LAN和VLAN技术原理

Posted 2020-10-26

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目录

局域网LAN

虚拟局域网

VLAN实现原理

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一、局域网LAN

    

    上图表示的是最基本的LAN布局，如果两个设备间要进行通信，必须先知道双方的名字，这里MAC就是他们各自的名字。假如Bob向Sally发送消息，但是一开始Bob并不知道Sally的MAC是什么，所以要先获取Sally的MAC地址，中间有个ARP协议就是解决这个问题（Bob先广播发送一个询问信息，询问Sally在哪，这个询问信息凡是连接这个Hub的设备都会接受,Sally接受这个询问消息后将自己的MAC发送给Bob，其他的设备则会丢弃这个询问信息），至此已经建立设备间通信的准备条件。

    使用Hub连接的一群设备，都属于同一个冲突域和广播域，这里冲突域就是广播域，简单理解就是在这种布局中，一次只能一台设备发送信号且其他设备都能接受该信号。

    集线器是中继系统中的物理层（第一层）设备，主要作用是将信号进行接受-恢复放大-发送，双绞线、光纤在传输信号的时候，随着距离的增大，信号会减弱造成失真，借助集线器可以让信号传播更远的距离；同时Hub上有很多接口，能够扩展终端数量扩大LAN的规模。

    但是同一Hub上的所有设备共享带宽，如果设备数量过多的话，会造成链路拥堵，严重的会产生广播风暴。

    解决的上面布局的缺陷是将一个大的区域划分成众多小的区域，这样可以缩减冲突域的范围，降低数据拥堵，中间使用的设备是交换机。如上图是把主集线器换成交换机，交换机的一个端口对应一个单独的冲突域，这样一来一个大的广播域就分成了多个小的冲突域，图中的集线器只是扩展交换机端口的冲突域。但注意的是，这整个网络仍是一个广播域。

    

    上面的布局还是不够好，无法对广播域进行隔离，我们想象一下如果只有一个广播域，当主机数量越来越多时，发送一个广播则所有设备都要进行处理，那将是一笔很大的开销，为此我们引进路由器来划分广播域。注意，路由器可以划分冲突域和广播域。

   

    当路由器收到广播时，会自动把它自动丢弃，不会转发到路由器的其他端口，实现了广播域的分割。而且路由器还要一个串行接口0用来连接广域网。

    图中LAN布局所示，有6个冲突域（串行接口那个除外），3个广播域。

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二、虚拟局域网

什么是VLAN（虚拟局域网），我们发现凡是带V的，都和虚拟挂钩，既然是虚拟的，也就是不存在物理实体的，所以在理解的时候，我们要有一定的逻辑思维。VLAN技术就是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域，每一个广播域就是一个VLAN。

   

为什么要使用VLAN呢，我们知道，交换机构成的LAN可以隔离冲突域，使得同一局域网内的所有主机可以同时发送消息，这确实相比集线器是一个很大的进步，但是，当一台设备发送一个广播，随着LAN内的主机数量越来越多，交换机要复制该广播的数量就会增多（因为要转发到每一天设备嘛），那么每台设备发送广播呢，可想而知交换机将不堪重负。因此想到了划分广播域，

默认情况下，广播会发给LAN下所有的主机如上图，但是划分了VLAN之后，广播只会发给同一VLAN内的所有主机，而不会发给其他VLAN内的主机。

上图所示，虽然这些主机在同一个交换机上，但是通过对交换机做一些特殊的处理（什么处理后边详解），本来一个广播域被划分成了3个广播域，物理上这些主机在一个交换机上，但是逻辑上已经分别划分到三个交换机上，所以会有三个局域网（只不过是虚拟的），会有三个广播域，这就是为什么叫做虚拟局域网的原因。

这里特别说明一点，VLAN1这个虚拟局域网编号，一般工作于管理组，所以普通VLAN都是从2开始编号，默认情况下，所有虚拟局域网都隶属于VALN1，因为是管理员组嘛。

将来如果想添加一个PC到VLAN3里边，只需要将其PC接到物理交换机的VLAN3接口上边即可，而不需要像普通LAN一样（新加的PC机要跑到指定的局域网里边），这样就实现了随地增加用户，不用关心他的物理位置的限制。

为了便于管理，同时一个VLAN就是一个广播域，所以通常会分配一个单独的子网号给一个VLAN，现在我们想到一个问题，同一个VLAN内的主机能够互相通信，但是不同VLAN的主机能通信吗，答案是不能，为了解决这个问题，引进了三层交换机（或路由器）等OSI的三层设备实现跨网段通信。

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三、VLAN实现原理

静态VLAN

在VLAN管理员最初配置交换机Port和VLAN ID的对应关系时，就已经固定了这种对应关系，即这个Port只能对应这个VLAN ID，之后无法进行更改，除非管理员再重新配置。

当一台设备接到这个Port上的时候，怎么判断该主机的VLAN ID与Port对应呢，这里是根据IP配置决定的，我们知道每个VLAN都有一个子网号，并对应着哪些Port，如果设备要求的IP地址和该Port对应的VLAN的子网号不匹配，则连接失败，该设备将无法正常通信。所以除了连接到正确的Port外，也必须给设备分配属于该VLAN网络段的IP地址，这样才能加入到该VLAN中。

动态VLAN

交换机自动配置Port为主机所属的VLAN。这里有三种分类：基于MAC，基于IP，基于用户

基于MAC的VLAN（例如二层交换机）

将所有主机的硬件地址都加入到VALN的管理数据库中，例如，一主机随便连接到交换机的一个动态VLAN的Port时，管理数据库将根据主机的MAC地址查询到该主机要加入VLAN 2中，然后自动设置该Port为VLAN 2。缺点是当主机更换了网卡之后，管理数据库需要重新设定。

基于IP的VLAN（例如三层交换机）

与基于MAC不同，这种方法会记录子网ID与VLAN ID的映射，而不论主机的网卡怎么变换，只要他的IP不变，交换机就可以根据主机的子网ID自动设置对应的VLAN ID。

基于用户的VLAN

根据操作系统的登录用户决定VLAN。

Access接口和Trunk接口

交换机中，有两种类型的接口：接入端口（Access）和中继端口（Trunk），Access接口只能用来连接用户主机，只能属于一个VLAN，因此该接口只传输本VLAN的数据。

以上我介绍的都是基于一台交换机划分VLAN的情况，当要实现跨两台甚至更多交换机呢，基于Access接口已经无法实现了，我们需要加入Trunk接口连接交换机。

如下图，VLAN 1的A跨不同交换机发送数据给B时，都必须经过交换机的Trunk接口，并在数据帧头加入该VLAN 1特有的标记字段，然后通过Trunk链路发送给另一台交换机，另一台交换机Trunk接口识别标记之后，去除标记，然后转发给B。

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