Поддержка 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 (рисунок 4.15).
Рис. 4.15. Интерсеть, состоящая из сетей, построенных на основе повторителей
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 (рисунок 4.16). 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.
Рис. 4.16. Многосегментный повторитель с 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:
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.
Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов пока не стандартизована, хотя и реализуется в очень широком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Положение может скоро измениться, если будет принят стандарт 802.1Q, разрабатываемый в рамках института IEEE.
В виду отсутствия стандарта каждый производитель имеет свою технологию виртуальных сетей, которая, как правило, несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети можно 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.
При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в сети портов коммутатора (рисунок 4.17).
Рис. 4.17. Виртуальные сети, построенные на одном коммутаторе
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.
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.
Рис. 4.18. Построение виртуальных сетей на нескольких
коммутаторах с группировкой портов
Рисунок 4.18 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 (рисунок 4.19).
Рис. 4.19. Соединение виртуальных сетей, построенных на группировании портов,
через маршрутизатор
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.
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, поэтому до принятия стандарта 802.1Q фирменные протоколы маркировки виртуальных сетей будут преобладать.
Существует два способа построения виртуальных сетей, которые используют уже имеющиеся поля для маркировки принадлежности кадра виртуальной сети, однако эти поля принадлежат не кадрам канальных протоколов, а пакетам сетевого уровня или ячейкам технологии АТМ.
В первом случае виртуальные сети образуются на основе сетевых адресов, то есть той же информации, которая используется при построении интерсетей традиционным способом - с помощью физически отдельных сетей, подключаемых к разным портам маршрутизатора.
Когда виртуальная сеть образуется на основе номеров сетей, то каждому порту коммутатора присваивается один или несколько номеров сетей, например, номеров IP-сетей. (рисунок 4.20). Каждый номер IP-сети соответствует одной виртуальной сети. Конечные узлы также должны в этом случае поддерживать протокол IP. При передаче кадров между узлами, принадлежащими одной виртуальной сети, конечные узлы посылают данные непосредственно по МАС-адресу узла назначения, а в пакете сетевого уровня указывают IP-адрес своей виртуальной сети. Коммутатор в этом случае передает кадры на основе МАС-адреса назначения по адресной таблице, проверяя при этом допустимость передач по совпадению IP-номера сети пакета, содержащегося в кадре, и IP-адресу порта назначения, найденному по адресной таблице. При передачах кадра из одного коммутатора в другой, его IP-адрес переносится вместе с кадром, а значит коммутаторы могут быть связаны только одной парой портов для поддержки виртуальных сетей, распределенных между несколькими коммутаторами.
Рис. 4.20. Построение виртуальных сетей на основе сетевых адресов
В случае, когда нужно произвести обмен информацией между узлами, принадлежащими разным виртуальным сетям, конечный узел работает так же, как если бы он находился в сетях, разделенных обычным маршрутизатором. Конечный узел направляет кадр маршрутизатору по умолчанию, указывая его МАС-адрес в кадре, а IP-адрес узла назначения - в пакете сетевого уровня. Маршрутизатором по умолчанию должен быть внутренний блок коммутатора, который имеет определенный МАС-адрес и IP-адрес, как и традиционный маршрутизатор.
Кроме того, он должен иметь таблицу маршрутизации, в которой указывается выходной порт для всех номеров сетей, которые существуют в общей интерсети.
В отличие от традиционных маршрутизаторов, у которых каждый порт имеет свой номер сети, коммутаторы, поддерживающие сетевой протокол для образования виртуальных сетей, назначают один и тот же номер сети нескольким портам. Кроме того, один и тот же порт может быть связан с несколькими номерами сетей, если через него связываются коммутаторы.
Часто коммутаторы не поддерживают функции автоматического построения таблиц маршрутизации, которые поддерживаются протоколами маршрутизации. такими как RIP или OSPF. Такие коммутаторы называют коммутаторами 3-го уровня, чтобы подчеркнуть их отличие от традиционных маршрутизаторов. При использовании коммутаторов 3-го уровня таблицы маршрутизации либо создаются администратором вручную (это тоже часто приемлемо при небольшом количестве виртуальных сетей и маршруте по умолчанию к полноценному маршрутизатору), либо загружаются из маршрутизатора. По последней схеме взаимодействует коммутатор Catalist 5000 компании Cisco с маршрутизаторами этой же компании.
Если же коммутатор не поддерживает функций сетевого уровня, то его виртуальные сети могут быть объединены только с помощью внешнего маршрутизатора. Некоторые компании выпускают специальные маршрутизаторы для применения совместно с коммутаторами. Примером такого маршрутизатора служит маршрутизатор Vgate компании RND, изображенный на рисунке 4.21.
Рис. 4.21. Маршрутизатор Vgate, разработанный специально для объединения виртуальных сетей
Этот маршрутизатор имеет один физический порт для связи с портом коммутатора, но этот порт может поддерживать до 64 МАС-адресов, что позволяет маршрутизатору объединять до 64 виртуальных сетей.
Последний способ организации виртуальных сетей связан с применением в сети АТМ-коммутаторов. Этот способ основан на использовании для передачи кадров каждой виртуальной сети через коммутаторы АТМ с помощью отдельного виртуального соединения. На рисунке 4.22 показан пример сети, в которой две виртуальные сети объединены с помощью АТМ-сети, состоящей из трех коммутаторов. Так как для передачи кадров каждой виртуальной сети используется отдельный виртуальный канал со своим номером SVC, то коммутатор К2, собирая переданный кадр из ячеек АТМ, знает о принадлежности кадра к той или иной виртуальной сети, а далее на основе его МАС-адреса принимает решение о передаче его на определенный порт.
Рис. 4.22. Использование отдельных виртуальных каналов в ATM-сетях
для передачи информации о виртуальных сетях
Коммутаторы К1 и К2, изображенные на рисунке, должны иметь АТМ-порты и поддерживать для реализации взаимодействия локальных сетей с сетью АТМ спецификацию LANE. Эту спецификацию должен поддерживать также хотя бы один из АТМ-коммутаторов. Так как спецификация LANE достаточно подробно описывает способ поддержки виртуальных сетей сетью АТМ-коммутаторов и пограничных коммутаторов, имеющих клиентскую часть протокола LANE, то оборудование разных производителей может работать в одной сети, образуя виртуальные сети с помощью АТМ-технологии.Спецификация LANE описывает способ взаимодействия локальных сетей и сетей АТМ на основе МАС-адресов и АТМ-адресов, не привлекая протоколы сетевого уровня. Поэтому она может быть реализована в коммутаторах, работающих только на канальном уровне. Для объединения виртуальных сетей, построенных с помощью спецификации LANE, нужны маршрутизаторы с АТМ-портами.
