Функциональные возможности современных коммутаторов позволяют организовывать виртуальные сети (VLAN-сетей) для создания гибкой сетевой инфраструктуры. В настоящее время VLAN-сети еще не получили широкого распространения, особенно в небольших корпоративных сетях. Во многом это связано с тем, что конфигурирование коммутаторов для организации VLAN-сетей весьма непростое дело, особенно если инфраструктура сети включает несколько коммутаторов. Кроме того, конфигурирование коммутаторов при создании VLAN-сетей, равно как и настройка других функциональных возможностей, может значительно отличаться у коммутаторов от различных фирм, вследствие чего известные производители сетевого оборудования, такие как Cisco, HP, 3Com, Allied Telesyn, Avaya, устраивают специальные курсы по работе с их оборудованием. Понятно, что упрощать конфигурирование своего оборудования, делать этот процесс интуитивно понятным и простым и уж тем более вырабатывать общие соглашения и единый интерфейс по настройке оборудования от разных производителей — явно не в интересах самих производителей, однако пользователи вполне способны самостоятельно разобраться во многих возможностях коммутаторов. Поэтому в данной статье мы рассмотрим возможности современных коммутаторов по организации виртуальных сетей и расскажем о базовых принципах их конфигурирования.
Назначение виртуальных сетей
Виртуальной сетью VLAN (Virtual LAN) называют группу узлов сети, образующих домен широковещательного трафика (Broadcast Domain). Такое определение вполне корректно, но малоинформативно, так что попытаемся трактовать понятие виртуальной сети несколько иначе.
При создании локальной сети на основе коммутатора, несмотря на возможность использования пользовательских фильтров по ограничению трафика, все узлы сети представляют собой единый широковещательный домен, то есть широковещательный трафик передается всем узлам сети. Таким образом, коммутатор изначально не ограничивает широковещательный трафик, а сами сети, построенные по указанному принципу, именуются плоскими.
Виртуальные сети образуют группу узлов сети, в которой весь трафик, включая и широковещательный, полностью изолирован на канальном уровне от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между узлами сети, относящимися к различным виртуальным сетям, на основании адреса канального уровня невозможна (хотя виртуальные сети могут взаимодействовать друг с другом на сетевом уровне с использованием маршрутизаторов).
Изолирование отдельных узлов сети на канальном уровне с использованием технологии виртуальных сетей позволяет решать одновременно несколько задач. Во-первых, виртуальные сети способствуют повышению производительности сети, локализуя широковещательный трафик в пределах виртуальной сети и создавая барьер на пути широковещательного шторма. Коммутаторы пересылают широковещательные пакеты (а также пакеты с групповыми и неизвестными адресами) внутри виртуальной сети, но не между виртуальными сетями. Во-вторых, изоляция виртуальных сетей друг от друга на канальном уровне позволяет повысить безопасность сети, делая часть ресурсов для определенных категорий пользователей недоступной.
Типы виртуальных сетей
До появления общепризнанного стандарта по организации виртуальных сетей IEEE 802.1Q каждый производитель сетевого оборудования использовал собственную технологию организации VLAN. Такой подход имел существенный недостаток — технологии одного производителя были несовместимы с технологиями других фирм. Поэтому при построении виртуальных сетей на базе нескольких коммутаторов необходимо было использовать только оборудование от одного производителя. Принятие стандарта виртуальных сетей IEEE 802.1Q позволило преодолеть проблему несовместимости, однако до сих пор существуют коммутаторы, которые либо не поддерживают стандарт IEEE 802.1Q, либо, кроме возможности организации виртуальных сетей по стандарту IEEE 802.1Q, предусматривают и иные технологии.
Существует несколько способов построения виртуальных сетей, но сегодня в коммутаторах главным образом реализуется технология группировки портов или используется спецификация IEEE 802.1Q.
Виртуальные сети на основе группировки портов
Виртуальные сети на основе группировки портов (Port-based) обычно реализуются в так называемых Smart-коммутаторах или в управляемых коммутаторах — как дополнение к возможности организации VLAN на базе стандарта IEEE 802.1Q.
Данный способ создания виртуальных сетей достаточно прост и, как правило, не вызывает проблем. Каждый порт коммутатора приписывается к той или иной виртуальной сети, то есть порты группируются в виртуальные сети. Решение о продвижении сетевого пакета в этой сети основывается на MAC-адресе получателя и ассоциированного с ним порта. Если к порту, которому назначена принадлежность к определенной виртуальной сети, например к VLAN#1, подключить ПК пользователя, то этот ПК автоматически будет принадлежать сети VLAN#1. Если же к данному порту подключается коммутатор, то все порты этого коммутатора также будут принадлежать VLAN#1 (рис. 1).
При использовании технологии группировки портов один и тот же порт может быть одновременно приписан к нескольким виртуальным сетям, что позволяет реализовывать разделяемые ресурсы между пользователями различных виртуальных сетей. Например, чтобы реализовать совместный доступ к сетевому принтеру или к файл-серверу пользователей виртуальных сетей VLAN#1 и VLAN#2, тот порт коммутатора, к которому подключается сетевой принтер или файл-сервер, нужно приписать одновременно к сетям VLAN#1 и VLAN#2 (рис. 2).
Описываемая технология обладает рядом преимуществ в сравнении с использованием стандарта IEEE 802.1Q, но имеет и свои недостатки.
К достоинствам можно отнести простоту конфигурации виртуальных сетей. Кроме того, при этом не требуется, чтобы конечные узлы сети поддерживали стандарт IEEE 802.1Q, а поскольку большинство сетевых контроллеров Ethernet не поддерживают этот стандарт, то организация сети на основе группировки портов может оказаться проще. К тому же при подобной организации виртуальных сетей они могут пересекаться, что позволяет создавать разделяемые сетевые ресурсы.
Технология создания виртуальных сетей на основе группировки портов находит применение в случаях использования одного коммутатора или использования стека коммутаторов с единым управлением. Однако если сеть достаточно крупная и построена на нескольких коммутаторах, то возможности по организации виртуальных сетей на основе группировки портов имеют существенные ограничения. Прежде всего, эта технология плохо масштабируется и в большинстве случаев ограничивается лишь одним коммутатором.
Рассмотрим для примера ситуацию, когда сеть построена на базе двух коммутаторов, поддерживающих технологию организации виртуальных сетей на основе группировки портов (рис. 3).
Пусть необходимо, чтобы часть портов первого и второго коммутаторов относилась к VLAN#1, а другая часть — к VLAN#2. Для этого нужно, во-первых, чтобы оба коммутатора позволяли не только организовывать виртуальные сети на основе группировки портов, но и распространять такие сети на несколько коммутаторов (подобная функция реализована далеко не у всех коммутаторов), во-вторых, чтобы между коммутаторами было установлено столько физических соединений, сколько создано виртуальных сетей. Рассмотрим два шестипортовых коммутатора. Пусть в первом коммутаторе порты 1 и 2 относятся к VLAN#1, а порты 3 и 4 — к VLAN#2; во втором коммутаторе порты 1, 2 и 3 относятся к VLAN#1, а порт 4 — к VLAN#2. Чтобы пользователи VLAN#1 первого коммутатора могли общаться с пользователями VLAN#1 второго коммутатора, эти коммутаторы должны быть связаны между собой портами, относящимися к VLAN#1 (например, порт 5 первого и второго коммутаторов необходимо приписать к VLAN#1). Аналогично, для общения пользователей VLAN#2 первого коммутатора с пользователями VLAN#2 второго коммутатора следует связать эти коммутаторы через порты, приписанные к VLAN#2 (это могут быть порты 6 на обоих коммутаторах). Таким образом, проблема масштабируемости виртуальных сетей на основе технологии группировки портов решается (правда, не во всех случаях) за счет установления избыточных связей между коммутаторами.
Виртуальные сети на основе стандарта IEEE 802.1Q
При наличии развитой сетевой инфраструктуры, насчитывающей множество коммутаторов, более эффективным решением создания виртуальных сетей будет технология IEEE 802.1Q. В виртуальных сетях, основанных на стандарте IEEE 802.1Q, информация о принадлежности передаваемых Ethernet-кадров к той или иной виртуальной сети встраивается в сам передаваемый кадр. Таким образом, стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.
К кадру Ethernet добавляется метка (Tag) длиной 4 байта — такие кадры называют кадрами с метками (Tagged frame). Дополнительные биты содержат информацию по принадлежности кадра Ethernet к виртуальной сети и о его приоритете (рис. 4).
Добавляемая метка кадра включает в себя двухбайтовое поле TPID (Tag Protocol Identifier) и двухбайтовое поле TCI (Tag Control Information). Поле TCI, в свою очередь, состоит из полей Priority, CFI и VID. Поле Priotity длиной 3 бита задает восемь возможных уровней приоритета кадра. Поле VID (VLAN ID) длиной 12 бит является идентификатором виртуальной сети. Эти 12 бит позволяют определить 4096 различных виртуальных сетей, однако идентификаторы 0 и 4095 зарезервированы для специального использования, поэтому всего в стандарте 802.1Q возможно определить 4094 виртуальные сети. Поле CFI (Canonical Format Indicator) длиной 1 бит зарезервировано для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet, и для кадров Ethernet всегда равно 0.
Изменение формата кадра Ethernet приводит к тому, что сетевые устройства, не поддерживающие стандарт IEEE 802.1Q (такие устройства называют Tag-unaware), не могут работать с кадрами, в которые вставлены метки, а сегодня подавляющее большинство сетевых устройств (в частности, сетевые Ethernet-контроллеры конечных узлов сети) не поддерживают этот стандарт. Поэтому для обеспечения совместимости c устройствами, поддерживающими стандарт IEEE 802.1Q (Tag-aware-устройства), коммутаторы стандарта IEEE 802.1Q должны поддерживать как традиционные Ethernet-кадры, то есть кадры без меток (Untagged), так и кадры с метками (Tagged).
Входящий и исходящий трафики, в зависимости от типа источника и получателя, могут быть образованы и кадрами типа Tagged, и кадрами типа Untagged — только в этом случае можно достигнуть совместимости с внешними по отношению к коммутатору устройствами. Трафик же внутри коммутатора всегда образуется пакетами типа Tagged. Поэтому для поддержки различных типов трафиков и для того, чтобы внутренний трафик коммутатора образовывался из пакетов Tagged, на принимаемом и передающем портах коммутатора кадры должны преобразовываться в соответствии с предопределенными правилами.
Правила входящего порта (Ingress rules)
Рассмотрим более подробно процесс передачи кадра через коммутатор (рис. 5). По отношению к трафику каждый порт коммутатора может быть как входным, так и выходным. После того как кадр принят входным портом коммутатора, решение о его дальнейшей обработке принимается на основании предопределенных правил входного порта (Ingress rules). Поскольку принимаемый кадр может относиться как к типу Tagged, так и к типу Untagged, то правилами входного порта определяется, какие типы кадров должны приниматься портом, а какие отфильтровываться. Возможны следующие варианты: прием только кадров типа Tagged, прием только кадров типа Untagged, прием кадров обоих типов. По умолчанию для всех коммутаторов правилами входного порта устанавливается возможность приема кадров обоих типов.
Если правилами входного порта определено, что он может принимать кадр Tagged, в котором имеется информация о принадлежности к конкретной виртуальной сети (VID), то этот кадр передается без изменения. А если определена возможность работы с кадрами типа Untagged, в которых не содержится информации о принадлежности к виртуальной сети, то прежде всего такой кадр преобразуется входным портом коммутатора к типу Tagged (напомним, что внутри коммутатора все кадры должны иметь метки о принадлежности к виртуальной сети).
Чтобы такое преобразование стало возможным, каждому порту коммутатора присваивается уникальный PVID (Port VLAN Identifier), определяющий принадлежность порта к конкретной виртуальной сети внутри коммутатора (по умолчанию все порты коммутатора имеют одинаковый идентификатор PVID=1). Кадр типа Untagged преобразуется к типу Tagged, для чего дополняется меткой VID (рис. 6). Значение поля VID входящего Untagged-кадра устанавливается равным значению PVID входящего порта, то есть все входящие Untagged-кадры автоматически приписываются к той виртуальной сети внутри коммутатора, к которой принадлежит входящий порт.
Правила продвижения пакетов (Forwarding Process)
После того как все входящие кадры отфильтрованы, преобразованы или оставлены без изменения в соответствии в правилами входящего порта, решение об их передаче к выходному порту основывается на предопределенных правилах продвижения пакетов. Правило продвижения пакетов внутри коммутатора заключается в том, что пакеты могут передаваться только между портами, ассоциированными с одной виртуальной сетью. Как уже отмечалось, каждому порту присваивается идентификатор PVID, который используется для преобразования принимаемых Untagged-кадров, а также для определения принадлежности порта к виртуальной сети внутри коммутатора с идентификатором VID=PVID. Таким образом, порты с одинаковыми идентификаторами внутри одного коммутатора ассоциируются с одной виртуальной сетью. Если виртуальная сеть строится на базе одного коммутатора, то идентификатора порта PVID, определяющего его принадлежность к виртуальной сети, вполне достаточно. Правда, создаваемые таким образом сети не могут перекрываться, поскольку каждому порту коммутатора соответствует только один идентификатор. В этом смысле создаваемые виртуальные сети не обладали бы такой гибкостью, как виртуальные сети на основе портов. Однако стандарт IEEE 802.1Q с самого начала задумывался для построения масштабируемой инфраструктуры виртуальных сетей, включающей множество коммутаторов, и в этом состоит его главное преимущество по сравнению с технологией образования VLAN на основе портов. Но для того, чтобы расширить сеть за пределы одного коммутатора, одних идентификаторов портов недостаточно, поэтому каждый порт может быть ассоциирован с несколькими виртуальными сетями, имеющими различные идентификаторы VID.
Если адрес назначения пакета соответствует порту коммутатора, который принадлежит к той же виртуальной сети, что и сам пакет (могут совпадать VID пакета и VID порта или VID пакета и PVID порта), то такой пакет может быть передан. Если же передаваемый кадр принадлежит к виртуальной сети, с которой выходной порт никак не связан (VID пакета не соответствует PVID/VID порта), то кадр не может быть передан и отбрасывается.
Правила выходного порта (Egress rules)
После того как кадры внутри коммутатора переданы на выходной порт, их дальнейшее преобразование зависит от правил выходного порта. Как уже говорилось, трафик внутри коммутатора создается только пакетами типа Tagged, а входящий и исходящий трафики могут быть образованы пакетами обоих типов. Соответственно правилами выходного порта (правило контроля метки — Tag Control) определяется, следует ли преобразовывать кадры Tagged к формату Untagged.
Каждый порт коммутатора может быть сконфигурирован как Tagged или Untagged Port. Если выходной порт определен как Tagged Port, то исходящий трафик будет создаваться кадрами типа Tagged с информацией о принадлежности к виртуальной сети. Следовательно, выходной порт не меняет тип кадров, оставляя их такими же, какими они были внутри коммутатора. К указанному порту может быть подсоединено только устройство, совместимое со стандартом IEEE 802.1Q, например коммутатор или сервер с сетевой картой, поддерживающей работу с виртуальными сетями данного стандарта.
Если же выходной порт коммутатора определен как Untagged Port, то все исходящие кадры преобразуются к типу Untagged, то есть из них удаляется дополнительная информация о принадлежности к виртуальной сети. К такому порту можно подключать любое сетевое устройство, в том числе коммутатор, не совместимый со стандартом IEEE 802.1Q, или ПК конечных клиентов, сетевые карты которых не поддерживают работу с виртуальными сетями этого стандарта.
Конфигурирование виртуальных сетей стандарта IEEE 802.1Q
Рассмотрим конкретные примеры конфигурирования виртуальных сетей стандарта IEEE 802.1Q.
Чтобы сформировать VLAN-сеть в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q, необходимо проделать следующие действия:
Далее необходимо повторить вышеперечисленные действия для следующей виртуальной сети. При этом нужно помнить, что каждому порту можно задать только один идентификатор PVID, но один и тот же порт может входить в состав различных виртуальных сетей, то есть ассоциироваться одновременно с несколькими VID.
Примеры построения VLAN-сетей на основе коммутаторов, совместимых со стандартом IEEE 802.1Q
А теперь рассмотрим типичные примеры построения виртуальных сетей на основе коммутаторов, поддерживающих стандарт IEEE 802.1Q.
Если имеется всего один коммутатор, к портам которого подключаются компьютеры конечных пользователей, то для создания полностью изолированных друг от друга виртуальных сетей все порты должны быть объявлены как Untagget Ports для обеспечения совместимости с сетевыми Ethernet-контроллерами клиентов. Принадлежность узлов сети к той или иной VLAN определяется заданием идентификатора порта PVID.
Возьмем восьмипортовый коммутатор, на базе которого создаются три изолированные виртуальные сети VLAN#1, VLAN#2 и VLAN#3 (рис. 7). Первому и второму портам коммутатора присваивается идентификатор PVID=1. Поскольку идентификаторы этих портов совпадают с идентификатором первой виртуальной сети (PVID=VID), то данные порты образуют виртуальную сеть VLAN#1 (табл. 1). Если портам 3, 5 и 6 присвоить PVID=2 (совпадает с идентификатором VID VLAN#2), то вторая виртуальная сеть будет образована портами 3, 4 и 8. Аналогично формируется и VLAN#3 на базе портов 5, 6 и 7. Для обеспечения совместимости с конечным оборудованием (предполагается, что к портам коммутатора подключаются ПК клиентов сети, сетевые карты которых не совместимы со стандартом IEEE 802.1Q) все порты необходимо сконфигурировать как Untagged.
Если инфраструктура сети включает несколько коммутаторов, поддерживающих стандарт IEEE 802.1Q, то для связи коммутаторов друг с другом необходимо использовать несколько иной принцип конфигурирования. Рассмотрим два шестипортовых коммутатора, которые поддерживают стандарт IEEE 802.1Q и на основе которых необходимо сконфигурировать три изолированные друг от друга виртуальные сети VLAN#1, VLAN#2 и VLAN#3.
Пусть к первой виртуальной сети относятся клиенты, подключенные к портам 1 и 2 первого коммутатора и к портам 5 и 6 второго коммутатора. К сети VLAN#2 относятся клиенты, подключенные к порту 3 первого коммутатора и порту 1 второго коммутатора, а к сети VLAN#3 относятся клиенты, подключенные к портам 4 и 5 первого коммутатора и портам 2 и 3 второго коммутатора. Порт 6 первого коммутатора и порт 4 второго коммутатора используются для связи коммутаторов друг с другом (рис. 8).
Чтобы сконфигурировать указанные виртуальные сети, необходимо прежде всего определить на каждом из коммутаторов по три виртуальные сети VLAN#1, VLAN#2 и VLAN#3, задав их идентификаторы (VID=1 для VLAN#1, VID=2 для VLAN#2 и VID=3 для VLAN#3).
На первом коммутаторе порты 1 и 2 должны входить в состав VLAN#1, для чего этим портам присваивается PVID=1. Порт 2 первого коммутатора необходимо приписать к VLAN#2, для чего идентификатору порта присваивается значение PVID=2. Аналогично, для портов 5 и 6 первого коммутатора устанавливаются идентификаторы PVID=3, так как эти порты относятся к VLAN#3. Все указанные порты первого коммутатора должны быть сконфигурированы как Untagged Port для обеспечения совместимости с сетевыми картами клиентов.
Порт 4 первого коммутатора используется для связи со вторым коммутатором и должен передавать кадры всех трех виртуальных сетей без изменения второму коммутатору. Поэтому его необходимо сконфигурировать как Tagged Port и включить в состав всех трех виртуальных сетей (ассоциировать с VID=1, VID=2 и VID=3). При этом идентификатор порта не имеет значения и может быть любым (в нашем случае PVID=4).
Аналогичная процедура конфигурации виртуальных сетей осуществляется и на втором коммутаторе. Конфигурации портов двух коммутаторов представлены в табл. 2.
Автоматическая регистрация в виртуальных сетях стандарта IEEE 802.1Q
Рассмотренные примеры виртуальных сетей относились к так называемым статическим виртуальным сетям (Static VLAN), в которых все порты настраиваются вручную, что хотя и весьма наглядно, но при развитой сетевой инфраструктуре является довольно рутинным делом. Кроме того, при каждом перемещении пользователей в пределах сети приходится производить перенастройку сети с целью сохранения их членства в заданных виртуальных сетях, а это, конечно, крайне нежелательно.
Существует и альтернативный способ конфигурирования виртуальных сетей, а создаваемые при этом сети называются динамическими виртуальными сетями (Dynamic VLAN). В таких сетях пользователи могут автоматически регистрироваться в сети VLAN, для чего служит специальный протокол регистрации GVRP (GARP VLAN Registration Protocol). Этот протокол определяет способ, посредством которого коммутаторы обмениваются информацией о сети VLAN, чтобы автоматически зарегистрировать членов VLAN на портах во всей сети.
Все коммутаторы, поддерживающие функцию GVRP, могут динамически получать от других коммутаторов (и, следовательно, передавать другим коммутаторам) информацию VLAN о регистрации, включающую данные об элементах текущей VLAN, о порте, через который можно осуществлять доступ к элементам VLAN и т.д. Для связи одного коммутатора с другим в протоколе GVRP используется сообщения GVRP BPDU (GVRP Bridge Protocol Data Units). Любое устройство с поддержкой протокола GVPR, получающее такое сообщение, может динамически подсоединяться к той сети VLAN, о которой оно оповещено.
Назначение виртуальных сетей
Виртуальной сетью VLAN (Virtual LAN) называют группу узлов сети, образующих домен широковещательного трафика (Broadcast Domain). Такое определение вполне корректно, но малоинформативно, так что попытаемся трактовать понятие виртуальной сети несколько иначе.
При создании локальной сети на основе коммутатора, несмотря на возможность использования пользовательских фильтров по ограничению трафика, все узлы сети представляют собой единый широковещательный домен, то есть широковещательный трафик передается всем узлам сети. Таким образом, коммутатор изначально не ограничивает широковещательный трафик, а сами сети, построенные по указанному принципу, именуются плоскими.
Виртуальные сети образуют группу узлов сети, в которой весь трафик, включая и широковещательный, полностью изолирован на канальном уровне от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между узлами сети, относящимися к различным виртуальным сетям, на основании адреса канального уровня невозможна (хотя виртуальные сети могут взаимодействовать друг с другом на сетевом уровне с использованием маршрутизаторов).
Изолирование отдельных узлов сети на канальном уровне с использованием технологии виртуальных сетей позволяет решать одновременно несколько задач. Во-первых, виртуальные сети способствуют повышению производительности сети, локализуя широковещательный трафик в пределах виртуальной сети и создавая барьер на пути широковещательного шторма. Коммутаторы пересылают широковещательные пакеты (а также пакеты с групповыми и неизвестными адресами) внутри виртуальной сети, но не между виртуальными сетями. Во-вторых, изоляция виртуальных сетей друг от друга на канальном уровне позволяет повысить безопасность сети, делая часть ресурсов для определенных категорий пользователей недоступной.
Типы виртуальных сетей
До появления общепризнанного стандарта по организации виртуальных сетей IEEE 802.1Q каждый производитель сетевого оборудования использовал собственную технологию организации VLAN. Такой подход имел существенный недостаток — технологии одного производителя были несовместимы с технологиями других фирм. Поэтому при построении виртуальных сетей на базе нескольких коммутаторов необходимо было использовать только оборудование от одного производителя. Принятие стандарта виртуальных сетей IEEE 802.1Q позволило преодолеть проблему несовместимости, однако до сих пор существуют коммутаторы, которые либо не поддерживают стандарт IEEE 802.1Q, либо, кроме возможности организации виртуальных сетей по стандарту IEEE 802.1Q, предусматривают и иные технологии.
Существует несколько способов построения виртуальных сетей, но сегодня в коммутаторах главным образом реализуется технология группировки портов или используется спецификация IEEE 802.1Q.
Виртуальные сети на основе группировки портов
Виртуальные сети на основе группировки портов (Port-based) обычно реализуются в так называемых Smart-коммутаторах или в управляемых коммутаторах — как дополнение к возможности организации VLAN на базе стандарта IEEE 802.1Q.
Данный способ создания виртуальных сетей достаточно прост и, как правило, не вызывает проблем. Каждый порт коммутатора приписывается к той или иной виртуальной сети, то есть порты группируются в виртуальные сети. Решение о продвижении сетевого пакета в этой сети основывается на MAC-адресе получателя и ассоциированного с ним порта. Если к порту, которому назначена принадлежность к определенной виртуальной сети, например к VLAN#1, подключить ПК пользователя, то этот ПК автоматически будет принадлежать сети VLAN#1. Если же к данному порту подключается коммутатор, то все порты этого коммутатора также будут принадлежать VLAN#1 (рис. 1).
Рис. 1. Виртуальные сети, построенные с использованием технологии группировки портов на базе одного коммутатора
При использовании технологии группировки портов один и тот же порт может быть одновременно приписан к нескольким виртуальным сетям, что позволяет реализовывать разделяемые ресурсы между пользователями различных виртуальных сетей. Например, чтобы реализовать совместный доступ к сетевому принтеру или к файл-серверу пользователей виртуальных сетей VLAN#1 и VLAN#2, тот порт коммутатора, к которому подключается сетевой принтер или файл-сервер, нужно приписать одновременно к сетям VLAN#1 и VLAN#2 (рис. 2).
Рис. 2. Создание разделяемого ресурса между несколькими виртуальными сетями с использованием технологии группировки портов
Описываемая технология обладает рядом преимуществ в сравнении с использованием стандарта IEEE 802.1Q, но имеет и свои недостатки.
К достоинствам можно отнести простоту конфигурации виртуальных сетей. Кроме того, при этом не требуется, чтобы конечные узлы сети поддерживали стандарт IEEE 802.1Q, а поскольку большинство сетевых контроллеров Ethernet не поддерживают этот стандарт, то организация сети на основе группировки портов может оказаться проще. К тому же при подобной организации виртуальных сетей они могут пересекаться, что позволяет создавать разделяемые сетевые ресурсы.
Технология создания виртуальных сетей на основе группировки портов находит применение в случаях использования одного коммутатора или использования стека коммутаторов с единым управлением. Однако если сеть достаточно крупная и построена на нескольких коммутаторах, то возможности по организации виртуальных сетей на основе группировки портов имеют существенные ограничения. Прежде всего, эта технология плохо масштабируется и в большинстве случаев ограничивается лишь одним коммутатором.
Рассмотрим для примера ситуацию, когда сеть построена на базе двух коммутаторов, поддерживающих технологию организации виртуальных сетей на основе группировки портов (рис. 3).
Рис. 3. Реализация виртуальных сетей на основе группировки портов при использовании двух коммутаторов
Пусть необходимо, чтобы часть портов первого и второго коммутаторов относилась к VLAN#1, а другая часть — к VLAN#2. Для этого нужно, во-первых, чтобы оба коммутатора позволяли не только организовывать виртуальные сети на основе группировки портов, но и распространять такие сети на несколько коммутаторов (подобная функция реализована далеко не у всех коммутаторов), во-вторых, чтобы между коммутаторами было установлено столько физических соединений, сколько создано виртуальных сетей. Рассмотрим два шестипортовых коммутатора. Пусть в первом коммутаторе порты 1 и 2 относятся к VLAN#1, а порты 3 и 4 — к VLAN#2; во втором коммутаторе порты 1, 2 и 3 относятся к VLAN#1, а порт 4 — к VLAN#2. Чтобы пользователи VLAN#1 первого коммутатора могли общаться с пользователями VLAN#1 второго коммутатора, эти коммутаторы должны быть связаны между собой портами, относящимися к VLAN#1 (например, порт 5 первого и второго коммутаторов необходимо приписать к VLAN#1). Аналогично, для общения пользователей VLAN#2 первого коммутатора с пользователями VLAN#2 второго коммутатора следует связать эти коммутаторы через порты, приписанные к VLAN#2 (это могут быть порты 6 на обоих коммутаторах). Таким образом, проблема масштабируемости виртуальных сетей на основе технологии группировки портов решается (правда, не во всех случаях) за счет установления избыточных связей между коммутаторами.
Виртуальные сети на основе стандарта IEEE 802.1Q
При наличии развитой сетевой инфраструктуры, насчитывающей множество коммутаторов, более эффективным решением создания виртуальных сетей будет технология IEEE 802.1Q. В виртуальных сетях, основанных на стандарте IEEE 802.1Q, информация о принадлежности передаваемых Ethernet-кадров к той или иной виртуальной сети встраивается в сам передаваемый кадр. Таким образом, стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.
К кадру Ethernet добавляется метка (Tag) длиной 4 байта — такие кадры называют кадрами с метками (Tagged frame). Дополнительные биты содержат информацию по принадлежности кадра Ethernet к виртуальной сети и о его приоритете (рис. 4).
Рис. 4. Сравнение обычного Ethernet-кадра и кадра с меткой
Добавляемая метка кадра включает в себя двухбайтовое поле TPID (Tag Protocol Identifier) и двухбайтовое поле TCI (Tag Control Information). Поле TCI, в свою очередь, состоит из полей Priority, CFI и VID. Поле Priotity длиной 3 бита задает восемь возможных уровней приоритета кадра. Поле VID (VLAN ID) длиной 12 бит является идентификатором виртуальной сети. Эти 12 бит позволяют определить 4096 различных виртуальных сетей, однако идентификаторы 0 и 4095 зарезервированы для специального использования, поэтому всего в стандарте 802.1Q возможно определить 4094 виртуальные сети. Поле CFI (Canonical Format Indicator) длиной 1 бит зарезервировано для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet, и для кадров Ethernet всегда равно 0.
Изменение формата кадра Ethernet приводит к тому, что сетевые устройства, не поддерживающие стандарт IEEE 802.1Q (такие устройства называют Tag-unaware), не могут работать с кадрами, в которые вставлены метки, а сегодня подавляющее большинство сетевых устройств (в частности, сетевые Ethernet-контроллеры конечных узлов сети) не поддерживают этот стандарт. Поэтому для обеспечения совместимости c устройствами, поддерживающими стандарт IEEE 802.1Q (Tag-aware-устройства), коммутаторы стандарта IEEE 802.1Q должны поддерживать как традиционные Ethernet-кадры, то есть кадры без меток (Untagged), так и кадры с метками (Tagged).
Входящий и исходящий трафики, в зависимости от типа источника и получателя, могут быть образованы и кадрами типа Tagged, и кадрами типа Untagged — только в этом случае можно достигнуть совместимости с внешними по отношению к коммутатору устройствами. Трафик же внутри коммутатора всегда образуется пакетами типа Tagged. Поэтому для поддержки различных типов трафиков и для того, чтобы внутренний трафик коммутатора образовывался из пакетов Tagged, на принимаемом и передающем портах коммутатора кадры должны преобразовываться в соответствии с предопределенными правилами.
Правила входящего порта (Ingress rules)
Рассмотрим более подробно процесс передачи кадра через коммутатор (рис. 5). По отношению к трафику каждый порт коммутатора может быть как входным, так и выходным. После того как кадр принят входным портом коммутатора, решение о его дальнейшей обработке принимается на основании предопределенных правил входного порта (Ingress rules). Поскольку принимаемый кадр может относиться как к типу Tagged, так и к типу Untagged, то правилами входного порта определяется, какие типы кадров должны приниматься портом, а какие отфильтровываться. Возможны следующие варианты: прием только кадров типа Tagged, прием только кадров типа Untagged, прием кадров обоих типов. По умолчанию для всех коммутаторов правилами входного порта устанавливается возможность приема кадров обоих типов.
Рис. 5. Процесс продвижения кадров в коммутаторе, совместимом со стандартом IEEE 802.1Q
Если правилами входного порта определено, что он может принимать кадр Tagged, в котором имеется информация о принадлежности к конкретной виртуальной сети (VID), то этот кадр передается без изменения. А если определена возможность работы с кадрами типа Untagged, в которых не содержится информации о принадлежности к виртуальной сети, то прежде всего такой кадр преобразуется входным портом коммутатора к типу Tagged (напомним, что внутри коммутатора все кадры должны иметь метки о принадлежности к виртуальной сети).
Чтобы такое преобразование стало возможным, каждому порту коммутатора присваивается уникальный PVID (Port VLAN Identifier), определяющий принадлежность порта к конкретной виртуальной сети внутри коммутатора (по умолчанию все порты коммутатора имеют одинаковый идентификатор PVID=1). Кадр типа Untagged преобразуется к типу Tagged, для чего дополняется меткой VID (рис. 6). Значение поля VID входящего Untagged-кадра устанавливается равным значению PVID входящего порта, то есть все входящие Untagged-кадры автоматически приписываются к той виртуальной сети внутри коммутатора, к которой принадлежит входящий порт.
Рис. 6. Обработка кадров входящим портом коммутатора
Правила продвижения пакетов (Forwarding Process)
После того как все входящие кадры отфильтрованы, преобразованы или оставлены без изменения в соответствии в правилами входящего порта, решение об их передаче к выходному порту основывается на предопределенных правилах продвижения пакетов. Правило продвижения пакетов внутри коммутатора заключается в том, что пакеты могут передаваться только между портами, ассоциированными с одной виртуальной сетью. Как уже отмечалось, каждому порту присваивается идентификатор PVID, который используется для преобразования принимаемых Untagged-кадров, а также для определения принадлежности порта к виртуальной сети внутри коммутатора с идентификатором VID=PVID. Таким образом, порты с одинаковыми идентификаторами внутри одного коммутатора ассоциируются с одной виртуальной сетью. Если виртуальная сеть строится на базе одного коммутатора, то идентификатора порта PVID, определяющего его принадлежность к виртуальной сети, вполне достаточно. Правда, создаваемые таким образом сети не могут перекрываться, поскольку каждому порту коммутатора соответствует только один идентификатор. В этом смысле создаваемые виртуальные сети не обладали бы такой гибкостью, как виртуальные сети на основе портов. Однако стандарт IEEE 802.1Q с самого начала задумывался для построения масштабируемой инфраструктуры виртуальных сетей, включающей множество коммутаторов, и в этом состоит его главное преимущество по сравнению с технологией образования VLAN на основе портов. Но для того, чтобы расширить сеть за пределы одного коммутатора, одних идентификаторов портов недостаточно, поэтому каждый порт может быть ассоциирован с несколькими виртуальными сетями, имеющими различные идентификаторы VID.
Если адрес назначения пакета соответствует порту коммутатора, который принадлежит к той же виртуальной сети, что и сам пакет (могут совпадать VID пакета и VID порта или VID пакета и PVID порта), то такой пакет может быть передан. Если же передаваемый кадр принадлежит к виртуальной сети, с которой выходной порт никак не связан (VID пакета не соответствует PVID/VID порта), то кадр не может быть передан и отбрасывается.
Правила выходного порта (Egress rules)
После того как кадры внутри коммутатора переданы на выходной порт, их дальнейшее преобразование зависит от правил выходного порта. Как уже говорилось, трафик внутри коммутатора создается только пакетами типа Tagged, а входящий и исходящий трафики могут быть образованы пакетами обоих типов. Соответственно правилами выходного порта (правило контроля метки — Tag Control) определяется, следует ли преобразовывать кадры Tagged к формату Untagged.
Каждый порт коммутатора может быть сконфигурирован как Tagged или Untagged Port. Если выходной порт определен как Tagged Port, то исходящий трафик будет создаваться кадрами типа Tagged с информацией о принадлежности к виртуальной сети. Следовательно, выходной порт не меняет тип кадров, оставляя их такими же, какими они были внутри коммутатора. К указанному порту может быть подсоединено только устройство, совместимое со стандартом IEEE 802.1Q, например коммутатор или сервер с сетевой картой, поддерживающей работу с виртуальными сетями данного стандарта.
Если же выходной порт коммутатора определен как Untagged Port, то все исходящие кадры преобразуются к типу Untagged, то есть из них удаляется дополнительная информация о принадлежности к виртуальной сети. К такому порту можно подключать любое сетевое устройство, в том числе коммутатор, не совместимый со стандартом IEEE 802.1Q, или ПК конечных клиентов, сетевые карты которых не поддерживают работу с виртуальными сетями этого стандарта.
Конфигурирование виртуальных сетей стандарта IEEE 802.1Q
Рассмотрим конкретные примеры конфигурирования виртуальных сетей стандарта IEEE 802.1Q.
Чтобы сформировать VLAN-сеть в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q, необходимо проделать следующие действия:
- задать имя виртуальной сети (например, VLAN#1) и определить ее идентификатор (VID);
- выбрать порты, которые будут относиться к данной виртуальной сети;
- задать правила входных портов виртуальной сети (возможность работы с кадрами всех типов, только с кадрами Untagged или только с кадрами Tagged);
- установить одинаковые идентификаторы PVID портов, входящих в виртуальную сеть;
- задать для каждого порта виртуальной сети правила выходного порта, сконфигурировав их как Tagged Port или Untagged Port.
Далее необходимо повторить вышеперечисленные действия для следующей виртуальной сети. При этом нужно помнить, что каждому порту можно задать только один идентификатор PVID, но один и тот же порт может входить в состав различных виртуальных сетей, то есть ассоциироваться одновременно с несколькими VID.
Таблица 1. Задание характеристик портов при создании виртуальных сетей на базе одного коммутатора
Примеры построения VLAN-сетей на основе коммутаторов, совместимых со стандартом IEEE 802.1Q
А теперь рассмотрим типичные примеры построения виртуальных сетей на основе коммутаторов, поддерживающих стандарт IEEE 802.1Q.
Если имеется всего один коммутатор, к портам которого подключаются компьютеры конечных пользователей, то для создания полностью изолированных друг от друга виртуальных сетей все порты должны быть объявлены как Untagget Ports для обеспечения совместимости с сетевыми Ethernet-контроллерами клиентов. Принадлежность узлов сети к той или иной VLAN определяется заданием идентификатора порта PVID.
Возьмем восьмипортовый коммутатор, на базе которого создаются три изолированные виртуальные сети VLAN#1, VLAN#2 и VLAN#3 (рис. 7). Первому и второму портам коммутатора присваивается идентификатор PVID=1. Поскольку идентификаторы этих портов совпадают с идентификатором первой виртуальной сети (PVID=VID), то данные порты образуют виртуальную сеть VLAN#1 (табл. 1). Если портам 3, 5 и 6 присвоить PVID=2 (совпадает с идентификатором VID VLAN#2), то вторая виртуальная сеть будет образована портами 3, 4 и 8. Аналогично формируется и VLAN#3 на базе портов 5, 6 и 7. Для обеспечения совместимости с конечным оборудованием (предполагается, что к портам коммутатора подключаются ПК клиентов сети, сетевые карты которых не совместимы со стандартом IEEE 802.1Q) все порты необходимо сконфигурировать как Untagged.
Рис. 7. Организация трех сетей VLAN по стандарту IEEE 802.1Q на основе одного коммутатора
Если инфраструктура сети включает несколько коммутаторов, поддерживающих стандарт IEEE 802.1Q, то для связи коммутаторов друг с другом необходимо использовать несколько иной принцип конфигурирования. Рассмотрим два шестипортовых коммутатора, которые поддерживают стандарт IEEE 802.1Q и на основе которых необходимо сконфигурировать три изолированные друг от друга виртуальные сети VLAN#1, VLAN#2 и VLAN#3.
Пусть к первой виртуальной сети относятся клиенты, подключенные к портам 1 и 2 первого коммутатора и к портам 5 и 6 второго коммутатора. К сети VLAN#2 относятся клиенты, подключенные к порту 3 первого коммутатора и порту 1 второго коммутатора, а к сети VLAN#3 относятся клиенты, подключенные к портам 4 и 5 первого коммутатора и портам 2 и 3 второго коммутатора. Порт 6 первого коммутатора и порт 4 второго коммутатора используются для связи коммутаторов друг с другом (рис. 8).
Рис. 8. Организация трех VLAN-сетей по стандарту IEEE 802.1Q на основе двух коммутаторов
Чтобы сконфигурировать указанные виртуальные сети, необходимо прежде всего определить на каждом из коммутаторов по три виртуальные сети VLAN#1, VLAN#2 и VLAN#3, задав их идентификаторы (VID=1 для VLAN#1, VID=2 для VLAN#2 и VID=3 для VLAN#3).
На первом коммутаторе порты 1 и 2 должны входить в состав VLAN#1, для чего этим портам присваивается PVID=1. Порт 2 первого коммутатора необходимо приписать к VLAN#2, для чего идентификатору порта присваивается значение PVID=2. Аналогично, для портов 5 и 6 первого коммутатора устанавливаются идентификаторы PVID=3, так как эти порты относятся к VLAN#3. Все указанные порты первого коммутатора должны быть сконфигурированы как Untagged Port для обеспечения совместимости с сетевыми картами клиентов.
Порт 4 первого коммутатора используется для связи со вторым коммутатором и должен передавать кадры всех трех виртуальных сетей без изменения второму коммутатору. Поэтому его необходимо сконфигурировать как Tagged Port и включить в состав всех трех виртуальных сетей (ассоциировать с VID=1, VID=2 и VID=3). При этом идентификатор порта не имеет значения и может быть любым (в нашем случае PVID=4).
Аналогичная процедура конфигурации виртуальных сетей осуществляется и на втором коммутаторе. Конфигурации портов двух коммутаторов представлены в табл. 2.
Таблица 2. Задание характеристик портов при создании виртуальных сетей на основе двух коммутаторов
Автоматическая регистрация в виртуальных сетях стандарта IEEE 802.1Q
Рассмотренные примеры виртуальных сетей относились к так называемым статическим виртуальным сетям (Static VLAN), в которых все порты настраиваются вручную, что хотя и весьма наглядно, но при развитой сетевой инфраструктуре является довольно рутинным делом. Кроме того, при каждом перемещении пользователей в пределах сети приходится производить перенастройку сети с целью сохранения их членства в заданных виртуальных сетях, а это, конечно, крайне нежелательно.
Существует и альтернативный способ конфигурирования виртуальных сетей, а создаваемые при этом сети называются динамическими виртуальными сетями (Dynamic VLAN). В таких сетях пользователи могут автоматически регистрироваться в сети VLAN, для чего служит специальный протокол регистрации GVRP (GARP VLAN Registration Protocol). Этот протокол определяет способ, посредством которого коммутаторы обмениваются информацией о сети VLAN, чтобы автоматически зарегистрировать членов VLAN на портах во всей сети.
Все коммутаторы, поддерживающие функцию GVRP, могут динамически получать от других коммутаторов (и, следовательно, передавать другим коммутаторам) информацию VLAN о регистрации, включающую данные об элементах текущей VLAN, о порте, через который можно осуществлять доступ к элементам VLAN и т.д. Для связи одного коммутатора с другим в протоколе GVRP используется сообщения GVRP BPDU (GVRP Bridge Protocol Data Units). Любое устройство с поддержкой протокола GVPR, получающее такое сообщение, может динамически подсоединяться к той сети VLAN, о которой оно оповещено.
