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1、VLAN 技术详解1.VLAN 的概念1.1 什么是 VLANVLAN（Virtual Local Area Network）又称虚拟局域网，是指在交换局域网的基础上，采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。一个 VLAN 组成一个逻辑子网，即一个逻辑广播域，它可以覆盖多个网络设备，允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。VLAN 是一种比较新的技术，工作在 OSI 参考模型的第 2 层和第 3 层，VLAN 之间的通信是通过第 3 层的路由器来完成的。在此让我们先复习一下广播域的概念。广播域，指的是广播帧（目标MAC地址全部为1）所能传递到的范围，亦即能
2、够直接通信的范围。严格地说，并不仅仅是广播帧，多播帧（Multicast Frame）和目标不明的单播帧（Unknown Unicast Frame）也能在同一个广播域中畅行无阻。 本来，二层交换机只能构建单一的广播域，不过使用VLAN 功能后，它能够将网络分割成多个广播域。 那么，为什么需要分割广播域呢？那是因为，如果仅有一个广播域，有可能会影响到网络整体的传输性能。具体原因，请参看附图加深理解。 图中，是一个由5台二层交换机（交换机15 ）连接了大量客户机构成的网络。假设这时，计算机A需要与计算机 B通信。在基于以太网的通信中，必须在数据帧中指定目标A BMAC地址才能正常通信，因此计算机
3、 A必须先广播“ARP请求（ARP Request）信息” ，来尝试获取计算机B的MAC地址。 交换机1 收到广播帧（ ARP请求）后，会将它转发给除接收端口外的其他所有端口，也就是Flooding 了。接着，交换机 2收到广播帧后也会Flooding。交换机3 、4、5也还会Flooding。最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有客户机上。 请大家注意一下，这个ARP请求原本是为了获得计算机B的MAC地址而发出的。也就是说：只要计算机B能收到就万事大吉了。可是事实上，数据帧却传遍整个网络，导致所有的计算机都收到了它。如此一来，一方面广播信息消耗了网络整体的带宽，另一方面，收到广播信息的计算
4、机还要消耗一部分CPU时间来对它进行处理。造成了网络带宽和CPU运算能力的大量无谓消耗。 广播信息是那么经常发出的吗？ 读到这里，您也许会问：广播信息真是那么频繁出现的吗？ 答案是：是的！实际上广播帧会非常频繁地出现。利用TCP/IP协议栈通信时，除了前面出现的ARP外，还有可能需要发出DHCP、RIP等很多其他类型的广播信息。 ARP广播，是在需要与其他主机通信时发出的。当客户机请求DHCP服务器分配IP地址时 ，就必须发出DHCP的广播。而使用RIP作为路由协议时，每隔30秒路由器都会对邻近的其他路由器广播一次路由信息。RIP以外的其他路由协议使用多播传输路由信息，这也会被交换机转发（Fl
5、ooding） 。除了 TCP/IP以外，NetBEUI、IPX和Apple Talk等协议也经常需要用到广播。例如在Windows下双击打开“网络计算机 ”时就会发出广播（多播）信息。（Windows XP除外） 总之，广播就在我们身边。下面是一些常见的广播通信： ARP请求：建立IP地址和MAC地址的映射关系。 RIP：选路信息协议(Routing Infromation Protocol)。 DHCP：用于自动设定IP地址的协议。 NetBEUI：Windows下使用的网络协议。 IPX：Novell Netware使用的网络协议。 Apple Talk：苹果公司的Macintosh计算
6、机使用的网络协议。 1.2 VLAN 的实现机制在理解了“为什么需要VLAN”之后，接下来让我们来了解一下交换机是如何使用VLAN分割广播域的。 首先，在一台未设置任何VLAN的二层交换机上，任何广播帧都会被转发给除接收端口外的所有其他端口（Flooding ） 。例如，计算机 A发送广播信息后，会被转发给端口2、3、4 。 这时，如果在交换机上生成红、蓝两个VLAN；同时设置端口 1、2属于红色VLAN 、端口3、4属于蓝色VLAN。再从 A发出广播帧的话，交换机就只会把它转发给同属于一个VLAN的其他端口也就是同属于红色VLAN的端口2，不会再转发给属于蓝色VLAN的端口。 同样，C发送广
7、播信息时，只会被转发给其他属于蓝色 VLAN的端口，不会被转发给属于红色VLAN的端口。 就这样，VLAN通过限制广播帧转发的范围分割了广播域。上图中为了便于说明，以红、蓝两色识别不同的VLAN，在实际使用中则是用“VLAN ID”来区分的。 如果要更为直观地描述VLAN的话，我们可以把它理解为将一台交换机在逻辑上分割成了数台交换机。在一台交换机上生成红、蓝两个VLAN ，也可以看作是将一台交换机换做一红一蓝两台虚拟的交换机。 在红、蓝两个VLAN之外生成新的VLAN时，可以想象成又添加了新的交换机。 但是，VLAN生成的逻辑上的交换机是互不相通的。因此，在交换机上设置 VLAN后，如果未做其
8、他处理，VLAN间是无法通信的。 明明接在同一台交换机上，但却偏偏无法通信这个事实也许让人难以接受。但它既是VLAN方便易用的特征，又是使 VLAN令人难以理解的原因。 需要VLAN间通信时怎么办呢？那么，当我们需要在不同的VLAN间通信时又该如何是好呢？ 请大家再次回忆一下：VLAN是广播域。而通常两个广播域之间由路由器连接，广播域之间来往的数据包都是由路由器中继的。因此，VLAN间的通信也需要路由器提供中继服务，这被称作“VLAN间路由” 。 VLAN间路由，可以使用普通的路由器，也可以使用三层交换机。其中的具体内容，等有机会再细说吧。在这里希望大家先记住不同VLAN间互相通信时需要用到路
9、由功能。1.3 VLAN 的划分方法 VLAN的划分可以是事先固定的、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。 1.3.1 静态 VLAN 静态VLAN又被称为基于端口的VLAN（Port Based VLAN） 。顾名思义，就是明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。 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。 我们现在所实现的VLAN配置都是基于端口的配
10、置，因为我们只是支持二层交换，端口数目有限一般为4和8个端口，并且只是对于一台交换机的配置，手动配置换算较为方便。1.3.2 动态 VLAN 另一方面，动态VLAN则是根据每个端口所连的计算机，随时改变端口所属的 VLAN。这就可以避免上述的更改设定之类的操作。动态VLAN可以大致分为 3类： 基于 MAC地址的VLAN（MAC Based VLAN） 基于子网的 VLAN（Subnet Based VLAN） 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 。 基于MAC地址的VLAN，就是通过查询并记录端口所
11、连计算机上网卡的MAC地址来决定端口的所属。假定有一个MAC地址 “A”被交换机设定为属于VLAN“10”，那么不论MAC地址为“A” 的这台计算机连在交换机哪个端口，该端口都会被划分到VLAN10中去。计算机连在端口1时，端口1属于VLAN10；而计算机连在端口2时，则是端口2属于VLAN10。 由于是基于MAC地址决定所属 VLAN的，因此可以理解为这是一种在OSI的第二层设定访问链接的办法。 但是，基于MAC地址的VLAN，在设定时必须调查所连接的所有计算机的MAC地址并加以登录。而且如果计算机交换了网卡，还是需要更改设定。 基于子网的VLAN，则是通过所连计算机的IP地址，来决定端口所
12、属VLAN的。不像基于MAC地址的VLAN，即使计算机因为交换了网卡或是其他原因导致MAC地址改变，只要它的IP地址不变，就仍可以加入原先设定的VLAN。 因此，与基于MAC地址的 VLAN相比，能够更为简便地改变网络结构。IP 地址是OSI 参照模型中第三层的信息，所以我们可以理解为基于子网的VLAN 是一种在OSI的第三层设定访问链接的方法。一般路由器与三层交换机都使用基于子网的方法划分VLAN。 基于用户的VLAN，则是根据交换机各端口所连的计算机上当前登录的用户，来决定该端口属于哪个VLAN。这里的用户识别信息，一般是计算机操作系统登录的用户，比如可以是Windows域中使用的用户名。
13、这些用户名信息，属于OSI第四层以上的信息。 总的来说，决定端口所属VLAN时利用的信息在OSI中的层面越高，就越适于构建灵活多变的网络。 访问链接的总结 综上所述，VLAN的划分有静态VLAN和动态VLAN两种，其中动态VLAN又可以继续细分成几个小类。 其中基于子网的VLAN和基于用户的VLAN有可能是网络设备厂商使用独有的协议实现的，不同厂商的设备之间互联有可能出现兼容性问题；因此在选择交换机时，一定要注意事先确认。 下表总结了静态VLAN和动态VLAN的相关信息。 种类 解说 静态VLAN（基于端口的VLAN） 将交换机的各端口固定指派给VLAN 基于MAC地址的 VLAN 根据各端口
14、所连计算机的MAC地址设定 基于子网的VLAN 根据各端口所连计算机的IP地址设定动态VLAN 基于用户的VLAN 根据端口所连计算机上登录用户设定 就目前来说，对于 VLAN 的划分主要采取上述基于端口的 VLAN 和基于子网的 VLAN 两种，而基于 MAC 地址和基于用户的 VLAN 一般作为辅助性配置使用。 2. VLAN 帧结构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： IEEE802.1Q 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。 2.1 IEEE802.1Q I
15、EEE802.1Q，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。 IEEE802.1Q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和2字节的TCI，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。基于IEEE802.1Q 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
16、 VLAN（Tagging VLAN） ”。 U s e r p r i o r i t yC F IV L A N I D3 b i t s 1 b i t s 1 2 b i t s1. TPID (Tag Protocol Identifier，也就是EtherType)是IEEE 定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的帧。TPID包含了一个固定的值0x8100。2. TCI (Tag Control Information) 包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器(Canonical Format Indicator)和 VLAN ID。 User Priority：该字段为3-bit ，用于定义用户优先级，总共有8 个(2的3次方) 优先级别。IEEE 802.1P 为3比特的用户优先级位定义了操作。最高优先级为 7，应用于关键性网络流量，如
