Лекция 16. Виртуальные локальные сети

16.1. Общие сведения о виртуальных сетях

Безопасность телекоммуникационных сетей во многом определяется размерами широковещательных доменов, внутри которых может происходить несанкционированный доступ к конфиденциальной информации. В традиционных сетях деление на широковещательные домены реализуется маршрутизатором.

Виртуальные сети созданы, чтобы реализовать сегментацию сети на коммутаторах. Таким образом, создание виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Networks – VLAN), которые представляют собой логическое объединение групп станций сети (рис. 16.1), является одним из основных методов защиты информации в сетях на коммутаторах.

Рис. 16.1. Виртуальные локальные сети VLAN

Обычно VLAN группируются по функциональным особенностям работы, независимо от физического местоположения пользователей. Обмен данными происходит только между устройствами, находящимися в одной VLAN. Обмен данными между различными VLAN производится только через маршрутизаторы.

Рабочая станция в виртуальной сети, например, Host-1 в сети VLAN1, ограничена общением с сервером в той же самой VLAN1. Виртуальные сети логически сегментируют всю сеть на широковещательные домены так, чтобы пакеты переключались только между портами, которые назначены на ту же самую VLAN (приписаны к одной VLAN). Каждая сеть VLAN состоит из узлов, объединенных единственным широковещательным доменом, образованным приписанными к виртуальной сети портами коммутатора.

Поскольку каждая виртуальная сеть представляет широковещательный домен, то маршрутизаторы в топологии сетей VLAN (рис.16.1) обеспечивают фильтрацию широковещательных передач, безопасность, управление трафиком и связь между VLAN. Коммутаторы не обеспечивают трафик между VLAN, поскольку это нарушает целостность широковещательного домена VLAN. Трафик между VLAN обеспечивается маршрутизацией, т.е. общение между узлами разных виртуальных сетей происходит только через маршрутизатор.

Для нормального функционирования виртуальных сетей необходимо на коммутаторе сконфигурировать все виртуальные локальные сети и приписать порты коммутатора к соответствующей сети VLAN. Если кадр должен пройти через коммутатор и МАС-адрес назначения известен, то коммутатор только продвигает кадр к соответствующему выходному порту. Если МАС-адрес неизвестен, то происходит широковещательная передача во все порты широковещательного домена, т.е. внутри виртуальной сети VLAN, кроме исходного порта, откуда кадр был получен. Широковещательные передачи снижают безопасность информации.

Управление виртуальными сетями VLAN реализуется через первую сеть VLAN1 и сводится к управлению портами коммутатора. Сеть VLAN1 получила название сеть по умолчанию (default VLAN). По крайней мере, один порт должен быть в VLAN 1, чтобы управлять коммутатором. Все другие порты на коммутаторе могут быть назначены другим сетям VLAN. Поскольку данная информация известна всем, то хакеры пытаются атаковать, в первую очередь, именно эту сеть. Поэтому на практике администраторы изменяют номер сети по умолчанию, например, на номер VLAN 101.

Каждой виртуальной сети при конфигурировании должен быть назначен IP-адрес сети или подсети с соответствующей маской, для того чтобы виртуальные сети могли общаться между собой. Например, VLAN1 (рис.16.1) может иметь адрес 192.168.10.0/24, VLAN2 – адрес 192.168.20.0/24, VLAN3 – адрес 192.168.30.0/24. Каждому хосту необходимо задать IP-адрес из диапазона адресов соответствующей виртуальной сети, например, host-1 – адрес 192.168.10.1, host-2 – адрес 192.168.20.1, host-3 – адрес 192.168.20.2, host-7 – адрес 192.168.20.3, host-10 – адрес 192.168.30.4.

Идентификаторы виртуальных сетей (VLAN1, VLAN2, VLAN3 и т.д.) могут назначаться из нормального диапазона 1 – 1005, в котором номера 1002 – 1005 зарезервированы для виртуальных сетей технологий Token Ring и FDDI. Существует также расширенный диапазон идентификаторов 1006 – 4094. Однако для облегчения управления рекомендуется, чтобы сетей VLAN было не более 255 и сети не расширялись вне Уровня 2 коммутатора.

Таким образом, сеть VLAN является широковещательным доменом, созданным одним или более коммутаторами. На рис. 16.2, три виртуальных сети VLAN созданы одним маршрутизатором и тремя коммутаторами. При этом существуют три отдельных широковещательных домена (сеть VLAN1, сеть VLAN2, сеть VLAN3). Маршрутизатор управляет трафиком между сетями VLAN, используя маршрутизацию Уровня 3.

Если рабочая станция сети VLAN1 захочет послать кадр рабочей станции в той же самой VLAN1, адресом назначения кадра будет МАС-адрес рабочей станции назначения. Если же рабочая станция сети VLAN1 захочет переслать кадр рабочей станции сети VLAN2, кадры будут переданы на МАС-адрес интерфейса F0/0 маршрутизатора. То есть, маршрутизация производится через IP-адрес интерфейса F0/0 маршрутизатора виртуальной сети VLAN1.

Рис. 16.2. Три виртуальных сети VLAN

Для выполнения своих функций в виртуальных сетях коммутатор должен поддерживать таблицы коммутации (продвижения) для каждой VLAN. Для продвижения кадров производится поиск адреса в таблице только данной VLAN. Если адрес источника ранее не был известен, то при получении кадра коммутатор добавляет этот адрес в таблицу.

При построении сети на нескольких коммутаторах необходимо выделить дополнительные порты для объединения портов разных коммутаторов, приписанных к одноименным виртуальным сетям (рис. 16.3). Дополнительных пар портов двух коммутаторов должно быть выделено столько, сколько создано сетей VLAN.

Рис. 16.3. Объединение виртуальных сетей двух коммутаторов

Поскольку кадры данных могут быть получены коммутатором от любого устройства, присоединенного к любой виртуальной сети, то при обмене данными между коммутаторами в заголовок добавляется уникальный идентификатор кадра – тег виртуальной сети (tag), который определяет членство VLAN каждого пакета. Введение поля меток в формат кадра упрощает проблему обмена кадрами между коммутаторами. Стандарт IEEE 802.1Q предусматривает введение такого поля меток, который содержит два байта (рис. 16.4).

3 бита	1 бит	12 бит
Приоритет	CFI	VLAN ID

Рис. 16.4. Формат тега виртуальной сети

Из них 12 двоичных разрядов используются для адресации, что позволяет помечать до 4096 виртуальных сетей и соответствует нормальному и расширенному диапазону идентификаторов VLAN. Еще три разряда этого поля позволяют задавать 8 уровней приоритета передаваемых сообщений, т.е. позволяют обеспечивать качество (QoS) передаваемых данных. Наивысший приоритет уровня 7 имеют кадры управления сетью, уровень 6 – кадры передачи голосового трафика, 5 – передача видео. Остальные уровни обеспечивают передачу данных с разным приоритетом. Единичное значение поля CFI показывает, что виртуальная сеть является Token Ring.

Пакет отправляется соответствующим коммутатором или маршрутизатором, базируясь на идентификаторе VLAN и МАС-адресе. После достижения сети назначения идентификатор VLAN (tag) удаляется из пакета соседним коммутатором, а пакет отправляется присоединенному устройству. Маркировка пакета (Packet tagging) обеспечивает механизм управления потоком данных.

Транковые соединения

Согласно принципу, представленному на рис. 16.3, в виртуальных локальных сетях для соединения нескольких коммутаторов между собой задействуют несколько физических портов. Совокупность физических каналов между двумя устройствами (рис. 16.5 а) может быть заменена одним агрегированным логическим каналом (рис. 16.5 б), получившим название транк (Trunk).

Транковые соединения используются и для подключения маршрутизатора к коммутатору (рис. 16.2). При этом на интерфейсе маршрутизатора формируются несколько субинтерфейсов (по количеству виртуальных сетей.)

Пропускная способность агрегированного логического канала равна сумме пропускных способностей физических каналов. Транки используют не только для соединения коммутаторов между собой, но и для подключения высокоскоростных серверов.

а)

б)

Рис. 16.5. Транковые соединения коммутаторов

На практике используются статические и динамические VLAN. Динамические VLAN создаются через программное обеспечение управления сети. Динамические VLAN позволяют членам виртуальной сети базироваться на МАС-адресе устройства-источника, связанного с портом коммутатора. Однако динамические VLAN широко не используется.

Наибольшее распространение получили статические VLAN. Входящие в сеть устройства автоматически становятся членами VLAN порта, к которому они присоединены. Для статического конфигурирования используется интерфейс командной линии CLI.