VLAN技术白皮书.docx

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VLAN技术白皮书

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1VLAN概述

VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。

IEEE于1999年颁布了用以标准化VLAN实现方案的802.1Q协议标准草案。

VLAN技术允许网络管理者将一个物理的LAN逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟LAN，即VLAN），每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LAN有着相同的属性。

但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理LAN网段。

一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。

VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLANID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。

虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。

VLAN在交换机上的实现方法，可以大致划分为4类:

1、基于端口划分的VLAN

这种划分VLAN的方法是根据以太网交换机的端口来划分，比如QuidwayS3526的1~4端口为VLAN10，5~17为VLAN20，18~24为VLAN30，当然，这些属于同一VLAN的端口可以不连续，如何配置，由管理员决定，如果有多个交换机，例如，可以指定交换机1的1~6端口和交换机2的1~4端口为同一VLAN，即同一VLAN可以跨越数个以太网交换机，根据端口划分是目前定义VLAN的最广泛的方法，IEEE802.1Q规定了依据以太网交换机的端口来划分VLAN的国际标准。

这种划分的方法的优点是定义VLAN成员时非常简单，只要将所有的端口都指定义一下就可以了。

它的缺点是如果VLANA的用户离开了原来的端口，到了一个新的交换机的某个端口，那么就必须重新定义。

2、基于MAC地址划分VLAN

这种划分VLAN的方法是根据每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机都配置他属于哪个组。

这种划分VLAN的方法的最大优点就是当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置，所以，可以认为这种根据MAC地址的划分方法是基于用户的VLAN，这种方法的缺点是初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户的话，配置是非常累的。

尤其是用户的MAC地址用变换的时候就要重新配置。

基于MAC地址划分VLAN所付出的管理成本比较高。

3、基于网络层划分VLAN

这种划分VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型（如果支持多协议）划分的，虽然这种划分方法是根据网络地址，比如IP地址，但它不是路由，与网络层的路由毫无关系。

它虽然查看每个数据包的IP地址，但由于不是路由，所以，没有RIP，OSPF等路由协议，而是根据生成树算法进行桥交换，

这种方法的优点是用户的物理位置改变了，不需要重新配置所属的VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要，还有，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量。

这种方法的缺点是效率低，因为检查每一个数据包的网络层地址是需要消耗处理时间的（相对于前面两种方法），一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网祯头，但要让芯片能检查IP帧头，需要更高的技术，同时也更费时。

当然，这与各个厂商的实现方法有关。

4、根据IP组播划分VLAN

IP组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个组播组就是一个VLAN，这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，当然这种方法不适合局域网，主要是效率不高。

鉴于当前业界VLAN发展的趋势，考虑到各种VLAN划分方式的优缺点，为了最大程度上地满足用户在具体使用过程中需求，减轻用户在VLAN的具体使用和维护中的工作量，QuidwayS系列交换机采用根据端口来划分VLAN的方法。

2.IEEE802.1Q

IEEE于1999年正式签发了802.1Q标准，即VirtualBridgedLocalAreaNetworks协议，规定了VLAN的国际标准实现，从而使得不同厂商之间的VLAN互通成为可能。

802.1Q协议规定了一段新的以太网祯字段，如图1所示。

与标准的以太网祯头相比，VLAN报文格式在源地址后增加了一个4字节的802.1Q标签。

4个字节的802.1Q标签中，包含了2个字节的标签协议标识（TPID--TagProtocolIdentifier，它的值是8100），和两个字节的标签控制信息（TCI--TagControlInformation），TPID是IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的报文。

图1带有802.1Q标签的以太网祯

图2显示了802.1Q标签头的详细内容，该标签头中的信息解释如下：

图2802.1Q标签头

ŸVLANIdentified（VLANID）:

这是一个12位的域，指明VLAN的ID，一共4096个，每个支持802.1Q协议的主机发送出来的数据包都会包含这个域，以指明自己所属的VLAN。

ŸCanonicalFormatIndicator（CFI）：

这一位主要用于总线型的以太网与FDDI、令牌环网交换数据时的祯格式。

ŸPriority：

这3位指明祯的优先级。

一共有8种优先级，主要用于当交换机阻塞时，优先发送优先级高的数据包。

目前使用的大多数计算机并不支持802.1Q，即计算机发送出去的数据包的以太网祯头还不包含这4个字节，同时也无法识别这4个字节，将来会有软件和硬件支持802.1Q协议的。

在交换机中，直接与主机相连的端口是无法识别802.1Q报文的，那么这种端口称为Access端口；对于交换机相连的端口，可以识别和发送802.1Q报文，那么这种端口称为TagAware端口。

在目前的大多数交换机产品中，用户可以直接规定交换机的端口的类型，来确定端口相连的设备是否能够识别802.1Q报文。

在交换机中的报文转发过程中，802.1Q报文标识了报文所属的VLAN，在跨越交换机的报文中，带有VLAN标签信息的报文尤其显得重要。

例如，定义交换机中的1端口属于VLAN2，且该端口类型为Acess，当1端口接收到一个数据报文后，交换机会查看该报文中没有802.1Q标签，那么，交换机根据1端口所属的VLAN2，自动给该数据包添加一个VLAN2的标签头，然后再将数据包交给数据库查询模块，数据库查询模块会根据数据包的目的地址和所属的VLAN进行查找，之后交给转发模块，转发模块看到这是一个包含标签头的数据包，根据报文的出端口的性质来决定是否保留还是去掉标签头。

如果端口是TagAware端口，则保留标签，否则则删除标签头。

一般情况下，两个交换机互连的端口一般都是TagAware端口，交换机和交换机之间交换数据包时是没有必要去掉标签的。

虚拟局域网是将一组位于不同物理网段上的用户在逻辑上划分成一个局域网内，在功能和操作上与传统LAN基本相同，可以提供一定范围内终端系统的互联。

VLAN与传统的LAN相比，具有以下优势：

Ÿ减少移动和改变的代价，即所说的动态管理网络，也就是当一个用户从一个位置移动到另一个位置是，他的网络属性不需要重新配置，而是动态的完成，这种动态管理网络给网络管理者和使用者都带来了极大的好处，一个用户，无论他到哪里，他都能不做任何修改地接入网络，这种前景是非常美好的。

当然，并不是所有的VLAN定义方法都能做到这一点。

Ÿ虚拟工作组，使用VLAN的最终目标就是建立虚拟工作组模型，例如，在企业网中，同一个部门的就好象在同一个LAN上一样，很容易的互相访问，交流信息，同时，所有的广播包也都限制在该虚拟LAN上，而不影响其他VLAN的人。

一个人如果从一个办公地点换到另外一个地点，而他仍然在该部门，那么，该用户的配置无须改变；同时，如果一个人虽然办公地点没有变，但他更换了部门，那么，只需网络管理员更改一下该用户的配置即可。

这个功能的目标就是建立一个动态的组织环境，当然，这只是一个理想的目标，要实现它，还需要一些其他方面的支持。

Ÿ限制广播包，按照802.1D透明网桥的算法，如果一个数据包找不到路由，那么交换机就会将该数据包向除接收端口以外的其他所有端口发送，这就是桥的广播方式的转发，这样的结果，毫无疑问极大的浪费了带宽，如果配置了VLAN，那么，当一个数据包没有路由时，交换机只会将此数据包发送到所有属于该VLAN的其他端口，而不是所有的交换机的端口，这样，就将数据包限制到了一个VLAN内。

在一定程度上可以节省带宽。

§安全性，由于配置了VLAN后，一个VLAN的数据包不会发送到另一个VLAN，这样，其他VLAN的用户的网络上是收不到任何该VLAN的数据包，这样就确保了该VLAN的信息不会被其他VLAN的人窃听，从而实现了信息的保密。

3与VLAN密切相关的协议标准

提到IEEE802.1QVLAN，就不得不提到以下一些主流的动态VLAN管理协议：

ŸGVRP协议

ŸVTP协议

用户可以根据自己的实际需要，以及本身的网络环境来选择使用。

需要说明的是，在QuidwayS系列交换机上，VLAN分为静态VLAN和动态VLAN两种，静态VLAN是指用户手工配置的VLAN，而动态VLAN则指那些通过动态VLAN协议学习到的VLAN。

3.1GVRP协议

3.1.1GARP协议介绍

GARP（GenericAttributeRegistrationProtocol）是一种通用的属性Attribute注册协议，它为处于同一个交换网内的交换成员之间提供了动态分发传播注册某种属性信息的一种手段。

这里的属性可以是VLAN，组播MAC地址和端口过滤模式等特征信息。

GARP协议实际上可以承载多种交换机需要传播的属性特性，所以GARP协议在交换机中存在的意义就是通过各种GARP应用协议体现出来。

目前定义了GMRP（GARPMulticastRegistrationProtocol）和GVRP（GARPVLANRegistrationProtocol）两个协议，以后会根据网络发展的需要定义其它的特性。

在GARP协议中，每个运行GARP协议的实体，被称为GARPParticipant，在具体的应用中，Participant可以是交换机每个启动GARP协议的端口。

在图3中，显示了GARP的结构。

图3GARP体系结构

在GARPParticipant中，GARPApplication组件负责属性值的管理，GARP协议报文的接收和发送。

GARPApplication组件利用GID组件和操作时的状态机，以及GIP组件控制协议实体之间的消息交互。

GID组件（GARPInformationDeclaration）是GARP协议的核心组件，一个GID实例如图6所示包含了当前所有属性值的状态。

每个属性的状态由该属性的状态机决定。

每个属性的状态机有两个：

Applicant和Registrar，其中Registrar状态机负责属性的注册，注销等，并决定协议内部定时器的启动和停止。

Applicant状态机负责决定协议报文的发送。

图4GID组件模型

GID的具体操作由以下情况决定：

a）Applicant状态迁移表（表略，见具体协议802.1d）

b）Registrar状态迁移表（表略，见具体协议802.1d