交换机VLAN的定义、意义以及划分方式

什么是VLAN

虚拟网技术（VLAN，Virtual Local Area Network）的诞生主要源于广播。广播在网络中起着非常重要的作用，如发现新设备、调整网络路径、IP地址租赁等等，许多网络协议都要用到广播，如。然而，随着网络内计算机数量的增多，广播包的数量也会急剧增加，当广播包的数量占到通讯总量的30%时，网络的传输效率将会明显下降。所以，当局域网内的计算机达到一定数量后（通常限制在150~200台以内），通常采用划分VLAN的方式将网络分隔开来，将一个大的广播域划分为若干个小的广播域，以减小广播可能造成的损害。

如何分隔大的广播域呢？最简单的方案就是物理分隔，即将一个完整的网络物理地分隔成两个或多个子网络，然后，再通过一个能够隔离广播的路由设备将彼此连接起来。除了物理分隔的方法之外，就是在交换机上采用逻辑分隔的方式，将一个大的局域网划分为若干个小的虚拟子网（如图2所示），即VLAN，从而使每一个子网都成为一个单独的广播域，子网之间进行通信必须通过三层设备。当VLAN在交换机上划分后，不同VLAN间的设备就如同是被物理地分割。也就是说，连接到同一交换机、然而处于不同VLAN的设备，就如同被物理地连接到两个位于不同网段的交换机上一样，彼此之间的通信一定要经过路由设备，否则，他们之间将无法得知对方的存在，将无法进行任何通信?

虽然划分VLAN的方式有许多种，但是，使用最多的仍然是基于端口的VLAN。不同厂商的交换机大多支持以下几种VLAN的划分方式：

1. 基于端口的VLAN

基于端口的VLAN是最常使用的划分VLAN的方式，几乎被所有的交换机所支持。所谓基于端口的VLAN，是指由网络管理员使用网管软件或直接设置交换机，将某些端口直接地、强制性地分配给某个VLAN。除非网管人员重新设置，否则，这些端口将一直保持对该VLAN的从属性，即属于该VLAN，因此，这种划分方式也称为静态VLAN。这种方法虽然在网络管理员进行VLAN划分操作时会比较麻烦，但相对安全，并且容易配置和维护。同时，由于不同VLAN间的端口不能直接相互通讯，因此，每个VLAN都有自己独立的生成树。此外，交换机之间在不同VLAN中可以有多个并行链路，以提高VLAN内部的交换速率，增加交换机之间的带宽。

需要注意的是，不仅可以将同一交换机的不同端口划分为同一VLAN，而且还可以设置跨越交换机的VLAN（如图3所示），即将不同交换机的不同端口划分至同一VLAN，这就完全解决了位于不同物理位置、连接至不同交换机中的用户如何使之处于同一VLAN的难题。例如，在一个拥有数百台计算机的校园网中，为了提高网络传输效率，可以将所有用户划分为行政和教学两个VLAN。虽然各学院、系、教研室位于不同的建筑物内，连接至不同的交换机，但仍然能够根据其连接的端口将其划分至同一VLAN。

需要注意的是，如果交换机某端口连接至一个集线器，那么，该集线器以及其连接的所有计算机都将属于该端口的VLAN。

2. 基于MAC的VLAN

所谓基于MAC的VLAN，是指借助智能管理软件根据MAC地址来划分VLAN。该划分方式一般用在每一交换机端口只连接一个终端的情况。也就是说，当端口连接至集线器或交换机时，该种划分方式并不适用。端口借助网络包的MAC地址、逻辑地址或协议类型来确定其VLAN的从属，将端口划分至不同VLAN。当一网络节点刚连接到交换机时，此时交换机端口尚未分配，于是，交换机通过读取网络节点的MAC地址，动态地将该端口划入某个虚拟网。一旦网管人员配置好后，用户的计算机就可以随意改变其连接的交换机端口，而不会由此而改变自己的VLAN。当网络中出现未定义的MAC地址，交换机可以按照预先设定的方式向网管人员报警，再由网管人员作相应的处理。例如，网络管理员有一台笔记本电脑，由于工作性质的关系，他需要经常到各部门联机工作。当该笔记本电脑从端口A移动到端口B时，交换机能够自动识别经过端口B的源MAC地址，自动把端口A从当前VLAN中删除，而把端口B定义到当前VLAN中。这种定义方法的优点是当终端在交换式网络中移动时，不必重新定义虚拟网，交换机能够自动进行识别和定义。因此，基于MAC的VLAN也称为动态VLAN。由于MAC地址具有世界唯一性，因此，该VLAN划分方式的安全性也较高。

3. 基于IP的VLAN

所谓基于IP的VALN，是指根据IP地址来划分的VLAN。交换机属OSI第二层，因此，普通交换机不能识别帧中的网络层报文，但随着第三层交换机的出现，将第二层的交换功能和第三层的路由功能结合在一起，从而使交换机也能够识别网络层报文，可以使用报文中的IP地址来定义VLAN。因此，当某一用户设置有多个IP地址时，或该端口连接到的集线器中拥有多个TCP/IP用户时，通过基于IP的VLAN，该用户或该端口就可以同时访问多个虚拟网。在该模式下，位于不同VLAN的多个部门（每种业务设置成一个虚拟网）均可同时访问同一台网络服务器，也可以同时访问多个虚拟网的资源，还可让多个虚拟网间的连接只需一个路由端口即可完成。这种定义方法的优点是当某一终端使用的网络层协议或IP地址改变时，交换机能够自动识别，重新定义VLAN，不需要管理员干预。但由于IP地址可以人为地、不受约束地自由设置，因此，使用该方式划分VLAN也会带来安全上的隐患。

4. 基于组播的VLAN

组播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一。在多媒体应用中，当需要将一个节点的多媒体信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播的方式，都会严重浪费网络带宽，而只有组播才是最好的选择。组播能够使一个或多个发送者将帧发送给组地址，而不是单个主机。其中，那些希望参加某一特定组的接收者，需要将含有组地址的IGMP“加入消息”发送给最邻近的路由器，然后，路由器使用多点广播路由协议（例如DVMRP、PIM等）建立从源到所有接收者的分发树。接收者在任何时候都可以动态地参加或离开某个多点广播组。支持IP多点广播的应用包括：音频/视频会议、“push”技术（如股票行情、运动记分、报文）和虚拟现实游戏。基于组播的VLAN，就是动态地把那些需要同时通信的端口定义到一个VLAN中，并在VLAN中用广播的方法解决点对多点通信的问题。

VLAN的重要意义

VLAN中的成员与其物理位置无关，既可连接至同一台交换机，也可连接至不同交换机。

● 降低移动和变更的管理成本

使用VLAN，当需要把一台计算机从一个子网转移到另一个子网时，只需在交换机上重新定义一下VLAN成员即可。尤其是在采用MAC地址动态划分VLAN时，当用户将计算机从一个交换机端口移动到另一个交换机端口，由于其网卡的MAC地址并不改变，所以，交换机能够自动跟踪该终端的MAC地址，并自动将其纳入定义的VLAN中。

● 控制广播

由于所有的广播都只在本VLAN内进行，而不再扩散到其他VLAN上，所以，把校园网络适当地划分成若干较小的VLAN，将大大减少广播对网络带宽的占用，从而提高网络传输效率，并有效地避免广播风暴的产生以及在整个网络的蔓延。

● 支持多媒体技术和高效组播控制

组播技术是支持多媒体应用的有效手段，在交换机中用组播组动态定义VLAN，并自动把组播报文只复制给同一VLAN中的终端，大大提高了多媒体数据传输的实时性，更有效地使用了带宽，降低了网络因拥挤而阻塞的可能性。

● 增强安全性

由于交换机只能在同一VLAN内的端口之间交换数据，不同VLAN的端口不能直接相互访问。同时，可以在Trunk（中继）中设置允许访问的VLAN，从而限制未经允许的VLAN访问，保证VLAN只被授权的用户访问。因此，通过划分VLAN，可以有效地提高网络安全性，防止某些非授权用户对敏感数据的访问。

● 网络监督和管理的自动化

由于可以通过网管软件查看VLAN间和VLAN内的各类通信信息，而这些信息对于确定网络拓朴与路由，以及设置服务器的位置都十分有用。通过划分VLAN，可以使网络管理变得更简单、更轻松、更有效。

实现VLAN需要的设备

若欲在校园网络中实现VLAN，首先需要支持VLAN的交换机。当然，并不要求所有的交换机都支持VLAN，但是，网络内必须至少有一台交换机支持VLAN，否则，VLAN的划分就是不可能的。在选择支持VLAN的设置时，应当注意以下几个方面的问题：

第一，中心交换机必须支持VLAN，并且拥有三层交换功能。由于VLAN之间的通讯必须借助三层设备才能实现，因此，如果没有三层设备，VLAN的划分将失去其原有的意义。原因很简单，我们的目的不是阻隔通信，而是试图使通信变得更快捷、更安全。若欲实现VLAN间的无阻塞线速传输，就必须采用集网桥和路由于一身的三层交换机，而不能采用传输的路由器。否则，VLAN间的传输将成为制约网络效率的瓶颈。

第二，若欲在一台交换机上划分两个或两个以上的VLAN，那么，该交换机也必须支持VLAN划分功能。如果交换机上只有一个VLAN，那么，完全可以将该VLAN划分在第三层交换机或所级联交换机的端口上。但是，如果若欲在交换机划分两个以上的VLAN，那么，该交换机就必须是可网管的，而且必须支持VLAN。

第三，网络内所有划分有VLAN的交换机必须支持同一种VLAN和中继协议，即IEEE 802.1Q和802.3ad网络协议。否则，将无法实现VLAN在不同交换机之间的跨越。

第四，应当尽量采用同一品牌的交换机，以保证产品和技术的兼容性，并可采用同一网络管理软件，实现对网络设备的统一管理，简化网络配置操作。尽管不同厂商都执行相同的国际标准和协议，但同时也大量采有独特的协议和技术（如Cisco的ISL），因此，在交换机间实现VLAN中继时，会遇到许多困难，产生许多莫名其妙的通信故障。所以，对于大中型校园网络而言，为了将来管理上的方便，应当尽量购置相同品牌的产品。

作为网络核心的模块化三层交换机价格较高，国产产品（如神洲数码、华为、海湾、等）大致在20万，美国产品如（Cisco、3Com、Foundry、Bay等）产品则通常在25万。作为分布层的骨干交换机价格相对便宜，国产大致3.5万，美产大致在5万。用于实现计算机接入的、支持VLAN的可网管工作组交换机，国产大致4000元，美产大致1.2万左右。