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VLAN技术2016.10.411.VLAN的概念1.1什么是VLANVLAN（VirtualLocalAreaNetwork）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。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，亦即能够直接通信的范围。严格地说，并不仅仅是广播帧，多播帧（MulticastFrame）和目标不明的单播帧（UnknownUnicastFrame）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？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1-1广播帧的传播过程图1-1中，是一个由5台二层交换机（交换机1～5）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MAC地址才能正常通信，因此计算机A必须先广播“ARP请求（ARPRequest）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，也就是泛洪（Flooding）。接着，交换机2收到广播帧后也会泛洪。交换机3、4、5也还会泛洪。最终ARP请求会被转发到网络中的所有客户机上。这个ARP请求原本是为了获得计算机B的MAC地址而发出的，只要计算机B能收到即可。可是事实上，ARP请求传遍整个网络，所有的计算机都收到了它。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运算能力的无谓消耗。AB2在网络中，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ARP外，还有可能有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。除了TCP/IP以外，NetBEUI、IPX和AppleTalk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。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(RoutingInfromationProtocol)。●DHCP：用于自动设定IP地址的协议。●NetBEUI：Windows下使用的网络协议。●IPX：NovellNetware使用的网络协议。●AppleTalk：苹果公司的Macintosh计算机使用的网络协议。1.2VLAN的实现机制交换机使用VLAN分割广播域，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。如图1-2，计算机A发送广播信息后，会被转发给端口2、3、4。图1-2交换机转发广播报文如图1-3，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。3图1-3交换机广播域VLAN通过限制广播帧转发的范围分割了广播域。图1-3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“VLANID”来区分的。如图1-4，通过VLAN配置，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。图1-4虚拟交换机在红、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。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，VLAN间是无法通信的。VLAN划分了广播域，通常广播域之间来往的数据包都是由路由器中继的。因此，VLAN4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。1.3VLAN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”、后者称为“动态VLAN”。1.3.1静态VLAN静态VLAN又被称为基于端口的VLAN（PortBasedVLAN），即明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。图1-5基于端口的VLAN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。1.3.2动态VLAN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，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（MACBasedVLAN）●基于子网的VLAN（SubnetBasedVLAN）●基于用户的VLAN（UserBasedVLAN）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。如图1-6，基于MAC地址的VLAN，就是通过查询并记录端口所连计算机上网卡的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，因此这是一种在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。5图1-6基于MAC地址的VLAN如图1-7，基于子网的VLAN，则是通过所连计算机的IP地址，来决定端口所属VLAN。不同于基于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。图1-7基于子网的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。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6变的网络。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动态VLAN基于MAC地址的VLAN根据各端口所连计算机的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，最具有代表性的是IEEE802.1Q。2.1IEEE802.1QIEEE802.1Q，俗称“DotOneQ”，是经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议。如图2-1，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（TypeField）”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，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VLAN（TaggingVLAN）”。7UserpriorityCFIVLANID3bits1bits12bits图2-1IEEE802.1Q帧结构1.TPID(TagProtocolIdentifier，也就是EtherType)TPID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(TagControlInformation)TCI包括用户优先级(UserPriority)、规范格式指示器(CanonicalFormatIndicator)和VLANID。①UserPriority：该字段为3-bit，用于定义用户优先级，总共有8个优先级别。IEEE802.1P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，如路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径优先（OSPF）协议的路由表更新。优先级6和5主要用于延迟敏感（delay-sensitive）应用程序，如交互式视频和语音。优先级4到1主要用于受控负载（controlled-load）应用程序，如流式多媒体（streamingmultimedia）和关键性业务流量（business-criticaltraffic）－例如，SAP数据－以及“losseligible”流量。优先级0是缺省值，并在没有设置其它优先级值的情况下自动启用。②CFI：CFI值为0说明是规范格式，1为非规范格式。它被用在令牌环/源路由FDDI介质访问方法中来指示封装帧中所带地址的比特次序信息。③VID：该字段为12-bit，VLANID是对VLAN的识别字段，在标准802.1Q中常被使用。支持4096个VLAN的识别。在4096个可能的VID中，VID＝0用于识别帧优先级。4095(FFF)作为预留值，所以VLAN配置的最大可能值为4094，有效的VLANID范围一般为1-4094。83.VLAN访问链接模式3.1VLAN的几个重要概念介绍PVID：PortVLANID,指端口的缺省VLANID。PVID主要有两个作用：第一对于接收到的Untag包则添加本端口的PVID再进行转发；第二是接收过滤作用，比如只接收等于PVID的VLANTAG包。VLANID：VLANTAG包的VLANID号，有效范围是1-4094，0和4095都为协议保留值，VLANID0表示不属于任何VLAN，但携带802.1Q的优先级标签，所以一般被称为Priority-onlyframe，其一般作为系统使用，用户不可使用和删除。1为系统默认VLAN，即NativeVLAN，2-1001是普通的vlan，1006-1024保留仅系统使用，用户不能查看和使用，1002-1005是支持fdd