本站点使用Cookies,继续浏览表示您同意我们使用Cookies。 Cookies和隐私政策>

首页 信息速查 百科 在线课堂 智能问答

什么是VLAN

VLAN(Virtual Local Area Network)即虚拟局域网,是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。
每个VLAN是一个广播域,VLAN内的主机间可以直接通信,而VLAN间则不能直接互通。这样,广播报文就被限制在一个VLAN内。

为什么需要VLAN

早期以太网是一种基于CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的共享通讯介质的数据网络通讯技术。当主机数目较多时会导致冲突严重、广播泛滥、性能显著下降甚至造成网络不可用等问题。通过二层设备实现LAN互连虽然可以解决冲突严重的问题,但仍然不能隔离广播报文和提升网络质量。

在这种情况下出现了VLAN技术。这种技术可以把一个LAN划分成多个逻辑的VLAN,每个VLAN是一个广播域,VLAN内的主机间通信就和在一个LAN内一样,而VLAN间则不能直接互通,广播报文就被限制在一个VLAN内。如下图所示。

VLAN的作用
VLAN的作用
因此,VLAN具备以下优点:
  • 限制广播域:广播域被限制在一个VLAN内,节省了带宽,提高了网络处理能力。
  • 增强局域网的安全性:不同VLAN内的报文在传输时相互隔离,即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信。
  • 提高了网络的健壮性:故障被限制在一个VLAN内,本VLAN内的故障不会影响其他VLAN的正常工作。
  • 灵活构建虚拟工作组:用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组,同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围,网络构建和维护更方便灵活。

VLAN vs 子网

通过将IP地址的网络部分进一步划分为若干个子网,可以解决IP地址空间利用率低和两级IP地址不够灵活的问题。

与VLAN相类似的是,子网也可以隔离主机间的通信。属于不同VLAN的主机之间不能直接通信,属于不同的子网的主机之间也不能直接通信。但二者没有必然的对应关系。

VLAN vs 子网
VLAN vs 子网

VLAN Tag和VLAN ID

要使交换机能够分辨不同VLAN的报文,需要在报文中添加标识VLAN信息的字段。IEEE 802.1Q协议规定,在以太网数据帧中加入4个字节的VLAN标签(又称VLAN Tag,简称Tag),用以标识VLAN信息。

IEEE 802.1Q封装的VLAN数据帧格式
IEEE 802.1Q封装的VLAN数据帧格式

数据帧中的VID字段标识了该数据帧所属的VLAN,数据帧只能在其所属VLAN内进行传输。VID字段代表VLAN ID,VLAN ID取值范围是0~4095。由于0和4095为协议保留取值,所以VLAN ID的有效取值范围是1~4094。

交换机内部处理的数据帧都带有VLAN标签。而交换机连接的部分设备(如用户主机、服务器)只会收发不带VLAN tag的传统以太网数据帧。因此,要与这些设备交互,就需要交换机的接口能够识别传统以太网数据帧,并在收发时给帧添加、剥除VLAN标签。添加什么VLAN标签,由接口上的缺省VLAN(Port Default VLAN ID,PVID)决定。

VLAN的接口类型和VLAN标签的处理机制

现网中属于同一个VLAN的用户可能会被连接在不同的交换机上,且跨越交换机的VLAN可能不止一个,如果需要用户间的互通,就需要交换机间的接口能够同时识别和发送多个VLAN的数据帧。根据接口连接对象以及对收发数据帧处理的不同,当前有VLAN的多种接口类型,以适应不同的连接和组网。

不同厂商对VLAN接口类型的定义可能不同。对于华为设备来说,常见的VLAN接口类型有三种,包括:Access、Trunk和Hybrid。

Access接口

Access接口一般用于和不能识别Tag的用户终端(如用户主机、服务器)相连,或者不需要区分不同VLAN成员时使用。

在一个VLAN交换网络中,以太网数据帧主要有以下两种形式:
  • 无标记帧(Untagged帧):原始的、未加入4字节VLAN标签的帧。
  • 有标记帧(Tagged帧):加入了4字节VLAN标签的帧。

Access接口大部分情况只能收发Untagged帧,且只能为Untagged帧添加唯一VLAN的Tag。交换机内部只处理Tagged帧,所以Access接口需要给收到的数据帧添加VLAN Tag,也就必须配置缺省VLAN。配置缺省VLAN后,该Access接口也就加入了该VLAN。

当Access接口收到带有Tag的帧,并且帧中VID与PVID相同时,Access接口也能接收并处理该帧。

在发送带有Tag的帧前,Access接口会剥离Tag。

Trunk接口

Trunk接口一般用于连接交换机、路由器、AP以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过,但只允许属于缺省VLAN的帧从该类接口上发出时不带Tag(即剥除Tag)。

Trunk接口上的缺省VLAN,有的厂商也将它定义为native VLAN。当Trunk接口收到Untagged帧时,会为Untagged帧打上Native VLAN对应的Tag。

Hybrid接口

Hybrid接口既可以用于连接不能识别Tag的用户终端(如用户主机、服务器)和网络设备(如Hub),也可以用于连接交换机、路由器以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端、AP。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过,且允许从该类接口发出的帧根据需要配置某些VLAN的帧带Tag(即不剥除Tag)、某些VLAN的帧不带Tag(即剥除Tag)。

Hybrid接口和Trunk接口在很多应用场景下可以通用,但在某些应用场景下,必须使用Hybrid接口。比如在灵活QinQ中,服务提供商网络的多个VLAN的报文在进入用户网络前,需要剥离外层VLAN Tag,此时Trunk接口不能实现该功能,因为Trunk接口只能使该接口缺省VLAN的报文不带VLAN Tag通过。

VLAN的使用场景

VLAN的常见使用场景包括:VLAN间用户的二层隔离,VLAN间用户的三层互访。

VLAN间用户的二层隔离

如下图所示,某商务楼内有多家公司,为了降低成本,多家公司共用网络资源,各公司分别连接到一台二层交换机的不同接口,并通过统一的出口访问Internet。

基于接口的VLAN划分组网图

基于接口的VLAN划分组网图

为了保证各公司业务的独立和安全,可将每个公司所连接的接口划分到不同的VLAN,实现公司间业务数据的完全隔离。可以认为每个公司拥有独立的“虚拟路由器”,每个VLAN就是一个“虚拟工作组”。

再比如,某公司有两个部门,分别分配了固定的IP网段。为加强员工间的学习与交流,员工的位置有时会相互调动,但公司希望各部门员工访问的网络资源的权限不变。

基于IP的VLAN划分组网图

基于IP的VLAN划分组网图

为了保证部门内员工的位置调整后,访问网络资源的权限不变,可在公司的交换机Switch_1上配置基于IP子网划分VLAN。这样,服务器的不同网段就划分到不同的VLAN,访问服务器不同应用服务的数据流就会隔离,提高了安全性。

VLAN间用户的三层互访

如下图所示,某小型公司的两个部门分别通过二层交换机接入到一台三层交换机Switch_3,所属VLAN分别为VLAN2和VLAN3,部门1和部门2的用户互通时,需要经过三层交换机。

通过VLANIF实现VLAN间用户的三层互访
通过VLANIF实现VLAN间用户的三层互访

可在Switch_1和Switch_2上划分VLAN并将VLAN透传到Switch_3上,然后在Switch_3上为每个VLAN配置一个VLANIF接口,实现VLAN2和VLAN3间的路由。

VLAN的相关协议

IEEE 802.1Q

IEEE 802.1Q(也被称为Dot1q)即Virtual Bridged Local Area Networks协议,规定了VLAN的实现标准。与标准的以太网数据帧相比,VLAN数据帧增加了1个4字节的VLAN标签。

LNP

链路类型协商协议(Link-type Negotiation Protocol,LNP)用来动态协商以太网接口的链路类型为Access或者Trunk。
  • 以太网接口的链路类型协商为Access,缺省情况下加入VLAN1。
  • 以太网接口的链路类型协商为Trunk,缺省情况下加入VLAN1~4094。

QinQ

QinQ(802.1Q-in-802.1Q)协议出自IEEE 802.1ad标准协议,通过在802.1Q标签报文的基础上再增加一层802.1Q的Tag来达到扩展VLAN空间的功能,可以使私网VLAN透传公网。

由于在骨干网中传递的报文有两层802.1Q Tag(一层公网Tag,一层私网Tag),即802.1Q-in-802.1Q,所以称之为QinQ协议。

云化场景下,VLAN存在的问题

随着网络技术的发展,云计算凭借其在系统利用率高、人力和管理成本低、灵活性和可扩展性强等方面表现出的优势,已经成为目前企业IT建设的新趋势。而服务器虚拟化作为云计算的核心技术之一,得到了越来越多的应用。

VLAN作为传统的网络隔离技术,在标准定义中VLAN的数量只有4096个,无法满足大型数据中心的租户间隔离需求。另外,VLAN的二层范围一般较小且固定,无法支持虚拟机大范围的动态迁移。

因此,RFC定义了VLAN扩展方案VXLAN(Virtual eXtensible Local Area Network,虚拟扩展局域网)。VXLAN采用MAC in UDP(User Datagram Protocol)封装方式,是NVO3(Network Virtualization over Layer 3)中的一种网络虚拟化技术。VXLAN完美地弥补了VLAN的上述不足,一方面通过VXLAN中的24比特VNI(VXLAN Network Identifier)字段,提供多达16M租户的标识能力,远大于VLAN的数量;另一方面,VXLAN本质上在两台交换机之间构建了一条穿越数据中心基础IP网络的虚拟隧道,将数据中心网络虚拟成一个巨型“二层交换机”,满足虚拟机大范围动态迁移的需求。

词条统计
  • 作者: 朱玥
  • 最近更新: 2021-11-24
  • 浏览次数: 7462
  • 平均得分: