2.2.1. Tổng quan về VLAN[2],[4],[5]
Mạng LAN là một mạng cục bộ (viết tắc của Local Area Network), được định nghĩa là tất cả các máy tính trong cùng một miền quảng bá (broadcast domain). Cần nhớ rằng các router (bộ định tuyến) chặn bản tin quảng bá, trong khi switch (bộ chuyển mạch) chỉ chuyển tiếp chúng.
Mạng LAN có nhiều quy mô và mức độ phức tạp khác nhau, nó có thể chỉ liên kết vài ba máy tính cá nhân và dùng chung một thiết bị ngoại vi đắt tiền như máy in lazer chẳng hạn. Các hệ thống phức tạp hơn thì có máy tính trung tâm (Máy chủ Server) cho phép những người dùng trao đổi thông tin với nhau và thâm nhập vào các cơ sở dữ liệu dùng chung.
Phạm vi ứng dụng của mạng LAN- Mạng LAN thường được sử dụng để kết nối các máy tính trong gia đình, trong một phòng Game, phòng NET, trong một toà nhà của Cơ quan, Trường học.- Cự ly của mạng LAN giới hạn trong phạm vi có bán kính khoảng 100m- Các máy tính có cự ly xa hơn thông thường người ta sử dụng mạng Internet để trao đổi thông tin.
Mô hình mạng không có VLAN là một mạng phẳng (flat network) vì nó hoạt động chuyển mạch ở Lớp 2. Một mạng phẳng là một niểm quảng bá (broadcast), mỗi gói quảng bá từ một host nào đó đều đến được các host còn lại trong mạng. Mỗi cổng trong switch là một miền đụng độ (collision), vì vậy người ta sử dụng switch để chia nhỏ miền collision, nhưng nó không ngăn được miền quảng bá.
Vấn đề băng thông: trong một số trường hợp một mạng Campus ở lớp 2 có thể mở thêm một số tòa nhà cao tầng nữa, hay một số người dùng tăng lên thì nhu cầu sử dụng băng thông cũng tăng, do đó khả năng thực thi của mạng cũng giảm.
30
Vấn đề bảo mật: mỗi người dùng nào cũng có thể thấy các người dùng khác trong cùng một mạng phẳng (flat network), do đó rất khó bảo mật.
Vấn đề về cân bằng tải: trong mạng phẳng ta không thể thực hiện truyền trên nhiều đường đi, vì lúc đó mạng dễ bị vòng lặp, tạo nên cơn bão quảng bá (broardcast storm) ảnh hưởng đến băng thông của đường truyền. Do đó không thể chia tải (còn gọi là cân bằng tải).
Để giải quyết vấn đề trên, ta đưa ra giải pháp VLAN. VLAN (Virtual Local Area Network) được định nghĩa là một nhóm logic các thiết bị mạng, và được thiết lập dựa trên các yếu tố như chức năng, bộ phận, ứng dụng…của công ty. Mỗi VLAN là một mạng con logic được tạo ra trên switch, còn gọi là đoạn hay miền quảng bá (broadcast).
VLAN (Virtual Local Area Network) được định nghĩa là một nhóm logic các thiết bị mạng, và được thiết lập dựa trên các yếu tố như chức năng, bộ phận, ứng dụng…của công ty. Mỗi VLAN là một mạng con logic được tạo ra trên switch, còn gọi là đoạn hay miền quảng bá (broadcast).
VLAN là một mạng LAN ảo. Về mặt kỹ thuật, VLAN là một miền quảng bá được tạo bởi các switch. Bình thường thì router đóng vai tạo ra miền quảng bá. Đối VLAN thì có thể tạo ra miền quảng bá.VLAN là một kỹ thuật kết hợp chuyển mạch lớp 2 và định tuyến lớp 3 để giới hạn miền đụng độ và miền quảng bá. VLAN còn được sử dụng để bảo mật giữa các nhóm VLAN theo chức năng mỗi nhóm.
VLAN với cách phân nguồn tài nguyên và user theo logic đã làm tăng hiệu quả hoạt động của toàn hệ thống mạng. Các công ty, tổ chức thường sử dụng VLAN để phân nhóm user theo logic mà không cần quan tâm đến vị trí vật lý của họ.
Với VLAN, mạng có khả năng phát triển, bảo mật và quản lý tốt hơn vì router trong cấu VLAN có thể ngăn gói quảng bá, bảo mật và quản lý dòng lưu lượng mạng.
VLAN là công cụ mạnh trong thiết kế cấu hình mạng.
Hình2.9: Mô hình mạng LAN ảo
31
2.2.1.1. Khái niệm về VLAN
VLAN là một nhóm các thiết bị mạng không giới hạn theo vị trí vật lý hoặc theo LAN switch mà chúng kết nối vào.
VLAN là một segment mạng theo logic dựa trên chức năng, đội nhóm, hoặc ứng dụng của một tổ chức chứ không phụ thuộc vào vị trí vật lý hay kết nối vật lý trong mạng. Tất cả các trạm và server được sử dụng bởi cùng một nhóm làm việc sẽ được đặt trong cùng VLAN bất kể vị trí hay kết nối vật lý của chúng.
Mọi công việc cấu hình VLAN hoặc thay đổi cấu hình VLAN điều được thực hiện trên phần mềm mà không cần thay đổi cáp và thiết bị vật lý.
Một máy trạm trong một VLAN chỉ được liên lạc với file server trong cùng VLAN với nó. VLAN được nhóm theo chức năng logic và mỗi VLAN là một miền quảng bá, do đó gói dữ liệu chỉ được chuyển mạch trong cùng một VLAN.
VLAN có khả năng mở rộng, bảo mật và quản lý mạng tốt hơn. Router trong cấu trúc VLAN thực hiện ngăn chặn quảng bá, bảo mật và quản lý nguồn giao thông mạng. Switch không thể chuyển mạch giao thông giữa các VLAN khác nhau. Giao thông giữa các VLAN phải được định tuyến qua router.
2.2.1.2. Miền quảng bá với VLAN và router
Một VLAN là một niềm quảng bá được tạo nên một hay nhiều switch.
Hình2.10: Miền quảng bá trên 3 switch khác nhau
Trong hình 2.9 cho thấy tạo 3 miền quảng bá riêng biệt trên ba switch như thế nào. Định tuyến Lớp 3 cho phép router chuyển gói giữa các miền quảng bá với nhau.
32
Hình2.11: Miền quảng bá trên một switch
Trong hình 2.10 chúng ta thấy 3 VLAN tức là 3 miền quảng bá khác nhau được tạo ra trên một switch và một router. Router sẽ sử dụng định tuyến Lớp 3 để chuyển giao thông giữa 3 VLAN.
Switch trong hình trên sẽ truyền frame lên cổng giao tiếp của router khi:
Gói dữ liệu là gói quảng bá.
Gói dữ liệu có địa chỉ MAC đích là một trong các địa chỉ MAC của
router.
Nếu máy trạm 1 trong VLAN Kỹ thuật muốn gửi dữ liệu cho máy trạm 2 trong VLAN Bán hàng, hai máy này nằm trong 2 miền quảng bá khác nhau, thuộc hai mạng khác nhau, do đó địa chỉ MAC đích trong gói dữ liệu sẽ địa chỉ MAC của default gateway của máy trạm 1. Vì vậy địa chỉ MAC đích của gói dữ liệu sẽ là địa MAC của tổng Fa0/0 trên router. Gói dữ liệu được chuyển đến router, bằng định tuyến IP, router sẽ chuyên gói đúng VLAN Bán hàng.
Nếu máy trạm 1 trong VLAN Kỹ thuật muốn gửi gói dữ liệu cho máy trạm 2 trong cùng một VLAN thì địa chỉ MAC đích của gói dữ liệu sẽ chính là địa chỉ MAC của máy trạm 2.
Tóm lại, switch sẽ xử lý chuyển mạch gói dữ liệu khi có chia VLAN như sau:
Đối với mỗi VLAN switch có một bảng chuyển mạch riêng tương ứng.
Nếu switch nhận được gói dữ liệu từ một port nằm trong VLAN 1 chẳng
hạn , thì switch sẽ tìm địa chỉ MAC đích trong bảng chuyển mạch của VLAN mà thôi.
33
Đồng thời switch sẽ học địa chỉ MAC nguồn trong gói dữ liệu và ghi vào bảng chuyển mạch của VLAN 1 nếu địa chỉ này chưa được biết.
Sau đó switch quyến định chuyển gói dữ liệu.
Switch nhận frame vào từ VLAN nào thì switch chỉ học địa chỉ nguồn
của frame và tìm địa chỉ đích cho frame trong một bảng chuyển mạch tương ứng với VLAN đó.
2.2.1.3. Hoạt động của VLAN[6],[9]
Mỗi port trên switch có thể gán cho một VLAN khác nhau. Các port nằm trong cùng một VLAN sẽ chia sẻ gói quảng bá với nhau. Các port không nằm trong cùng VLAN sẽ không chia sẻ gói quảng bá với nhau. Nhờ đó mạng LAN hoạt động hiệu quả hơn.
Hình2.12: VLAN cố định
Thành viên cố định của VLAN được xác định theo port. Khi thiết bị kết nối vào một port của switch, tuỳ theo port thuộc loại VLAN nào thì thiết bị sẽ nằm trong VLAN đó.
Mặc định, tất cả các port trên một switch đều nằm trong VLAN quản lý. VLAN quản lý luôn luôn là VLAN 1 và chúng ta không thể xoá VLAN này được. Sau đó chúng ta có thể cấu hình gán port vào các VLAN khác. VLAN cung cấp băng thông tin nhiều hơn cho user so với mạng chia sẻ. Trong mạng chia sẻ, các user cùng chia sẻ một băng thông trong mạng đó, càng nhiều user trong một mạng chia sẻ thì lượng băng thông càng thấp hơn và hiệu suất hoạt động càng giảm đi.
Thành viên động của VLAN được cấu hình bằng phần mềm quản lý mạng. Bạn có thể sử dụng CiscoWorks 2000 hoặc CiscoWorks for Switch Internetworks để tạo VLAN động. VLAN động cho phép các định thành viên dựa theo địa chỉ MAC của thiết bị kết nối vào switch chứ không còn xác định theo port nữa. Khi
34
thiết bị kết nối vào switch, switch sẽ tìm trong cơ sở dữ liệu của nó để xác định thiết bị này thuộc loại VLAN nào.
Hình2.13: VLAN động
Cấu hình VLAN bằng các phần mềm VLAN quản lý tập trung.C
Có thể chia VLAN theo địa chỉ MAC, địa chỉ lôgic hoặc theo loại giao thức.
Không cần quản lý nhiều ở các tủ nối dây nữa vì thiết bị kết nối vào mạng
thuộc VLAN nào là tuỳ theo địa chỉ của thiết bị đó đã được gán vào VLAN.
Có khả năng thông báo cho quản trị mạng khi có một user lạ, không có trong
cơ sở dữ liệu kết nối vào mạng.
Xác định thành viên VLAN theo port tức là port đã được gán vào VLAN nào thì thiết bị kết nối vào port đó thuộc VLAN đó, không phụ thuộc vào thiết bị kết nối là thiết bị gì, địa chỉ bao nhiêu. Với cách chia VLAN theo port như vậy, tất cả các user kết nối vào cùng một port sẽ nằm trong cùng một VLAN. Một user hay nhiều user có thể kết nối vào một port và sẽ không nhận thấy là có sự tồn tại của VLAN. Cách chia VLAN này giúp việc quản lý đơn giản hơn vì không cần tìm trong cơ sở dữ liệu phức tạp để xác định thành viên của mỗi VLAN.
Người quản trị mạng có trách nhiệm cấu hình VLAN bằng tay và cố định. Mỗi một port trên switch cũng hoạt động giống như một port trên bridge. Bridge sẽ chặn luồng lưu lượng nếu nó không cần thiết phải đi ra ngoài segment. Nếu gói dữ liệu cần phải chuyển qua bridge và switch không biết địa chỉ đích hoặc gói nhận được là gói quảng bá thì mới chuyển ra tất cả các port nằm trong cùng miền quảng bá với port nhận gói dữ liệu vào.
35
Hình2.14: Chia VLAN theo port
- Ưu điểm của VLAN
Lợi ích của VLAN là cho phép người quản trị mạng tổ chức mạng theo logic chức không theo vật lý nữa. Nhờ đó những công việc sau thực hiện dễ dàng hơn:
Có tính linh động cao: di chuyển máy trạm trong LAN dễ dàng.
Thêm máy trạm vào LAN dễ dàng: Trên một switch nhiều cổng, có
thể có thể cấu hình VLAN khác nhau cho từng cổng, do đó dễ dàng kết nối thêm các máy tính với các VLAN.
Thay đổi cấu hình LAN dễ dàng.
Kiểm soát giao thông mạng dễ dàng.
Gia tăng bảo mật: Các VLAN khác nhau không truy cập được vào
nhau (trừ khi có khai báo định tuyến).
Tiết kiệm băng thông của mạng: do VLAN có thể chia nhỏ LAN
thành các đoạn (là một vùng quảng bá). Khi một gói tin quảng bá, nó sẽ được truyền đi chỉ trong một VLAN duy nhất, không không truyền đi ở các VLAN khác nên giảm lưu lượng quảng bá, tiết kiệm băng thông đường truyền.
Có thể tạo ra mạng LAN ảo, tạo ra các nhóm làm việc không phụ
thuộc vàovị trí của thiết bị, chẳng hạn, những người thuộc cùng nhóm nghiên cứu không cần ngồi cùng một phòng hay cùng một tầng trong toà nhà mà vẫn là các thành viên trong một mạng LAN ảo.
2.2.1.4. Các loại VLAN[2],[3],[6]
Có 3 loại thành viên VLAN để xác định và kiểm soát việc xử lý các gói dữ liệu:
36
VLAN dựa trên cổng (port based VLAN): mỗi cổng (Ethernet hoặc Fast Ethernet) được gắn với một VLAN xác định. Do đó mỗi máy tính/ thiết bị host kết nối một cổng của switch đều phụ thuộc vào VLAN đó. Đây là cách cấu hình VLAN đơn giản và phổ biến nhất.
VLAN theo địa chỉ MAC ( MAC address based VLAN): mỗi địa chỉ MAC được gán tới một VLAN nhất định. Cách cấu hình này rất phức tạp và khó khăn trong việc quản lý.
VLAN theo giao thức (protocol based VLAN): tương tự với VLAN dựa trên địa chỉ MAC nhưng sử dụng địa chỉ IP thay cho địa chỉ MAC. Cách cấu hình này không thông dụng.
Hình2.15: Loại thành viên VLAN Số lượng VLAN phụ thuộc vào các yếu sau:
- Dòng giao thông.
- Loại ứng dụng .
- Sự quản lý mạng.
- Sự phân nhóm.
Ngoài một yếu tố quan trọng mà chúng ta cần quan tâm là kích thước của switch và sơ đồ chia địa chỉ IP.
Ví dụ: Một mạng sử dụng địa chỉ mạng có 24 bit subnet mask, như vậy mỗi subnet mask có tổng cộng 254 địa chỉ host. Nên sử dụng nối tương một – một giữa VLAN và IP subnet. Do mỗi VLAN tương ứng với một IP subnet mask, có tối đa 254 thiết bị.
Phần header của frame sẽ đóng gói lại và điều chỉnh để có thêm dòng thông tin về VLAN ID trước khi frame được truyền lên đường truyền kết nối giữa switch. Công việc này gọi là dán nhãn cho frame. Sau đó phần hearder của frame. Sau đó, phần hearder của frame được trả lại như cũ trức khi truyền xuống thiết bị đích.
Có hai phương pháp chủ yếu dán nhãn là Intr – Switch Link (ISL) và 802.1Q.ISL từng được dùng phổ biến nhưng bây giờ đang thay thế bởi 802Q.1.
37
2.2.1.5. Cấu hình VLAN[2],[6]
Cấu hình VLAN theo vật lý
VLAN từ đầu cuối - đến - đầu cuối cho phép phân nhóm nguồn tài nguyên sử dụng, ví dụ như phân nhóm user theo server sử dụng, nhóm dự án và theo phòng ban... Mục tiêu của VLAN từ đầu đến cuối - đến - đầu cuối là giữ 80% giao thông trong nội bộ của VLAN.
Chính vì xu hướng sử dụng và phân bố tài nguyên mạng khác đi nên hiện nay VLAN thường được tạo ra theo giới hạn của địa lý.
Phạm vi địa lý có thể lớn bằng cả một toà nhà hoặc cũng có thể chỉ nhỏ với một switch. Trong cấu trúc VLAN này. Tỷ lệ lưu lượng sẽ là 20/80, 20% giao thông trong nội bộ VLAN và 80% giao thông đi ra ngoài VLAN.
Điểm này có nghĩa là lưu lượng phải đi qua thiết bị lớp 3 mới đến được 80% nguồn tài nguyên. Kiểu thiết kế này cho phép việc truy cập nguồn tài nguyên được thống nhất
Cấu hình VLAN cố định
VLAN cố định là VLAN được cố hình theo port trên switch bằng các phần mềm quản lý hoặc cấu hình trực tiếp trên switch. Các port đã được gán vào VLAN nào thì nó sẽ giữ nguyên cấu hình VLAN đó cho đến khi thay đổi bằng lệnh. Đây là cấu trúc VLAN theo địa lý, các user phải đi qua thiết bị lớp 3 mới truy cập 80% tài nguyên mạng. Loại VLAN cố định hoạt động tốt trong những mạng có đặc điểm sau:
Sự di chuyển trong mạng được quản lý và kiểm soát.
Có phần mềm quản lý VLAN mạnh để cấu hình port trên switch.
Không dành nhiều tải cho hoạt động duy trì địa chỉ MAC của thiết bị đầu cuối và điều cỉnh bảng địa chỉ.
VLAN động thì không phụ thuộc vào cổng trên switch
2.2.2. VLAN Trunking Protocol (VTP)[2],[6],[7]
2.2.2.1. Giới thiệu về VLAN Trunking Protocol (VTP)
VTP là giao thức hoạt động ở lớp 2 trong mô hình OSI. VTP giúp cho việc cấu hình VLAN luôn hoạt động đồng nhất khi thêm, xóa, sửa thông tin về VLAN trong hệ thống mạng.
Trong khuôn khổ môi trường chuyển mạch VLAN. Một đường Trunk là một đường kết nối point - to- point để hổ trợ các VLAN trên các switch liên kết với nhau. Một đường cấu hình Trunk sẽ gộp nhiều đường liên kết ảo trên một đường