Vlan in base alle porte. Corso di lezioni sulle tecnologie di rete
2.1.3 Struttura del frame 802.1Q
La specifica 802.1Q definisce 12 possibili formati di incapsulamento dei campi di riempimento nei frame del livello MAC. Questi formati sono definiti in base a tre tipi di frame (Ethernet II, LLC in formato normale, LLC in formato Token Ring), due tipi di reti (802.3/Ethernet o Token Ring/FDDI) e due tipi di tag VLAN (impliciti o espliciti ). Esistono anche alcune regole per tradurre i frame Ethernet o Token Ring di origine in frame con tag e ricondurre i frame con tag in quelli originali.
Il campo TPI (Tag Protocol Identifier) ha sostituito il campo EtherType del frame Ethernet, che ha preso il suo posto dopo il campo tag VLAN a due byte.
Sono presenti tre sottocampi nel campo tag VLAN.
Il sottocampo Priorità ha lo scopo di memorizzare tre bit della priorità del frame, che consente di definire fino a 8 livelli di priorità. Il flag TR-Encapsulation a un bit indica se i dati trasportati dal frame contengono un frame in formato IEEE 802.5 incapsulato (flag uguale a 1) o se corrisponde al tipo di frame esterno (flag uguale a 0).
Utilizzando questa funzionalità è possibile incanalare il traffico dalle reti Token Ring su trunk Ethernet commutati.
Il VLAN ID (VID) a 12 bit identifica in modo univoco la VLAN a cui appartiene il frame.
Taglia massima Il frame Ethernet aumenta quando si applica la specifica IEEE 802.1 Q non è di 4 byte, da 1518 byte a 1522 byte.
Fig.2.1.3 Struttura del frame Ethernet con campo IEEE 802.1 Q
2.1.4 Garantire la qualità del servizio nelle reti basate su switch.
Gli switch Layer 2 e Layer 3 possono inoltrare i pacchetti molto rapidamente, ma questa non è l'unica proprietà delle apparecchiature di rete necessaria per creare una rete moderna.
La rete deve essere gestita e un aspetto della gestione è fornire la giusta qualità del servizio (QoS).
Il supporto QoS offre all'amministratore la capacità di anticipare e controllare il comportamento della rete dando priorità ad applicazioni, sottoreti e stazioni finali o fornendo loro un servizio garantito larghezza di banda.
Esistono due modi principali per mantenere la qualità del servizio. Si tratta della prenotazione anticipata delle risorse e del servizio preferito delle classi di traffico aggregate. Quest'ultimo metodo ha trovato la sua principale applicazione al secondo livello. Negli switch di secondo livello operano da tempo un gran numero di schemi di servizi prioritari proprietari, che dividono tutto il traffico in 2-3-4 classi e servono queste classi in modo differenziato.
Oggi, il gruppo di lavoro IEEE 802.1 ha sviluppato gli standard 802.1 p/Q (in seguito chiamati 802.1D-1998) che mettono ordine negli schemi di prioritizzazione del traffico e nel modo in cui i dati delle classi di traffico vengono trasportati nei frame LAN. Le idee di prioritizzazione del traffico incorporate negli standard 802.1 p/Q corrispondono sostanzialmente allo schema di servizi differenziati IP discusso nel capitolo. Fornisce lo schema QoS basato sugli standard 802.1 p/Q
la possibilità di impostare una classe di servizio (priorità) come nodo finale inserendo un identificatore in un frame standard 802 rete virtuale VID, contenente tre bit del livello di priorità e classificazione del traffico da parte degli switch in base ad alcuni insiemi di funzionalità. La qualità del servizio può anche variare tra le diverse VLAN. In questo caso il campo priorità svolge il ruolo di differenziatore di secondo livello all'interno dei diversi flussi di ciascuna rete virtuale.
Traffico normale erogato con “max. sforzi”
Ritarda il traffico sensibile
Fig.2.1.4 Classi di servizio all'interno delle reti virtuali.
L'esatta interpretazione delle esigenze di ciascuna classe di traffico, etichettata con un valore di priorità ed eventualmente un numero di rete virtuale, è lasciata, come per i servizi IP differenziati, alla discrezione dell'amministratore di rete. In generale, si presuppone che lo switch abbia regole di policy secondo le quali viene servita ciascuna classe di traffico, ovvero la presenza di un profilo di traffico.
I fornitori di switch in genere integrano nei propri dispositivi una classificazione del traffico più ampia rispetto a quella fornita dallo standard 802.1 p/Q. Le classi di traffico possono essere distinte in base agli indirizzi MAC, alle porte fisiche, alle etichette 802.1p/Q e, sugli switch Layer 3 e Layer 4, agli indirizzi IP e ai numeri di porta TCP/UDP noti.
Non appena il pacchetto entra nello switch, i suoi valori di campo vengono confrontati con le caratteristiche contenute nelle regole assegnate ai gruppi di traffico, e quindi inseriti nella coda appropriata. Le regole associate a ciascuna coda possono garantire ai pacchetti una certa quantità di larghezza di banda e una priorità che influisce sulla quantità di ritardo dei pacchetti. La classificazione del traffico in base allo switch e l'integrazione delle informazioni sulla qualità del servizio richiesta nei pacchetti consente agli amministratori di impostare policy QoS in tutto rete aziendale. Esistono i seguenti modi per classificare il traffico:
Basato sul porto. Quando si assegna la priorità alle singole porte di ingresso, vengono utilizzate le etichette di priorità 802.1 p/Q per propagare la qualità del servizio richiesta in tutta la rete commutata.
Basato sui tag VLAN. Questo è un modo abbastanza semplice e altamente generalizzato per mantenere la QoS. Assegnando un profilo QoS alle VLAN, i flussi possono essere facilmente gestiti quando sono combinati in una dorsale.
In base ai numeri di rete. Le reti virtuali basate su protocollo possono utilizzare l'associazione del profilo QoS a sottoreti IP, IPX e Apple Talk specifiche. Ciò semplifica la separazione di un gruppo specifico di utenti e la fornitura della qualità di servizio desiderata.
Per applicazione (porte TCP/UDP). Consente di isolare classi di applicazioni a cui vengono poi forniti servizi differenziati, indipendentemente dagli endpoint e dagli indirizzi degli utenti.
Un prerequisito per mantenere la QoS basata sui numeri di rete è la capacità di esaminare i pacchetti al terzo livello e la differenziazione per applicazione richiede l'analisi dei pacchetti al quarto livello.
Fig.2.1.5 Servizio di diverse classi di traffico.
Dopo aver diviso il traffico in classi, gli switch possono fornire a ciascuna classe un throughput minimo e massimo garantito, nonché una priorità che determina l'elaborazione della coda quando è disponibile larghezza di banda dello switch libera. La figura mostra un esempio di servizio di quattro classi di traffico. A ciascuno di essi viene assegnata una determinata larghezza di banda minima e anche al traffico ad alta priorità viene assegnato un massimo, in modo che questa classe di traffico non possa sopprimere completamente quelli a priorità inferiore.
Quando si utilizzano VLAN basate su porte, ciascuna porta viene assegnata a una VLAN specifica, indipendentemente da quale utente o computer è connesso a quella porta. Ciò significa che tutti gli utenti connessi a questa porta saranno membri della stessa VLAN.
La configurazione della porta è statica e può essere modificata solo manualmente.
VLAN basate su porte.
Vlan basato su indirizzi Mac.
Il metodo successivo per la formazione di reti virtuali utilizza il raggruppamento di indirizzi MAC. Quando nella rete è presente un numero elevato di nodi, questo metodo richiede un gran numero di operazioni manuali da parte dell'amministratore.
VLAN basata su indirizzi MAC.
Vlan basato su etichette: standard 802.1q.
I primi due approcci si basano solo sull'aggiunta di informazioni aggiuntive alle tabelle degli indirizzi del bridge e non utilizzano la possibilità di incorporare informazioni sulla trama appartenente ad una rete virtuale nella trama trasmessa. Metodo di organizzazione VLAN basato su etichette − tag, utilizza campi frame aggiuntivi per memorizzare informazioni sulla proprietà dei frame quando si sposta tra switch di rete. Un tag da 4 byte viene aggiunto al frame Ethernet:
L'etichetta del frame aggiunto include un campo TPID (Tag Protocol Identifier) a due byte e un campo TCI (Tag Control Information) a due byte. I primi 2 byte, fissati su 0x8100, determinano che il frame contiene un tag di protocollo 802.1q/802.1p. Il campo TCI è costituito dai campi Priorità, CFI e VID. Il campo Priorità è lungo 3 bit e specifica otto possibili livelli di priorità del frame. Il campo VID (VLAN ID), lungo 12 bit, è l'identificatore della rete virtuale. Questi 12 bit consentono di definire 4096 diverse reti virtuali, tuttavia gli ID 0 e 4095 sono riservati per usi speciali, quindi nello standard 802.1Q è possibile definire un totale di 4094 reti virtuali. Il campo CFI (Canonical Format Indicator) a 1 bit è riservato alla designazione dei frame di altri tipi di reti (Token Ring, FDDI), mentre per i frame Ethernet è 0.
Dopo che il frame è stato ricevuto dalla porta di ingresso dello switch, la decisione sulla sua ulteriore elaborazione viene presa in base alle regole della porta di ingresso (regole di ingresso). Sono possibili le seguenti opzioni:
ricevere solo frame contrassegnati;
ricevere solo frame senza tag;
Per impostazione predefinita, tutti gli switch accettano frame di entrambi i tipi.
Dopo che il frame è stato elaborato, viene presa la decisione di inoltrarlo alla porta di output in base a regole di inoltro del frame predefinite. La regola per l'inoltro dei frame all'interno di uno switch prevede che i frame possano essere inoltrati solo tra porte associate alla stessa rete virtuale.
Ethernet 1000Base
1000Base Ethernet o Gigabit Ethernet, come Fast Ethernet, utilizza lo stesso formato frame, metodo di accesso CSMA/CD, topologia a stella e controllo del collegamento (LLC) di IEEE 802.3 e 10Base-T Ethernet. La differenza fondamentale tra le tecnologie risiede ancora una volta nell'implementazione dello strato fisico dell'EMBOS: l'implementazione dei dispositivi PHY. Per l'implementazione dei ricetrasmettitori PHY collegati alla fibra sono stati utilizzati gli sviluppi di IEEE 802.3 e ANSI X3T11 Fibre Channel. Nel 1998 sono stati pubblicati 802.3z per la fibra e 802.3ab per il doppino intrecciato.
Se le differenze tra Ethernet e Internet veloce sono minimi e non influiscono sul livello MAC, quindi durante lo sviluppo dello standard Gigabit Ethernet 1000Base-T, gli sviluppatori hanno dovuto non solo apportare modifiche al livello fisico, ma influenzare anche il sottolivello MAC.
Il livello fisico Gigabit Ethernet utilizza più interfacce, tra cui il tradizionale doppino intrecciato di categoria 5, nonché la fibra multimodale e monomodale. In totale sono definiti 4 diversi tipi di interfacce multimediali fisiche, che si riflettono nelle specifiche degli standard 802.3z (1000Base-X) e 802.3ab (1000Base-T).
Le distanze supportate per gli standard 1000Base-X sono mostrate nella tabella seguente.
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Standard |
tipo di fibra |
Distanza massima*, m |
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(diodo laser 1300 nm) |
Fibra monomodale (9 µm) | |
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Fibra multimodale (50 µm)*** | ||
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Standard |
Tipo fibra/doppino intrecciato |
Distanza massima*, m |
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(diodo laser 850 nm) |
Fibra multimodale (50 µm) | |
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Fibra multimodale (62,5 µm) | ||
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Fibra multimodale (62,5 µm) | ||
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Doppino intrecciato schermato: STP |
Le caratteristiche dei ricetrasmettitori ottici possono essere notevolmente superiori a quelle indicate in tabella. Ad esempio, NBase produce switch con porte Gigabit Ethernet che forniscono trasmissione su distanze fino a 40 km su fibra monomodale senza ritrasmissioni (vengono utilizzati laser DFB a spettro ristretto che operano a una lunghezza d'onda di 1550 nm).
Interfaccia 1000Base-T
1000Base-T lo è interfaccia standard Trasmissione Gigabit Ethernet su UTP categoria 5e e superiore su distanze fino a 100 metri. Per la trasmissione vengono utilizzate tutte e quattro le coppie di cavi in rame, la velocità di trasmissione per una coppia è di 250 Mbit/s.
Sottolivello MAC
Il sottolivello MAC Gigabit Ethernet utilizza lo stesso metodo di accesso multimediale CSMA/CD dei suoi predecessori Ethernet e Fast Ethernet. Le principali restrizioni sulla lunghezza massima di un segmento (o dominio di collisione) sono determinate da questo protocollo.
Uno dei problemi legati all'implementazione della velocità di 1 Gbit/s è stato quello di garantire un diametro di rete accettabile durante il lavoro semi-duplex modalità di funzionamento. Come sapete, la dimensione minima del frame nelle reti Ethernet e Fast Ethernet è di 64 byte. Con una velocità di trasmissione di 1 Gbps e una dimensione del frame di 64 byte, un rilevamento affidabile delle collisioni richiede che la distanza tra i due computer più distanti non superi i 25 metri. Ricordiamo che il rilevamento delle collisioni con successo è possibile se il tempo di trasmissione del frame di lunghezza minima è maggiore del doppio del tempo di propagazione del segnale tra i due nodi più distanti nella rete. Per poter garantire un diametro massimo della rete di 200 m (due cavi da 100 m e uno switch), la lunghezza minima del frame nello standard Gigabit Ethernet è stata aumentata a 512 byte. Per aumentare la lunghezza del frame al valore richiesto, l'adattatore di rete completa il campo dati con la cosiddetta estensione (carrier extension) fino a una lunghezza di 448 byte. Il campo estensione è un campo pieno di caratteri non validi che non possono essere confusi con codici dati. In questo caso il campo checksum viene calcolato solo per il frame originale e non si applica al campo estensione. Quando viene ricevuto un frame, il campo estensione viene scartato. Pertanto, il livello LLC non è nemmeno a conoscenza della presenza del campo di estensione. Se la dimensione del frame è uguale o maggiore di 512 byte, non è presente alcun campo di estensione multimediale.
Cornice Gigabit Ethernet con campo di estensione multimediale
Lo scopo principale della tecnologia Wifi(Wireless Fidelity - "precisione wireless") - estensione wireless Reti Ethernet. Viene utilizzato anche laddove non è auspicabile o impossibile utilizzare reti cablate, vedere l'inizio della sezione "LAN wireless" . Ad esempio, per trasferire informazioni dalle parti mobili dei meccanismi; se è impossibile forare i muri; in un grande magazzino dove il computer deve essere portato in giro.
WiFi progettato consorzio Il Wi-Fi si basa sulla serie di standard IEEE 802.11 (1997) [ANSI] e fornisce velocità di trasferimento da 1...2 a 54 Mbps. Il consorzio Wi-Fi sviluppa specifiche applicative per dare vita allo standard Wi-Fi, esegue test e certificazione di prodotti di terze parti per la conformità allo standard, organizza mostre e fornisce le informazioni necessarie agli sviluppatori di apparecchiature Wi-Fi.
Nonostante lo standard IEEE 802.11 sia stato ratificato nel 1997, le reti Wi-Fi si sono diffuse solo negli ultimi anni, quando i prezzi per le apparecchiature di rete seriale sono diminuiti notevolmente. Nell'automazione industriale dei numerosi standard della serie 802.11 ne vengono utilizzati solo due: 802.11b con una velocità di trasmissione fino a 11 Mbit/s e 802.11g (fino a 54 Mbit/s).
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La trasmissione del segnale sul canale radio viene eseguita con due metodi: FHSS e DSSS (vedere la sezione ). Questo utilizza la modulazione di fase differenziale DBPSK e DQPSK (vedere " Metodi di modulazione vettore") utilizzando codici Barker, codici complementari ( CCK- Complementary Code Keying) e tecnologie doppia codifica convoluzionale (PBCC) [Roshan]. Wi-Fi 802.11g a 1 e 2 Mbps utilizza la modulazione DBPSK. A 2 Mbps si utilizza lo stesso metodo di 1 Mbps, ma per la modulazione della fase della portante vengono utilizzati 4 diversi valori di fase (0, ) per aumentare la capacità del canale. Il protocollo 802.11b utilizza velocità di trasmissione aggiuntive di 5,5 e 11 Mbit/s. A queste velocità in bit vengono utilizzati codici complementari invece dei codici Barker ( CCK). Il Wi-Fi utilizza il metodo di accesso alla rete CSMA/CA (vedere la sezione "Problemi e soluzioni wireless"), che utilizza i seguenti principi per ridurre la probabilità di collisioni:
Prevenzione, piuttosto che il rilevamento delle collisioni, è fondamentale nelle reti wireless, perché in esse, a differenza delle reti cablate, il trasmettitore del ricetrasmettitore attutisce il segnale ricevuto. Il formato del frame a livello PLCP del modello OSI (Tabella 2.17) in modalità FHSS è mostrato in Fig. 2.44. È composto dai seguenti campi:
Il formato del frame a livello PLCP del modello OSI (Tabella 2.17) in modalità DSSS è mostrato in Fig. 2.45. I campi al suo interno hanno il seguente significato:
La portata della comunicazione Wi-Fi dipende fortemente dalle condizioni di propagazione onde elettromagnetiche, tipo di antenna e potenza del trasmettitore. I valori tipici indicati dai produttori di apparecchiature Wi-Fi sono 100-200 m in interni e fino a diversi chilometri in aree aperte utilizzando un'antenna esterna e con una potenza di trasmissione di 50...100 mW. Allo stesso tempo, secondo il settimanale tedesco "Computerwoche", durante la competizione nel raggio di comunicazione, la comunicazione è stata registrata a una distanza di 89 km utilizzando l'attrezzatura standard Norma Wi-Fi IEEE 802.11b (2,4 GHz) e parabole satellitari ("parabole"). Il Guinness dei primati ha registrato anche una connessione Wi-Fi a una distanza di 310 km utilizzando antenne sollevate a grande altezza con l'aiuto di palloncini. Architettura della rete Wi-FiLo standard IEEE 802.11 stabilisce tre opzioni di topologia di rete:
Utilizzando BSS le stazioni comunicano tra loro attraverso un nodo di comunicazione centrale comune chiamato punto di accesso. Punto di accesso solitamente collegato a una LAN Ethernet cablata. Combinando più elementi si ottiene un'area di servizio estesa BSS V sistema unico attraverso un sistema di distribuzione, che può essere una rete Ethernet cablata. 2.11.5. Confronto di reti wirelessNella tabella. 2.18 riassume i principali parametri dei tre considerati tecnologie senza fili. La tabella non contiene dati su WiMAX, EDGE, UWB e molti altri standard non ampiamente utilizzati nell'automazione industriale.
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IEEE 802.1Q- uno standard aperto che descrive la procedura di tagging del traffico per la trasmissione di informazioni sull'appartenenza a una VLAN.
Poiché 802.1Q non modifica le intestazioni dei frame, i dispositivi di rete che non supportano questo standard possono trasmettere il traffico indipendentemente dall'appartenenza alla VLAN.
802.1Q si posiziona all'interno di un frame etichetta, che trasmette informazioni sul traffico appartenente alla VLAN "y.
| ⊲━━ Informazioni sul controllo dei tag (TCI) ━━⊳ | ||||
| TPID | priorità | CFI | VID | |
| 16 | 3 | 1 | 12 | bit |
La dimensione del tag è di 4 byte. È composto dai seguenti campi:
- Identificatore di protocollo tag (TPID)- Identificatore del protocollo di tagging. La dimensione del campo è di 16 bit. Specifica quale protocollo viene utilizzato per il tagging. Per 802.1q, il valore è 0x8100.
- Informazioni sul controllo dei tag (TCI)- un campo che incapsula i campi di priorità, formato canonico e identificatore VLAN:
- priorità- una priorità. La dimensione del campo è di 3 bit. Utilizzato dallo standard IEEE 802.1p per dare priorità al traffico trasmesso.
- Indicatore del formato canonico (CFI)- Indicatore del formato canonico. La dimensione del campo è 1 bit. Indica il formato dell'indirizzo MAC. 0 - canonico (frame Ethernet), 1 - non canonico (frame Token Ring, FDDI).
- Identificatore VLAN (VID)- Identificatore VLAN "a. La dimensione del campo è 12 bit. Indica a quale VLAN" appartiene il frame. L'intervallo dei possibili valori VID va da 0 a 4094.
Quando si utilizza lo standard Ethernet II, 802.1Q inserisce un tag prima del campo Tipo di protocollo. Poiché il frame è cambiato, il checksum viene ricalcolato.
Nello standard 802.1Q esiste il concetto di VLAN nativa. Il valore predefinito è VLAN 1. Il traffico su questa VLAN non è contrassegnato.
Esiste un protocollo proprietario 802.1Q simile sviluppato da Cisco Systems - ISL.
| VLAN - Rete locale virtuale | |
|---|---|
| Standard, protocolli e concetti base | 802.1Q. ID VLAN. ISL. VTP. GVRP. VLAN nativa |
| Sui sistemi operativi | Linux (Debian, Ubuntu, CentOS). FreeBSD. finestre |
| nelle apparecchiature di rete | |
- flessibilità e comodità nella configurazione e nella modifica: puoi creare le combinazioni necessarie di VLAN sia all'interno di un singolo switch che nell'intera rete costruita su switch che supportano lo standard IEEE 802.1Q. La funzionalità di tagging consente di propagare le informazioni VLAN su più switch conformi a 802.1Q su un singolo collegamento fisico ( canale trunk, collegamento trunk);
- permette di attivare l'algoritmo spanning tree (Spanning Tree) su tutte le porte e di lavorare in modalità normale. Il protocollo Spanning Tree è molto utile per l'uso in reti di grandi dimensioni costruite su diversi switch e consente agli switch di determinare automaticamente la configurazione ad albero dei collegamenti nella rete quando le porte sono collegate in modo casuale tra loro. Per operazione normale interruttore richiesto n percorsi chiusi in linea. Questi percorsi possono essere creati dall'amministratore appositamente per creare collegamenti ridondanti, oppure possono verificarsi in modo casuale, il che è del tutto possibile se la rete ha più collegamenti e il sistema di cablaggio è scarsamente strutturato o documentato. Utilizzando il protocollo Spanning Tree, gli switch bloccano i percorsi ridondanti dopo aver costruito un diagramma di rete. In questo modo si evitano automaticamente loop nella rete;
- la capacità delle VLAN IEEE 802.1Q di aggiungere ed estrarre tag dalle intestazioni dei frame consente l'utilizzo di switch e dispositivi di rete nella rete che non supportano lo standard IEEE 802.1Q;
- i dispositivi di diversi produttori che supportano lo standard possono funzionare insieme, indipendentemente da qualsiasi soluzione proprietaria;
- a cui collegare le sottoreti livello di rete, è necessario un router o uno switch L3. Tuttavia nei casi più semplici, ad esempio per organizzare l'accesso al server da diverse VLAN, non è necessario un router. La porta dello switch a cui è connesso il server deve essere inclusa in tutte le sottoreti e l'adattatore di rete del server deve supportare lo standard IEEE 802.1Q.
Riso. 6.5.
Alcune definizioni di IEEE 802.1Q
- Etichettatura- il processo di aggiunta delle informazioni sull'appartenenza alla VLAN 802.1Q all'intestazione del frame.
- Deselezionare- il processo di estrazione delle informazioni sull'appartenenza alla VLAN 802.1Q dall'intestazione del frame.
- ID VLAN (VID)- Identificatore VLAN.
- ID VLAN porta (PVID)- Identificatore della porta VLAN.
- Porta di ingresso- porta dello switch su cui vengono ricevuti i frame e allo stesso tempo viene presa la decisione sull'appartenenza alla VLAN.
- Porto di uscita- porta dello switch da cui i frame vengono trasmessi ad altri dispositivi di rete, switch o workstation e, di conseguenza, su di essa dovrebbe essere presa la decisione sulla marcatura.
Qualsiasi porta dello switch può essere configurata come taggato(etichettato) o come senza tag(non contrassegnato). Funzione senza tag ti permette di lavorare con dispositivi di rete reti virtuali che non comprendono i tag nell'intestazione del frame Ethernet. Funzione etichettatura consente di configurare VLAN tra più switch che supportano lo standard IEEE 802.1Q.
Riso. 6.6.
Etichetta VLAN IEEE 802.1Q
Lo standard IEEE 802.1Q definisce le modifiche alla struttura del frame Ethernet per consentire la trasmissione delle informazioni VLAN sulla rete. Nella fig. 6.7 mostra il formato dei tag 802.1Q
