Configuración de Redes Virtuales (UT 10)

Introducción a la Configuración de Redes Virtuales (UT 10)

• Este material de estudio es para el año 2025 y fue preparado por la profesora María del Pilar Gómez Cárdenas
• Los temas a tratar son: Configuración y prueba de la red y Configuración de redes virtuales
• La configuración y prueba de la red incluye: Configuración de dispositivos CISCO, Aplicación de una configuración básica, Verificación de la conectividad, Monitoreo y documentación de redes
• La configuración de redes virtuales abarca: Modelo jerárquico, Implantación y configuración de redes virtuales, Tipos de VLAN, Configuración de VLAN y Diagnósticos de incidencias

Modelo Jerárquico de Diseño de Redes

• El diseño de red se analiza según la cantidad de dispositivos atendidos, variando según el tamaño y las necesidades de las organizaciones
• Red pequeña: proporciona servicios hasta para 200 dispositivos
• Red mediana: proporciona servicios para 200 a 1000 dispositivos
• Red grande: proporciona servicios para más de 1000 dispositivos
• Un factor fundamental para la correcta implementación es seguir buenos principios de ingeniería estructurada

Principios de Ingeniería Estructurada

• Jerarquía: Un modelo de red jerárquico es una herramienta útil para diseñar una infraestructura de red confiable al dividir el diseño en áreas más pequeñas y fáciles de administrar
• Modularidad: Facilita el diseño al separar las diversas funciones de una red en módulos, identificados por Cisco, incluyendo el campus empresarial, bloque de servicios, centro de datos e Internet perimetral
• Resistencia: La red debe estar disponible tanto en condiciones normales (mantenimiento) como anormales (fallas)
• Flexibilidad: Es la capacidad de modificar partes de la red o agregar nuevos servicios sin necesidad de actualizaciones importantes
• Una arquitectura de red jerárquica es la base para la flexibilidad y el crecimiento y cumple los objetivos fundamentales del diseño
• Un diseño jerárquico implica dividir la red en capas independientes, proporcionando funciones específicas dentro de la red general que optimizan hardware y software en LAN y WAN
• En el diseño jerárquico, los dispositivos pueden ser iguales, pero no los protocolos o tecnologías

Capas en un Diseño Jerárquico LAN de Campus Empresarial

• Capa de acceso (Acces layer)
• Capa de distribución (Distribution layer)
• Capa de núcleo (Core layer)
• Cuanto más lejos esté la capa del usuario (capa de acceso), más cerca estará del ISP (capa núcleo)

Ventajas del Modelo Jerárquico

• Facilidad de diseño, implementación, mantenimiento y escalado de la red
• Mayor confiabilidad de la red
• Optimización del rendimiento y disponibilidad

Capa de Acceso

• Facilita el acceso al resto de la red usando conmutadores de nivel 2 a la capa de distribución, y puede ser WAN o LAN
• Entorno LAN: Ofrece acceso a recursos que los usuarios necesitan frecuentemente (PCs, impresoras, VoIP), confinando el tráfico local
• Entorno WAN: Proporciona acceso remoto a la red empresarial mediante conexiones WAN
• En redes donde no todos los servicios están localmente disponibles, el tráfico se desvía a la capa de distribución

Capa de Distribución

• Proporciona conectividad basada en políticas, determinando cómo los paquetes acceden a los servicios principales de la red
• Marca el punto medio entre la capa de acceso y los servicios principales
• Se encarga de encontrar la mejor ruta a la red WAN y controlar el flujo de tráfico mediante el enrutamiento entre las VLAN, utilizando routers y/o conmutadores de nivel 3
• En esta capa se agrega el cableado en racks específicos, donde se configuran políticas de red como firewalls y QoS

Función de la Capa de Distribución

• Determina la forma más rápida para que una petición de un usuario pueda ser remitida al servidor, y envía la petición a la capa del núcleo principal
• En un entorno de campus, sirve ademas como punto de acumulación para acceder a los dispositivos de capa principal, enrutar el tráfico para proporcionar acceso a los departamentos o grupos de trabajo, segmentar la red en dominios de difusión / multidifusión; traducir los diálogos entre diferentes tipos de medios, como Token Ring y Ethernet y proporcionar servicios de seguridad y filtrado
• Su función principal es realizar funciones tales como enrutamiento, filtrado y acceso a WAN

Capa de Núcleo

• Es fundamental para la interconectividad entre los dispositivos de capa de distribución, desviando el tráfico rápidamente hacia los servicios apropiados
• Normalmente, el tráfico transportado se dirige o proviene de servicios comunes a todos los usuarios
• Estos servicios se conocen como servicios globales o corporativos, como e-mail, acceso a Internet o videoconferencia
• Cuando un usuario necesita acceder a un servicio corporativo, la petición se procesa al nivel de la capa de distribución
• El dispositivo de la capa de distribución envía la petición del usuario al núcleo que proporcionará un transporte rápido hasta el servicio corporativo solicitado. El dispositivo de la capa de distribución se encarga de proporcionar un acceso controlado al núcleo

Características y Objetivos de la Capa de Nucleo

• Objetivo: Proporcionar una estructura de transporte optimizado y fiable para enviar tráfico a velocidades muy altas
• Características:
  • Consta de dispositivos de red de alta velocidad, por ejemplo, los switches Cisco Catalyst 6500 o 6800
  • Diseñados para conmutar paquetes lo más rápido posible e interconectar varios componentes de campus, como módulos de distribución, módulos de servicio, el centro de datos y el bloque de distribución al perímetro de la WAN
  • Incluye la gama alta de cables de alta velocidad, como los cables de fibra.
  • Núcleo con alta disponibilidad y redundante porque agrega el tráfico de todos los dispositivos de la capa de distribución, por lo tanto, debe poder enviar grandes cantidades de datos rápidamente

Consideraciones al Diseñar la Capa de Nucleo

• Debe proporcionar switching de alta velocidad (es decir, un transporte rápido)
• Debe proporcionar confiabilidad y tolerancia a fallas
• Debe lograr la escalabilidad mediante equipos más rápidos, no con más equipos
• Debe evitar la manipulación de paquetes que implica una gran exigencia para la CPU a causa de la seguridad, la inspección, la clasificación de la calidad de servicio (QoS) u otros procesos

Diseño de Núcleo Contraído de Dos Niveles

• En este diseño de redes, las capas de distribución y de núcleo se combinan en una sola capa que se denomina: capa de núcleo contraído
• En este caso, las funciones de ambas capas se implementan en un solo dispositivo

Ventajas del Diseño de Núcleo Contraído

• Reducción de costos
• Mantiene la mayoría de los beneficios del modelo jerárquico de 3 niveles
• Ideal para redes pequeñas que no van a crecer mucho

Redes Virtuales (VLANs)

• Una VLAN (Red de área local virtual o LAN virtual) es una red de área local que agrupa un conjunto de equipos de manera lógica independientes dentro de una misma red
• Los administradores de red configuran las VLAN mediante software en lugar de hardware, lo que las hace extremadamente fuertes
• Dentro de una red conmutada, las VLAN proporcionan la segmentación y la flexibilidad organizativa
• Un grupo de dispositivos dentro de una VLAN se comunica como si cada dispositivo estuviera conectado al mismo cable
• Las VLAN se basan en conexiones lógicas, en lugar de conexiones físicas
• Las VLAN permiten que el administrador divida las redes en segmentos según factores como la función o el equipo del proyecto
• Cada VLAN se considera una red lógica diferente. 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
• Los paquetes de unidifusión, difusión y multidifusión se reenvían solamente a terminales dentro de la VLAN donde los paquetes son de origen
• Los paquetes destinados a dispositivos que no pertenecen a la VLAN se deben reenviar a través de un dispositivo que admita el enrutamiento

Dominios de Difusión Lógicos Creados a traves de VLANs

• Una VLAN crea un dominio de difusión lógico que puede abarcar varios segmentos LAN físicos, mejorando el rendimiento de la red
• Si un dispositivo en una VLAN envía una trama de Ethernet de difusión, todos los demás dispositivos en la misma VLAN la reciben, pero no los dispositivos en otras VLAN
• En cambio, en una subred IP de una red conmutada (sin VLANs), todas las difusiones de capa 2 serán recibidas por todos los dispositivos de la red conmutada
• Los administradores de red pueden implementar políticas de acceso y seguridad según grupos de usuarios, asignando cada puerto de switch a una sola VLAN (excepto para un puerto conectado a un teléfono IP o switch)
• Cada VLAN en una red conmutada corresponde a una red IP
• El diseño de VLAN debe implementar un esquema de direccionamiento de red jerárquico
• Los números de red IP se aplican a los segmentos de red o a las VLAN de manera ordenada

Ventajas del uso de las VLAN

• Dominios de difusión más pequeños: Reduce el número de dispositivos en el dominio de difusión
• Seguridad mejorada: Sólo pueden comunicarse los dispositivos en la misma VLAN
• Mejora la eficiencia del departamento de IT: Administrar la red es mas facil porque los usuarios con requerimientos similares se pueden colocar en la misma VLAN

Reducción de Costos con el uso de VLANs

• Reduce la necesidad de actualizaciones costosas y optimiza el uso del ancho de banda existente
• Reduce tráfico innecesario y mejora el rendimiento
• Administración más simple de proyectos y aplicaciones: Facilita la gestión de proyectos y aplicaciones especializadas, como plataformas de aprendizaje electrónico, mediante la agrupación y configuración de usuarios y dispositivos según necesidades

Tipos de Puertos en un Switch

• Los puertos pueden configurarse como troncales (trunk) o acceso (access), dependiendo de las necesidades de la red
• Acces Port (Puerto de Acceso)
  • Está destinado a una única VLAN para conectar dispositivos finales (computadoras, impresoras)
  • Los puertos facilitan la comunicación entre componentes mediante paquetes de datos no etiquetados
  • El switch agrega una etiqueta VLAN a las tramas para identificar el tráfico y asociarlo a la VLAN
  • Un puerto soporta una sola VLAN de datos (excepto para VLAN de voz), y se asocia a un dispositivo mediante su ID de interfaz
• Puerto Troncal (Trunk Port)
  • Permite el tráfico de múltiples VLAN, conectando VLAN múltiples a otro switch o router
  • Es un enlace punto a punto entre dispositivos de infraestructura, extendiendo VLAN a toda la red de forma predeterminada y admite todas las VLAN y soporta trunking 802.1Q
  • Algunos tipos de VLAN son: VLAN Predeterminada; VLAN de Datos; VLAN Nativa y VLAN de Administración

VLAN Predeterminada

• En switches Cisco es la VLAN1, donde residen todos los puertos por defecto y se asocia todo el tráfico de control

VLAN de Datos

• Se usan para transferir datos de protocolo de capa 7 (tráfico generado por el usuario), dividiendo la red en grupos de usuarios o dispositivos

VLAN Nativa

• Por defecto es la VLAN 1 en un switch sin configurar, sirviendo también para la administración del switch y transportando tráfico sin etiquetar (sin 802.1Q tag), generado por los switches para enviar mensajes y sus diferentes protocolos de capa 2
• La VLAN nativa solo debe transportar protocolos de switches y debe configurarse en puertos troncales
• No se puede asociar una IP a la nativa por cuestiones de seguridad, y también, se debe evitar asociar una VLAN nativa a un puerto
• Dispositivos de otros proveedores pueden admitir tramas etiquetadas

VLAN de Administración

• Por defecto es la VLAN 1 y una VLAN de administración en un conmutador de capa 2 o 3 (mientras no se configure una VLAN específica para ello)
• Se utiliza para gestionar los switches a través de protocolos como SSH o Telnet y está asociada a una dirección IP diferente a la del usuario final

VLAN de Voz

• Se utiliza para transmisión de voz en tiempo real (VoIP) y requiere administrar cuestiones como ancho de banda garantizado, prioridad de la transmisión sobre otros tráficos, capacidad de enrutamiento en áreas congestionadas y baja demora (menor a 150 ms)
• Las VLAN son fundamentales para que las VLANs funcionen, permitiendo que los dispositivos conectados a diferentes switches se comuniquen sin pasar por un router
• Permite a los administradores de red implementar políticas de acceso y seguridad

Enlaces Troncales de VLAN

• Un enlace troncal de VLAN amplía las VLAN a través de toda la red y soporta IEEE 802.1Q en Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y 10-Gigabit Ethernet, y se admiten todas las VLAN de forma predeterminada en los switches Cisco Catalyst
• Campos de la etiqueta de VLAN
  • Tipo - 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) para VLAN

• 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
• VLAN ID (VID) - Es un número de identificación de VLAN de 12 bits que admite hasta 4096 ID de VLAN
• Algunos dispositivos añaden una etiqueta VLAN al tráfico de las VLAN nativas, pero el tráfico de control no debe etiquetarse
• Un puerto de enlace troncal 802.1Q descarta tramas etiquetadas con la misma ID de VLAN que la VLAN nativa, por lo que se deben configurar los dispositivos para no enviar tramas etiquetadas con la misma ID que la VLAN nativa
• Si no hay dispositivos asociados a la VLAN nativa (o puertos de enlace troncal), las tramas sin etiquetar se descartan
• Al configurar un puerto de enlace troncal 802.1Q, se asigna el valor de ID de VLAN nativa a la ID de VLAN de puerto predeterminada (PVID), reenviando el tráfico sin etiquetar según la PVID
• Se necesita una red VLAN de voz separada para soportar VoIP y aplicar políticas de QoS, conectando los teléfonos IP directamente al switch
• El puerto de acceso del switch envía paquetes CDP (o LLDP) que indican al teléfono IP que envíe tráfico de voz etiquetado con un valor de prioridad CoS de Capa 2 adecuado.

Configuración del Switch para Etiquetado VLAN de Voz

• La interfaz puede configurarse con una VLAN para datos y otra para voz
• Rango Normal VLANs (VLAN ID es 1-1005) - Se utiliza en redes de pequeñas y medianas negocios y empresas. - Las ID 1 y 1002 a 1005 se crean automáticamente y no se pueden eliminar - Las configuraciones se almacenan en un archivo de base de datos de VLAN llamado vlan.dat, que se guarda en la memoria flash - Cuando se configura, el protocolo de enlace troncal VLAN (VTP) ayuda a sincronizar la base de datos VLAN entre conmutadores
• Rango Extendido VLANs (VLAN ID es 1006 - 4094) - Este rango es utilizado por los proveedores de servicios y por las empresas globales grandes - Las configuraciones se guardan en el archivo de configuración en ejecución (running config no en vlan.dat)

Administración centralizada (VTP)

• El protocolo VTP permite a los administradores configurar o modificar las VLAN en un solo conmutador y luego difundir esa información a todos los demás conmutadores de la red
• Es un protocolo propietario de CISCO
• Las VLANs no se propagan en la red hasta que se configure un nombre de dominio
• Los puertos que componen la conexión entre los switches son enlaces troncales donde el S1 recibe la trama de difusión y la reenvía de acuerdo a las VLAN que admita, y la transmisión del tráfico de unidifusión, multidifusión y difusión se limita a los que la componen.