PJI11103: Interligação de LANs
- Capítulo 16 do livro "Comunicação de Dados e Redes de Computadores, 4a ed.", de Behrouz Forouzan.
- Capítulo 5 do livro "Redes de Computadores e a Internet, 5a ed.", de James Kurose.
- Capítulo 4 do livro "Redes de Computadores, 4a ed.", de Andrew Tanenbaum.
Nas aulas sobre introdução a redes locais (LAN), foi visto que um elemento essencial para criar uma LAN é o switch. Esse equipamento serve para interligar os demais dispostivos que usam a rede, tais como computadores, servidores e roteadores. Toda a organização de uma LAN, que diz respeito ao desenho da rede (sua topologia) e controles sobre as comunicações dos dispositivos no escopo da LAN, são feitos nos switches por meio de algumas tecnologias para interligação de redes locais.
Interligação de LANs (norma IEEE802.1D)
As LANs podem ser interligadas utilizando ativos de redes como: hubs, switches e roteadores. Porém nesta seção trataremos dos switches, que são equipamentos que funcionam em conformidade com o padrão IEEE 802.1D. Os switches são peças essenciais na infraestrutura de uma LAN, ...
Nos dias atuais, não é mais usual utilizar bridges para dividir a rede em segmentos pois os switches já desempenham essa função. Os switches criam segmentos individuais para cada host, o que elimina o problema das colisões, além de possibilitar segmentar uma rede. Um switch possui várias portas, cada qual podendo se conectar a um computador ou a uma outra LAN. A função do switch é repassar os quadros entre os computadores que estão conectados a ele, utilizando o endereço MAC de destino existente em cada quadro para determinar por qual porta retransmiti-lo.
Um switch aprende dinamicamente os endereços MAC acessíveis em cada porta usando a técnica bridge learning. Para saber quais os endereços MAC conectados a cada porta, um switch registra em uma tabela o endereço MAC de origem de um quadro recebido por uma porta. Essa tabela de endereços MAC associa cada endereço aprendido à porta por onde o respectivo quadro foi recebido. Por exemplo, imagine 2 computadores, A e B, conectados a um mesmo switch porém em portas distintas como mostrado na Figura a seguir:
Se o computador A deseja se comunicar com B, A envia um pacote para B. Entretanto, o switch não saberá em um primeiro momento a qual porta o PC B esta conectado. Sendo assim, o switch registra em sua tabela que o computador A está conectado na porta 1 ...
... e envia o pacote de A para todas as portas.
Apenas o B aceita o quadro, pois o endereço MAC de destino nele contido corresponde a seu próprio endereço MAC. Supondo que B responda a mensagem de A (imagine que o quadro recebido por B contivesse uma mensagem ICMP echo request), o switch recebe esse quadro enviado por B, e então anota em sua tabela de endereços MAC o endereço MAC de origem desse quadro e a porta por onde foi recebido. Uma vez preenchida a tabela, o switch pode encaminhar os quadros diretamente para A e B, estabelecendo comunicação isolada entre os computadores de origem e destino. Por fim, os quadros de broadcast e multicast são sempre enviados por todas as portas do switch, a não ser que a rede seja explicitamente segmentada em VLANs (ver adiante).
Atividade
- Quais são as características dos switches do laboratório ?
- TP-Link SG-3210 (manual)
- Cisco Catalyst ??? (manual)
- Intelbras SG 2404 NB (especificações)
- Realizar estes experimentos.
Segmentação de LANs
A segmentação física é uma solução aparentemente simples e direta. Cada subrede deve ser composta de uma estrutura exclusiva, contendo seus switches e cabeamentos. No entanto, para adotar esse tipo de segmentação, algumas modificações precisarão ser feitas na infraestrutura de rede existente. Observe a estrutura física da rede do campus:
O que seria necessário fazer para implantar uma segmentação física ?
Segmentação com VLANs
Se a reestruturação pudesse ser efetuada com mínimas modificações na estrutura física (incluindo cabeamento), a implantação da nova rede seria mais rápida e menos custosa. Para isso ser possível, seria necessário que a infraestrutura de rede existente tivesse a capacidade de agrupar portas de switches, separando-as em segmentos lógicos. Quer dizer, deveria ser possível criar redes locais virtuais, como mostrado na seguinte figura:
No exemplo acima, três redes locais virtuais (VLAN) foram implantadas nos switches. Cada rede local virtual é composta por um certo número de computadores, que podem estar conectados a diferentes switches. Assim, uma rede local pode ter uma estrutura lógica diferente da estrutura física (a forma como seus computadores estão fisicamente interligados). Uma facilidade como essa funcionaria, de certa forma, como um patch panel virtual, que seria implementado diretamente nos switches.
Redes locais virtuais são técnicas para implantar duas ou mais redes locais
com topologias arbitrárias, usando como base uma infraestrutura de rede local física.
Isso é semelhante a máquinas virtuais, em que se criam computadores virtuais
sobre um computador real.
Padrão IEEE 802.1q
Os primeiros switches com suporte a VLANs as implementavam de forma legada (i.e. não seguiam um padrão da indústria). Isso impedia que houvesse interoperabilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes. Logo a IEEE formou um grupo de trabalho para propor mecanismos padronizados para implantar VLANs, dando origem ao padrão IEEE 802.1q. Os fabricantes de equipamentos de rede o adataram largamente, suplantando outras tecnologias legadas (ex: ISL e VTP da Cisco). Com isso, VLANs IEEE 802.1q podem ser criadas usando switches de fabricantes diferentes.
Atualmente, a implantação de VLANs depende de switches com suporte ao padrão IEEE 802.1q. Assim, verifique quais dos switches do laboratório possuem suporte a VLAN:
- D-Link DES-526 (manual)
- Micronet SP 1658B (manual)
- 3Com 3224 (especificações)
Uma VLAN é identificada por um número, chamado VID (VLAN Identifier), sendo que a VLAN com VID 1 é considerada a VLAN default (configuração de fábrica). Em um switch com suporte a VLAN IEEE 802.1q, cada porta possui um (ou mais ...) VID, o que define a que VLAN pertence. Assim, para criar uma VLAN, devem-se modificar os VID das portas de switches que dela farão parte. Por exemplo, em uma pequena rede com duas VLANs as portas dos switches podem estar configuradas da seguinte forma:
Além do VID, a configuração da porta de um switch deve especificar o modo de operação da VLAN:
- tagged (ou TRUNK): cada quadro transmitido ou recebido por essa porta deve conter o número da VLAN a que pertence. Esse modo é usado normalmente em portas que interligam switches.
- untagged (ou ACCESS): quadros que entram e saem pela porta não possuem informação sobre a VLAN a que pertencem. Usado normalmente para conectar computadores e servidores a switches.
Esses modos tagged e untagged implicam haver uma forma de um quadro Ethernet informar a que VLAN pertence. Isso é usado para restringir a propagação de quadros, fazendo com que sejam recebidos e transmitidos somente por portas de switches que fazem parte de suas VLANs.
O padrão IEEE 802.1q define, entre outras coisas, uma extensão ao quadro MAC para identificar a que VLAN este pertence. Essa extensão, denominada tag (etiqueta) e mostrada na figura abaixo, compõe-se de 4 bytes situados entre os campos de endereço de origem e Type. O identificador de VLAN (VID) ocupa 12 bits, o que possibilita portanto 4096 diferentes VLANs.
Quadro ethernet com a TAG IEEE 802.1q
A tag de VLAN, inserida em quadros Ethernet, está diretamente relacionada com os modos tagged e untagged de portas de switches. Portas em modo tagged transmitem e recebem quadros que possuem tag, e portas em modo untagged recebem e transmitem quadros que não possuem tag. Isso foi pensado para tornar a implantação de VLANs transparente para os usuários finais, pois seus computadores não precisarão saber que existem VLANs (i.e. não precisarão interpretar tags). Por isso equipamentos que não interpretam tags são denominados VLAN-unaware (desconhecem VLAN), e equipamentos que recebem e transmitem quadros com tag são referidos como VLAN-aware (conhecem VLAN).
Exemplo: simulador de switch com VLAN:
Esta animação possibilita simular a configuração de VLANs em um switch, e efetuar testes de transmissão. Experimente criar diferentes VLANs e observar o efeito em transmissões unicast e broadcast (clique na figura para acessar o simulador).
Atividade
Realize estes experimentos sobre segmentação de LANs e estes outros