数据链路层-第十一节：虚拟局域网VLAN概述和实现机制

Posted 2023-03-08 快乐江湖

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了数据链路层-第十一节：虚拟局域网VLAN概述和实现机制相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

一：VLAN概述
- （1）分割广播域
- （2）虚拟局域网VLAN
二：VLAN实现机制

本节对应视频如下

【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】：虚拟局域网VLAN概述：对应“一：VLAN概述”
【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】：虚拟局域网VLAN的实现机制对应：“二：VLAN实现机制”

一：VLAN概述

（1）分割广播域

分割广播域：以太网交换机工作在数据链路层(也包括物理层)，使用一个或多个以太网交换机互连起来的交换式以太网，其所有站点都属于同一个广播域。随着交换式以太网规模的扩大，广播域相应扩大。巨大的广播域会带来很多弊端

广播风暴：广播风暴会浪费网络资源和各主机的CPU资源
难以管理和维护
潜在的安全问题

事实上，网络中会频繁出现广播信息

TCP/IP协议栈中的很多协议都会使用广播
- 地址解析协议ARP ：已知IP地址，找出其相应的MAC地址
- 路由信息协议RIP ：一种小型的内部路由协议
- 动态主机配置协议DHCP ：用于自动配置IP地址
NetBEUI：Widnows下使用的广播型协议
IPX/SPX： Novell网络的协议栈
Apple Talk：Apple公司的网络协议栈

分割广播域的方法

使用路由器隔离广播域： 路由器工作网络层，在默认情况下不会对广播数据包进行转发，因此路由器很自然的可以用来隔离广播域；但是路由器成本较高，所以局域网内部全部使用路由器来隔离广播域是不显示的
虚拟局域网技术VLAN应运而生： 下面介绍

（2）虚拟局域网VLAN

虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Network）：是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求

如下图所示，一、二、三楼分别有一个局域网，可将它们通过另外一个交换机互连成一个更大的局域网，那么原来每一个局域网就成为现在这个局域网的一个网段。网络中的各主机属于同一个广播域，某个主机发送的广播数据包，其他所有数据都可以收到

根据应用需求，我们将该局域网划分为两个VLAN：VLAN1和VLAN2，此后VLAN1中的广播数据包不会送到VLAN2、VLAN2中的广播数据包也不会送到VLAN1。也就是说，同一个VLAN内部可以通信，不同VLAN之间不能通信

二：VLAN实现机制

VLAN实现机制：要想实现VLAN，则要求交换机能够实现以下两大功能

能够处理带有VLAN标记的帧（IEEE802.1Q帧）：
交换机各端口可以支持不同的端口类型：

（1）IEEE802.1Q帧

IEEE802.1Q帧：也称之为Dot One Q帧，它对以太网的MAC帧进行了扩展，插入了4字节的VLAN标记

如下图分别是以太网V2的MAC帧（最大长度为1518字节）和插入VLAN标记后的802.1Q帧（最大长度1522字节）

VLAN标记的最后12比特称之为VLAN标识符VID，它唯一地标识了以太网帧属于哪一个VLAN

VID取值范围是0~4095
其中0和4095都不用来表示VLAN，因此VLAN有效取值范围是1~4094

需要注意的是，802.1Q帧是由交换机来处理的，而不是用户主机来处理的

打标签：当交换机收到普通的以太网帧时，会将其插入4字节的VLAN标记转变为802.1Q帧
去标签：当交换机转发802.1Q帧时，可能会删除其4字节VLAN标记转变为普通以太网帧

（2）交换机端口类型

交换机端口类型：有以下三种

Access
Trunk
Hybrid（思科交换机没有此端口）

交换机各端口的缺省VLAN ID

在思科交换机. 上称为Native VLAN,即本征VLAN
在华为交换机上称为Port VLAN ID,即端口VLAN ID,简记为PVID（下面使用PVID进行描述）

A：Access端口

①：概述

Access端口：Access端口一般用于连接用户计算机，只能属于一个VLAN，其PVID值与端口所属VLAN的ID相同（默认为1）

Access端口接收处理方法：一般只接受“未打标签”的普通以太网MAC帧。根据接收帧的端口的PVID给帧“打标签”，即插入4字节VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相等。如下图
Access端口发送处理方法：若帧中的VID与端口的PVID相等，则“去标签”并转发该帧，否则不转发。如下图

②：应用举例

如下图，我们的应用需求是将主机A和主机B划归到VLAN2、将主机C和主机D划归到VLAN3，这样VLAN2中的广播帧不会传送到VLAN3、VLAN3中的广播帧也不会传送到VLAN2。为实现这样的需求，可以在交换机上创建VLAN2和VLAN3，然后

将端口1和2划归到VLAN2，也即端口1和2的PVID取值为2
将端口3和4划归到VLAN3，也即端口3和4的PVID取值为3

我们来看一下主机A发送广播帧时的情况

该帧从交换机的端口1进入交换机，由于端口1的类型是Access，所以会对接收到未打标签的普通以太网MAC帧打标签，也即插入4字节的VLAN标记字段
由于端口1的PVID值为2，因此所插入的4字节VLAN标记字段中的VID值也等于2
广播帧中的VID取值与端口2的PVID取值都等于2，因此，交换机会从端口2对帧进行去标签转发

我们来看一下主机C发送广播帧时的情况

该帧从交换机的端口3进入交换机，由于端口3的类型是Access，所以会对接收到未打标签的普通以太网MAC帧打标签，也即插入4字节的VLAN标记字段
由于端口3的PVID值为3，因此所插入的4字节VLAN标记字段中的VID值也等于3
广播帧中的VID取值与端口4的PVID取值都等于3，因此，交换机会从端口4对帧进行去标签转发

B：Trunk端口

①：概述

Trunk端口：一般用于交换机之间或路由器之间的互连。它可以属于多个VLAN，也就是说Trunk端口可以接收和发送多个VLAN的帧。用户可以设置Trunk端口的PVID值，默认情况下，Trunk端口的PVID取值为1

Trunk端口发送处理方法：
- 对VID等于PVID的帧：“去标签” 再转发
- 对VID不等于PVID的帧：直接转发
Trunk端口接收处理方法：
- 接收未打标签的帧：根据接收帧的端口的PVID给帧打标签，即插入4字节VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相等
- 接收已打标签的帧：

②：应用举例

如下图所示，两台交换机互连而成了一个交换式以太网，我们的应用需求是将主机A、B、E和F划归到VLAN1、将主机C、D、G和H划归到VLAN2

在两个交换机上创建VLAN2，并将它们的端口3和4都划归到VLAN2，其相应的PVID值等于2，两个交换机端口1和2保持默认配置即可
两个交换机互连的端口5，需要将其类型更改为Trunk类型，PVID保持默认的1

我们来看一下主机A发送广播帧时的情况

该帧从交换机的端口1进入了交换机，由于端口1的类型是Access，所以会对接收到未打标签的普通以太网MAC帧打标签，也即插入4字节的VLAN标记字段
由于端口1的PVID值为1，因此所插入的4字节VLAN标记字段中的VID值也等于1
该广播帧中VID的取值与端口2的PVID取值相等，都等于1
端口2的类型是Access，因此，交换机1会从端口2对帧进行去标签转发
该广播帧中VID的取值与端口5的PVID取值相等，都等于1
端口5的类型是Trunk，因此，交换机1会从端口5对帧进行去标签转发
很显然，该广播帧会从交换机2的端口5进入交换机
交换机2会对接收到的未打标签的普通以太网MAC帧打标签，也即插入4字节的VLAN标记字段
由于端口5的PVID值等于1，因此所插入的4字节VLAN标记字段中的VID值也等于1
该广播帧中VID的取值与端口1和2的PVID取值相等，都等于1
端口1和2的类型是Access，因此交换机2会从端口1和2对帧进行去标签转发

我们来看一下主机C发送广播帧时的情况

该帧从交换机的端口3进入了交换机，由于端口3的类型是Access，所以会对接收到未打标签的普通以太网MAC帧打标签，也即插入4字节的VLAN标记字段
由于端口3的PVID值为2，因此所插入的4字节VLAN标记字段中的VID值也等于2
该广播帧中VID的取值与端口4的PVID取值相等，都等于2
端口4的类型是Access，因此，交换机1会从端口4对帧进行去标签转发
该广播帧中VID的取值与端口5的PVID取值不相等，所以会直接转发
很显然，该广播帧会从交换机2的端口5进入交换机
Trunk端口接收已打标签的802.11Q帧
该广播帧中VID的取值与端口3和4的PVID取值相等，都等于2
端口3和4的类型是Access，因此交换机2会从端口3和4对帧进行去标签转发

C：Hybrid端口

Hybrid端口：Hybrid端口既可以用于交换机之间或交换机与路由器之间的互连（与Trunk端口相同），也可以用于交换机与用户计算机之间的互连（与Access端口相同），除此之外，Hybrid端口的绝大部分功能与Trunk端口相同，不同在于Hybrid端口的发送处理方法。Hybrid端口会查看帧的VID是否在端口的去标签列表中

若存在：则去标签后再转发
若不存在：则直接转发

如下图，主机A、B、C连接在同一个交换机的不同接口上。利用Hybrid端口的功能实现“A和B都能与C相互通信，但A与B不能相互通信”。我们可以将这三台主机所连接的交换机的三个端口划分到不同VLAN，并且端口类型设置为Hybrid，假设这三个VLAN分别是VLAN10、VLAN20和VLAN30，PVID分别是10、20和30