Gemanagte lokale Netzwerke (Switched Local Area Networks)

Ein gemanagtes lokales Netzwerk verbindet Hosts innerhalb eines begrenzten Bereichs über Sicherungsschicht-Switches, die Frames basierend auf MAC-Adressen weiterleiten, die Netzwerktopologie automatisch lernen und sie in separate Kollisionsdomänen segmentieren.

Definition

Ein Switched Local Area Network ist ein lokales Netzwerk, in dem Sicherungsschicht-Switches Hosts miteinander verbinden und Frames selektiv basierend auf Ziel-MAC-Adressen weiterleiten, wobei sie automatisch lernen, welche Adressen über welche Ports erreichbar sind.

Scope

Dieses Thema behandelt den Betrieb von Switched LANs: die Adressierung der Sicherungsschicht (MAC), das Address Resolution Protocol, das IP-Adressen auf einer lokalen Verbindung MAC-Adressen zuordnet, wie lernende Switches Weiterleitungstabellen durch Beobachtung von Frames aufbauen, wie sie Kollisionsdomänen segmentieren, während sie eine einzige Broadcast-Domäne beibehalten, und virtuelle LANs (VLANs), die einen physischen Switch in logische Netzwerke unterteilen. Ausgenommen sind das spezifische Ethernet-Frame-Format und die Switching-Hardware, die im dedizierten Ethernet-Thema behandelt werden, sowie das netzwerkübergreifende Routing der Netzwerkschicht.

Core questions

• Wie sind Sicherungsschicht- (MAC-) Adressen strukturiert und wie unterscheiden sie sich von IP-Adressen?
• Wie ordnet das Address Resolution Protocol eine IP-Adresse einer MAC-Adresse auf einer lokalen Verbindung zu?
• Wie lernt ein Switch den Standort von Hosts und baut seine Weiterleitungstabelle auf?
• Wie segmentieren Switches Kollisionsdomänen, während sie eine einzige Broadcast-Domäne beibehalten?
• Was sind virtuelle LANs (VLANs) und warum werden sie verwendet?

Key concepts

• MAC- (Sicherungsschicht-) Adressen
• Address Resolution Protocol (ARP)
• Sicherungsschicht-Switches
• Switch-Weiterleitungstabellen
• Selbstlernen
• Kollisionsdomänen und Broadcast-Domänen
• virtuelle LANs (VLANs)
• Spanning Tree Protocol

Key theories

Selbstlernendes, transparentes Switching

Ein Ethernet-Switch zeichnet die Quell-MAC-Adresse und den eingehenden Port jedes Frames auf und erstellt eine Weiterleitungstabelle, die es ihm ermöglicht, nachfolgende Frames nur über den Port zum Ziel zu senden; dieses Lernen erfolgt automatisch und ist für Hosts transparent.

Adressauflösung

Da Hosts die IP-Adressen voneinander kennen, die Zustellung auf der Verbindungsebene jedoch MAC-Adressen erfordert, sendet das Address Resolution Protocol eine Broadcast-Anfrage nach der MAC-Adresse, die einer lokalen IP-Adresse entspricht, und speichert die Antwort im Cache, wodurch die Netzwerk- und Sicherungsschichten überbrückt werden.

Kollisionsdomänen-Segmentierung und VLANs

Switches begrenzen Kollisionen auf einzelne Verbindungen und können logisch in virtuelle LANs unterteilt werden, wodurch Broadcast-Verkehr isoliert und Hosts unabhängig von der physischen Verkabelung für Sicherheit und Verwaltbarkeit gruppiert werden.

Clinical relevance

Switched LANs sind der alltägliche Baustein von Unternehmens-, Campus- und Rechenzentrumsnetzwerken. Selbstlernende Switches ermöglichen Plug-and-Play-Netzwerke, VLANs ermöglichen es einer physischen Infrastruktur, viele logische Netzwerke zur Isolation und Sicherheit zu bedienen, und das Verständnis von ARP und Broadcast-Domänen ist essenziell für die Diagnose von Konnektivitätsproblemen, Broadcast-Stürmen und Adresskonflikten.

History

Frühe LANs verwendeten gemeinsame Medien, bei denen alle Hosts eine Kollisionsdomäne teilten. Transparente Bridges und Radia Perlmans Spanning Tree Protocol zur Vermeidung von Schleifen zwischen ihnen ermöglichten die sichere Verbindung mehrerer Segmente. Das Address Resolution Protocol (RFC 826, 1982) verknüpfte IP mit der Ethernet-Adressierung. Bridges entwickelten sich zu Switches mit hoher Portdichte und verwandelten LANs in vollständig geswitchte, Vollduplex-Netzwerke mit VLAN-Unterstützung.

Key figures

• Radia Perlman
• David C. Plummer
• Larry L. Peterson

Seminal works

• kurose2021
• rfc826

Frequently asked questions

Woher weiß ein Switch, wohin ein Frame gesendet werden soll?

Ein Switch lernt, indem er den Datenverkehr beobachtet: Wenn ein Frame ankommt, zeichnet er die Quell-MAC-Adresse und den Port auf, über den er empfangen wurde. Im Laufe der Zeit erstellt er eine Tabelle, die Adressen Ports zuordnet, sodass er einen Frame nur über den Port zum Ziel weiterleiten kann, wobei er nur dann an alle Ports sendet, wenn das Ziel noch unbekannt ist.

Was ist ein VLAN?

Ein virtuelles LAN unterteilt einen physischen Switch (oder eine Reihe von Switches) in mehrere logische Broadcast-Domänen. Hosts in verschiedenen VLANs verhalten sich so, als befänden sie sich auf separaten Switches, was die Sicherheit und Isolation verbessert und es Administratoren ermöglicht, Geräte logisch zu gruppieren, anstatt nach ihrem physischen Anschlussort.