Linková vrstva

Linková vrstva MAC, ETHERNET (MAC adresa, rámec); Přepínač (popis a fungování, přepínání, přepínací tabulka, VLAN)

Účel linkové vrstvy

  • poskytuje spojení mezi dvěma sousedními systémy
  • uspořádává data z fyzické vrstvy do logických celků – rámců
  • hlídá integritu (bezchybnost) dat pomocí kontrolních součtů

MAC adresa

Jednoznačně určuje zařízení v lokálním měřítku (v konkrétní Ethernetové síti). Adresa je přiřazena zařízení při jeho výrobě (spousta dnešních systémů ji však umí měnit).

Struktura MAC adresy

MAC adresa se skládá z 12 čísel v hexadecimální soustavě. Je rozdělena do 6 oktetů. Každý oktet obsahuje 8 bitů.

První 3 oktety se používají jako unikátní identifikátor výrobce. Jsou přiřazeny každé organizaci nebo prodejci. Toto přiřazení dělá Výbor registrační autority IEEE. Příklady:

  • CC:46:D6 - Cisco
  • 3C:5A:B4 - Google, Inc.
  • 3C:D9:2B - Hewlett Packard
  • 00:9A:CD - HUAWEI TECHNOLOGIES CO.,LTD

Zbylé 3 oktety jsou využívány výrobci NIC (Network Interface Controller - síťová karta). Výrobci zde mohou použít jakoukoliv kombinaci znaků, ale prefix (první 3 oktety) by měly vždy zůstat takové, jaké bylo přiřazení od IEEE.

Struktura MAC adresy
obr. 1: Struktura MAC adresy
Dostupné z: https://www.javatpoint.com/what-is-mac-address

Rámec

Jedná se o základní stavební blok síťové komunikace v rámci určité LAN. Pokud zařízení A komunikuje se zařízením B, tak je tato komunikace vedena v podobě toho, že si mezi s sebou posílají pakety, jež jsou součástí rámců (rámec je obsahuje ve své datové části).

Rámec obsahuje jak MAC adresu zdrojového zařízení, tak adresu cílového zařízení. Dále obsahuje IP adresy zdrojového i cílového zařízení. Součástí rámce jsou i samotná data, jež chceme přenést. Části rámce, jež obsahuje IP adresu cílového/zdrojového zařízení a data, říkáme packet.

Na základě toho, jakým standardem IEEE 802.xx (xx je číslo označující verzi standartu) je rámec daný, může být jeho struktura mnohem složitější. Základ však zůstává stejný.

Pro kontrolu toho, zdali dorazil rámec v pořádku slouží kontrolní součet jež je obsažený v samotném rámci. Opětovné přepočítání kontrolního součtu musí souhlasit s tím, který je v rámci uvedený.

Struktura MAC rámce
obr. 2: Struktura MAC rámce
Dostupné z: https://www.javatpoint.com/what-is-mac-address

Přepínač (Switch)

Účelem přepínače je nasměrovat data do zařízení, kterému jsou určena na základě MAC adresy. Zařízení, jež jsou připojená k přepínači skrze jeho porty, tvoří síť.

Když přepínač příjme rámec, uloží zdrojovou MAC adresu (MAC adresa toho, kdo rámec poslal) do tabulky, zvané CAM (Content Addressable Memory; bývá také nazývána MAC tabulka) tabulka. Do této tabulky si také přepínač poznamená, k jakému portu se tato adresa váže.

CAM tabulka
obr. 3: CAM tabulka

Poté se přepínač podívá do této tabulky a najde si cílovou MAC adresu. Přepínač tedy ví, na jaký port má rámec přeposlat.

Ale co když cílová adresa v tabulce není? Přepínač pak pošle rámec na všechny své porty.

Proces přeposlání rámce
obr. 4: Proces přeposlání rámce

Tím, že přepínač zašle rámec na všechny porty docílí toho, že rámec přijme zařízení, kterému je určeno. Toto zařízení bude pravděpodobně chtít odpovědět a jakmile do přepínače dorazí rámec od tohoto zařízení, tak si přepínač MAC adresu toho zařízení společně s portem poznamená.

VLAN

VLAN, nebo také virtuální LAN slouží k logickému rozdělení sítě nezávisle na fyzickém uspořádání. Můžeme tedy naši síť segmentovat na menší sítě uvnitř fyzické struktury původní sítě.

Pomocí VLAN můžeme dosáhnout stejného efektu, jako když máme skupinu zařízení připojených do jednoho přepínače a druhou skupinu do jiného přepínače. Jsou to dvě nezávislé sítě, které spolu nemohou komunikovat (jsou fyzicky odděleny). Pomocí VLAN můžeme takovéto dvě sítě vytvořit na jednom přepínači.

Důvody zavedení VLAN

  • seskupování uživatelů v síti podle skupin či oddělení nebo podle služeb místo podle fyzického umístění a oddělení komunikace mezi těmito skupinami
  • snížení broadcastů v síti
  • zjednodušená správa - k přesunu zařízení do jiné sítě stačí překonfigurovat zařazení do VLANy, tedy správce konfiguruje SW (zařazení do VLAN) a ne HW (fyzické přepojení)
  • zvýšení zabezpečení - oddělení komunikace do speciální VLANy, kam není jiný přístup. Toho se dá samozřejmě dosáhnout použitím samostatných přepínačů, ale s využitím virtuálních LAN nám k tomu může postačit jen jeden

Komunikace mezi VLAN

Konkrétní VLAN se aplikuje na jednotlivé porty. Pro každou VLAN, která je nakonfigurována na přepínači je separátní CAM tabulka.

MAC tabulka pro určitou VLAN
obr. 5: MAC tabulka pro určitou VLAN
Dostupné z: https://lemp.io/a-switch-with-multiple-vlans-will-have-multiple-cam-tables/

Zařízení, která jsou v té samé VLAN tedy mohou komunikovat spolu. Avšak, zařízení, kde je každé v jiné VLAN, se nevidí. Pokud chtějí tyto zřízení komunikovat spolu, musí být tato možnost nakonfigurována na routeru, nebo přepínači, jež se nacházejí na síťové vrstvě. Říká se tomu routing mezi VLAN (Síťová vrstva).

Problém nastává, pokud máme propojené 2 přepínače a tyto přepínače mají k sobě připojená zařízení, jež jsou v těch samých VLAN. Dvě zařízení se mohou nacházet ve stejné VLAN, ale každé zařízení může být připojené k jinému přepínači. Toto řeší tzv. trunk port. Jedná se o port, ke kterému může být přiřazeno více VLAN.

Příklad sítě s využitím VLAN
obr. 6: Příklad sítě s využitím VLAN
Dostupné z: https://www.samuraj-cz.com/clanek/vlan-virtual-local-area-network/

Pro komunikaci mezi přepínači s využitím VLAN se využívá tzv. tagování rámců. Pokud posíláme rámec, chceme vědět, do jaké VLAN tento rámec spadá (chceme to vědět i na druhém přepínači, kterému tento rámec skrze trunk přijde).

Tomuto procesu se říká IEEE 802.1q tagging, který je umožněný protokolem IEEE 802.1q. Pokud je komunikace vedena skrze trunk port, tak je rámec upraven tak, že je mu přidána informace o tom, do jaké VLAN patří. Nakonec se přepočítá kontrolní součet.

Struktura rámce při přenosu skrze trunk port
obr. 7: Struktura rámce při přenosu skrze trunk port
Dostupné z: https://www.samuraj-cz.com/clanek/vlan-virtual-local-area-network/

Cisco ještě před existencí standardu IEEE 802.1q vytvořilo vlastní standard, kdy se celý rámec zabalí do nového.

Zdroje