🔀 Ethernet, MAC adresy a VLAN

Přepínač jako vrátný

O čem to je

Představ si vrátného v paneláku. Ze začátku neví, kdo kde bydlí. Když mu ale někdo z bytu 12 podá dopis, zapamatuje si: „Novák bydlí ve dvanáctce.“ Příště dopis pro Nováka nese rovnou tam a nemusí obcházet celý dům.

Přesně takhle funguje přepínač (switch) v počítačové síti. Pochopíš díky tomu, proč jsou dnešní sítě rychlé a jak se jedna fyzická síť dá rozdělit na víc oddělených sítí (VLAN).

Nové pojmy

EthernetNejrozšířenější technologie kabelových místních sítí (norma IEEE 802.3). Určuje, jak vypadají data v kabelu a jak se adresují.Síťová zásuvka v počítači je ethernetový port.
RámecBalíček dat, který posílá Ethernet. Obsahuje adresu příjemce, adresu odesílatele, typ obsahu, samotná data a kontrolní součet.
MAC adresaFyzická adresa síťové karty. Má 48 bitů, zapisuje se jako 6 dvojic šestnáctkových číslic. První 3 bajty určují výrobce.3C:52:82:1A:2B:3C (Linux) nebo 3C-52-82-1A-2B-3C (Windows)
Šestnáctková soustavaZápis čísel číslicemi 0–9 a písmeny A–F (A = 10 … F = 15). Jedna dvojice znaků je 1 bajt (0–255).FF = 255, 1A = 26
PortTady: fyzická zásuvka přepínače, do které vede kabel.Přepínač s 24 porty.

Jak přepínač učí a posílá

Tabulka MAC adresSeznam v přepínači: která MAC adresa je za kterým portem. Záznamy po čase bez provozu mizí.3C:52:82:1A:2B:3C → port 5
Na port přijde rámec.
Přepínač se podívá na zdrojovou MAC a zapíše si: tato adresa je za tímhle portem (učení).
Podívá se na cílovou MAC a hledá ji v tabulce.
Najde ji → pošle rámec jen na ten jeden port.
Nenajde ji, nebo je to všesměrová adresa FF:FF:FF:FF:FF:FF → pošle rámec na všechny porty kromě toho, odkud přišel (zaplavení).
Tabulka je prázdná. Počítač A (port 1) pošle rámec počítači B (port 3). Co udělá přepínač?
Zapíše si: A → port 1. Adresu B v tabulce nemá, proto rámec zaplaví na porty 2, 3, 4… B odpoví a přepínač si zapíše B → port 3. Další rámce mezi A a B už jdou jen mezi porty 1 a 3.
Jak se liší přepínač od starého rozbočovače (hubu)?
Hub nezná adresy. Každý signál zopakuje na všechny porty, takže si všichni překážejí (kolize). Přepínač posílá rámec jen správnému portu. Každý port má tak plnou rychlost a může vysílat i přijímat zároveň (plný duplex).

ARP: jak se zjistí MAC adresa

ARPProtokol, který k známé IP adrese v místní síti zjistí MAC adresu. Počítač zakřičí všem: „Kdo má IP 192.168.1.20?“ a vlastník odpoví svou MAC. Odpověď si počítač uloží do ARP tabulky (příkaz arp -a).

VLAN: víc sítí v jednom přepínači

VLANVirtuální LAN. Přepínač rozdělí své porty do skupin. Každá skupina se chová jako samostatná síť, i když leží v jednom přepínači.Porty 1–12 = VLAN 10 učitelé, porty 13–24 = VLAN 20 žáci.
Všesměrové vysílání (broadcast)Rámec určený všem v síti, na adresu FF:FF:FF:FF:FF:FF. VLAN určuje, kam až broadcast dojde.

Proč VLAN: oddělíš skupiny kvůli bezpečnosti (žáci nevidí na učitelské počítače), omezíš zbytečný broadcast a nemusíš kupovat víc přepínačů. Mezi VLAN mohou data projít jen přes router nebo L3 přepínač, kde se dá nastavit, co je povolené.

✗Když dám učitele a žáky do různých VLAN, ale do stejného přepínače, broadcast žáků stejně dojde k učitelům.
✓Broadcast zůstane jen ve své VLAN.

Každá VLAN je samostatná broadcastová doména. Přepínač pošle rámec jen na porty stejné VLAN.

Ethernet posílá rámce adresované MAC adresami (48 bitů). Přepínač se učí ze zdrojových MAC, posílá podle cílových a neznámé zaplaví. VLAN rozdělí jeden přepínač na oddělené sítě; mezi nimi jde provoz jen přes router.

Rámec pod lupou

O čem to je

Správce sítě ve firmě dostane úkol: „Účetní nesmí sdílet síť s hosty na Wi-Fi.“ Nekoupí nový kabel ani nový přepínač. Nastaví VLAN. Aby to uměl, musí rozumět tomu, jak vypadá ethernetový rámec a jak se do něj přidá značka VLAN.

Nové pojmy

EthernetTechnologie kabelové LAN podle normy IEEE 802.3.
Bajt (B)8 bitů. Velikosti částí rámce se udávají v bajtech.
MAC adresa48bitová (6bajtová) adresa síťové karty. Prvních 24 bitů je OUI (kód výrobce), zbytek je pořadové číslo karty.V adrese 00:1B:63:84:45:E6 je OUI 00:1B:63.
RámecJednotka dat na linkové (2.) vrstvě.
Kontrolní součet (FCS)Číslo spočítané z obsahu rámce (metodou CRC). Příjemce ho spočítá znovu. Když nesedí, rámec je poškozený a zahodí se.

Stavba ethernetového rámce

ČástVelikostK čemu je
preambule + začátek rámce7 + 1 Bsynchronizace, „teď začíná rámec“
cílová MAC6 Bkomu
zdrojová MAC6 Bod koho
typ (EtherType)2 Bco je uvnitř, např. IPv4 nebo IPv6
data46–1500 Bobsah, typicky IP paket
FCS4 Bkontrola chyb

Největší obsah 1500 B se nazývá MTU (Maximum Transmission Unit). Větší data se musí rozdělit.

Druhy adres

  • unicast – adresa jedné karty,
  • broadcast – FF:FF:FF:FF:FF:FF, všem v síti,
  • multicast – skupině přijímačů.

Přepínač

Přepínač (switch)Zařízení 2. vrstvy. Vede si tabulku MAC adres (MAC → port) a rámce posílá jen na port, kde je cíl.
Kolizní doménaČást sítě, kde se dva vysílající mohou srazit. U hubu je to celá síť, u přepínače každý port zvlášť.
Broadcastová doménaČást sítě, kam dojde broadcast. Přepínač ji nerozděluje, rozděluje ji router a VLAN.

VLAN a značkování 802.1Q

VLAN IDČíslo VLAN. Má 12 bitů, použitelná čísla jsou 1–4094 (0 a 4095 jsou vyhrazené).VLAN 10, VLAN 20
Access portPort pro koncové zařízení. Patří do jedné VLAN a rámce posílá bez značky. Počítač o VLAN vůbec neví.
Trunk portPort mezi přepínači (nebo k routeru), kterým jde víc VLAN najednou. Každý rámec dostane značku 802.1Q (4 B) s číslem VLAN.

Doplň, co platí.

Přepínač má tabulku: AA → port 1, BB → port 2, CC → port 7. Přijde rámec s cílem DD na port 2. Kam ho pošle?
DD v tabulce není → přepínač rámec zaplaví na všechny porty kromě 2 (v téže VLAN). Zároveň si ze zdrojové adresy zapíše, kdo sedí na portu 2.
Kolik různých VLAN ID je možné zapsat do 12 bitů a kolik jich je použitelných?
12 bitů = 2¹² = 4096 hodnot (0–4095). 0 a 4095 jsou vyhrazené, použitelných je 4094 (1–4094).
✗Trunk port přenáší jen jednu VLAN a access port všechny.
✓Access = jedna VLAN, bez značky. Trunk = víc VLAN, rámce značené 802.1Q.

Trunk je „kmen“, kterým mezi přepínači proudí provoz všech VLAN. Proto potřebuje značky, aby druhý přepínač poznal, kam rámec patří.

Rámec: cílová a zdrojová MAC, typ, data 46–1500 B, FCS. MAC má 48 bitů, prvních 24 je OUI výrobce. Přepínač dělí kolizní domény, broadcastové dělí router a VLAN. Access port = jedna VLAN, trunk = víc VLAN se značkou 802.1Q.