计算机网络系统中的VLAN通信技术二.docx

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计算机网络系统中的VLAN通信技术二

计算机网络系统中的VLAN通信技术

（二）

六、VLAN间路由

6.1、VLAN间路由的必要性

根据目前为止学习的知识，我们已经知道两台计算机即使连接在同一台交换机上，只要所属的VLAN不同就无法直接通信。

接下来我们将要学习的就是如何在不同的VLAN间进行路由，使分属不同VLAN的主机能够互相通信。

首先，先来复习一下为什么不同VLAN间不通过路由就无法通信。

在LAN内的通信，必须在数据帧头中指定通信目标的MAC地址。

而为了获取MAC地址，TCP/IP协议下使用的是ARP。

ARP解析MAC地址的方法，则是通过广播。

也就是说，如果广播报文无法到达，那么就无从解析MAC地址，亦即无法直接通信。

计算机分属不同的VLAN，也就意味着分属不同的广播域，自然收不到彼此的广播报文。

因此，属于不同VLAN的计算机之间无法直接互相通信。

为了能够在VLAN间通信，需要利用OSI参照模型中更高一层——网络层的信息（IP地址）来进行路由。

关于路由的具体内容，以后有机会再详细解说吧。

路由功能，一般主要由路由器提供。

但在今天的局域网里，我们也经常利用带有路由功能的交换机——三层交换机（Layer3Switch）来实现。

接下来就让我们分别看看使用路由器和三层交换机进行VLAN间路由时的情况。

6.2、使用路由器进行VLAN间路由

在使用路由器进行VLAN间路由时，与构建横跨多台交换机的VLAN时的情况类似，我们还是会遇到“该如何连接路由器与交换机”这个问题。

路由器和交换机的接线方式，大致有以下两种：

∙将路由器与交换机上的每个VLAN分别连接

∙不论VLAN有多少个，路由器与交换机都只用一条网线连接

①、最容易想到的，当然还是“把路由器和交换机以VLAN为单位分别用网线连接”了。

将交换机上用于和路由器互联的每个端口设为访问链接，然后分别用网线与路由器上的独立端口互联。

如下图所示，交换机上有2个VLAN，那么就需要在交换机上预留2个端口用于与路由器互联;路由器上同样需要有2个端口;两者之间用2条网线分别连接。

如果采用这个办法，大家应该不难想象它的扩展性很成问题。

每增加一个新的VLAN，都需要消耗路由器的端口和交换机上的访问链接，而且还需要重新布设一条网线。

而路由器，通常不会带有太多LAN接口的。

新建VLAN时，为了对应增加的VLAN所需的端口，就必须将路由器升级成带有多个LAN接口的高端产品，这部分成本、还有重新布线所带来的开销，都使得这种接线法成为一种不受欢迎的办法。

②、那么，第二种办法“不论VLAN数目多少，都只用一条网线连接路由器与交换机”呢?

当使用一条网线连接路由器与交换机、进行VLAN间路由时，需要用到汇聚链接。

具体实现过程为：

首先将用于连接路由器的交换机端口设为汇聚链接，而路由器上的端口也必须支持汇聚链路。

双方用于汇聚链路的协议自然也必须相同。

接着在路由器上定义对应各个VLAN的“子接口（SubInterface）”。

尽管实际与交换机连接的物理端口只有一个，但在理论上我们可以把它分割为多个虚拟端口。

VLAN将交换机从逻辑上分割成了多台，因而用于VLAN间路由的路由器，也必须拥有分别对应各个VLAN的虚拟接口。

采用这种方法的话，即使之后在交换机上新建VLAN，仍只需要一条网线连接交换机和路由器。

用户只需要在路由器上新设一个对应新VLAN的子接口就可以了。

与前面的方法相比，这种方法扩展性要强得多，也不用担心需要升级LAN接口数不足的路由器或是重新布线。

6.3、同一VLAN内的通信时数据的流程

接下来，我们继续学习使用汇聚链路连接交换机与路由器时，VLAN间路由是如何进行的。

如下图所示，为各台计算机以及路由器的子接口设定IP地址。

红色VLAN（VLANID=1）的网络地址为192.168.1.0/24，蓝色VLAN（VLANID=2）的网络地址为192.168.2.0/24。

各计算机的MAC地址分别为A/B/C/D，路由器汇聚链接端口的MAC地址为R。

交换机通过对各端口所连计算机MAC地址的学习，生成如下的MAC地址列表。

首先考虑计算机A与同一VLAN内的计算机B之间通信时的情形。

（1）、计算机A发出ARP请求信息，请求解析B的MAC地址。

（2）、交换机收到数据帧后，检索MAC地址列表中与收信端口同属一个VLAN的表项。

（3）、结果发现，计算机B连接在端口2上，于是交换机将数据帧转发给端口2，最终计算机B收到该帧。

收发信双方同属一个VLAN之内的通信，一切处理均在交换机内完成。

6.4、不同VLAN间通信时数据的流程

接下来是这一讲的核心内容，不同VLAN间的通信。

让我们来考虑一下计算机A与计算机C之间通信时的情况。

（1）、计算机A从通信目标的IP地址（192.168.2.1）得出C与本机不属于同一个网段。

因此会向设定的默认网关（DefaultGateway，GW）转发数据帧。

在发送数据帧之前，需要先用ARP获取路由器的MAC地址。

（2）、得到路由器的MAC地址R后，接下来就是按图中所示的步骤发送往C去的数据帧。

①的数据帧中，目标MAC地址是路由器的地址R、但内含的目标IP地址仍是最终要通信的对象C的地址。

这一部分的内容，涉及到局域网内经过路由器转发时的通信步骤，有机会再详细解说吧。

（3）、交换机在端口1上收到①的数据帧后，检索MAC地址列表中与端口1同属一个VLAN的表项。

由于汇聚链路会被看作属于所有的VLAN，因此这时交换机的端口6也属于被参照对象。

这样交换机就知道往MAC地址R发送数据帧，需要经过端口6转发。

从端口6发送数据帧时，由于它是汇聚链接，因此会被附加上VLAN识别信息。

由于原先是来自红色VLAN的数据帧，因此如图中②所示，会被加上红色VLAN的识别信息后进入汇聚链路。

（4）、路由器收到②的数据帧后，确认其VLAN识别信息，由于它是属于红色VLAN的数据帧，因此交由负责红色VLAN的子接口接收。

接着，根据路由器内部的路由表，判断该向哪里中继。

由于目标网络192.168.2.0/24是蓝色VLAN，且该网络通过子接口与路由器直连，因此只要从负责蓝色VLAN的子接口转发就可以了。

这时，数据帧的目标MAC地址被改写成计算机C的目标地址;并且由于需要经过汇聚链路转发，因此被附加了属于蓝色VLAN的识别信息。

这就是图中③的数据帧。

（5）、交换机收到③的数据帧后，根据VLAN标识信息从MAC地址列表中检索属于蓝色VLAN的表项。

由于通信目标——计算机C连接在端口3上、且端口3为普通的访问链接，因此交换机会将数据帧除去VLAN识别信息后（数据帧④）转发给端口3，最终计算机C才能成功地收到这个数据帧。

进行VLAN间通信时，即使通信双方都连接在同一台交换机上，也必须经过：

“发送方——交换机——路由器——交换机——接收方”这样一个流程。

七、三层交换机

7.1、使用路由器进行VLAN间路由时的问题

现在，我们知道只要能提供VLAN间路由，就能够使分属不同VLAN的计算机互相通信。

但是，如果使用路由器进行VLAN间路由的话，随着VLAN之间流量的不断增加，很可能导致路由器成为整个网络的瓶颈。

交换机使用被称为ASIC（ApplicationSpecifiedIntegratedCircuit）的专用硬件芯片处理数据帧的交换操作，在很多机型上都能实现以缆线速度（WiredSpeed）交换。

而路由器，则基本上是基于软件处理的。

即使以缆线速度接收到数据包，也无法在不限速的条件下转发出去，因此会成为速度瓶颈。

就VLAN间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，这一部分尤其特别容易成为速度瓶颈。

并且从硬件上看，由于需要分别设置路由器和交换机，在一些空间狭小的环境里可能连设置的场所都成问题。

7.2、三层交换机（Layer3Switch）

为了解决上述问题，三层交换机应运而生。

三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。

路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。

关于三层交换机的内部结构，可以参照下面的简图。

在一台本体内，分别设置了交换机模块和路由器模块;而内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。

因此，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。

并且，路由与交换模块是汇聚链接的，由于是内部连接，可以确保相当大的带宽。

7.3、使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN内通信）

在三层交换机内部数据究竟是怎样传播的呢?

基本上，它和使用汇聚链路连接路由器与交换机时的情形相同。

假设有如下图所示的4台计算机与三层交换机互联。

当使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口;而三层交换机则是在内部生成“VLAN接口（VLANInterface）”。

VLAN接口，是用于各VLAN收发数据的接口。

注：

在Cisco的Catalyst系列交换机上，VLANInterface被称为SVI——SwitchedVirtualInterface

为了与使用路由器进行VLAN间路由对比，让我们同样来考虑一下计算机A与计算机B之间通信时的情况。

首先是目标地址为B的数据帧被发到交换机;通过检索同一VLAN的MAC地址列表发现计算机B连在交换机的端口2上;因此将数据帧转发给端口2。

7.4、使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN间通信）

接下来设想一下计算机A与计算机C间通信时的情形。

针对目标IP地址，计算机A可以判断出通信对象不属于同一个网络，因此向默认网关发送数据（Frame1）。

交换机通过检索MAC地址列表后，经由内部汇聚链接，将数据帧转发给路由模块。

在通过内部汇聚链路时，数据帧被附加了属于红色VLAN的VLAN识别信息（Frame2）。

路由模块在收到数据帧时，先由数据帧附加的VLAN识别信息分辨出它属于红色VLAN，据此判断由红色VLAN接口负责接收并进行路由处理。

因为目标网络192.168.2.0/24是直连路由器的网络、且对应蓝色VLAN;

因此，接下来就会从蓝色VLAN接口经由内部汇聚链路转发回交换模块。

在通过汇聚链路时，这次数据帧被附加上属于蓝色VLAN的识别信息（

Frame3）。

交换机收到这个帧后，检索蓝色VLAN的MAC地址列表，确认需要将它转发给端口3。

由于端口3是通常的访问链接，因此转发前会先将VLAN识别信息除去（Frame4）。

最终，计算机C成功地收到交换机转发来的数据帧。

整体的流程，与使用外部路由器时的情况十分相似——都需要经过“发送方→交换模块→路由模块→交换模块→接收方”这样的流程。

八、加速VLAN间通信的手段

8.1、流（Flow）

根据到此为止的学习，我们已经知道VLAN间路由，必须经过外部的路由器或是三层交换机的内置路由模块。

但是，有时并不是所有的数据都需要经过路由器（或路由模块）。

例如，使用FTP（FileTransferProtocol）传输容量为数MB以上的较大的文件时，由于MTU的限制，IP协议会将数据分割成小块后传输、并在接收方重新组合。

这些被分割的数据，“发送的目标”是完全相同的。

发送目标相同，也就意味着同样的目标IP地址、目标端口号（注：

特别强调一下，这里指的是TCP/UDP端口）。

自然，源IP地址、源端口号也应该相同。

这样一连串的数据流被称为“流（Flow）”。

只要将流最初的数据正确地路由以后，后继的数据理应也会被同样地路由。

据此，后继的数据不再需要路由器进行路由处理;通过省略反复进行的路由操作，可以进一步提高VLAN间路由的速度。

8.2、加速VLAN间路由的机制

接下来，让我们具体考虑一下该如何使用三层交换机进行高速VLAN间路由。

首先，整个流的第一块数据，照常由交换机转发→路由器路由→再次由交换机转发到目标所连端口。

这时，将第一块数据路由的结果记录到缓存里保存下来。

需要记录的信息有：

∙目标IP地址

∙源IP地址

∙目标TCP/UDP端口号

∙源TCP/UDP端口号

∙接收端口号（交换机）

∙转发端口号（交换机）

∙转发目标MAC地址

...

等等。

同一个流的第二块以后的数据到达交换机后，直接通过查询先前保存在缓存中的信息查出“转发端口号”后就可以转发给目标所连端口了。

这样一来，就不需要再一次次经由内部路由模块中继，而仅凭交换机内部的缓存信息就足以判断应该转发的端口。

这时，交换机会对数据帧进行由路由器中继时相似的处理，例如改写MAC地址、IP包头中的TTL和CheckSum校验码信息等。

通过在交换机上缓存路由结果，实现了以缆线速度（WiredSpeed）接收发送方传输来数据的数据、并且能够全速路由、转发给接收方。

需要注意的是，类似的加速VLAN间路由的手法多由各厂商独有的技术所实现，并且该功能的称谓也因厂商而异。

例如，在Cisco的Catalyst系列交换机上，这种功能被称为“多层交换（MultiLayerSwitching）”。

另外，除了三层交换机的内部路由模块，外部路由器中的某些机型也支持类似的高速VLAN间路由机制。

九、传统型路由器存在的意义

9.1、路由器的必要性

三层交换机的价格，在问世之初非常昂贵，但是现在它们的价格已经下降了许多。

目前国外一些廉价机型的售价，折合成人民币后仅为一万多元，而且还在继续下降中。

既然三层交换机能够提供比传统型路由器更为高速的路由处理，那么网络中还有使用路由器的必要吗?

答案是：

“是”。

使用路由器的必要性，主要表现在以下几个方面：

∙用于与WAN连接

三层交换机终究是“交换机”。

也就是说，绝大多数机型只配有LAN（以太网）接口。

在少数高端交换机上也有用于连接WAN的串行接口或是ATM接口，但在大多数情况下，连接WAN还是需要用到路由器。

∙保证网络安全

在三层交换机上，通过数据包过滤也能确保一定程度的网络安全。

但是使用路由器所提供的各种网络安全功能，用户可以构建更为安全可靠的网络。

路由器提供的网络安全功能中，除了最基本的数据包过滤功能外，还能基于IPSec构建***（VirtualPrivateNetwork）、利用RADIUS进行用户认证等等。

∙支持除TCP/IP以外的网络架构

尽管TCP/IP已经成为当前网络协议架构的主流，但还有不少网络利用NovellNetware下的IPX/SPX或Macintosh下的Appletalk等网络协议。

三层交换机中，除了部分高端机型外基本上还只支持TCP/IP。

因此，在需要使用除TCP/IP之外其他网络协议的环境下，路由器还是必不可少的。

注：

在少数高端交换机上，也能支持上述路由器的功能。

例如Cisco的Catalyst6500系列，就可以选择与WAN连接的接口模块;还有可选的基于IPSec实现***的模块;并且也能支持TCP/IP以外的其他网络协议。

9.2、路由器和交换机配合构建LAN的实例

下面让我们来看一个路由器和交换机搭配构建LAN的实例。

利用在各楼层配置的二层交换机定义VLAN，连接TCP/IP客户计算机。

各楼层间的VLAN间通信，利用三层交换机的高速路由加以实现。

如果网络环境要求高可靠性，还可以考虑冗余配置三层交换机。

与WAN的连接，则通过带有各种网络接口的路由器进行。

并且，通过路由器的数据包过滤和***等功能实现网络安全。

此外，使用路由器还能支持NovellNetware等TCP/IP之外的网络。

只有在充分掌握了二层、三层交换机以及传统路由器的基础上，才能做到物竞其用，构筑出高效率、高性价比的网络。

十、使用VLAN设计局域网

10.1、使用VLAN设计局域网的特点

通过使用VLAN构建局域网，用户能够不受物理链路的限制而自由地分割广播域。

另外，通过先前提到的路由器与三层交换机提供的VLAN间路由，能够适应灵活多变的网络构成。

但是，由于利用VLAN容易导致网络构成复杂化，因此也会造成整个网络的组成难以把握。

可以这样说，在利用VLAN时，除了有：

∙网络构成灵活多变

这个优点外，还搭配着：

∙网络构成复杂化

这个缺点。

下面，就让我们来看看具体的实例。

10.2、不使用VLAN的局域网中网络构成的改变

假设有如图所示的由1台路由器、2台交换机构成的“不使用VLAN构建”的网络。

图中的路由器，带有2个LAN接口。

左侧的网络是192.168.1.0/24，右侧是192.168.2.0/24。

现在如果想将192.168.1.0/24这个网络上的计算机A转移到192.168.2.0/24上去，就需要改变物理连接、将A接到右侧的交换机上。

并且，当需要新增一个地址为192.168.3.0/24的网络时，还要在路由器上再占用一个LAN接口并添置一台交换机。

而由于这台路由器上只带了2个LAN接口，因此为了新增网络还必须将路由器升级为带有3个以上LAN接口的产品。

10.3、使用VLAN的局域网中网络构成的改变

接下来再假设有一个由1台路由器、2台交换机构成的“使用VLAN”的局域网。

交换机与交换机、交换机与路由器之间均为汇聚链路;并且假设192.168.1.0/24对应红色VLAN、192.168.2.0/24对应蓝色VLAN。

需要将连接在交换机1上192.168.1.0/24这个网段的计算机A转属192.168.2.0/24时，无需更改物理布线。

只要在交换机上生成蓝色VLAN，然后将计算机A所连的端口1加入到蓝色VLAN中去，使它成为访问链接即可。

然后，根据需要设定计算机A的IP地址、默认网关等信息就可以了。

如果IP地址相关的设定是由DHCP获取的，那么在客户机方面无需进行任何设定修改，就可以在不同网段间移动。

利用VLAN后，我们可以在免于改动任何物理布线的前提下，自由进行网络的逻辑设计。

如果所处的工作环境恰恰需要经常改变网络布局，那么利用VLAN的优势就非常明显了。

并且，当需要新增一个地址为192.168.3.0/24的网段时，也只需要在交换机上新建一个对应192.168.3.0/24的VLAN，并将所需的端口加入它的访问链路就可以了。

如果网络环境中还需要利用外部路由器，则只要在路由器的汇聚端口上新增一个子接口的设定就可以完成全部操作，而不需要消耗更多的物理接口（LAN接口）。

要使用的是三层交换机内部的路由模块，则只需要新设一个VLAN接口即可。

网络环境的成长，往往是难以预测的，很可能经常会出现需要分割现有网络或是增加新网络的情况。

而充分活用VLAN后，就可以轻易地解决这些问题。

10.4、利用VLAN而导致的网络结构复杂化

虽然利用VLAN可以灵活地构建网络，但是同时，它也带来了网络结构复杂化的问题。

特别是由于数据流纵横交错，一旦发生故障时，准确定位并排除故障会比较困难。

为了便于理解数据流向的复杂化，假设有下图所示的网络。

计算机A向计算机C发送数据时，数据流的整体走向如下：

计算机A→交换机1→路由器→交换机1→交换机2→计算机C

（1）、首先计算机A向交换机1送出数据（①）

（2）、其后数据被转发给路由器（②）进行VLAN间路由。

（3）、路由后的数据，再从汇聚链路返回交换机1（③）。

（4）、由于通信目标计算机C并不直连在交换机1上，因此还需要经过汇聚链路转发到交换机2（④）。

（5）、在交换机2上，数据最终被转发到C所连的端口2上，这才完成整个流程（⑤）。

在这个例子中，仅由2台交换机构成网络，其数据流已经如此复杂，如果构建横跨多台交换机的VLAN的话，每个数据流的流向显然会更加难以把握。

10.5、网络的逻辑结构与物理结构

为了对应日渐复杂化的数据流，管理员需要从“逻辑结构”与“物理结构”两方面入手，把握好网络的现状。

物理结构，指的是从物理层和数据链路层观察到的网络的现状，表示了网络的物理布线形态和VLAN的设定等等。

而逻辑结构，则表示从网络层以上的层面观察到的网络结构。

下面我们就试着以路由器为中心分析一个IP网络的逻辑结构。

还是先前的那个例子，描绘了布线形态和VLAN设定的“物理结构”如下图所示。

分析这个物理结构并转换成以路由器为中心的逻辑结构后，会得到如下的逻辑结构图。

当我们需要进行路由或是数据包过滤的设定时，都必须在逻辑结构的基础上进行。

把握这两种网络结构图的区别是十分重要的，特别是在VLAN和三层交换机大行其道的现代企业级网络当中。