15
данного устройства может выполнять как сервер, так и специализированные
устройства – концентратор или коммутатор.
Рисунок 1.4 – Топология в виде звезды
Узким местом сети, построенной по топологии звезда, является
центральное устройство. От него напрямую зависит пропускная способность
и работоспособность сети.
Организация соединения компьютеров довольно проста – каждый
компьютер в сети подключается к центральному устройству. Несмотря на
кажущуюся простоту, коллизий при данном способе построения локальной
сети, не возникает. Большим минусом являются высокие затраты на большое
количество кабеля, особенно при большом удалении центрального узла от
рабочих станций. А также тот факт, что при выходе из строя центрального
устройства сеть полностью выйдет из строя.
При увеличении количества абонентов сети невозможно использование
уже проложенных линий связи, необходима новая линия связи от
центрального устройства.
Топология звезда является наиболее распространенной, поэтому
большинство существующих стандартов разрабатываются именно с опором
на нее. Поэтому она же является одной из наиболее скоростных топологий.
16
2. Кольцевая топология. При построении локальной сети с
использованием данной топологии все компьютеры объединяются в кольцо,
а каждый из компьютеров имеет две точки подключения – одна является
входящим соединением, другая – исходящим. Т.е. фактически компьютер
может получить данные только от предыдущего компьютера, а передать
следующему.
Для построения данного типа сети требуется меньшее, по сравнению с
топологией звезда, количество кабеля. Основная проблема данной топологии
заключается в необходимости участия в сетевом обмене каждой рабочей
станции, а выход любой из рабочих станций или разрыв кабеля приведет к
выходу из строя всей сети.
Рисунок 1.5 – Кольцевая топология
Интересным способом организации топологии кольцо является
логическая кольцевая сеть. Она выполняется как соединение устройств по
топологии звезда, а иногда как несколько таких звезд. Но логически
настраивается тип передачи данных, используемый в кольце. Т.е. для каждой
рабочей станции назначается уникальный в рамках данной сети номер, и
передача данных осуществляется последовательно, от одной станции к
другой.
17
3. Шинная топология. При использовании топологии шина все
компьютеры подключаются к общей линии передачи данных, называемой
шиной. Любая из рабочих станций может осуществить передачу данных
любой другой рабочей станции в сети.
Рисунок 1.6 – Шинная топология
Выход из строя любой из рабочих станций не повлияет на работу сети.
Помимо этого в любой момент функционирования сети любая из рабочих
станций может быть отключена или подключена к сети. Главное условие –
это целостность общей среды передачи данных.
4. Древовидная структура ЛВС. Помимо перечисленных топологий
существуют еще и древовидные топологии, или смешанные, когда в одной
сети используют сразу несколько различных топологий. Древовидным
данный способ организации сети называют из-за того, что основание
вычислительной сети размещается в точке, называемой корнем, а все
коммуникационные линии исходят из данной точки и сравниваются с
ветвями дерева.
18
Рисунок 1.7 – Древовидная топология
Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где
невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в
чистом виде.
1.3 Виртуальные компьютерные сети и их назначение
Под виртуальной локальной вычислительной сетью поднимают
объединение группы узлов в составе локальной вычислительной сети, весь
трафик между которыми на канальном уровне находится в полной изоляции
относительно трафика между остальными узлами сети.
Данный факт подразумевает невозможной реализацию передачи
кадров между различными виртуальными подсетями на основании адреса
канального уровня, независимо от типа данного адреса. При этом внутри
виртуальной сети передача трафика реализуется посредством технологии
коммутации, используя тот же порт, который привязан к адресу назначения
кадра [14].
19
Любой компьютер в составе локальной сети может находиться сразу в
нескольких виртуальных сетях. В таких случаях говорят о перекрытии
виртуальных компьютерных сетей. На рисунке 1.8 представлен пример
перекрытия виртуальных компьютерных сетей, в которых сервер
электронной почты входит в состав сразу нескольких виртуальных сетей –
третьей и четвертой. В таком случае кадры от компьютера в одной
виртуальной сети не могут напрямую достичь компьютера в другой
виртуальной сети, однако в качестве посредника может использоваться
общий почтовый сервер. Подобная схема является в некоторой степени
защитой виртуальных сетей друг от друга, однако данный метод защиты не
является полным, так как в случае возникновения большого количества
широковещательных запросов от сервера электронной почты, они будут
поступать в обе сети.
Рисунок 1.8 – Пример перекрытия виртуальных сетей
Реализация виртуальных компьютерных сетей может быть
осуществлена на основе одного, либо нескольких коммутаторов. В случае
одного коммутатора используют специальный механизм группировки портов
20
коммутатора, представленный на рисунке 1.9. В данном случае для каждого
порта назначается собственная виртуальная сеть. Получается что кадр,
пришедший на один порт маршрутизатора, никогда не будет передан на
другой порт. При этом бывают случаи, когда один порт приписывается сразу
для нескольких виртуальных сетей, однако данный метод имеет недостаток,
связанный с отсутствием полной изоляции сетей.
Применение метода группирования портов требует выполнять очень
обширный объем ручной работы, так как необходимо вручную прописать
каждый порт к одной из нескольких виртуальных сетей [25].
Второй метод реализации виртуальных сетей основывается на
выполнении группировки MAC-адресов. В данном случае каждый MAC-
адрес, который имеется в таблице маршрутизации, приписывается к какой-
либо виртуальной сети. В зависимости от масштаба сети прямо
пропорционально возрастает сложность реализации виртуальной сети на
основании данного метода, однако данный метод позволяет получить более
гибкие настройки маршрутизации для виртуальных компьютерных сетей.
Рисунок 1.9 – Построение виртуальных компьютерных сетей на одном
коммутаторе
21
Представленные подходы в своей основе имеют принципы по
корректировке адресных таблиц маршрутизаторов, и не имеют механизмов
встраивания в кадр какой-либо дополнительной информации касаемо
принадлежности передаваемого кадра. Однако существуют иные подходы, в
которых используют специальные поля в составе кадра, на основании
которых можно выделить принадлежность этого кадра к какой-либо
виртуальной компьютерной сети, а также о его перемещениях между узлами
сети [27].
Дополнительное поле для хранения номера виртуальной сети
применяется в тех случаях, когда передача кадра происходит между
маршрутизаторами, а при передаче данного кадра до конечного абонента
сети данное поле, как правило, удаляется. При этом осуществляется
модификация протокола взаимодействия коммутаторов, не затрагивая состав
программного и аппаратного обеспечения на конечных узлах. На текущий
момент времени существует специализированный стандарт IEEE 802.1Q, на
основании которого выполняется реализация виртуальных компьютерных
сетей. В данном стандарте подробно описано внедрение в состав кадра
Ethernet дополнительного заголовка, именуемого как тег виртуальной
компьютерной сети. Данный тег (рисунок 1.10) содержит поле TCI (Tag
Control Information — управляющая информация тега), имеющее размер в 2
байта, а также поле EtherType, которое имеет такой же размер, и относится к
стандартным полям кадра Ethernet.
Рисунок 1.10 – Структура кадра Ethernet с тегом VLAN
22
Описанный выше тег не носит характер обязательного для кадров
Ethernet. В случае наличия у кадра подобного заголовка, его называют
помеченным кадром. При этом сетевое оборудование имеет работать как с
помеченными, так и с непомеченными кадрами. При этом из-за добавления в
заголовок пакета тега VLAN была снижена длина поля данных на 4 байта.
С целью получения четкого различия помеченных кадров
оборудование в составе компьютерной сети, в составе кадра Ethernet было
введено специальное значение 0x8100 для поля EtherType. В случае наличия
в поле указанного значения маршрутизатор понимает, что следом находится
поле TCI, а не стандартное поле данных. Данное поле хранит в себе 12-
битный идентификатор виртуальной сети, называемый VID. Разрядность
этого поля позволяет коммутатору реализовать до 4096 виртуальных сетей.
Также в данном поле находится трехбитное поле, в котором указывается
приоритет кадра.
За счет использования значения VID в помеченных кадрах,
коммутаторы сети могут реализовывать групповую фильтрацию трафика,
выполнять разбиение сетей на виртуальные сети. При реализации данного
режима для каждого порта на маршрутизаторе или коммутаторе
присваивается соответствующая виртуальная компьютерная сеть, реализуя
группировку портов.
С целью упрощения процесса конфигурирования сети стандарт 802.1Q
содержит такие понятия, как линия доступа и транк.
Линия доступа реализует связь между портом коммутатора, который
называют портом доступа, и компьютером, который принадлежит некоторой
виртуальной сети.
Транк является линией связи, посредством которой выполняется
объединение портов на двух коммутаторах и далее происходит передача
трафика.
Любой коммутатор или маршрутизатор, имеющий поддержку VLAN,
без ввода специальных настроек функционирует в режиме стандартного
23
коммутатора, реализуя соединение либо между всеми узлами сети, либо в
соответствии с таблицами маршрутизации. Компьютерная сеть, построенная
по данному принципу, имеет набор конечных узлом, которые по умолчанию
включены в состав условной сети, именуемой VLAN1. В данной виртуальной
сети идентификатор VID равен единице [2].
Подобную компьютерную сеть можно отнести к виртуальной лишь
условно, так как кадры данной сети передаются без каких-либо пометок. Для
организации в данной сети виртуальной компьютерной сети следует первым
делом изменить значение VID на иное, отличное от единицы, а также
посредством команд конфигурирования выполнить присвоение сети
необходимых портов, присоединенных к компьютерам в составе сети. При
этом рекомендуется порт доступа приписывать только к одной виртуальной
сети [14].
С целью наглядной демонстрации функционирования VLAN будет
рассмотрен пример на основании сети, представленной на рисунке 1.11.
Будем считать, что поставлена задача обеспечить доступ компьютеров
С1 и СЗ к серверам 51 и 53, в то время как компьютеры С2 и С4 должны
иметь доступ только к серверам 52 и 54.
Рисунок 1.11 – Разбиение сети на две виртуальные локальные сети
24
Чтобы решить эту задачу, можно организовать в сети две виртуальные
локальные сети, VLAN2 и VLAN3, приписав один набор компьютеров и
серверов к VLAN2, а другой — к VLAN3.
Для приписывания конечных узлов к определенной виртуальной
локальной сети соответствующие порты объявляются портами доступа этой
сети путем назначения им соответствующего идентификатора VID.
Например, порт 1 коммутатора SW1 должен быть объявлен портом доступа
VLAN2 путем назначения ему идентификатора VID2, то же самое должно
быть проделано с портом 5 коммутатора SW1, портом 1 коммутатора SW2 и
портом 1 коммутатора SW3. Порты доступа сети VLAN3 должны получить
идентификатор VID3.
В данной сети нужно также организовать транки. Порты,
подключенные к транкам, не добавляют и не удаляют теги, они просто
передают кадры в неизменном виде. В данном примере такими портами
должны быть порты 6 коммутаторов SW1 и SW2, а также порты 3 и 4
коммутатора SW3. Порты в представленном примере должны поддерживать
сети VLAN2 и VLAN3 (и VLAN1, если в сети есть узлы, явно не
приписанные ни к одной виртуальной локальной сети).
Коммутаторы, поддерживающие технологию VLAN, осуществляют
дополнительную фильтрацию трафика. В том случае если таблица
маршрутизации коммутатора говорит о том, что пришедший кадр нужно
передать на некоторый порт, перед передачей коммутатор проверяет,
соответствует ли значение VID в теге VLAN кадра той виртуальной
локальной сети, которая приписана к этому порту. В случае соответствия
кадр передается, несоответствия — отбрасывается. Непомеченные кадры
обрабатываются аналогичным образом, но с использованием условной сети
VLAN1. МАС-адреса изучаются коммутаторами сети отдельно по каждой
виртуальной локальной сети.
Как видно из примера, техника VLAN оказывается весьма эффективной
для разграничения доступа к серверам. Конфигурирование виртуальной