vlan 以及 Linux实现的IEEE 802.1Q VLAN
Vlan的概念
VLAN技术介绍VLANVLAN概述以太网是一种基于CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,载波侦听多路访问/冲突检测)的共享通讯介质的数据网络通讯技术,当主机数目较多时会导致冲突严重、广播泛滥、性能显著下降甚至使网络不可用等问题。通过交换机实现LAN互联虽然可以解决冲突(Collision)严重的问题,但仍然不能隔离广播报文。在这种情况下出现了VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域网)技术,这种技术可以把一个LAN划分成多个逻辑的LAN——VLAN,每个VLAN是一个广播域,VLAN内的主机间通信就和在一个LAN内一样,而VLAN间则不能直接互通,这样,广播报文被限制在一个VLAN内,如图1所示。
图1 VLAN示意图
VLAN的划分不受物理位置的限制:不在同一物理位置范围的主机可以属于同一个VLAN;一个VLAN包含的用户可以连接在同一个交换机上,也可以跨越交换机,甚至可以跨越路由器。
VLAN的优点如下:
l 限制广播域。广播域被限制在一个VLAN内,节省了带宽,提高了网络处理能力。
l 增强局域网的安全性。VLAN间的二层报文是相互隔离的,即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信,如果不同VLAN要进行通信,则需通过路由器或三层交换机等三层设备。
l 灵活构建虚拟工作组。用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组,同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围,网络构建和维护更方便灵活。
VLAN原理
要使网络设备能够分辨不同VLAN的报文,需要在报文中添加标识VLAN的字段。由于普通交换机工作在OSI模型的数据链路层,只能对报文的数据链路层封装进行识别。因此,如果添加识别字段,也需要添加到数据链路层封装中。
IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的IEEE 802.1Q协议标准草案,对带有VLAN标识的报文结构进行了统一规定。
传统的以太网数据帧在目的MAC地址和源MAC地址之后封装的是上层协议的类型字段,如图2所示。
图2 传统以太网帧封装格式
其中DA表示目的MAC地址,SA表示源MAC地址,Type表示报文所属协议类型。
IEEE 802.1Q协议规定在目的MAC地址和源MAC地址之后封装4个字节的VLAN Tag,用以标识VLAN的相关信息。
图3 VLAN Tag的组成字段
如图3所示,VLAN Tag包含四个字段,分别是TPID(Tag Protocol Identifier,标签协议标识符)、Priority、CFI(Canonical Format Indicator,标准格式指示位)和VLAN ID。
l TPID用来判断本数据帧是否带有VLAN Tag,长度为16bit,缺省取值为0x8100。
l Priority表示报文的802.1P优先级,长度为3bit,相关内容请参见“QoS分册”中的“QoS配置”。
l CFI字段标识MAC地址在不同的传输介质中是否以标准格式进行封装,长度为1bit,取值为0表示MAC地址以标准格式进行封装,为1表示以非标准格式封装,缺省取值为0。
l VLAN ID标识该报文所属VLAN的编号,长度为12bit,取值范围为0~4095。由于0和4095为协议保留取值,所以VLAN ID的取值范围为1~4094。
网络设备利用VLAN ID来识别报文所属的VLAN,根据报文是否携带VLAN Tag以及携带的VLAN Tag值,来对报文进行处理。
在linux上配置vlan
第一部分:VLAN的核心概念
说起IEEE 802.1q,都知道是VLAN,说起VLAN,基本上也没有盲区,网络基础。然而说到配置,基本所有人都能顺口溜一样说出Cisco或者H3C设备的配置命令,对于Linux的VLAN配置却存在大量的疑问。这些疑问之所以存在我觉得有两点原因:
1.对VLAN的本质还是没有理解。
不管你的Cisco/H3C命令敲得再熟练,如果看不懂Linux的vconfig,那么也将无法掩饰你对概念理解的浅显;
2.对Linux实现虚拟网络设备风格不熟悉可能你已经十分理解802.1q了,也许还看过了IEEE的文档,然而却对Linux的Bridge,tap,bond等虚拟设备不是很理解,那么也将无法顺利配置VLAN。
对于VLAN概念的理解,有几点要强调:
1.VLAN分离了广播域;
2.单独的一个VLAN模拟了一个常规的交换以太网,因此VLAN将一个物理交换机分割成了一个或多个逻辑交换机;
3.不同VLAN之间通信需要三层参与;
4.当多台交换机级联时,VLAN通过VID来识别,该ID插入到标准的以太帧中,被称作tag;
5.大多数的tag都不是端到端的,一般在上行路上第一个VLAN交换机打tag,下行链路的最后一个VLAN交换机去除tag;
6.只有在一个数据帧不打tag就不能区分属于哪个VLAN时才会打上tag,能去掉时尽早要去掉tag;
7.最终,IEEE 802.1q解决了VLAN的tag问题。除了IEEE 802.1q,其余的都是和实现相关的,虽然Cisco和H3C的实现很类似,Linux可以和它们有大不同。
关
键看最后3点,也就是3,4,5。这是VLAN最难理解的部分,不过一旦理解了,VLAN也就不剩下什么了。为了使得叙述上以及配置上更加的方
便,Cisco以及其他的厂商定义了很多的细节,而这些细节在IEEE 802.1q标准中并没有被定义,这些细节包括但不局限于以下几点:
- 1.每一个VLAN交换机端口需要绑定一个VLAN id;
- 2.每一个VLAN交换机端口处于下面三类中的一类:access,trunk,hybrid。
- 2.1.access端口:从此类端口收到的数据帧是不打tag的,从此类端口发出的数据帧是不打tag的;
- 2.2.trunck端口:从此类端口收到的数据帧打着tag,从此类端口发出的数据帧需要打tag(不考虑缺省VLAN的情况);
- 2.3.hybrid端口:略
我
们实则没有必要去深究Cisco/H3C的命令以及到底那三类端口类型有何区别,之所以有三类端口类型完全是为了将VLAN的概念(最终的IEEE
802.1q标准)很方便的用起来。说白了,trunk端口的存在是因为不得已,因为有属于多个VLAN的数据帧要通过单一的物理链路,不打tag是无法
区分各自属于哪个VLAN的,于是就有了IEEE
802.1q这个标准,定义了一个tag插入到以太帧中,为了使这个理论性的东西被使用起来,厂商便定义了一系列的概念性的东西,比如和tag相关的链路
就是trunk链路之类。
于是乎,我们可以完全抛开任何的配置命令,抛开任何厂商定义的东西,完全按照IEEE
802.1q标准以及我们的需求来理解VLAN,这样下来之后,你绝对可以在Linux上完美实现任何VLAN配置了。首先我们定义一下我们的需求以及满
足该需求的网络拓扑,关键看如何接线。
1.情况一.同一VLAN内部通信1.1.同一交换机同一VLAN的不同端口进行通信1.2.不同交换机的不同端口进行通信
2.情况二.不同VLAN之间通信2.1.同一交换机不同VLAN之间进行通信
2.2.不同交换机的不同VLAN进行通信
从
上述1.2可以看出,为了节省线缆和避免环路,两个VLAN交换机的两个端口之间的同一条链路需要承载不同的VLAN数据帧,为了使彼此能够识别每个数据
帧到底属于哪个VLAN,十分显然的办法就是为数据帧打上tag,因此上述1.2中的端口J和端口K之间的链路上的数据帧需要打tag,端口J和端口K都
同属于两个VLAN,分别为VLAN m和VLAN
n。换句话说,只要一个端口需要传输和接收属于多个VLAN的数据帧,那么从该端口发出的数据帧就要打上tag,从该端口接收的数据帧可以通过tag来识
别它属于哪个VLAN,用Cisco/H3C等厂商的术语来讲,它就是trunk端口,两个trunck端口之间的链路属于trunk链路。我们知道,一般而言,我们的PC机直接连接在常规二层交换机或者支持VLAN的交换机端口上,而我们的PC机发出的一般都是常规的以太网数据帧,这些数据
帧是没有tag的,它们可能根本不知道802.1q为何物,然而VLAN存在的目的就是把一些PC机划在一个VLAN中,而把另一些PC机划在另一个
VLAN中从而实现隔离,那么很显然的一种办法就是将支持VLAN的交换机的某些端口划在一个VLAN,而另一些端口划在另一个VLAN中,一个VLAN
的所有端口其实就形成了一个逻辑上的二层常规交换机,同属于一个VLAN的PC机连接在划在同一个VLAN的端口上,为了扩展VLAN,鉴于单台交换机端
口数量的限制,需要级联交换机,那么级联链路上则同时承载着不同VLAN流量,因此级联链路则成为trunk链路,所有不是级联链路的链路都是直接链路,
用厂商术语来讲就是access链路(注意,这里暂且不谈hybrid),自然而然的,access链路两端的端口都是和tag无关的,只需要做到“没有
tag直通,有tag去掉即可”,因此它可以连接PC机或者常规交换机以及VLAN交换机的非trunk端口。
VLAN的内容基本也就是以上那些了,分为三部分:
1.设计目的;隔离广播域,节省物理设备,隔离安全策略域
2.IEEE 802.1q;为扩展VLAN的级联方案提供了一个标准的协议
3.如何使用VLAN;将某些端口划为一个VLAN,基于MAC地址什么的...
其实,至于怎么划分VLAN,标准中并没有给出什么硬性的规定,只要能够保证属于同一VLAN的端口完全否则IEEE 802系列的标准即可,换句话说就是属于同一VLAN的所有交换机的所有同一VLAN的端口完全就是一个以太网即可,透传以太帧。到此为止,我们基本上已经忘了配置trunk,access,基于端口划VLAN的命令了,脑子里面留下的只是VLAN的核心概念,使用这些核心的概念,
我们就可以在Linux上配置完整的VLAN方案了,如果你去硬套Cisco的配置,那么结果只是悲哀。比如如果你问:如何在Linux上配置端口为
access,如何在Linux上将某些网卡划到一个VLAN...
理解Linux Bridge的都知道,Linux本身就可以实现多个Bridge设备,因为Linux的Bridge是软的,所以一个Linux
Box可以配置多个逻辑意义的Bridge,而多个Bridge设备之间必须通过第三层进行通信,加之第三层正是以太网的边界,因此一个Linux
Box也就可以模拟多个以太网了,不同的Bridge设备就可以代表不同的VLAN。第二部分:Linux上的VLAN
Linux
上的VLAN和Cisco/H3C上的VLAN不同,后者的VLAN是现有了LAN,再有V,也就是说是先有一个大的LAN,再划分为不同的VLAN,而
Linux则正好相反,由于Linux的Bridge设备是被创建出来的逻辑设备,因此Linux需要先创建VLAN,再创建一个Bridge关联到该
VLAN,创建VLAN很简单:
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 10
ifconfig eth0.10 up
当
使用vconfig创建了eth0.10之后,它就是一个“真实意义”的虚拟网卡设备了,类似br0,tap0,bond0之类的,在这个虚拟网卡之下绑
定的是一个真实网卡eth0,也就是数据从eth0这块真实网卡发出,eth0.10中的“.10”表示它可以承载VLAN
10的数据帧,并且在通过eth0发出之前要打上tag。那么打tag这件事自然而然就是通过eth0.10这个虚拟设备的hard_xmit来完成的,
在这个hard_xmit中,打上相应的tag后,再调用eth0的hard_xmit将数据真正发出,如下图所示:因此一个真实的物理网卡比如ethx,它可以承载多个VLAN的数据帧,因此它就是trunk端口了,如下所示:
Linux
的VLAN工具vconfig采用ethx.y的方式以ethx为trunk端口加入VLAN
id为y的VLAN中。类比Cisco/H3C,我们已经创建了trunk,总结一下:使用vconfig创建一个ethx.y的虚拟设备,就创建了一个
trunk,其中ethx就是trunk口,而y代表该trunk口连接的trunk链路可以承载的VLAN数据帧的id,我们创建
ethx.a,ethx.b,ethx.c,ethx.d,就说明ethx可以承载VLAN a,VLAN b,VLAN c,VLAN d的数据帧。
接下来,我们看一下如何创建access端口。首先注意,由于Linux的Bridge是虚拟的,逻辑意义的,因此可以先创建了VLAN之后,再根据这个VLAN动态的创建Bridge,而不是“为每一个端口配置VLAN id”,我们需要做的很简单:
创建VLAN:
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 10
ifconfig eth0.10 up
为该VLAN创建Bridge:
brctl addbr brvlan10
brctl addif brvlan10 eth0.10
为该VLAN添加网卡:
ifconfig eth1 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan10 eth1
ifconfig eth2 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan10 eth2
...
这
就完了。从此,eth1和eth2就是VLAN
10的access端口了,而eth0则是一个trunk端口,级联VLAN的时候要用到,如果不需要级联VLAN,而仅仅需要扩展VLAN
10,那么你大可将eth1连接在一个二层常规交换机或者hub上...同样的,你可以再创建一个VLAN,同样通过eth0来级联上游VLAN交换机:
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 20
ifconfig eth0.20 up
brctl addbr brvlan20
brctl addif brvlan20 eth0.20
ifconfig eth5 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan20 eth5
如下图所示:这
下基本就搞定了Linux上VLAN的配置,接下来还有一个内容,那就是VLAN之间的通信。这个知识点最简单了,那就是使用路由,为此很多人把支持
VLAN的三层交换机和路由器等同起来。既然使用路由就需要一个IP地址作为网关,那么如何能寻址到这个IP地址自然就是一个不可回避的问题,我们要把这
个IP配置在哪里呢?可以肯定的是,必须配置在当前VLAN的某处,于是我们有多个地方可以配置这个IP:
1.同属于一个VLAN的路由器接口上,且该路由器有到达目的VLAN的路由(该路由器接口为trunk口)。2.同属于一个VLAN的ethx.y似的虚拟接口上,且该Linux Box拥有到指定VLAN a的路由(最显然的,拥有ethx'.a虚拟接口)。
3.同属于一个VLAN的Bridge设备上(Linux的Bridge默认带有一个本地接口,可以配置IP地址),且该Linux Box拥有到指定VLAN a的路由(最显然的,拥有ethx'.a虚拟接口或者目标VLAN的Bridge设备)。
其中的1和2实际上没有什么差别,本质上就是找一个能配置IP地址的地方,大多数情况下使用2,但是如果出现同一个VLAN在同一个Linux Box配置了两个trunk端口,那么就要使用Bridge的地址了,比如下面的配置:
brctl addbr brvlan10
brctl addif brvlan10 eth0.10
brctl addif brvlan10 eth1.10
ifconfig brvlan10 up
此
时有两个ethx.y型的虚拟接口,为了不使路由冲突,只能配置一个IP,那么此IP地址就只能配置在brvlan10上了。不管配置在Bridge上还
是配置在ethx.y上,都是要走IP路由的,只要MAC地址指向了本地的任意的一个接口,在netif_receive_skb调用
handle_bridge的时候都会将数据帧导向本地的IP路由来处理。Linux作为一个软件,其并没有原生实现硬件cache转发,因此对于
Linux而言,所谓的三层交换其实就是路由。我们看一下一个被打上tag的数据帧什么时候脱去这个tag,在定义上,它是从access端口发出时脱去的,然而在语义上,只要能保证access端口
发出的数据帧不带有tag即可,因此对于何时脱去tag并没有什么严格的要求。在Linux的VLAN实现上,packet_type的func作为一个
第三层的处理函数来单独处理802.1q数据帧,802.1q此时和IP协议处于一个同等的位置,VLAN的func函数vlan_skb_recv正如
IP的处理函数ip_rcv一样。在Linux实现的VLAN中,只有当一个端口收到了一个数据帧,并且该数据帧是发往本地的时候,才会到达第三层的
packet_type的func处理,否则只会被第二层处理,也就是Bridge逻辑处理,Linux的原生Bridge实现并不能处理802.1q数
据帧,甚至都不能识别它。整个trunk口收发数据帧,IEEE 802.1q帧处理,以及VLAN间通信的示意图如下:到
此为止,Linux的VLAN要点基本已经说完了,有了这些理解,我想设计一个单臂Linux
Box就不是什么难事了,单臂设备最大的优势就是节省物理设备,同时还能实现隔离。这个配置不复杂,如果不想用VLAN实现的话也可以用ip addr
add dev ...增加虚拟IP的方式来实现,然而用VLAN实现的好处在于可以和既有的三层交换机进行联动,也可以直接插在支持标准的IEEE
802.1q的设备的trunk口上。机制搭台,策略唱戏。既然VLAN的实现机制已经了然于胸了,那么它的缺点估计你也看到了,如何去克服呢?PVLAN说实在的是一个VLAN的替代方案。
解决了VLAN间的IP网段隔离问题,我们在Linux上如何实现它呢?这倒也不难,无非就是在LAN上添加一些访问控制策略罢了,完全可以用纯软件的方
式来实现,甚至都可以用ebtables/arptables/iptables来实现一个PVLAN。如果说VLAN是一个硬实现的VLAN的话,那么
PVLAN纯粹是一个软实现的VLAN,甚至都不需要划分什么VLAN,大家都处于一个IP网段,只需要配置好访问控制策略即可,使得同一IP子网的
Host只能和默认网关通信,而之间不能通信,所以说,即使你不知道“隔离VLAN”,“团体VLAN”之类的术语,实际上你已经实现了一个PVLAN
了。第三部分:几点总结
1.你需要首先规划出你的网络拓扑而不是先去研究VLAN在Linux上如何配置以及如何实现;
2.你需要深入理解VLAN设计的初衷,该配置哪些东西;
3.你需要知道对于VLAN哪些概念是核心,哪些概念并不是必须的。
4.不管基于什么平台配置VLAN,只有两点是必须的:a.哪些端口属于哪个VLAN;b.哪个端口是级联端口,属于多个VLAN。
5.其它的都不用去死记硬背,都是浮云...
其他
参考
http://www.h3c.com.cn/Products___Technology/Technology/LAN/Other_technology/Technology_recommend/200805/605887_30003_0.htm
http://blog.csdn.net/dog250/article/details/7354590
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