VLAN（IPTV/OTT共存项目用不同IP范围）

作者: 龙遁流 | 来源:发表于2020-04-19 16:46 被阅读0次

【简介】
虚拟局域网 Virtual Local Area Network
用于在二层交换机上分割广播域的技术，就是VLAN。VLAN所指的LAN特指使用路由器或交换机分割的网络，即广播域。

【用途】
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，因为广播帧会传播到网络中的每一台主机，对每一台主机CPU造成负担。
通过利用VLAN，我们可以自由设计广播域的构成，提高网络设计的自由度。

【机制】
通常，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）。
VLAN通过限制广播帧转发的范围分割了广播域，以 VLAN ID 来区分的不同的VLAN。划分不同的VLAN后，广播帧只会在同一VLAN内转发。

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，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。

【交换机的端口】
交换机的端口，可以分为以下两种：
访问链接（Access Link）
汇聚链接（Trunk Link）

“将不同交换机相同VLAN通过端口并联起来。但是扩展性和管理效率都不好。让交换机间互联的网线集中到一根上，这时使用的就是汇聚链接（Trunk Link）”

① 访问链接
只属于一个VLAN，且仅向该VLAN转发数据帧的端口，通常连客户机。
设置VLAN的顺序是：生成VLAN，设定访问链接（决定各端口属于哪一个VLAN）

设定访问链接的方法：
（1）静态VLAN （Port Based VLAN）
基于端口的VLAN，明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。不适合那些需要频繁改变拓补结构的网络
（2）动态VLAN
根据每个端口所连的计算机，随时改变端口所属的VLAN的设定方法。

分为以下三类，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。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。
1）基于MAC地址的VLAN（MAC Based VLAN）
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。
2）基于子网的VLAN（Subnet Based VLAN）
通过所连计算机的IP地址，来决定端口所属VLAN的
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。
3）基于用户的VLAN（User Based VLAN）
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

② 汇聚链接
能够转发多个不同VLAN的通信的端口，也可用来形成跨越多台交换机的VLAN。
汇聚链路上流通的数据帧，都被附加了用于识别分属于哪个VLAN的特殊信息。

案例：
① A发送的数据帧从交换机1经过汇聚链路到达交换机2时，在数据帧上附加了表示属于VLAN a的标记。
② 交换机2收到数据帧后，经过检查VLAN标识发现这个数据帧是属于VLAN a的。
③ 因此去除标记后根据需要将复原的数据帧只转发给其他属于VLAN a的端口。经过确认目标MAC地址并与MAC地址列表比对后只转发给目标MAC地址所连的端口。
只有当数据帧是一个广播帧、多播帧或是目标不明的帧时，它才会被转发到所有属于VLAN a的端口

“汇聚链路上流通着多个VLAN的数据，自然负载较重。因此，在设定汇聚链接时，有一个前提就是必须支持100Mbps以上的传输速度。”

【汇聚方式】
在交换机的汇聚链接上，可以通过对数据帧附加VLAN信息，构建跨越多台交换机的VLAN。
附加VLAN信息的方法 IEEE802.1Q 和 ISL

① EEE802.1Q，经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议
EEE802.1Q所附加的VLAN识别信息，位于数据帧中“发送源MAC地址”与“类别域（Type Field）”之间。具体内容为2字节的TPID和2字节的TCI，共计4字节。
这时数据帧上的CRC是插入TPID、TCI后，对包括它们在内的整个数据帧重新计算后所得的值。而当数据帧离开汇聚链路时，TPID和TCI会被去除，这时还会进行一次CRC的重新计算。

TPID的值，固定为0x8100。交换机通过TPID，来确定数据帧内附加了基于IEEE802.1Q的VLAN信息。而实质上的VLAN ID，是TCI中的12位元。由于总共有12位，因此最多可供识别4096个VLAN。

【VLAN间路由】
两台计算机即使连接在同一台交换机上，只要所属的VLAN不同就无法直接通信。
因为在LAN内的通信，必须在数据帧头中指定通信目标的MAC地址。而为了获取MAC地址，TCP/IP协议下使用的是ARP。ARP解析MAC地址的方法，则是通过广播。
计算机分属不同的VLAN，即分属不同的广播域，收不到彼此的广播报文。
为了能够在VLAN间通信，需要利用OSI参照模型中更高一层——网络层的信息（IP地址）来进行路由。

“交换机通过对各端口所连计算机MAC地址的学习，生成MAC地址列表（端口：MAC地址：VLAN）”

① 路由器提供路由功能
当使用一条网线连接路由器与交换机、进行VLAN间路由时，需要用到汇聚链接。

首先将用于连接路由器的交换机端口设为汇聚链接，而路由器上的端口也必须支持汇聚链路。双方用于汇聚链路的协议自然也必须相同。接着在路由器上定义对应各个VLAN的“子接口（Sub Interface）”。
尽管实际与交换机连接的物理端口只有一个，但在理论上我们可以把它分割为多个虚拟端口。VLAN将交换机从逻辑上分割成了多台，因而用于VLAN间路由的路由器，也必须拥有分别对应各个VLAN的虚拟接口。

（1）同一VLAN内通信时数据的流程

计算机A与同一VLAN内的计算机B之间通信，收发信双方同属一个VLAN之内的通信，一切处理均在交换机内完成。
1）计算机A发出ARP请求信息，请求解析B的MAC地址。
2）交换机收到数据帧后，检索MAC地址列表中与收信端口同属一个VLAN的表项。
3）计算机B连接在端口2上，于是交换机将数据帧转发给端口2，最终计算机B收到该帧。

（2）不同VLAN间通信时数据的流程：发送方——交换机——路由器——交换机——接收方

计算机A（VLAN 1）与不同VLAN的计算机C（VLAN 2）通信，需要通过路由器
1）计算机A从通信目标的IP地址得出C与本机不属于同一个网段，向设定的默认网关（Default Gateway，GW，即路由器）转发数据帧，在发送数据帧之前，用ARP获取路由器的MAC地址
2）得到路由器的MAC地址R后，发送往C去的数据帧，此数据帧中，目标MAC地址是路由器的地址R，但目标IP地址仍是最终要通信的对象C的地址。
3）交换机收到数据帧后，检索MAC地址列表中与发出端口同属一个VLAN的表项。由于汇聚链路会被看作属于所有的VLAN，交换机连接路由器端口也属于被参照对象，则通过汇聚链接往MAC地址R发送数据帧。
4）路由器收到数据帧后，确认其VLAN识别信息，由于它是属于VLAN 1的数据帧，因此交由VLAN 1的子接口接收。然后根据路由器内部的路由表，判断该向哪里中继。即从VLAN 2的接口转发
这时，数据帧的目标MAC地址被改写成计算机C的目标地址，且附加了属于VLAN 2识别信息
5）交换机收到数据帧后，根据VLAN标识信息从MAC地址列表中检索属于VLAN 2的表项。交换机将数据帧除去VLAN识别信息后转发给计算机C

“随着VLAN之间流量的不断增加，很可能导致路由器成为整个网络的瓶颈。”

② 三层交换机（Layer 3 Switch）提供路由功能
本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。内置的路由模块与交换模块使用ASIC硬件处理，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。路由与交换模块是汇聚链接的，由于是内部连接，可以确保相当大的带宽。

同一VLAN内通信时数据的流程：原理同路由器路由
不同VLAN间通信时数据的流程：原理同路由器路由

使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口；而三层交换机则是在内部生成“VLAN接口（VLAN Interface）”。VLAN接口，是用于各VLAN收发数据的接口。

③ 加速VLAN传输
流（Flow），一连串数据
只要将流最初的数据正确地路由以后，后继的数据理应也会被同样地路由。后继的数据不再需要路由器进行路由处理；通过省略反复进行的路由操作，可以进一步提高VLAN间路由的速度。

首先，整个流的第一块数据，照常由交换机转发→路由器路由→再次由交换机转发到目标所连端口。将第一块数据路由的结果记录到缓存里保存下来
之后，同一个流的第二块以后的数据到达交换机后，直接通过查询先前保存在缓存中的信息查出“转发端口号”后就可以转发给目标所连端口了。