Segmentación de VLAN: Introducción

La primera parte de este capítulo describe una introducción a las VLAN: beneficios, tipos y VLAN en un entorno conmutado múltiple.

Una de las tecnologías que contribuyen a mejorar el rendimiento de la red es la división de los grandes dominios de difusión en dominios más pequeños. Por una cuestión de diseño, los routers bloquean el tráfico de difusión en una interfaz. Sin embargo, los routers generalmente tienen una cantidad limitada de interfaces LAN.

La función principal de un router es trasladar información entre las redes, mientras que la función de proporcionar acceso a una LAN suele reservarse para los switches de capa de acceso. Se puede crear una red de área local virtual (VLAN) en un switch de capa 2 para reducir el tamaño de los dominios de difusión, similares a los dispositivos de capa 3. Si bien las VLAN se utilizan principalmente dentro de las redes de área local conmutadas, las implementaciones modernas de las VLAN les permiten abarcar redes MAN y WAN.

Debido a que las VLAN segmentan la red, es necesario un proceso de capa 3 para permitir que el tráfico pase de un segmento de red a otro.

Este proceso de routing de capa 3 puede implementarse utilizando un router o una interfaz de switch de capa 3. El uso de un dispositivo de capa 3 proporciona un método para controlar el flujo de tráfico entre segmentos de red, incluidos los segmentos de red creados por las VLAN.

La primera parte de este capítulo describe una introducción a la VLAN. Empezamos con una pregunta común: ¿A qué se denomina una red de área local virtual?

1. Definición de VLAN

Las VLAN proporcionan una manera de agrupar dispositivos dentro de una LAN. Un grupo de dispositivos dentro de una VLAN se comunica como si estuvieran conectados al mismo cable. Las VLAN se basan en conexiones lógicas, en lugar de conexiones físicas.

Una red de área local virtual (VLAN) permiten que el administrador divida las redes en segmentos según factores como la función, el equipo del proyecto o la aplicación, sin tener en cuenta la ubicación física del usuario o del dispositivo. Los dispositivos dentro de una VLAN funcionan como si estuvieran en su propia red independiente, aunque compartan una misma infraestructura con otras VLAN. Cualquier puerto de switch puede pertenecer a una VLAN, y los paquetes de unidifusión, difusión y multidifusión se reenvían y saturan solo las estaciones terminales dentro de la VLAN donde se originan los paquetes. Cada VLAN se considera una red lógica diferente. Los paquetes destinados a estaciones que no pertenecen a la VLAN se deben reenviar a través de un dispositivo que admita el routing.

1.1. Puntos importantes

• Varias subredes IP pueden existir en una red conmutada, sin el uso de varias VLAN. Sin embargo, los dispositivos estarán en el mismo dominio de difusión de capa 2. Esto significa que todas las difusiones de capa 2, tales como una solicitud de ARP, serán recibidas por todos los dispositivos de la red conmutada, incluso por aquellos que no se quiere que reciban la difusión.
• Una VLAN crea un dominio de difusión lógico que puede abarcar varios segmentos LAN físicos. Las VLAN mejoran el rendimiento de la red mediante la división de grandes dominios de difusión en otros más pequeños. Si un dispositivo en una VLAN envía una trama de Ethernet de difusión, todos los dispositivos en la VLAN reciben la trama, pero los dispositivos en otras VLAN no la reciben.
• Las VLAN habilitan la implementación de las políticas de acceso y de seguridad según grupos específicos de usuarios. Cada puerto de switch se puede asignar a una sola VLAN (a excepción de un puerto conectado a un teléfono IP o a otro switch).

2. Beneficios de las redes VLAN

Las redes VLAN facilitan el diseño de una red para dar soporte a los objetivos de una organización. Los principales beneficios de utilizar las VLAN son los siguientes:

• Seguridad: los grupos que tienen datos sensibles se separan del resto de la red, disminuyendo las posibilidades de que ocurran violaciones de información confidencial. Como se muestra en la Imagen 2, las computadoras del cuerpo docente están en la VLAN 10 y separadas por completo del tráfico de datos de los estudiantes y los Invitados.

• Reducción de costos: el ahorro de costos se debe a la poca necesidad de actualizaciones de red costosas y al uso más eficaz de los enlaces y del ancho de banda existentes.

• Mejor rendimiento: la división de las redes planas de capa 2 en varios grupos de trabajo lógicos (dominios de difusión) reduce el tráfico innecesario en la red y mejora el rendimiento.

• Reducción del tamaño de los dominios de difusión: la división de una red en redes VLAN reduce la cantidad de dispositivos en el dominio de difusión. Como se muestra en la Imagen 2, existen seis computadoras en esta red, pero hay tres dominios de difusión: Cuerpo docente, Estudiantes e Invitados.

• Mayor eficiencia del personal de TI: las VLAN facilitan el manejo de la red debido a que los usuarios con requerimientos similares de red comparten la misma VLAN. También es fácil para el personal de TI identificar la función de una VLAN colocándole un nombre.

• Administración más simple de aplicaciones y proyectos: las VLAN agregan dispositivos de red y usuarios para admitir los requisitos geográficos o comerciales. Al tener características diferentes, se facilita la administración de un proyecto o el trabajo con una aplicación especializada.

3. Tipos de VLAN

Existen diferentes tipos de redes VLAN, los cuales se utilizan en las redes modernas. Algunos tipos de VLAN se definen según las clases de tráfico. Otros tipos de VLAN se definen según la función específica que cumplen.

3.1. VLAN de datos

Una VLAN de datos es una VLAN configurada para transportar tráfico generado por usuarios. Una VLAN que transporta tráfico de administración o de voz no sería una VLAN de datos. Es una práctica común separar el tráfico de voz y de administración del tráfico de datos. A veces a una VLAN de datos se la denomina VLAN de usuario. Las VLAN de datos se usan para dividir la red en grupos de usuarios o dispositivos.

3.2. VLAN predeterminada

Todos los puertos de switch se vuelven parte de la VLAN predeterminada después del arranque inicial de un switch que carga la configuración predeterminada. Los puertos de switch que participan en la VLAN predeterminada forman parte del mismo dominio de difusión. Esto admite cualquier dispositivo conectado a cualquier puerto de switch para comunicarse con otros dispositivos en otros puertos de switch. La VLAN predeterminada para los switches Cisco es la VLAN 1. En la ilustración, se emitió el comando show vlan brief en un switch que ejecuta la configuración predeterminada. Observe que todos los puertos se asignan a la VLAN 1 de manera predeterminada.

La VLAN 1 tiene todas las características de cualquier VLAN, excepto que no se le puede cambiar el nombre ni se puede eliminar. Todo el tráfico de control de capa 2 se asocia a la VLAN 1 de manera predeterminada.

3.3. VLAN nativa

Una VLAN nativa está asignada a un puerto troncal 802.1Q. Los puertos de enlace troncal son los enlaces entre switches que admiten la transmisión de tráfico asociado a más de una VLAN. Los puertos de enlace troncal 802.1Q admiten el tráfico proveniente de muchas VLAN (tráfico con etiquetas), así como el tráfico que no proviene de una VLAN (tráfico sin etiquetar). El tráfico con etiquetas hace referencia al tráfico que tiene una etiqueta de 4 bytes insertada en el encabezado de la trama de Ethernet original, que especifica la VLAN a la que pertenece la trama. El puerto de enlace troncal 802.1Q coloca el tráfico sin etiquetar en la VLAN nativa, que es la VLAN 1 de manera predeterminada.

Las VLAN nativas se definen en la especificación IEEE 802.1Q a fin de mantener la compatibilidad con el tráfico sin etiquetar de modelos anteriores común a las situaciones de LAN antiguas. Una VLAN nativa funciona como identificador común en extremos opuestos de un enlace troncal.

Se recomienda configurar la VLAN nativa como VLAN sin utilizar, independiente de la VLAN 1 y de otras VLAN. De hecho, es común utilizar una VLAN fija para que funcione como VLAN nativa para todos los puertos de enlace troncal en el dominio conmutado.

3.4. VLAN de administración

Una VLAN de administración es cualquier VLAN que se configura para acceder a las capacidades de administración de un switch. La VLAN 1 es la VLAN de administración de manera predeterminada. Para crear la VLAN de administración, se asigna una dirección IP y una máscara de subred a la interfaz virtual de switch (SVI) de esa VLAN, lo que permite que el switch se administre mediante HTTP, Telnet, SSH o SNMP. Dado que en la configuración de fábrica de un switch Cisco la VLAN 1 se establece como VLAN predeterminada, la VLAN 1 no es una elección adecuada para la VLAN de administración.

En el pasado, la VLAN de administración para los switches 2960 era la única SVI activa. En las versiones 15.x de IOS de Cisco para los switches de la serie Catalyst 2960, es posible tener más de una SVI activa. Cisco IOS 15.x requiere la registración de la SVI activa específica asignada para la administración remota. Si bien, en teoría, un switch puede tener más de una VLAN de administración, esto aumenta la exposición a los ataques de red.

En la ilustración, actualmente todos los puertos están asignados a la VLAN 1 predeterminada. No hay ninguna VLAN nativa asignada explícitamente ni otras VLAN activas; por lo tanto, la VLAN nativa de la red que se diseñó es la VLAN de administración. Esto se considera un riesgo de seguridad.

Switch# show vlan brief

VLAN Name                Status    Ports
---- ------------------- --------- -----------------------
1    default             active    Fa0/1, Fa0/2, Fa0/3, Fa0/4
                                   Fa0/5, Fa0/6, Fa0/7, Fa0/8
                                   Fa0/9, Fa0/10, Fa0/11, Fa0/12
                                   Fa0/13, Fa0/14, Fa0/15, Fa0/16
                                   Fa0/17, Fa0/18, Fa0/19, Fa0/20
                                   Fa0/21, Fa0/22, Fa0/23, Fa0/24
                                   Gi0/1, Gi0/2
1002 fddi-default       act/unsup 
1003 token-ring-default act/unsup 
1004 fddinet-default    act/unsup 
1005 trnet-default      act/unsup

4. VLAN de voz

Se necesita una VLAN separada para admitir la tecnología de voz sobre IP (VoIP). El tráfico de VoIP requiere:

• Ancho de banda garantizado para asegurar la calidad de la voz
• Prioridad de la transmisión sobre los tipos de tráfico de la red
• Capacidad para ser enrutado en áreas congestionadas de la red
• Una demora inferior a 150 ms a través de la red

Para cumplir estos requerimientos, se debe diseñar la red completa para que admita VoIP. Los detalles sobre cómo configurar una red para que admita VoIP exceden el ámbito de este curso, pero es útil resumir cómo funciona una VLAN de voz entre un switch, un teléfono IP Cisco y una computadora.

En la Imagne 3, la VLAN 150 se diseña para enviar tráfico de voz. La computadora del estudiante PC5 está conectada al teléfono IP de Cisco y el teléfono está conectado al switch S3. La PC5 está en la VLAN 20 que se utiliza para los datos de los estudiantes.

5. VLAN en un Entorno Conmutado Múltiple

5.1 Enlaces troncales de la VLAN

 

5.2. Etiquetado de tramas de Ethernet para la identificación de VLAN

Los switches de la serie Catalyst 2960 son dispositivos de capa 2. Estos utilizan la información del encabezado de la trama de Ethernet para reenviar paquetes. No poseen tablas de routing. El encabezado de las tramas de Ethernet estándar no contiene información sobre la VLAN a la que pertenece la trama; por lo tanto, cuando las tramas de Ethernet se colocan en un enlace troncal, se debe agregar la información sobre las VLAN a las que pertenecen. Este proceso, denominado “etiquetado“, se logra mediante el uso del encabezado IEEE 802.1Q, especificado en el estándar IEEE 802.1Q. El encabezado 802.1Q incluye una etiqueta de 4 bytes insertada en el encabezado de la trama de Ethernet original que especifica la VLAN a la que pertenece la trama.

Cuando el switch recibe una trama en un puerto configurado en modo de acceso y asignado a una VLAN, el switch coloca una etiqueta VLAN en el encabezado de la trama, vuelve a calcular la secuencia de verificación de tramas (FCS) y envía la trama etiquetada por un puerto de enlace troncal.

Detalles del campo de etiqueta de la VLAN

El campo de etiqueta de la VLAN consta de un campo de tipo, un campo de prioridad, un campo de identificador de formato canónico y un campo de ID de la VLAN:

• Tipo: es un valor de 2 bytes denominado “ID de protocolo de etiqueta” (TPID). Para Ethernet, este valor se establece en 0x8100 hexadecimal.

• Prioridad de usuario: es un valor de 3 bits que admite la implementación de nivel o de servicio.

• Identificador de formato canónico (CFI): es un identificador de 1 bit que habilita las tramas Token Ring que se van a transportar a través de los enlaces Ethernet.

• ID de VLAN (VID): es un número de identificación de VLAN de 12 bits que admite hasta 4096 ID de VLAN.

Una vez que el switch introduce los campos Tipo y de información de control de etiquetas, vuelve a calcular los valores de la FCS e inserta la nueva FCS en la trama.

5.3. VLAN nativas y etiquetado de 802.1Q

5.3.1. Tramas etiquetadas en la VLAN nativa

Algunos dispositivos que admiten los enlaces troncales agregan una etiqueta VLAN al tráfico de las VLAN nativas. El tráfico de control que se envía por la VLAN nativa no se debe etiquetar. Si un puerto de enlace troncal 802.1Q recibe una trama etiquetada con la misma ID de VLAN que la VLAN nativa, descarta la trama. Por consiguiente, al configurar un puerto de un switch Cisco, configure los dispositivos de modo que no envíen tramas etiquetadas por la VLAN nativa. Los dispositivos de otros proveedores que admiten tramas etiquetadas en la VLAN nativa incluyen: teléfonos IP, servidores, routers y switches que no pertenecen a Cisco.

5.3.2. Tramas sin etiquetar en la VLAN nativa

Cuando un puerto de enlace troncal de un switch Cisco recibe tramas sin etiquetar (poco usuales en las redes bien diseñadas), envía esas tramas a la VLAN nativa. Si no hay dispositivos asociados a la VLAN nativa (lo que es usual) y no existen otros puertos de enlace troncal (es usual), se descarta la trama. La VLAN nativa predeterminada es la VLAN 1. Al configurar un puerto de enlace troncal 802.1Q, se asigna el valor de la ID de VLAN nativa a la ID de VLAN de puerto (PVID) predeterminada. Todo el tráfico sin etiquetar entrante o saliente del puerto 802.1Q se reenvía según el valor de la PVID. Por ejemplo, si se configura la VLAN 99 como VLAN nativa, la PVID es 99, y todo el tráfico sin etiquetar se reenvía a la VLAN 99. Si no se volvió a configurar la VLAN nativa, el valor de la PVID se establece en VLAN 1.

En la Imagen 6, la PC1 está conectada a un enlace troncal 802.1Q mediante un hub. La PC1 envía el tráfico sin etiquetar que los switches asocian a la VLAN nativa configurada en los puertos de enlace troncal y que reenvían según corresponda. El tráfico etiquetado del enlace troncal que recibe la PC1 se descarta. Esta situación refleja un diseño de red deficiente por varios motivos: utiliza un hub, tiene un host conectado a un enlace troncal y esto implica que los switches tengan puertos de acceso asignados a la VLAN nativa. También ilustra la motivación de la especificación IEEE 802.1Q para que las VLAN nativas sean un medio de manejo de entornos antiguos.

5.4. Etiquetado de VLAN de voz

Recuerde que, para admitir VoIP, se requiere una VLAN de voz separada.

Un puerto de acceso que se usa para conectar un teléfono IP de Cisco se puede configurar para usar dos VLAN separadas: una VLAN para el tráfico de voz y otra VLAN para el tráfico de datos desde un dispositivo conectado al teléfono. El enlace entre el switch y el teléfono IP funciona como un enlace troncal para transportar tanto el tráfico de la VLAN de voz como el tráfico de la VLAN de datos.

El teléfono IP Cisco contiene un switch integrado 10/100 de tres puertos. Los puertos proporcionan conexiones dedicadas para estos dispositivos:

• El puerto 1 se conecta al switch o a otro dispositivo VoIP.
• El puerto 2 es una interfaz interna 10/100 que envía el tráfico del teléfono IP.
• El puerto 3 (puerto de acceso) se conecta a una PC u otro dispositivo.

En el switch, el acceso está configurado para enviar paquetes del protocolo de descubrimiento de Cisco (CDP) que instruyen a un teléfono IP conectado para que envíe el tráfico de voz al switch en una de tres formas posibles, según el tipo de tráfico:

• En una VLAN de voz con una etiqueta de valor de prioridad de clase de servicio (CoS) de capa 2
• En una VLAN de acceso con una etiqueta de valor de prioridad de CoS de capa 2
• En una VLAN de acceso sin etiqueta (sin valor de prioridad de CoS de capa 2)

En la Imagen 7, la computadora del estudiante PC5 está conectada a un teléfono IP de Cisco, y el teléfono está conectado al switch S3. La VLAN 150 está diseñada para transportar tráfico de voz, mientras que la PC5 está en la VLAN 20, que se usa para los datos de los estudiantes.

5.4.1. Ejemplo de configuración

A continuación, se muestra un resultado de ejemplo. El análisis de los comandos de voz de Cisco IOS excede el ámbito de este curso, pero las áreas resaltadas en el resultado de ejemplo muestran que la interfaz F0/18 se configuró con una VLAN configurada para datos (VLAN 20) y una VLAN configurada para voz (VLAN 150).

S1# sh interfaces fa0/18 switchport 
Name: Fa0/18
Switchport: Enabled
Administrative Mode: static access
Operational Mode: down
Administrative Trunking Encapsulation: dot1q
Negotiation of Trunking: Off
Access Mode VLAN: 20 (student)
Trunking Native Mode VLAN: 1 (default)
Administrative Native VLAN tagging: enabled
Voice VLAN: 150 (voice)
<Se omitió el resultado>