Образование петли и нарушение работоспособности локальной сети с помощью программного обеспечения GNS3

Дисклеймер: Мы не несем ответственность за Ваши действия и не призываем Вас к каким-либо действиям! Все материалы взяты с открытых источников, опубликованы для образовательных целей. 

Оглавление

1. Широковещательный шторм в состоянии петли
2. Методы предотвращения
3. Создание широковещательного шторма (петли)
4. LLMNR
5. Анализ последствий

1. Широковещательный шторм в состоянии петли

Петля (или кольцо) в локальной сети - это ситуация, при которой часть информации от коммутатора не рассылается по компьютерам, а кочует по двум параллельным маршрутам, как бы замыкающимся в кольцо. Данные при этом бесконечно кружатся по этому кольцу, постепенно увеличиваясь в размерах и забивая весь канал. Петля является крайне неприятным явлением для локальной сети или её отдельного участка и требует немедленного решения. Для большего понимания простейшая схема петли представлена ниже.

Рис.1 Пример петли в локальной сети 

Рис. 2 Пример топологии сети  

Пример топологии, рассматриваемой сети, изображен на рисунке 2.

Компьютер ПК-1 отправляет кадр (frame) по сети через коммутатор компьютеру ПК-N. Коммутатор получает кадр и в таблицу коммутации заносит адрес компьютера ПК-1 с портом. Коммутатор не знает где расположен порт получателя кадра, кроме порта, из которого этот кадр был получен. Соответственно, кадр получает ПК-N и получает виртуальный коммутатор GNS3 (далее будет подробно показано, как реализовать виртуальную сеть с помощью GNS3). Виртуальный коммутатор GNS3, который расположен в ПК-N, производит аналогичные действия. Компьютеры расположенные в локальной сети получают несколько кадров - один от коммутатора локальной сети, другой от виртуального коммутатора. Одновременно с этим, копию кадра от коммутатора локальной сети получает виртуальный коммутатор GNS3. Так как для виртуального коммутатора копия является “новым” кадром, то он производит стандартный процесс коммутации кадра. Тем самым происходит бесконечное циркулирование кадра между сегментами сети.

2. Методы предотвращения

Единственной возможностью прекратить циркулирование фрейма между сегментами сети является выключение одного из каналов связи между ними. Данную функцию реализует протокол STP, который оставляет между сегментами только один возможный канал связи между сегментами сети.

3. Создание широковещательного шторма (петли)

Рассмотрим проблему создания петли в сетевом программном эмуляторе GNS3. GNS3 позволяет комбинировать виртуальные и реальные устройства, используемые для моделирования сложных сетей. Он использует программное обеспечение эмуляции Dynamips для имитации Cisco IOS. Для создания петли воспользуемся одним из способов подключения GNS3 к реальной физической сети. Этот способ возможен, если компьютер подключен к коммутатору (к локальной сети). Схема изображена на рисунке 3. 

Рис. 3 Схема соединения 2 хостов и 1 коммутатора

У хостов в качестве интерфейса указываем “nio_gen_eth:Ethernet N”.

Перед этим проведем анализ трафика в сети с помощью ПО Wireshark (рис. 3). 

Рис.4 Анализ трафика в сети с помощью Wireshark

В среднем в сети проходит 5-10 пакетов в секунду. Основной пакет - это LLMNR,  который в последствии будет являться причиной нарушения работоспособности коммутатора. Сначала стоит разобрать сам протокол LLMNR.

4. LLMNR

LLMNR, англ. Link-Local Multicast Name Resolution — протокол стека TCP/IP, основанный на формате пакета данных DNS, который позволяет компьютерам выполнять разрешение имен хостов в локальной сети. Для LLMNR выделены порты 5355/UDP и 5355/TCP, в IPv4 выделен широковещательный адрес 224.0.0.252 и MAC-адрес 01-00-5E-00-00-FC, в IPv6 — FF02:0:0:0:0:0:1:3 (сокращённая запись — FF02::1:3) и MAC-адрес 33-33-00-01-00-03. 

Рис. 5 Структура заголовка пакета LLMNR

Служба LLMNR (Link-Local Multicast Name Resolution) позволяет организовать одноранговое разрешение имен в пределах одной подсети для IPv4, IPv6 или обоих видов адресов сразу без обращения к серверам, на что не способны ни DNS, ни WINS. WINS предоставляет как клиент-серверную, так и одноранговую службу разрешения имен, но не поддерживает адреса IPv6. DNS, с другой стороны, поддерживает оба тина адресов, но требует наличия серверов. Разрешение имен LLMNR, работает для адресов IPv6 и IPv4 в тех случаях, когда другие службы разрешения имен недоступны, например, в домашних сетях, в небольших предприятиях, во временных сетях или  корпоративных сетях, где по каким-то причинам недоступны DNS-службы. Поскольку трафик LLMNR не проходит через маршрутизаторы, вы не рискуете случайно заполнить им сеть.Как и WINS, LLMNR позволяет преобразовать имя хоста в IP-адрес. По умолчанию LLMNR включен на всех компьютерах под управлением Windows. Эти компьютеры прибегают к LLMNR, если попытки узнать имя хоста через DNS окончились неудачей. В результате, разрешение имен в Windows работает следующим образом:

1. Хост посылает запрос на первичный DNS-сервер. Если он не получает ответа или получает сообщение об ошибке, он по очереди посылает запросы на все вторичные DNS-серверы. Если и это не помогло, разрешение имени передается LLMNR.
2. Хост посылает многоадресный UDP-запрос, запрашивая IP-адрес для нужного имени компьютера. Этот запрос идет только по локальной подсети.
3. Каждый компьютер локальной подсети, поддерживающий LLMNR и сконфигурированный для ответа на поступающие запросы, сравнивает имя со своим хост-именем. Если они не совпадают, компьютер отбрасывает запрос. Если имена совпадают, компьютер пересылает исходному хосту одноадресное сообщение с ІР-адресом.

5. Анализ последствий

Компьютеры с LLMNR должны проверять уникальность своих имен в подсети. В большинстве случаев это происходит при запуске, восстановлении из спящего режима или при смене параметров сетевого интерфейса. Если компьютер еще не проверил уникальность своего имени, он должен указывать это в ответе на запрос. После создания петли в GNS3 (рис. 3), увидим некоторые особенности в Wireshark (рис. 6). 

Рис. 6 Количество пакетов в сети 

Рис. 7 Загруженность пропускной способности канала передачи 

Рис. 8 Отключение сетевых дисков №1 и №2 

Рис. 9 Анализ трафика с помощью Wireshark после создания петли

После создании петли сразу же в сети наблюдается рост количества пакетов к экспоненциальному росту их числа и парализует работу сети. Это состояние в сети называется широковещательный шторм. Широковещательный шторм — лавина широковещательных пакетов (на втором уровне модели OSI — кадров). Считается нормальным, если широковещательные пакеты составляют не более 10 % от общего числа пакетов в сети.Довольно часто к широковещательному шторму приводят петли в сети при неправильной настройке канального протокола Spanning Tree. Spanning Tree Protocol (STP) - канальный протокол. Основной задачей STP является устранение петель в топологии произвольной сети Ethernet, в которой есть один или более сетевых мостов, связанных избыточными соединениями. STP решает эту задачу, автоматически блокируя соединения, которые в данный момент для полной связности коммутаторов являются избыточными.