简洁易懂说VLAN

简洁易懂说VLAN

1. VLAN概述

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虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN），VLAN最主要的作用是分割局域网中广播域。传统交换机组成的LAN中，往往包含了成千上万的主机，当主机越来越多时广播帧对网络的影响将会越来越严重，造成网络传输性能下降。VLAN的出现使得这一问题得到了解决，因此VLAN的提出主要是用来分割广播域，使得一个VLAN对应一个广播域，不同VLAN之间不通过路由或者三层交换设备无法进行通信，使得广播域减小对网络的影响大幅度下降，增强了网络的灵活性和易用性。

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2. VLAN原理

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从第一节可以看出，VLAN是属于二层的一种标准，因此VLAN主要应用于交换机。VLAN的端口访问类型为访问链接和汇聚链接两种类型。
2.1 访问链接
访问链接(Access Link)，指的是端口类型为访问链接的，仅转发数据给当前端口所属的VLAN，访问链接类型端口通常与客户机相连。设置访问链接的方法分为静态VLAN和动态VLAN。
2.1.1 静态VLAN
静态VLAN又被称为基于端口的VLAN。是指明确指定某个端口属于某个特定的VLAN的一种方法。由于需要将交换机每个端口都指定VLAN，因此当网络中的计算机数目过多（比如数百台）后，这种一一设定的操作就会变得很复杂；而且，客户机每次变更所连端口，必须同时修改该端口所属VLAN。这显然不适合需要频繁改变网络拓扑的网络。
2.1.2 动态VLAN
为了解决静态VLAN存在的上述问题， 提出了动态VLAN。动态VLAN根据每个端口所连接的客户机的信息随时改变所属的VLAN，来避免静态VLAN的需要频繁变更VLAN标识的操作。动态VLAN分为三类，具体如下：

(1) 基于MAC地址的VLAN

　　基于MAC地址的VLAN，通过查询并记录端口所连接的主机MAC地址来决定端口属于哪个VLAN。如主机A的MAC地址被设定为VLAN10，那么不论主机A连接在交换机的哪个端口A都会被划分到VLAN10中，即主机A连接1端口时，1端口属于VLAN10，连接2端口时，2端口属于VLAN10，以此类推。由于该划分方法基于MAC地址划分来决定VLAN所属，在设定时必须调查所连接的所有计算机的MAC，并且如果主机更换了网卡或MAC地址还是需要再更改配置。该方法属于OSI参考模型二层设定访问链接的方法。

(2) 基于IP地址的VLAN

　　基于IP地址的VLAN，通过所连接的计算机IP地址来划分VLAN所属。不像基于MAC地址的VLAN，即使主机更换了网卡，只要其MAC地址不变就可以加入原先的VLAN中。该方法属于OSI参考模型三层设定访问链接的方法。

(3) 基于用户的VLAN

　　基于用户的VLAN，则是根据当前交换机各个端口所连接的主机当前登录的用户，来区分VLAN所属。这里的用户，一般是指计算机的操作系统用户。该方法属于OSI参考模型四层设定访问链接的方法。
一般而言，决定端口所属VLAN时使用的信息所属层次越高，对构建VLAN网络就越灵活。

2.2汇聚链接
　　访问链接主要用来单个交换机的VLAN所属时的设置。如果需要设置跨越多台交换机的VLAN时，如果使用访问链接，则不同VLAN之间都需要使用网线来实现互联。如果VLAN数目很多，浪费了网线不说也占有了交换机的大量端口来实现VLAN互联，这是对交换机端口资源的一种浪费，同时也限制了网络的扩展。
为了避免上述情况发生，提出了一种新的端口链接类型，即汇聚链接（Trunk Link）。链接类型为汇聚链接的端口能够转发多个不同VLAN之间的数据包。这种情况下要构建多台交换机组成VLAN网络只需将相连接的交换机端口设置为汇聚链接类型即可。不需要像访问链接那样针对不同的VLAN进行链接，从而提高交换机的端口利用率。
在交换机的汇聚链接上，通过对数据帧附加VLAN信息，构建跨越多台交换机的VLAN。附加VLAN信息的方法最具代表性的有如下两种：
(1) ISL
　　ISL即Inter Switch Link，是Cisco产品支持的一种在汇聚链路上增加的VLAN协议，由于该方式是属于Cisco私有，故不做深入介绍。
(2) IEEE 802.1Q
　　IEEE 802.1Q，是经过IEEE工作组认证的对数据帧附加VLAN识别信息的一种协议。802.1Q的数据帧结构与以太帧结构对比如图2.1所示。

图 2.1 以太帧与802.1Q帧结构对比图
　　

　　IEEE802.1Q协议通过在以太帧中增加4个字节的附加信息来作为VLAN识别信息。附加信息位于“源MAC”于“TYPE”字段之间。具体内容为2个字节的TPID（Tag Protocol IDentifier）和2个字节的TCI（Tag Control Information）。TPID字段的固定值为0x8100表明以太帧使用了802.1Q协议。通过识别该字段判断是否为VLAN数据帧。TCI中主要包含了三个子字段分别为PRIO、CFI和VLAN ID。其中：
　　① PRIO占3bit，表示报文的优先级，分为8个等级，取值0到7，7为最高优先级，0为最低优先级。
　　② CFI为规范格式指示符标识，占1bit，为0表示规范格式，应用于以太网；为1表示非规范格式，应用于Toekn Ring。
　　③ VLAN ID占12位，用于表示VLAN的归属，最多可以识别4096个VLAN即VLAN0到VLAN4095，由于VLAN0和VLAN4095保留，因此最多有4094个VLAN。
　　VLAN数据包结构如图2.2所示。图中红色部分带有VLAN标识的数据。
　　

图2.2 VLAN数据包结构

3. VLAN通信机制

　　VLAN通信分为VLAN内的通信和VLAN之间的通信。

3.1 VLAN内通信

　　VLAN内的通信如图3.1所示。

　图3.1 VLAN内通信

　　如图3.1中，主机A与主机B同属于VLAN1，主机C与主机D同属于VLAN2。当主机A与主机B通信时，首先主机A会广播ARP请求获取主机B的MAC地址，由于主机A与主机B在同一VLAN内，该ARP请求会被发送至主机B处，主机B收到ARP请求后，发送ARP回应给主机A告诉主机A它的MAC地址。此时主机A向主机B发送数据包到端口1经过交换机查询目的MAC可知，主机B连接在端口2上，并将数据包转发到端口2，此时主机B则收到了主机A的数据。表明主机A与主机B可以进行通信。

3.2 VLAN间通信

　　VLAN间通信指的是不同VLAN之间的主机进行通信。如图3.2所示，主机A与主机B属于同一VLAN自然能够进行通信。当主机A与主机C需要进行通信时，由于这两台主机属于不同的VLAN，意味着分属于不同的广播域。当主机A发送ARP广播获取主机C的MAC地址时，ARP请求到达不了主机C上就会被丢弃。因此VLAN间的通信无法在二层技术上完成，需要借助三层设备，路由器或者三层交换机。具体拓扑如图3.2所示。

图3.2 VLAN间通信

　　由于VLAN将交换机从逻辑上分为了多个虚拟的交换机，因此不同VLAN的IP应属于不同网段。假设VLAN1属于192.168.2.0/24网段，VLAN2属于192.168.3.0/24网段。当主机A与主机C通信时，首先主机A会发送数据到端口1，由于主机A与C属于不同VLAN属于不同网段，则需要将数据包发送网关上进行路由，此时交换机端口5链接类型为Trunk类型，表明该端口可以同时接收和发送VLAN1与VLAN2的数据包。因此将端口5与路由器相连，此时交换机会将该数据包发送到端口5上，由于为汇聚链接数据包发出时会被附加上VLAN1的标识，路由器收到该包时确认VLAN识别信息，得知该包时属于VLAN1的，因此交给路由器上提前设定好的VLAN1子接口接收处理该数据包；紧接着判断路由，由于主机C处于192.168.3.0/24网段，VLAN1子接口会将该数据包发往VLAN2子接口，由于是汇聚链接VLAN2子接口发送出去时会将该数据包附加上VLAN2的标识，发送到端口5上，此时只需将数据包转发到端口3处链接的主机C即可。综上所述，不同VLAN之间的通信即使双方链接在同一交换机上也必须经过“发送方 - 交换机 - 路由器 - 交换机 - 接收方”流程。其实质是不同网络之间的通信。
　　三层交换机处理VLAN间通信与路由器相似，三层交换机集成了路由功能因此可以不需要路由器就可以进行不同VLAN之间的数据通信，但其实质与路由器的情况类似，这里不再赘述。

4. VLAN总结

　　总的来说，VLAN划分是为了分割广播域，减小广播对网络影响。路由器的VLAN功能主要是为了与支持VLAN的交换机进行互联而设计的，其创建的VLAN子接口属于一种三层接口可以具有路由功能为不同VLAN间通信服务。各个VLAN子接口为各个VLAN网络中的网关，类似于传统LAN网络中的网关，这样才可以实现不同VLAN间主机通信。