VLAN

VLAN技术详解(一)

发布时间:2017-06-26 点击量:

一、VLAN的概念

1.1 什么是VLAN
VLAN(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 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(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(Flooding)。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。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 
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。 
 

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