VLAN技术原理及方案解析

Vlan技术原理在数据通信和宽带接入设备里，只要涉及到二层技术的，就会遇到VLAN。

而且，通常情况下，VLAN在这些设备中是基本功能。

所以不管是刚迈进这个行业的新生，还是已经在这个行业打拼了很多年的前辈，都要熟悉这个技术。

在论坛上经常看到讨论各种各样的关于VLAN的问题，在工作中也经常被问起关于VLAN的这样或那样的问题，所以，有了想写一点东西的冲动。

大部分童鞋接触交换这门技术都是从思科技术开始的，讨论的时候也脱离不了思科的影子。

值得说明的是，VLAN是一种标准技术，思科在实现VLAN的时候加入了自己的专有名词，这些名词可能不是通用的，尽管它们已经深深印在各位童鞋们的脑海里。

本文的描述是从基本原理开始的，有些说法会和思科技术有些出入，当然，也会讲到思科交换中的VLAN。

1. 以太网交换原理VLAN的概念是基于以太网交换的，所以，为了保持连贯性，还是先从交换原理讲起。

不过，这里没有长篇累牍的举例和配置，都是一些最基本的原理。

本节所说的以太网交换原理，是针对‘传统’的以太网交换机来说的。

所谓‘传统’，是指不支持VLAN。

简单的讲，以太网交换原理可以概括为‘源地址学习，目的地址转发’。

考虑到IP层也涉及到地址问题，为了避免混淆，可以修改为‘源MAC学习，目的MAC转发’。

从语文的语法角度来讲，可能还有些问题，就再修改一下‘根据源MAC进行学习，根据目的MAC进行转发’。

总之，根据个人习惯了。

本人比较喜欢‘源MAC学习，目的MAC转发’的口诀。

稍微解释一下。

所谓的‘源MAC学习’，是指交换机根据收到的以太网帧的帧头中的源MAC地址来建立自己的MAC地址表，‘学习’是业内的习惯说法，就如同在淘宝上买东西都叫‘宝贝’一样。

所谓的‘目的MAC转发’，是指交换机根据收到的以太网帧的帧头中的目的MAC地址和本地的MAC地址表来决定如何转发，确定的说，是如何交换。

这个过程大家应该是耳熟能详了。

但为了与后面的VLAN描述对比方便，这里还是简单的举个例子。

Figure 1-1:|-------------------------------|| SW1 (Ethernet Switch) ||-------------------------------|| ||port1 |port 2| ||-------| |-------|| PC1| | PC2||-------| |-------|简单描述一下PC1 ping PC2的过程：（这里假设，PC1和PC2位于同一个IP网段，IP 地址分别为IP_PC1和IP_PC2，MAC地址分别为MAC_PC1和MAC_PC2）1). PC1首先发送ARP请求，请求PC2的MAC。

目的MAC=FF:FF:FF:FF:FF:FF(广播)；源MAC=MAC_PC1。

SW1收到该广播数据帧后，根据帧头中的源MAC地址，首先学习到了PC1的MAC，建立MAC地址表如下：MAC地址端口MAC_PC1 PORT 12). 由于ARP请求为广播帧，所以，SW1向除了PORT1之外的所有UP的端口广播。

注意，该帧没有任何变化。

换句话说，交换机没有对帧做任何修改。

这就是传说中的透明传输。

3). PC2收到该ARP请求帧，本地建立ARP表项，同时单播回送ARP应答帧。

目的MAC=MAC_PC1；源MAC=MAC_PC2。

SW1收到该单播帧手，根据帧头中的源MAC地址，学习到了PC2的MAC，建立MAC 地址表如下：MAC地址端口MAC_PC1 PORT 1MAC_PC2 PORT 24). SW1根据帧头中的目的MAC地址(MAC_PC1)将数据帧从PORT 1转发。

5). PC1收到ARP响应，ARP交互过程成功。

接下来进行单播PING包交互。

SW1根据数据帧的目的MAC进行透明转发单播帧，同时刷新本地MAC地址表的老化定时器。

2. 802.1Q VLAN的基本原理严格来说，802.1Q VLAN不是一个协议，因为互连的设备之间没有协议层面的报文交互。

802.1Q VLAN只定义了数据帧的封装格式，即，在以太网帧头中插入了4个字节的VLAN字段。

其主要内容为VLAN TAG，紧随其后的数据类型和802.1p报文优先级的标识。

Figure 2-1 以太网帧格式|-----------------------------------------------------------------------------|| DMAC(6bytes) | SMAC(6bytes) | Ether-Type(2bytes) | DATA ||-----------------------------------------------------------------------------|Figure 2-2 带VLAN TAG的以太网帧格式|-------------------------------------------------------------------------------------------------|| DMAC(6bytes) | SMAC(6bytes) | Ether-Type(0x8100) | VLAN(4bytes) | DATA ||-------------------------------------------------------------------------------------------------|Figure 2-3 VLAN TAG的格式|---------------------------------------------------------------------------------|| PRI(3bits) | CFI(1bit) | TAG(12bits) | Ether-Type(2bytes) | DATA ||---------------------------------------------------------------------------------|PRI：帧优先级，就是通常所说的802.1p。

CFI：规范标识位，0为规范格式，用于802.3或EthII。

TAG：就是我们通常说的VLAN IDEther-Type：标识紧随其后的数据类型。

本人所理解的VLAN技术要点主要有两点：1.支持VLAN的交换机的内部交换原理；2.设备之间(交换机之间，交换机与路由器之间，交换机与主机之间)交互时，VLAN TAG的添加和移除。

下面就按照这个思路来描述。

2.1 支持VLAN的交换机的交换原理引入VLAN概念后，数据帧只在相应的VLAN进行交换。

用通俗一点的话来讲，一个交换机被虚拟出了多个逻辑交换机，每一个VLAN内的端口都是一个逻辑上的交换机。

用专业一点的话来讲，一个交换机被划分了多个不同的广播域，每一个VLAN内的端口，在同一个广播域内。

引入VLAN后的交换原理与传统的交换原理相比，并没有本质上的改变，同样遵循‘源MAC学习，目的MAC转发’的基本原则。

唯一不同的是，学习和转发都只在同一个VLAN中进行，数据帧不能跨VLAN交换或转发。

2.1.1 数据帧该在哪个VLAN中进行交换？前面提到，支持VLAN的交换机将数据帧限制在同一个VLAN中进行交换，那么数据帧到底该在哪个VLAN中交换呢？如果收到的数据帧携带了VLAN信息（通常称为’TAGED数据帧‘，前面已经介绍了带VLAN TAG的以太帧格式），该VLAN信息中的VLAN TAG就是交换该帧的VLAN。

如果收到的数据帧没有携带VLAN信息（通常称为‘UNTAGED’数据帧），收到该帧的端口的PVID就是交换该帧的VLAN。

该规则在2.2.3节中有详细的描述。

根据上面的原则，也定义了PVID的概念。

当端口收到一个UNTAGED数据帧时，无法确定在哪个VLAN中进行交换，PVID定义了在这种情形下交换该帧的VLAN。

从某种意义上讲，可以把PVID理解为端口的default VLAN。

在支持VLAN的交换机中，每个端口都有一个PVID值，该值有一个缺省值，当然你也可以更改它。

2.2.2 MAC地址学习和MAC地址表引入VLAN概念后，MAC地址的学习也在相应的VLAN中进行。

从某种意义上理解，一台交换机有多张MAC地址表，每个VLAN一张表，在交换数据帧进行查表时，只需要在相应的VLAN中进行查找。

很显然，MAC地址表项中，增加了VLAN TAG属性。

VLAN MAC地址端口VLAN1 MAC_PC1 PORT 1VLAN1 MAC_PC2 PORT 2VLAN2 MAC_PC1 PORT 1VLAN2 MAC_PC2 PORT 22.2 VLAN TAG的添加和移除规则为了保证设备之间的互联互通，需要理解VLAN TAG的添加和移除规则。

也就是说，交换机在转发数据帧时，什么时候应该打TAG，什么时候应该不打TAG，什么时候又会丢弃数据帧。

为什么要有这么‘复杂’（其实也没那么复杂）的规则呢？为什么不把所有的数据帧都打上TAG呢，这样不是简单多了？其实，这样做也是为了适应不同设备的工作原理，有些设备是不支持VLAN TAG的。

2.2.1 典型设备先介绍一下几种典型的设备：PC：大部分的PC（专用的，或用于测试的除外）是工作在应用层的，缺省情况下是不支持(其实也不需要)VLAN TAG的。

也就是说，PC发出的都是UNTAGED数据帧。

Router：路由器是支持VLAN TAG的。

也就是说，路由器可以发出TAGED数据帧，也可以发出UNTAGED数据帧。

需要说明的是，路由器是处理数据包的三层信息的，对于二层信息（包括VLAN信息），路由器只是检查其有效性，之后将其剥离。

这个过程就是我们常说的‘终结’，也就是说，路由器会终结掉报文的VLAN信息的。

Switch：这里的switch是指以太网交换机。

VLAN技术就是主要针对于交换机提出的，所以，在讨论VLAN概念时都是立足于交换机来讨论。

很显然，交换机既支持收发TAGED 数据帧，也支持收发UNTAGED数据帧。

从严格意义上讲，引入VLAN后，交换机的行为不再是‘透明传输’，因为数据帧经过交换机后可能发生了变化。

了解了几种典型设备的工作原理后，就应该觉得交换机上TAG的添加和移除原则的必要性了。

2.2.2 VLAN中的端口属性一个VLAN可以包含多个端口，而一个端口也可以属于多个VLAN。

一个端口在一个VLAN中有不同的属性，TAG的添加和移除原则就是根据这个属性而定的。

TAGED：如果一个端口在一个VLAN中的属性是TAG的，那么，从该端口转发出去的数据帧就是TAGED。