Коммутируемые локальные сети

Коммутируемая локальная сеть соединяет хосты в ограниченной области через коммутаторы канального уровня, которые пересылают кадры на основе MAC-адресов, автоматически изучая топологию сети и сегментируя ее на отдельные домены коллизий.

Definition

Коммутируемая локальная сеть — это локальная сеть, в которой коммутаторы канального уровня соединяют хосты и выборочно пересылают кадры на основе MAC-адресов назначения, автоматически изучая, какие адреса доступны через какие порты.

Scope

Эта тема охватывает работу коммутируемых локальных сетей: адресацию канального уровня (MAC), протокол разрешения адресов, который сопоставляет IP-адреса с MAC-адресами на локальном канале, как обучающиеся коммутаторы строят таблицы пересылки, наблюдая за кадрами, как они сегментируют домены коллизий, сохраняя при этом единый широковещательный домен, и виртуальные локальные сети (VLAN), которые разделяют физический коммутатор на логические сети. Она исключает специфический формат кадра Ethernet и коммутационное оборудование, рассматриваемые в отдельной теме по Ethernet, а также межсетевую маршрутизацию сетевого уровня.

Core questions

• Как структурированы MAC-адреса (канального уровня) и чем они отличаются от IP-адресов?
• Как протокол разрешения адресов сопоставляет IP-адрес с MAC-адресом на локальном канале?
• Как коммутатор узнает местоположение хостов и строит свою таблицу пересылки?
• Как коммутаторы сегментируют домены коллизий, сохраняя при этом единый широковещательный домен?
• Что такое виртуальные локальные сети (VLAN) и зачем они используются?

Key concepts

• MAC-адреса (канального уровня)
• Протокол разрешения адресов (ARP)
• коммутаторы канального уровня
• таблицы пересылки коммутатора
• самообучение
• домены коллизий и широковещательные домены
• виртуальные локальные сети (VLAN)
• протокол связующего дерева

Key theories

Самообучающаяся, прозрачная коммутация

Коммутатор Ethernet записывает исходный MAC-адрес и входящий порт каждого кадра, создавая таблицу пересылки, которая позволяет ему отправлять последующие кадры только через порт к месту назначения; это обучение является автоматическим и прозрачным для хостов.

Разрешение адресов

Поскольку хосты знают IP-адреса друг друга, но для доставки на канальном уровне требуются MAC-адреса, протокол разрешения адресов широковещательно рассылает запрос на MAC-адрес, соответствующий локальному IP-адресу, и кэширует ответ, связывая сетевой и канальный уровни.

Сегментация доменов коллизий и VLAN

Коммутаторы ограничивают коллизии отдельными каналами и могут быть логически разделены на виртуальные локальные сети, изолируя широковещательный трафик и группируя хосты независимо от физической проводки для обеспечения безопасности и управляемости.

Clinical relevance

Коммутируемые локальные сети являются повседневным строительным блоком корпоративных сетей, сетей кампусов и центров обработки данных. Самообучающиеся коммутаторы делают возможным локальное сетевое взаимодействие по принципу «включи и работай», VLAN позволяют одной физической инфраструктуре обслуживать множество логических сетей для изоляции и безопасности, а понимание ARP и широковещательных доменов необходимо для диагностики проблем с подключением, широковещательных штормов и конфликтов адресов.

History

Ранние локальные сети использовали общие среды, где все хосты разделяли один домен коллизий. Прозрачные мосты и протокол связующего дерева (spanning tree protocol) Радии Перлман для предотвращения петель между ними позволили безопасно объединять несколько сегментов. Протокол разрешения адресов (RFC 826, 1982) связал IP-адресацию с адресацией Ethernet. Мосты эволюционировали в коммутаторы с высокой плотностью портов, превратив локальные сети в полностью коммутируемые, полнодуплексные сети с поддержкой VLAN.

Key figures

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

Seminal works

• kurose2021
• rfc826

Frequently asked questions

Как коммутатор узнает, куда отправить кадр?

Коммутатор обучается, наблюдая за трафиком: когда приходит кадр, он записывает исходный MAC-адрес и порт, через который он пришел. Со временем он строит таблицу, сопоставляющую адреса с портами, чтобы он мог пересылать кадр только через порт к месту назначения, отправляя его на все порты только тогда, когда место назначения еще неизвестно.

Что такое VLAN?

Виртуальная локальная сеть разделяет физический коммутатор (или набор коммутаторов) на несколько логических широковещательных доменов. Хосты в разных VLAN ведут себя так, как если бы они находились на отдельных коммутаторах, что повышает безопасность и изоляцию и позволяет администраторам группировать устройства логически, а не по месту их физического подключения.