VLAN协议简介
VLAN简介
定义
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。VLAN内的主机间可以直接通信，而VLAN间不能直接通信，从而将广播报文限制在一个VLAN内。
目的
以太网是目前应用最普遍的局域网技术，它是一种基于CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）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。通过交换机实现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。
经典以太网
交换式以太网
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，这样，广播报文就被限制在一个VLAN内。
作用
- 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内的报文在传输时是相互隔离的，即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信。
- 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。
标准协议协议
- IEEE 802.1q协议，由IEEE于1999年颁布,是VLAN实现方案的标准协议，允许多个网桥(Bridge)在信息不被外泄的情况下公开的共享同一个实体网上。IEEE 802.1q-英文缩写写为dot1q。
- IEEE 802.1p协议，是IEEE 802.1Q（VLAN标签技术）标准的扩展协议，两者共同运作，使第二层网上交换器能够提供流量优先级和动态多播过滤服务。
- IEEE 802.1ad协议，或称为QinQ、vlan stacking，是一种以802.1Q为基础衍生出来的通讯协定。原始802.1Q为允许加入单一Vlan header。QinQ允许两个Vlan header被放置在同一个frame中。
VLAN的基本概念
VLAN标签
要使设备能够分辨不同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，在以太网数据帧的目的MAC地址和源MAC地址字段之后、协议类型字段之前加入4个字节的VLAN标签（又称VLAN Tag，简称Tag），用以标识VLAN信息。
VLAN帧格式
单层VLAN数据帧
图：VLAN数据帧格式
字段解释：
TPID字段，长度为2Byte
含义：Tag Protocol Identifier（标签协议标识符），表示数据帧类型。
取值：表示帧类型，取值为0x8100时表示IEEE 802.1Q的VLAN数据帧。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。 各设备厂商可以自定义该字段的值。当邻居设备将TPID值配置为非0x8100时， 为了能够识别这样的报文，实现互通，必须在本设备上修改TPID值，确保和邻居设备的TPID值配置一致。
PRI字段，长度为3bit
含义：Priority，表示数据帧的802.1Q优先级。
取值：取值范围为0～7，值越大优先级越高。当网络阻塞时，设备优先发送优先级高的数据帧。
CFI字段，长度为1bit
含义：Canonical Format Indicator（标准格式指示位），表示MAC地址在不同的传输介质中是否以标准格式进行封装，用于兼容以太网和令牌环网。
取值：CFI取值为0表示MAC地址以标准格式进行封装，为1表示以非标准格式封装。在以太网中，CFI的值为0。
VID字段，长度12bit
含义：VLAN ID，表示该数据帧所属VLAN的编号。
取值：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。设备利用VLAN标签中的VID来识别数据帧所属的VLAN，广播帧只在同一VLAN内转发，这就将广播域限制在一个VLAN内。
双层VLAN数据帧
- 内层 VLAN Tag：为用户的私网 VLAN Tag，Customer VLAN Tag (简称 CVLAN)。设备依靠该 Tag 在私网中传送报文。
- 外层 VLAN Tag：为运营商分配给用户的公网 VLAN Tag， Service VLAN Tag(简称 SVLAN)。设备依靠该 Tag 在公网中传送 QinQ 报文。
以太网帧类型
在一个VLAN交换网络中，以太网帧主要有以下两种类型：
- 有标记帧（Tagged帧）：加入了4字节VLAN标签的帧。
- 无标记帧（Untagged帧）：原始的、未加入4字节VLAN标签的帧。
接口类型
在以太网中，有些设备如路由器交换机可以处理Tagged帧和Untagged帧，有些设备如电脑手机等只能处理Untagged帧，要使这些设备交互，就需要接口能够识别Untagged帧并在收发时给帧添加、剥除VLAN标签。同时，现网中属于同一个VLAN的用户可能会被连接在不同的设备上，且跨越设备的VLAN可能不止一个，如果需要用户间的互通，就需要设备间的接口能够同时识别和发送多个VLAN的数据帧。
为了适应不同的连接和组网，设备定义了Access接口、Trunk接口和Hybrid接口3种接口类型。
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、服务器等）相连，或者不需要区分不同VLAN成员时使用。它只能收发Untagged帧，且只能为Untagged帧添加唯一VLAN的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帧的终端。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，但只允许一个VLAN的帧从该类接口上发出时不带Tag（即剥除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、服务器等）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）。
缺省VLAN
缺省VLAN又称PVID（Port Default VLAN ID）。当设备收到Untagged帧时，就需要给该帧添加Tag，添加什么Tag，就由接口上的缺省VLAN决定。
接口收发数据帧时，对Tag的添加或剥除过程。
- 对于Access接口，缺省VLAN就是它允许通过的VLAN，修改缺省VLAN即可更改接口允许通过的VLAN。
- 对于Trunk接口和Hybrid接口，一个接口可以允许多个VLAN通过，但是只能有一个缺省VLAN。接口的缺省VLAN和允许通过的VLAN需要分别配置，互不影响。
典型应用场景
单台交换机VLAN内互访
组网需求：
- PC1和PC2之间可以互相访问；
- PC3和PC4之间可以互相访问；
- 其他PC之间禁止互相访问
配置说明
- E0/1:Access端口，untag加入vlan1；
- E0/2:Access端口，untag加入vlan1；
- E0/3:Access端口，untag加入vlan2；
- E0/4:Access端口，untag加入vlan2；
多台交换机VLAN内互访
组网需求：
- PC1和PC2之间可以互相访问；
- PC3和PC4之间可以互相访问；
- 其他PC之间禁止互相访问
配置说明
SwtichA:
- E0/1:Access端口，untag加入vlan1；
- E0/3:Access端口，untag加入vlan2；
- G2/1:Trunk端口，tag加入vlan1和vlan2
SwtichB:
- E0/2:Access端口，untag加入vlan1；
- E0/4:Access端口，untag加入vlan2；
- G2/1:Trunk端口，tag加入vlan1和vlan2
单台交换机VLAN间互访
组网需求：
- PC1和PC2之间可以互相访问；
- PC1和PC3之间可以互相访问；
- PC1、PC2、PC3和Server之间可以互相访问
- 其他PC之间禁止互相访问
配置说明
- E0/1：Hybrid端口，归属v10，同时untag加入v20，v30，v100
- E0/2：Hybrid端口，归属v20，同时untag加入v10，v100
- E0/3：Hybrid端口，归属v30，同时untag加入v10，v100
- G2/1: Hybrid端口，归属v100，同时untag加入v10，v20，v30
多台交换机VLAN间互访
组网需求：
- PC1和PC3之间可以互访；
- PC2和PC3之间可以互访；
- PC1和PC4之间可以互访；
- PC2和PC5之间可以互访；
- 其余PC之间均禁止互相访问。
配置说明：
SwithA:
- E0/1:Hybrid端口，加入v10，同时untag加入v30
- E0/2:Hybrid端口，加入v20，同时untag加入v30
- E0/3:Hybrid端口，加入v30，同时untag加入v10,v20
- G2/1:Hybrid端口，tag加入v10，v20
SwitchB：
- E0/1：Access端口，加入v10
- E0/1：Access端口，加入v10
- G1/1：Hybrid端口，tag加入v10，v20.
注：交换机间的Hybrid端口，等价于Trunk端口
QinQ网络拓扑
用户网络A和B的私网VLAN分别为VLAN 1～10 和VLAN 1～20。运营商为用户网络A和B分配的公网VLAN分别为VLAN 3 和VLAN 4。
- 当用户网络 A 和 B 中带私网 VLAN Tag 的报文进入运营商网络时，报文外面就会被分别封装上 VLAN 3 和 VLAN 4 的公网 VLAN Tag。
- 来自不同用户网络的报文在运营商网络中传输时被隔离，即使这些用户网络各自的 VLAN 范围存在重叠，因为分配到的公网 VLAN 不同，在运营商网络中传输时也不会产生冲突。
- 当报文穿过运营商网络，到达运营商网络另一侧 PE(Provider Edge，服务提供商网络边缘)设备后，报文被剥离公网 VLAN Tag，然后再传送给用户网络的 CE(Customer Edge，用户网络边缘)设备。
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