虚拟局域网VLAN原理.docx

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虚拟局域网VLAN原理

虚拟局域网（VLAN）

课程目标：

●了解VLAN的特点，原理

●了解端口类型、封装标准

第一章虚拟局域网（VLAN）

&知识点

●了解VLAN的作用，特点。

●掌握VLAN的工作原理及划分方法。

●掌握VLAN端口（或链路）类型，TURNK链路的封装协议。

●VLAN是一个纯粹的2层的概念。

不同的VLAN属于不同的广播域，相当于物理上隔离的不同网络。

一.1VLAN产生背景

一.1.1传统以太网基本概念

传统以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）。

我们可以将CSMA/CD比做一种文雅的交谈。

在这种交谈方式中，如果有人想阐述观点，他应该先听听是否有其他人在说话（即载波侦听），如果这时有人在说话，他应该耐心地等待，直到对方结束说话，然后他才可以开始发表意见。

有一种情况，有可能两个人在同一时间都想开始说话，那会出现什么样的情况呢？

显然，如果两个人同时说话，这时很难辨别出每个人都在说什么。

但是，在文雅的交谈方式中，当两个人同时开始说话时，双方都会发现他们在同一时间开始讲话（即冲突检测），这时说话立即终止，随机地过了一段时间后，说话才开始。

说话时，由第一个开始说话的人来对交谈进行控制，而第二个开始说话的人将不得不等待，直到第一个人说完，然后他才能开始说话。

以太网的工作方式与上面的方式相同。

首先，以太网网段上需要进行数据传送的节点对导线进行监听，这个过程称为CSMA/CD的载波侦听。

如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。

如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。

这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号，因为，这时导线上的电压超出了标准电压。

冲突产生后，这两个节点都将立即发出拥塞信号，以确保每个工作站都检测到这时以太网上已产生冲突，然后，网络进行恢复，在恢复的过程中，导线上将不传送数据。

当两个节点将拥塞信号传送完，并过了一段随机时间后，这两个节点便开始启动随机计时器。

第一个随机计时器到期的工作站将首先对导线进行监听，当它监听到没有任何信息在传输时，便开始传输数据。

当第二个工作站随机计时器到期后，也对导线进行监听，当监听到第一个工作站已经开始传输数据后，就只好等待了。

在CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。

如果其他节点想传送数据，必须等到正在传输的节点的数据传送结束后才能开始传输数据。

以太网之所以称作共享介质就是因为节点共享同一传输介质这一事实。

Hub（集线器）与Repeater（中继器）就是工作在这个CSMA/CD方式下，所以我们说它们本身就是一个冲突域，它们也无法终止广播，它们也是广播域。

一.2传统以太网与交换式以太网比较

HUB（集线器）只对信号做简单的再生与放大，所有设备共享一个传输介质，设备必须遵循CSMA/CD方式进行通讯。

使用HUB连接的传统共享式以太网中所有工作站处于同一个冲突域和同一个广播域之中。

交换机根据MAC地址转发或过滤数据帧，隔离了冲突域，工作在数据链路层，由于硬件的发展，每个端口都实现全双工转发。

所以交换机每个端口都是单独的冲突域。

如果工作站直接连接到交换机的端口，此工作站独享带宽。

但是由于交换机对目的地址为广播的数据帧做洪泛的操作，广播帧会被转发到所有端口，所以所有通过交换机连接的工作站都处于同一个广播域之中。

所以我们说交换机，网桥，集线器，中继器都在一个广播域内，其中集线器与中继器是一个冲突域，交换机与网桥能终止冲突域。

通常要想终止广播和多播，需要用路由器或三层设备来实现，但VLAN在二层实现了广播域的分隔。

一.3VLAN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是一个广播域，其中的成员仿佛共享同一物理网段一样。

不同VLAN成员不能直接访问。

在VLAN中，划分在同一广播域中的成员并没有任何物理或地理上的限制，它们可以连接到一个交换网络中的不同交换机上。

广播分组、未知分组及成员之间的数据分组都被限定在VLAN之内。

对VLAN的另一个定义是，它能够使单一的交换结构被划分成多个小的广播域。

一.4VLAN特点：

VLAN提供如下功能与好处：

l区段化：

使用VLAN可将单一的交换架构，一个广播域分隔成多个广播域，相当于分隔出物理上分离的多个单独的网络。

即将一个网络进行区段化，减少每个区段的主机数量，提高网络性能。

l灵活性：

VLAN配置、成员的添加、移去和修改都是通过在交换机上进行配置实现的。

一般情况下无须更改物理网络与增添新设备及更改布线系统，所以VLAN提供了极大的灵活性。

l安全性：

将一个网络划分VLAN后，不同VLAN内的主机间通讯必须通过3层设备，而在3层设备上可以设置ACL等实现第3层的安全性，即VLAN间的通讯是在受控的方式下完成的。

相对于没有划分VLAN的网络，所有主机可直接通讯而言，VLAN提供了较高的安全性。

另外用户想加入某一VLAN必须通过网络管理员在交换机上进行配置才能加入特定VLAN，相应的提高了安全性。

一.5VLAN成员划分的方式：

目前最普遍的VLAN划分方式为基于端口的静态划分方式。

网络管理员将端口划分为某个特定VLAN的端口，连接在这个端口的主机即属于这个特定的VLAN。

其优点是配置相对简单，对交换机转发性能几乎没有影响，其缺点为需要为每个交换机端口配置所属的VLAN，一旦用户移动位置可能需要网络管理员对交换机相应端口进行重新设置。

其他划分VLAN成员的方式有：

基于MAC地址划分、基于协议划分、基于IP地址子网划分、基于应用划分、基于用户名、密码划分等多种方式。

一.6VLAN的运作

每个VLAN相当于一个物理上独立的网桥，不同VLAN成员不能直接访问。

VLAN可以跨越交换机，不同交换机上相同VLAN的成员处于一个广播域，可以直接相互访问。

由于VLAN的划分是基于交换机的物理端口，交换机从连接主机的某个端口上接收到一个数据帧，交换机知道这个数据帧是属于哪个VLAN的。

但是对于连接2台交换机的链路而言，此链路需要承载不同VLAN的数据，连接此链路的交换机的端口不属于某个特定VLAN。

如果不对数据帧做标记，交换机对从这样的链路上接收到的数据帧将无法确定所属的VLAN。

所以交换机将数据帧发送到这样的链路前必须对数据帧做标记，即为每一个数据帧都被加上了一个标记，用来确定该分组所属的VLAN。

VLAN的标记使交换机能够将来自不同VLAN上的业务流复用到一条物理线路上。

一.7缺省VLAN

ZXR10交换机初始情况下有一个缺省VLAN，该VLAN有以下特性：

●缺省VLAN的VLANID为1。

●缺省VLAN的名称为VLAN0001。

●缺省VLAN包含所有端口。

●缺省VLAN的所有端口默认都是untagged的

一.8链路类型

接入链路（Accesslink）是用来将没有VLAN识别能力（non-VLAN-aware）的工作站连接到一个VLAN交换机端口的链路。

即接入链路用于终端设备和交换机相连。

如果VLAN是基于端口进行划分的，一个接入链路只能属于某一个特定VLAN。

接入链路可以是单独一个网段，也可以由非VLAN识别的网桥和交换机连接起来的多个网段或工作站组成。

接入链路不能承载标记分组。

干线链路（trucklink）是承载标记分组（即那些具有VID的数据帧）的链路。

所以一个干线链路（trucklink）可以承载多个VLAN的数据。

干线链路支持那些能够理解VLAN帧格式和成员资格的设备。

干线链路最通常的使用场合就是连接两个VLAN交换机的链路。

通过干线链路（trucklink）可使VLAN跨越多个交换机。

干线链路也可以用于交换机和具有VLAN识别能力的（VLAN-aware）工作站/服务器的连接。

一.9IEEE802.1Q

IEEE制订了通用VLAN标准，形成了虚拟桥接LAN的IEEE802.1Q规范。

802.1Q规范中规定了如下内容：

定义了一个体系结构，以便在现有的IEEE802桥接LAN上提供VLAN服务。

定义了在以太网IEEE802.3及令牌环/IEEE802.5上承载VLAN标记的帧格式。

定义了VLAN识别（VLAN-aware）设备用来进行配置信息和成员资格信息通信的协议和机制。

定义了在IEEE802.1QVLAN识别设备网络中转发帧的标准和过程。

保证与非VLAN识别设备（non-VLAN-awaredevices）的互操作性和共存性。

（非VLAN识别设备就是一个工作站或路由器，它不能接收和发送带有VLAN标记D）的分组，也不能理解有关VLAN成员资格的信息）

标记头在原始的以太网帧上加入了4个字节，这样使以太网的最大帧长度变为1518字节。

这个值大于IEEE802.3标准中所规定的1514字节，但是目前正预期对其进行修改，以便使带有VLAN标记长度为1518字节以太网帧能够被支持。

4字节的标记头的组成如下：

标记协议标识符（TPID）：

2字节的TPID字段的值为16进制的81-00，表明了这个帧承载的是802.1Q/802.1p标签信息。

这个值必须区别于以太网类型字段中的任何值。

标记控制信息（TCI）：

TCI中包含一个3比特的用户优先级字段，用来在支持IEEE802.1p规范的交换机进行帧转发的过程中标识帧的优先级，TCI中还包含1比特的规范格式标识符（CFI），用于标识MAC地址信息是否是规范格式的。

此外TCI中还有一个12比特长的VID，定义该帧所属的VLAN。

一.10配置静态VLANs

不同的部门或工作组的人员根据共同工作需求被划分为不同VLAN的成员。

在交换机上基于端口划分VLAN，即所谓的配置静态VLAN。

一旦将某个端口划分为某个VLAN的端口，连接在这个端口的主机即属于这个特定的VLAN。

为了方便进行VLAN间的通讯，我们将逻辑网络地址与VLAN联系起来，为不同的VLAN分配不同的网络或子网地址。

这样VLAN之间的通讯就变成了子网之间的路由。

如果划分VLAN后各个VLAN间没有通讯的需求，我们可以给不同的VLAN分配相同或不同的地址段。

一.11VLANs的两种设计方式

在网络设计中VLAN的设置通常采用2种形式：

端－端（End-to-End）VLANs与本地化（Local）VLANs

一.11.1端－端VLANs

采用端－端VLANs设计方式，VLAN跨越整个交换架构，最终由一台3层设备完成VLAN间的路由。

即VLAN跨越分布层与核心层设备。

在一个园区范围内，一个工作组的所有成员都处在同一个VLAN之中，即使他们可能处于不同的交换区块之中。

采用端－端VLANs设计适合于整个园区网络结构简单，连接的主机数量及网络流量较少的情况，其优点是结构简单，容易配置，并且接入层，分布层，核心层全部采用2层设备，所有的VLAN间通讯依靠一台3层设备完成。

其缺点是VLAN跨越分布层与核心层，意味着VLAN中的广播也将跨越分布层与核心层，流量不易控制，并且一旦某个VLAN出现广播风暴将影响到整个网络。

一.11.2本地化VLANs

本地化VLANs是目前在中大型规模园区网设计中广泛采用的方法。

本地化VLANs设计将VLAN限制在一个交换区块之内，即VLAN不会跨越分布层设备到达核心层的链路之上。

分布层设备采用3层交换机。

同一个交换区块之内的VLAN间数据通讯由本交换区块的分布层设备进行路由；不同交换区块的VLAN间通讯依靠分布层设备将数据路由到核心层网络，到达目的VLAN所在交换区块的分布层设备，然后被路由到目的VLAN。

其优点是网络结构清晰，层次分明，VLAN内的广播不会出现在核心层链路与设备上，一旦某个VLAN由于故障等原因产生广播风暴，其影响被限制在一个交换区块内，不会影响到网络的其他部分。

其缺点是分布层设备必须有3层功能，设备投入比纯2层设备高，网络规划，配置较复杂。

思考题

1．一个HUB的所有端口是属于同一个广播域吗？

是属于同一个冲突域吗？

交换机呢？

2．常用VLAN的划分方法有哪些？

3．能够在一条链路上承载多vlan的链路，叫什么链路？

该链路上的数据和只能承载单个vlan的链路上的数据有什么不同？

4．802.1q协议是在原数据帧中插入了多大的标签？