VLAN技术详解.docx
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1、VLAN技术详解VLAN技术详解 1.VLAN的概念 1.1什么是VLAN VLAN又称虚拟局域网,是指在交换局域网的基础上,采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。一个VLAN组成一个逻辑子网,即一个逻辑广播域,它可以覆盖多个网络设备,允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。VLAN是一种比较新的技术,工作在OSI参考模型的第2层和第3层,VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。 在此让我们先复习一下广播域的概念。广播域,指的是广播帧所能传递到的范围,亦即能够直接通信的范围。严格地说,并不仅仅是广播帧,多播帧和目标不明的单播帧也能在同一个广播域中
2、畅行无阻。 本来,二层交换机只能构建单一的广播域,不过使用VLAN功能后,它能够将网络分割成多个广播域。 那么,为什么需要分割广播域呢?那是因为,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。具体原因,请参看附图加深理解。 A B 图中,是一个由5台二层交换机连接了大量客户机构成的网络。假设这时,计算机A需要与计算机B通信。在基于以太网的通信中,必须在数据帧中指定目标MAC地址才能正常通信,因此计算机A必须先广播“ARP请求信息”,来尝试获取计算机B的MAC地址。 交换机1收到广播帧后,会将它转发给除接收端口外的其他所有端口,也就是Flooding了。接着,交换机2收到广播帧后也会Fl
3、ooding。交换机3、4、5也还会Flooding。最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有客户机上。 请大家注意一下,这个ARP请求原本是为了获得计算机B的MAC地址而发出的。也就是说:只要计算机B能收到就万事大吉了。可是事实上,数据帧却传遍整个网络,导致所有的计算机都收到了它。如此一来,一方面广播信息消耗了网络整体的带宽,另一方面,收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU时间来对它进行处理。造成了网络带宽和CPU运算能力的大量无谓消耗。 广播信息是那么经常发出的吗? 读到这里,您也许会问:广播信息真是那么频繁出现的吗? 答案是:是的!实际上广播帧会非常频繁地出现。利用TCP/IP协议栈通
4、信时,除了前面出现的ARP外,还有可能需要发出DHCP、RIP等很多其他类型的广播信息。 ARP广播,是在需要与其他主机通信时发出的。当客户机请求DHCP服务器分配IP地址时 ,就必须发出DHCP的广播。而使用RIP作为路由协议时,每隔30秒路由器都会对邻近的其他路由器广播一次路由信息。RIP以外的其他路由协议使用多播传输路由信息,这也会被交换机转发。除了TCP/IP以外,NetBEUI、IPX和Apple Talk等协议也经常需要用到广播。例如在Windows下双击打开“网络计算机”时就会发出广播信息。 总之,广播就在我们身边。下面是一些常见的广播通信: ARP请求:建立IP地址和MAC地址
5、的映射关系。 RIP:选路信息协议(Routing Infromation Protocol)。 DHCP:用于自动设定IP地址的协议。 NetBEUI:Windows下使用的网络协议。 IPX:Novell Netware使用的网络协议。 Apple Talk:苹果公司的Macintosh计算机使用的网络协议。 1.2 VLAN的实现机制 在理解了“为什么需要VLAN”之后,接下来让我们来了解一下交换机是如何使用VLAN分割广播域的。 首先,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。例如,计算机A发送广播信息后,会被转发给端口2、3、4。 这时
6、,如果在交换机上生成红、蓝两个VLAN;同时设置端口1、2属于红色VLAN、端口3、4属于蓝色VLAN。再从A发出广播帧的话,交换机就只会把它转发给同属于一个VLAN的其他端口也就是同属于红色VLAN的端口2,不会再转发给属于蓝色VLAN的端口。 同样,C发送广播信息时,只会被转发给其他属于蓝色VLAN的端口,不会被转发给属于红色VLAN的端口。 就这样,VLAN通过限制广播帧转发的范围分割了广播域。上图中为了便于说明,以红、蓝两色识别不同的VLAN,在实际使用中则是用“VLAN ID”来区分的。 如果要更为直观地描述VLAN的话,我们可以把它理解为将一台交换机在逻辑上分割成了数台交换机。在一
7、台交换机上生成红、蓝两个VLAN,也可以看作是将一台交换机换做一红一蓝两台虚拟的交换机。 在红、蓝两个VLAN之外生成新的VLAN时,可以想象成又添加了新的交换机。 但是,VLAN生成的逻辑上的交换机是互不相通的。因此,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。 明明接在同一台交换机上,但却偏偏无法通信这个事实也许让人难以接受。但它既是VLAN方便易用的特征,又是使VLAN令人难以理解的原因。 需要VLAN间通信时怎么办呢? 那么,当我们需要在不同的VLAN间通信时又该如何是好呢? 请大家再次回忆一下:VLAN是广播域。而通常两个广播域之间由路由器连接,广播域之间来往
8、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。其中的具体内容,等有机会再细说吧。在这里希望大家先记住不同VLAN间互相通信时需要用到路由功能。 1.3 VLAN的划分方法 VLAN的划分可以是事先固定的、也可以是根据所连的计算机而动态改变设定。前者被称为“静态VLAN”、后者自然就是“动态VLAN”了。 1.3.1 静态VLAN 静态VLAN又被称为基于端口的VLAN。顾名思义,就是明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。 由于需要一个个端口地指定,因此当网络中的计算机数目
9、超过一定数字后,设定操作就会变得烦杂无比。并且,客户机每次变更所连端口,都必须同时更改该端口所属VLAN的设定这显然不适合那些需要频繁改变拓补结构的网络。我们现在所实现的VLAN配置都是基于端口的配置,因为我们只是支持二层交换,端口数目有限一般为4和8个端口,并且只是对于一台交换机的配置,手动配置换算较为方便。 1.3.2 动态VLAN 另一方面,动态VLAN则是根据每个端口所连的计算机,随时改变端口所属的VLAN。这就可以避免上述的更改设定之类的操作。动态VLAN可以大致分为3类: 基于MAC地址的VLAN 基于子网的VLAN 基于用户的VLAN 其间的差异,主要在于根据OSI参照模型哪一层
10、的信息决定端口所属的VLAN。 基于MAC地址的VLAN,就是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。 由于是基于MAC地址决定所属VLAN的,因此可以理解为这是一种在OSI的第二层设定访问链接的办法。 但是,基于MAC地址的VLAN,在设定时必须调查所连接的所有计算机的MAC地址并加以登录。而且如果计算机交换了网卡,还是需
11、要更改设定。 基于子网的VLAN,则是通过所连计算机的IP地址,来决定端口所属VLAN的。不像基于MAC地址的VLAN,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。 因此,与基于MAC地址的VLAN相比,能够更为简便地改变网络结构。IP地址是OSI参照模型中第三层的信息,所以我们可以理解为基于子网的VLAN是一种在OSI的第三层设定访问链接的方法。一般路由器与三层交换机都使用基于子网的方法划分VLAN。 基于用户的VLAN,则是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。这里的用户识别信息,一般是
12、计算机操作系统登录的用户,比如可以是Windows域中使用的用户名。这些用户名信息,属于OSI第四层以上的信息。 总的来说,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。 访问链接的总结 综上所述,VLAN的划分有静态VLAN和动态VLAN两种,其中动态VLAN又可以继续细分成几个小类。 其中基于子网的VLAN和基于用户的VLAN有可能是网络设备厂商使用独有的协议实现的,不同厂商的设备之间互联有可能出现兼容性问题;因此在选择交换机时,一定要注意事先确认。 下表总结了静态VLAN和动态VLAN的相关信息。 种类 解说 静态VLAN 将交换机的各端口固定指派给V
13、LAN 根据各端口所连计算机的MAC地址设定 根据各端口所连计算机的IP地址设定 根据端口所连计算机上登录用户设定 动态VLAN 基于MAC地址的VLAN 基于子网的VLAN 基于用户的VLAN 就目前来说,对于VLAN的划分主要采取上述基于端口的VLAN和基于子网的VLAN两种,而基于MAC地址和基于用户的VLAN一般作为辅助性配置使用。 2. VLAN帧结构 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,最具有代表性的有: IEEE802.1Q ISL 现在就让我们看看这两种协议分别如何对数据帧附加VLAN信息。 2.1 I
14、EEE802.1Q IEEE802.1Q,俗称“Dot One Q”,是经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议。 在此,请大家先回忆一下以太网数据帧的标准格式。 IEEE802.1Q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”之间。具体内容为2字节的TPID和2字节的TCI,共计4字节。 在数据帧中添加了4字节的内容,那么CRC值自然也会有所变化。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。 基于IEEE802.1Q附加的VLAN信息,就像在传递物品时附加的标签。因此,它也被称作“标签型VLAN”。 3 b
15、its1 bits12bitsVLAN IDUser priorityCFI1. TPID (Tag Protocol Identifier,也就是EtherType) 是IEEE定义的新的类型,表明这是一个加了802.1Q标签的帧。TPID包含了一个固定的值0x8100。 2. TCI (Tag Control Information) 包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器(Canonical Format Indicator)和 VLAN ID。 User Priority:该字段为3-bit,用于定义用户优先级,总共有8个(2的3次方)优先级别。IEEE 802.
16、1P 为3比特的用户优先级位定义了操作。最高优先级为7,应用于关键性网络流量,如路由选择信息协议和开放最短路径优先协议的路由表更新。优先级6和5主要用于延迟敏感应用程序,如交互式视频和语音。优先级4到1主要用于受控负载应用程序,如流式多媒体和关键性业务流量 例如,SAP 数据 以及“loss eligible”流量。优先级0是缺省值,并在没有设置其它优先级值的情况下自动启用。 CFI:CFI值为0说明是规范格式,1为非规范格式。它被用在令牌环/源路由FDDI介质访问方法中来指示封装帧中所带地址的比特次序信息。 VID:该字段为12-bit, VLAN ID 是对 VLAN 的识别字段,在标准
17、802.1Q 中常被使用。支持4096(2的12次方) VLAN 的识别。在4096可能的VID 中,VID0 用于识别帧优先级。 4095(FFF)作为预留值,所以 VLAN 配置的最大可能值为4094。 所以有效的VLAN ID范围一般为1-4094。 2.2 ISL ISL,是Cisco产品支持的一种与IEEE802.1Q类似的、用于在汇聚链路上附加VLAN信息的协议。 使用ISL后,每个数据帧头部都会被附加26字节的“ISL包头”,并且在帧尾带上通过对包括ISL包头在内的整个数据帧进行计算后得到的4字节CRC值。换而言之,就是总共增加了30字节的信息。 在使用ISL的环境下,当数据帧离
18、开汇聚链路时,只要简单地去除ISL包头和新CRC就可以了。由于原先的数据帧及其CRC都被完整保留,因此无需重新计算404448168241511616DATypeUserSALenAAA03HSAVLANBPDUindexResv DA 40位组播目的地址。包括一个广播地址0X01000C0000或者是0X03000C0000。 Type 各种封装帧的4位描述符。 User Type 字段使用的4位描述符扩展或定义 Ethernet 优先级。该二进制值从最低优先级开始0到最高优先级3。 SA 传输 Catalyst 交换机中使用的48位源 MAC 地址。 LEN 16位帧长描述符减去 DA、t
19、ype、user、SA、LEN 和 CRC 字段。 AAAA03 标准 SNAP 802.2 LLC 头。 HAS SA 的前3字节。 VLAN 15位 VLAN ID。低10位用于1024 VLAN。 BPDU 1位描述符,识别帧是否是生成树网桥协议数据单元。如果封装帧为思科发现协议帧,也需设置该字段。 INDEX 16位描述符,识别传输端口 ID。用于诊断差错。 RES 16位预留字段,应用于其它信息,如令牌环和分布式光纤数据接口帧,帧校验字段。 ISL帧最大为1548bytes,iSL包头26+1518+4=1548 ISL有如用ISL包头和新CRC将原数据帧整个包裹起来,因此也被称为“
20、封装型VLAN”。 需要注意的是,不论是IEEE802.1Q的“Tagging VLAN”,还是ISL的“Encapsulated VLAN”,都不是很严密的称谓。不同的书籍与参考资料中,上述词语有可能被混合使用,因此需要大家在学习时格外注意。 并且由于ISL是Cisco独有的协议,因此只能用于Cisco网络设备之间的互联。 IEEE 802.Q和ISL的异同: 相同点:都是显式标记,即帧被显式标记了VLAN的信息。 不同点:IEEE 802.1Q是公有的标记方式,ISL是Cisco私有的,ISL采用外部标记的方法,802.1Q采用内部标记的方法,ISL标记的长度为30字节,802.1Q标记的
21、长度为4字节。 VLAN的TRUNK协议 一、VTP概述 VLAN中继协议是CISCO专用协议,大多数交换机都支持该协议。VTP负责在VTP域内同步VLAN信息,这样就不必在每个交换上配置相同的VLAN信息。 VTP还提供一种映射方案,以便通信流能跨越混合介质的骨干。 VTP最重要的作用是,将进行变动时可能会出现在的配置不一致性降至最低。 VTP也有一些缺点,这些缺点通常都与生成树协议有关。 1、VTP协议的作用 VLAN中继协议利用第2层中继帧,在一组交换机之间进行VLAN通信。VTP从一个中心控制点开始,维护整个企业网上VLAN的添加、添加和重命名工作,确何配置的一致性。 2、VTP的优点
22、 保持配置的一致性 提供跨不同介质类型如ATM 、FDDI和以太网配置虚拟局域网的方法 提供跟踪和监视虚拟局域网的方法 提供检测加到另一个交换机上的虚拟局域的方法 提供从一个交换机在整个管理域中增加虚拟局域网的方法 二、VTP的工作原理 1、VTP概述和工作原理 VTP是一种消息协议,使用第2层帧,在全网的基础上管理VLAN的添加、删除和重命名,以实现VLAN配置的一致性。可以用VTP管理网络中VLAN1到1005。 有了VTP,就可以在一台机换上集中过时行配置变更,所作的变更会被自动传播到网络中所有其他的交换机上。 为了实现此功能,必须先建立一个VTP管理域,以使它能管理网络上当前的VLAN
23、。在同一管理域中的交换机共享它们的VLAN信息,并且,一个交换机只能参加到一个VTP管理域,不同域中的交换机不能共享VTP信息。 交换机间交换下列信息: 管理域域名 配置的修订号 已知虚拟局域网的配置信息 交换机使用配置修正号,来决定当前交换机的内部数据是否应该接受从其他交换机发来的VTP更新信息。 如果接收到的VTP更新配置修订号与内部数据库的修订号相同域者比它小,交换机忽略更新。 否则,就更新内部数据库,接受更新信息。 VTP管理域在安全模式下,必须配置一个在VTP域中所有交换机惟一的口令。 VTP的运行有如下特点: VTP通过发送到特定MAC地址01000CCCCCCC的组播VTP消息进
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