虚拟局域网VLAN

交换机是数据链路层的连接设备。

使用一个或多个交换机互连的交换式以太网，其所有的站点都属于同一个广播域。

巨大的广播域并不是一件好事，它会带来很多问题，比如它会产生广播风暴。

广播风暴：

1. 假设主机A要给主机B发送数据，在数据链路层封装帧时，需要填入主机B的mac地址，然而主机A由于刚刚启动，没有主机B的mac地址。
2. 于是主机A首先会发生arp请求用于询问主机B的mac地址。
3. arp请求时一种广播帧，当交换机收到广播帧、多播帧时，都会将其通过自己从其他接口转发出去，也称为泛宏。
4. 因此，这个广播帧会传播给广播域内的所有主机。这不仅浪费网络资源，也浪费各主机的CPU资源。

使用路由器可以隔离广播域，但是路由器成本较高，在局域网中不可能全部使用路由器来隔离广播域，所以虚拟局域网VLAN应运而生。

虚拟局域网VLAN(Virtual Local Area Network) 是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求。

如上图所示，1楼2楼3楼分别为一个局域网，将它们用一个交换机相连组成一个更大的局域网。我们将该局域网划分为两个VLAN: VLAN1和VLAN2。此后，VLAN1中的广播信息不会传递到VLAN2，VLAN2中的广播信息也不会传递到VLAN1。也就是说，同一个VLAN内部可以通信，不同VLAN之间不能通信。

如何实现VLAN

单台交换机实现VLAN

我们先简单考虑如何在一台交换机上实现VLAN，我们对广播帧和单播帧分别进行讨论。

对于没有划分VLAN的交换机，当交换机收到某个主机发来的广播帧后，将该帧从自己的其他端口转发出去，如下图所示。

如果交换机自身可以生成VLAN，比如下图中，端口1和端口2属于VLAN1，端口3和端口4属于VLAN2，VLAN1中的主机发送的广播帧不会被交换机转发到VLAN2。

对于没有划分VLAN的交换机，交换机是如何转发单播帧的?

1. 当交换机收到帧后，解析出帧的目的mac地址
2. 然后在帧交换表中查找包含目的mac地址的条目
3. 如果找到，则从该条目指定的端口转发帧
4. 如果找不到，则从其他所有端口转发帧

现在，交换机划分了VLAN，我们很自然的想到，应该还有一张VLAN表，用来记录交换划分的各VLAN，如下图所示。

当交换机收到帧后，先查找转发端口，再根据转发端口对应的VLANID，然后转发端口的于接收端口属于同一个VLAN就转发帧， 如下图所示。

多台交换机实现VLAN

如果有多个交换机互连，并且同一个VLAN分布在不同的交换机上，上面讨论的方法还有效吗？

我们来看下下面的例子。

两台交换机互连，ABEF属于VLAN1，CDGH属于VLAN2，那么两台交换机上的端口5应该属于LAN1还是VLAN2?

如下图所示，如果都划分到VLAN1，则分布在两个交换机上的VLAN1各成员可以完全互通，但分布在两个交换机上的VLAN2各成员不能完全互通。

同理，如果都划分到VLAN2，则分布在两个交换机上的VLAN2各成员可以完全互通，但分布在两个交换机上的VLAN1各成员不能完全互通。

看来实现VLAN的方法并不像我们想象的那么简单。

真的的VLAN实现方式

实际当中，在交换机上实现VLAN技术，需要交换机能够实现以下两大功能:

1. 能够处理带有VLAN信息的帧，我们称为IEEE 802.1Q帧。
2. 交换机的各端口可以支持不同的端口类型，不同类型的端口对帧的处理方式有所不同。

IEEE 802.1Q帧格式

对以太网帧扩展，插入了4字节的VLAN标记。

VLAN标记的最后12位称为VLAN标识符VID，它唯一地标志了以太网帧属于哪个VLAN。

• VID的取值范围0-4095
• 0和4095都不用来表示VLAN，因此VID的有效取值范围为1-4094

802.1Q帧是交换机来处理的，而不是用户主机来处理的。

• 当交换机收到普通的以太网帧时，会将其插入4字节的VLAN标记进而转变为802.1Q帧，简称“打标签”。
• 当交换机转发802.1Q帧时，可能会删除4字节的VLAN标记，简称“去标签”。

端口类型

PVID：Port VLAN ID，即端口的VLAN ID

端口类型: Access端口，Trunk端口，Hybird端口(华为特有)。

Access端口

• Access端口一般用于连接用户计算机
• Access端口只能属于一个VLAN
• Access端口的PVID值与端口所属VLAN的ID相同

Access端口接收处理方法:

• 一般只接收"未打标签"的数据帧，即普通以太网数据帧
• 当"未打标签"的数据帧时，根据接收改帧的端口的PVID，给帧“打标签”

Access端口发送处理方法:

• 若帧中的VID与端口的PVID相等，则"去标签"后转发该帧；否则不处理。

注意:

为了简化问题的描述，我们省去了根据帧目的MAC地址在帧交换表中查找对应转发端口的过程，后续介绍Trunk端口和HyBird端口时，同样会省去该过程。

Trunk端口

• Trunk端口一般用于交互机之间或交换机与路由器之前的互连。

• 默认情况下，Trunk端口的PVID值为1，通常不用设置。

Trunk端口接收处理方法：

• 对于数据帧中的VID等于端口PVID的帧，去掉“标签”再转发。
• 对于数据帧中的VID不等于端口PVID的帧，直接转发。

Trunk端口发送处理方法：

• 接收“已打标签”的数据帧，而不管数据帧中的VID是否等于端口的PVID。
• 接收"未打标签"的数据帧，根据端口的PVID值给帧"打标签"。

下来分析两个例子。

一、 主机A发送广播帧。

1. 主机A发送广播帧，从交换机1的端口1进入，改端口时Access口，PVID为1，因此对广播帧"打标签"。
2. 该广播帧将从端口2,3,7转发，2，3时Access口，因此"去标签"后转发。
3. 7是Trunk口，并且7的PVID与数据帧的VID相等，所以“去标签”后转发。
4. 交换机2的7口接收该广播啊帧，该帧没有"标签"，所以对该帧打标签。
5. 该广播帧从交换机2的1,2,3端口转发。

二、 主机D发送广播帧。

与上述过程的1,2步骤都是差不多的，后面有点不同：

3. 交换机1的7转发该广播帧，因为7口的PVID与数据帧的VID不相等，直接转发。
4. 交换机2的7口接收该广播啊帧，该帧有"标签"，所以不做处理，其中该帧的VID为2。
5. 该广播帧从交换机2的4,5,6端口转发。

这里有点不太明白Trunk口设置PVID的意义？

我们看到，对于数据帧的VID与Trunk的PVID是否相同，处理规则时不同的。 我们能否简化规则，比如如下:

Trunk端口接收处理方法：对数据帧不做处理。 Trunk端口发送处理方法：直接转发。

简化之后，也能达到同样的效果，所以，不太明白Trunk口设置PVID的意义。