VLAN概述

Posted 2020-06-23

1、基本概念：VLAN（虚拟局域网virtual LAN）是一种比较新的技术，工作在OSI模型的第二层和第三层，一个VLAN就是一个广播域，VLAN之间的通信是通过第三层的路由器来完成的。

VLAN的优势：1）、控制网络上的广播。2）、控制网络的安全性。3）、增加了网络连接的灵活性。

2、交换机的端口类型

（1）访问链接（Access Link）

（2）汇聚链接（Trunk Link）

3、访问链接（Access Link）

访问链接，指的是“只属于一个VLAN，且仅向该VLAN转发数据帧”的端口。在大多数情况下，访问链接所连的是客户机。

通常设置VLAN的顺序是：

（1）生成VLAN

（2）设定访问链接（决定各端口属于哪一个VLAN）

设定访问链接的手法，可以是事先固定的、也可以是根据所连的计算机而动态改变设定。前者被称为“静态VLAN”、后者自然就是“动态VLAN”了。

3.1、静态VLAN——基于端口

由于需要一个个端口地指定，因此当网络中的计算机数目超过一定数字（比如数百台）后，设定操作就会变得烦杂无比。并且，客户机每次变更所连端口，都必须同时更改该端口所属VLAN的设定——这显然不适合那些需要频繁改变拓补结构的网络。

3.2、动态VLAN

（1）基于MAC地址的VLAN（MAC Based VLAN）

（2）基于子网的VLAN（Subnet Based VLAN）

（3）基于用户的VLAN（User Based VLAN）

其间的差异，主要在于根据OSI参照模型哪一层的信息决定端口所属的VLAN。

4、汇聚链接（Trunk Link）

    汇聚链接（Trunk Link）指的是能够转发多个不同VLAN的通信的端口。汇聚链路上流通的数据帧，都被附加了用于识别分属于哪个VLAN的特殊信息。

    接下来，让我们具体看看汇聚链接是如何实现跨越交换机间的VLAN的。

    A发送的数据帧从交换机1经过汇聚链路到达交换机2时，在数据帧上附加了表示属于红色VLAN的标记。交换机2收到数据帧后，经过检查VLAN标识发现这个数据帧是属于红色VLAN的，因此去除标记后根据需要将复原的数据帧只转发给其他属于红色VLAN的端口。这时的转送，是指经过确认目标MAC地址并与MAC地址列表比对后只转发给目标MAC地址所连的端口。只有当数据帧是一个广播帧、多播帧或是目标不明的帧时，它才会被转发到所有属于红色VLAN的端口。

蓝色VLAN发送数据帧时的情形也与此相同。

   通过汇聚链路时附加的VLAN识别信息，有可能支持标准的“IEEE 802.1Q”协议，也可能是Cisco产品独有的“ISL（Inter Switch Link）”。如果交换机支持这些规格，那么用户就能够高效率地构筑横跨多台交换机的VLAN。

另外，汇聚链路上流通着多个VLAN的数据，自然负载较重。因此，在设定汇聚链接时，有一个前提就是必须支持100Mbps以上的传输速度。

    另外，默认条件下，汇聚链接会转发交换机上存在的所有VLAN的数据。换一个角度看，可以认为汇聚链接（端口）同时属于交换机上所有的VLAN。由于实际应用中很可能并不需要转发所有VLAN的数据，因此为了减轻交换机的负载、也为了减少对带宽的浪费，我们可以通过用户设定限制能够经由汇聚链路互联的VLAN。

5、.VLAN的汇聚方式——IEEE802.1Q与ISL

5.1 汇聚方式

在交换机的汇聚链接上，可以通过对数据帧附加VLAN信息，构建跨越多台交换机的VLAN。

附加VLAN信息的方法，最具有代表性的有：

（1）IEEE 802.1Q

（2）ISL

现在就让我们看看这两种协议分别如何对数据帧附加VLAN信息。

5.2 IEEE 802.1Q

    IEEE 802.1Q，俗称“Dot One Q”，是经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议。

在此，请大家先回忆一下以太网数据帧的标准格式。

IEEE 802.1Q所附加的VLAN识别信息，位于数据帧中“发送源MAC地址”与“类别域”（Type Field）之间。具体内容为2字节的TPID（Tag Protocol IDentifier）和2字节的TCI（Tag Control Information），共计4字节。

    在数据帧中添加了4字节的内容，那么CRC值自然也会有所变化。这时数据帧上的CRC是插入TPID、TCI后，对包括它们在内的整个数据帧重新计算后所得的值。

    而当数据帧离开汇聚链路时，TPID和TCI会被去除，这时还会进行一次CRC的重新计算。

TPID字段在以太网报文中所处位置与不带VLAN Tag的报文中协议类型字段所处位置相同。TPID的值固定为0x8100，它标示网络帧承载的802.1Q类型，交换机通过它来确定数据帧内附加了基于IEEE 802.1Q的VLAN信息。而实质上的VLAN ID，是TCI中的12位元。由于总共有12位，因此最多可供识别4096个VLAN。

    基于IEEE 802.1Q附加的VLAN信息，就像在传递物品时附加的标签。因此，它也被称作“标签型VLAN”（Tagging VLAN）

5.3 ISL（Inter Switch Link）

    ISL，是Cisco产品支持的一种与IEEE 802.1Q类似的、用于在汇聚链路上附加VLAN信息的协议。

使用ISL后，每个数据帧头部都会被附加26字节的“ISL包头（ISL Header）”，并且在帧尾带上通过对包括ISL包头在内的整个数据帧进行计算后得到的4字节CRC值。换而言之，就是总共增加了30字节的信息。

    在使用ISL的环境下，当数据帧离开汇聚链路时，只要简单地去除ISL包头和新CRC就可以了。由于原先的数据帧及其CRC都被完整保留，因此无需重新计算CRC。

    ISL有如用ISL包头和新CRC将原数据帧整个包裹起来，因此也被称为“封装型VLAN”（Encapsulated VLAN）。

6、VLAN间路由

6.1、使用路由器进行路由

（1）将路由器与交换机上的每个VLAN分别连接

（2）不论VLAN有多少个，路由器与交换机都只用一条网线连接

第一种为访问链接（Access Link），第二种为汇聚链接（Trunk Link）。接下主要来解释一下第二种。

6.2、同一VLAN内的通信

    红色VLAN（VLAN ID=1）的网络地址为192.168.1.100/24，蓝色VLAN（VLAN ID=2）的网络地址为192.168.2.100/24。各计算机的MAC地址分别为A/B/C/D，路由器汇聚链接端口的MAC地址为R。交换机通过对各端口所连计算机MAC地址的学习，生成如下的MAC地址列表。

    首先考虑计算机A与同一VLAN内的计算机B之间通信时的情形。

    计算机A发出ARP请求信息，请求解析B的MAC地址。交换机收到数据帧后，检索MAC地址列表中与收信端口同属一个VLAN的表项。结果发现，计算机B连接在端口2上，于是交换机将数据帧转发给端口2，最终计算机B收到该帧。收发信双方同属一个VLAN之内的通信，一切处理均在交换机内完成。

6.3、不同VLAN间通信

计算机A从通信目标的IP地址（192.168.2.1）得出C与本机不属于同一个网段。因此会向设定的默认网关（DefaultGateway，GW）转发数据帧。在发送数据帧之前，需要先用ARP获取路由器的MAC地址。

得到路由器的MAC地址R后，接下来就是按图中所示的步骤发送往C去的数据帧。①的数据帧中，目标MAC地址是路由器的地址R、但内含的目标IP地址仍是最终要通信的对象C的地址。这一部分的内容，涉及到局域网内经过路由器转发时的通信步骤，有机会再详细解说吧。

交换机在端口1上收到①的数据帧后，检索MAC地址列表中与端口1同属一个VLAN的表项。由于汇聚链路会被看作属于所有的VLAN，因此这时交换机的端口6也属于被参照对象。这样交换机就知道往MAC地址R发送数据帧，需要经过端口6转发。

从端口6发送数据帧时，由于它是汇聚链接，因此会被附加上VLAN识别信息。由于原先是来自红色VLAN的数据帧，因此如图中②所示，会被加上红色VLAN的识别信息后进入汇聚链路。路由器收到②的数据帧后，确认其VLAN识别信息，由于它是属于红色VLAN的数据帧，因此交由负责红色VLAN的子接口接收。

接着，根据路由器内部的路由表，判断该向哪里中继。

由于目标网络192.168.2.100/24是蓝色VLAN，，且该网络通过子接口与路由器直连，因此只要从负责蓝色VLAN的子接口转发就可以了。这时，数据帧的目标MAC地址被改写成计算机C的目标地址；并且由于需要经过汇聚链路转发，因此被附加了属于蓝色VLAN的识别信息。这就是图中③的数据帧。

交换机收到③的数据帧后，根据VLAN标识信息从MAC地址列表中检索属于蓝色VLAN的表项。由于通信目标——计算机C连接在端口3上、且端口3为普通的访问链接，因此交换机会将数据帧去除VLAN识别信息后（数据帧④）转发给端口3，最终计算机C才能成功地收到这个数据帧。

进行VLAN间通信时，即使通信双方都连接在同一台交换机上，也必须经过：“发送方——交换机——路由器——交换机——接收方”这样一个流程。