой о номере виртуальной сети, то оно используется только тогда, когда кадр передается от коммутатора к коммутатору, а при передаче кадра конечному узлу оно удаляется. При этом модифицируется протокол взаимодействия "коммутатор-коммутатор", а программное и аппаратное обеспечение конечных узлов остается неизменным. Примеров таких фирменных протоколов много, но общий недостаток у них один - они не поддерживаются другими производителями. Компания Cisco предложила использовать в качестве стандартной добавки к кадрам любых протоколов локальных сетей заголовок протокола 802.10, предназначенного для поддержки функций безопасности вычислительных сетей. Сама компания использует этот метод в тех случаях, когда коммутаторы объединяются между собой по протоколу FDDI. Однако, эта инициатива не была поддержана другими ведущими производителями коммутаторов.

Новый стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.

Стандарт IEEE 802.1p специфицирует метод указания приоритета кадра, основанный на использовании новых полей, определенных в стандарте IEEE 802.1Q.

К кадру Ethernet добавлены два байта. Эти 16 бит содержат информацию по принадлежности кадра Ethernet к ВЛВС и о его приоритете. Говоря точнее, тремя битами кодируется до восьми уровней приоритета, 12 бит позволяют различать трафик до 4096 ВЛВС, а один бит зарезервирован для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet.

Надо сказать, что добавление двух байтов к максимальному размеру кадра Ethernet ведет к возникновению проблем в работе многих коммутаторов, обрабатывающих кадры Ethernet аппаратно. Чтобы избежать их, группы по стандартизации предложили сократить на два байта максимальный размер полезной нагрузки в кадре.

Спецификация IEEE 802.1p, создаваемая в рамках процесса стандартизации 802.1Q, определяет метод передачи информации о приоритете сетевого трафика. Стандарт 802.1p специфицирует алгоритм изменения порядка расположения пакетов в очередях, с помощью которого обеспечивается своевременная доставка чувствительного к временным задержкам трафика.

В дополнение к определению приоритетов стандарт 802.1p вводит важный протокол GARP (Generic Attributes Registration Protocol) с двумя специальными его реализациями. Первая из них - протокол GMRP (GARP Multicast Registration Protocol), позволяющий рабочим станциям делать запрос на подключение к домену групповой рассылки сообщений. Поддерживаемую этим протоколом концепцию назвали подсоединением, инициируемым "листьями". Протокол GMRP обеспечивает передачу трафика только в те порты, из которых пришел запрос на групповой трафик, и хорошо согласуется со стандартом 802.1Q.

Второй реализацией GARP является протокол GVRP (GARP VLAN Registration Protocol), похожий на GMRP. Однако, работая по нему, рабочая станция вместо запроса на подключение к домену групповой рассылки сообщений посылает запрос на доступ к определенной VLAN.

Для согласования работы устройств, поддерживающих формат кадра 802.1 Q, с теми устройствами, которые не понимают этот формат, разработчики стандарта предложили делить весь трафик в сети на несколько типов.

Трафик входного порта (Ingress Port). Каждый кадр, достигающий коммутируемой сети и идущий либо от маршрутизатора, либо от рабочей станции, имеет определенный порт-источник. На основании его номера коммутатор должен "принять решение" о приеме (или отбрасывании) кадра и передаче его в ту или иную VLAN. Решение "судьбы" кадра, осуществляемое в единственной логической точке сети, делает возможным сосуществование самых разных видов VLAN. Приняв кадр, коммутатор "прикрепляет" к нему "ярлык" (tag) VLAN. Как только кадр с "ярлыком" VLAN оказывается в сети, он становится частью проходящего (Progress), или внутреннего трафика.