交换机是如何转发带有VLAN的数据帧的？一文带你搞懂VLAN技术原理

时间  2020-12-07
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交换机是如何转发带有VLAN的数据帧的？一文带你搞懂VLAN技术原理

前言git

上一章节咱们介绍了DHCP协议的工做原理 你知道你的电脑IP地址是如何获取的吗？一文带你搞懂DHCP动态主机配置协议。安全

今天来介绍下一个二层的隔离技术——VLAN。那么为何会出现这种技术呢？网络

咱们知道一个企业随着业务发展网络中的计算机愈来愈多，全部的主机在一个二层的以太网中会形成如下问题：ide

  • 网络中的全部主机属于同一个广播域，容易形成广播报文泛滥，浪费网络带宽，形成链路拥塞；学习

  • 广播域太大，同一广播域下的主机均可以互相通讯，容易带来安全性问题。

VLAN技术能够隔离广播域，缩小广播域的范围，从而解决了上述问题。测试

正文code

1 什么是VLAN？orm

VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，能够将一个物理局域网在逻辑上划分红多个广播域，也就是多个VLAN。blog

VLAN做用：接口

VLAN技术部署在数据链路层，用于隔离二层流量。

VLAN的通讯原则:

  • 同一个VLAN内的主机共享同一个广播域，它们之间能够直接进行二层通讯；

  • VLAN间的主机属于不一样的广播域，不能直接实现二层互通。

VLAN优势：

既可以隔离广播域，又可以提高网络的安全性。

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如上图所示：

本来属于同一广播域的主机被划分到了两个VLAN中，即，VLAN2和VLAN3。因为PC1和PC4同属于VLAN3，所以二层能够互相通讯；PC1和PC2属于不一样的VLAN，不可以二层通讯。

2 VLAN报文格式：
带有VLAN的数据帧比正常以太网数据帧多了Tag字段，VLAN Tag长4个字节，直接添加在以太网帧头中。

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Tag字段组成：

一、TPID：Tag Protocol Identifier，2字节，固定取值，0x8100，是IEEE定义的新类型，代表这是一个携带802.1Q标签的帧。若是不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。

二、TCI：Tag Control Information，2字节。帧的控制信息，详细说明以下：

  • Priority：3比特，表示帧的优先级，取值范围为0～7，值越大优先级越高。当交换机阻塞时，优先发送优先级高的数据帧。

  • CFI：Canonical Format Indicator，1比特。CFI表示MAC地址是不是经典格式。CFI为0说明是经典格式，CFI为1表示为非经典格式。用于区分以太网帧、FDDI（Fiber Distributed Digital Interface）帧和令牌环网帧。在以太网中，CFI的值为0。

  • VLAN Identifier：VLAN ID，12比特,可配置的VLAN ID取值范围为0～4095，可是0和4095在协议中规定为保留的VLAN ID，不能给用户使用。

在Tag字段中，主要关注的就是VLAN Identifier， 这个字段表示该数据帧带的vlan id是多少。

3 PVID
PVID即Port VLAN ID，表明端口的缺省VLAN。

为何须要PVID？

交换机从对端设备收到的帧有多是Untagged的数据帧，但全部以太网帧在交换机中都是以Tagged的形式来被处理和转发的，所以交换机必须给端口收到的Untagged数据帧添加上Tag。

为了实现此目的，必须为交换机配置端口的缺省VLAN。

交换机收到Untagged数据帧的处理方式：

当该端口收到Untagged数据帧时，交换机将给它加上该缺省VLAN的VLAN Tag。

缺省状况下，交换机每一个端口的PVID是1。

以下图所示：经过dis int g0/0/3能够查看交换机二层端口的PVID为1。

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4 VLAN的划分
咱们知道vlan能够隔离广播域，那么如何去划分vlan呢？下面介绍下5种vlan的划分方法，重点关注基于端口的VLAN划分方式。

  • 基于端口划分：根据交换机的端口编号来划分VLAN。

经过为交换机的每一个端口配置不一样的PVID，来将不一样端口划分到VLAN中。初始状况下，交换机的端口处于VLAN1中。

优势：此方法配置简单，可是当主机移动位置时，须要从新配置VLAN。

  • 基于MAC地址划分：根据主机网卡的MAC地址划分VLAN。

此划分方法须要网络管理员提早配置网络中的主机MAC地址和VLAN ID的映射关系。若是交换机收到不带标签的数据帧，会查找以前配置的MAC地址和VLAN映射表，根据数据帧中携带的MAC地址来添加相应的VLAN标签。

优势：在使用此方法配置VLAN时，即便主机移动位置也不须要从新配置VLAN。

  • 基于IP子网划分：交换机在收到不带标签的数据帧时，根据报文携带的IP地址给数据帧添加VLAN标签。

  • 基于协议划分：根据数据帧的协议类型（或协议族类型）、封装格式来分配VLAN ID。

网络管理员须要首先配置协议类型和VLAN ID之间的映射关系。

  • 基于策略划分：使用几个条件的组合来分配VLAN标签。这些条件包括IP子网、端口和IP地址等。只有当全部条件都匹配时，交换机才为数据帧添加VLAN标签。另外，针对每一条策略都是须要手工配置的。

5 VLAN工做原理：
在介绍VLAN工做原理以前，咱们先看下VLAN的2种链路类型和3种端口类型。

2种链路类型

VLAN链路分为两种类型：Access链路和Trunk链路。

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  • 接入链路（Access Link）：链接用户主机和交换机的链路称为接入链路。如本例所示，图中主机和交换机之间的链路都是接入链路。

  • 干道链路（Trunk Link）：链接交换机和交换机的链路称为干道链路。如本例所示，图中交换机之间的链路都是干道链路。干道链路上经过的帧通常为带Tag的VLAN帧。

3种端口类型

学习了vlan的概念，咱们知道网络中的数据帧要么是没有加上VLAN标记的标准以太网帧（untagged frame），要么是带有VLAN标记的以太网帧（tagged frame）。

那么不一样类型的接口是如何发送和接收带有vlan标记的以太网数据帧的呢？

Access接口：

Access端口是交换机上用来链接用户主机的端口，它只能链接接入链路，而且只能容许惟一的VLAN ID经过本端口。

Access端口收发数据帧的规则以下：

  • 若是该端口收到对端设备发送的帧是untagged（不带VLAN标签），交换机将强制加上该端口的PVID。

若是该端口收到对端设备发送的帧是tagged（带VLAN标签），交换机会检查该标签内的VLAN ID。当VLAN ID与该端口的PVID相同时，接收该报文。当VLAN ID与该端口的PVID不一样时，丢弃该报文。

  • Access端口发送数据帧时，老是先剥离帧的Tag，而后再发送。Access端口发往对端设备的以太网帧永远是不带标签的帧。

Trunk端口：

Trunk端口是交换机上用来和其余交换机链接的端口，它只能链接干道链路。Trunk端口容许多个VLAN的帧（带Tag标记）经过。

Trunk端口收发数据帧的规则以下：

  • 当接收到对端设备发送的不带Tag的数据帧时，会添加该端口的PVID，若是PVID在容许经过的VLAN ID列表中，则接收该报文，不然丢弃该报文。

接收到对端设备发送的带Tag的数据帧时，检查VLAN ID是否在容许经过的VLAN ID列表中。若是VLAN ID在接口容许经过的VLAN ID列表中，则接收该报文。不然丢弃该报文。

  • 端口发送数据帧时，当VLAN ID与端口的PVID相同，且是该端口容许经过的VLAN ID时，去掉Tag，发送该报文。

当VLAN ID与端口的PVID不一样，且是该端口容许经过的VLAN ID时，保持原有Tag，发送该报文。

Hybrid端口：

Access端口发往其余设备的报文，都是Untagged数据帧，而Trunk端口仅在一种特定状况下才能发出untagged数据帧，其它状况发出的都是Tagged数据帧。

Hybrid端口是交换机上既能够链接用户主机，又能够链接其余交换机的端口。

Hybrid端口既能够链接接入链路又能够链接干道链路。Hybrid端口容许多个VLAN的帧经过，并能够在出端口方向将某些VLAN帧的Tag剥掉。华为设备默认的端口类型是Hybrid。

Hybrid端口收发数据帧的规则以下：

  • 当接收到对端设备发送的不带Tag的数据帧时，会添加该端口的PVID，若是PVID在容许经过的VLAN ID列表中，则接收该报文，不然丢弃该报文。

当接收到对端设备发送的带Tag的数据帧时，检查VLAN ID是否在容许经过的VLAN ID列表中。若是VLAN ID在接口容许经过的VLAN ID列表中，则接收该报文，不然丢弃该报文。

  • Hybrid端口发送数据帧时，将检查该接口是否容许该VLAN数据帧经过。若是容许经过，则能够经过命令配置发送时是否携带Tag。

VLAN的工做原理：

下一章节咱们一块儿介绍下VLAN的工做原理：

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结合VLAN的链路类型和端口类型，根据PC2和PC3互相通讯的过程介绍下VLAN的工做原理。

阶段一：PC2 ARP广播获取PC3的MAC地址

一、咱们知道主机间是基于MAC地址进行二层通讯的，PC2和PC3因为是首次通讯，PC2不知道PC3的MAC地址，所以会在广播域中发送ARP广播报文，询问有谁知道PC3的MAC地址。

二、LSW1从接口g0/0/2 收到PC2发送的ARP广播报文，因为接口g0/0/2是access接口，端口属于vlan 2，首先会在MAC地址表项中记录下PC2 mac地址、所属VLAN二、g0/0/2三者的对应关系，而后会给数据帧打上vlan2的标签，并在vlan 2中泛洪该广播报文。

三、LSW1将带有vlan2标签的广播报文发送给LSW2。

四、LSW2从接口g0/0/1 收到PC2发送的ARP广播报文，首先在MAC地址表项中记录下PC2 mac地址、VLAN二、g0/0/1三者的对应关系，并在vlan 2中泛洪该广播报文。

五、LSW2在发送广播报文给PC3时会剥除vlan2的标签。

六、PC3收到从LSW2发送的ARP广播报文，会进行ARP单播回应。

回应的报文转发流程和上述类型，不作讲解。

阶段二：数据转发过程

一、PC2发送源MAC是PC2,目的MAC是PC3的以太网数据帧。

二、LSW1从接口g0/0/2 收到PC2发送的数据帧，因为接口g0/0/2是access接口，端口属于vlan 2,首先会给数据帧打上vlan2的标签,而后在对应vlan中根据目的mac查找mac地址表,能够找到PC3 MAC地址对应的接口是g0/0/1。

三、LSW1的g0/0/1端口类型是trunk，放通了vlan 2 和3，所以LSW1将带有vlan2标签的数据帧从g0/0/1发送给LSW2。

四、LSW1从接口g0/0/1 收到PC2发送的数据帧，因为g0/0/1端口类型是trunk，放通了vlan 2 和3，所以接收该数据帧，在对应vlan中根据目的mac查找mac地址表,能够找到PC3 MAC地址对应的接口是g0/0/2。

五、LSW2的g0/0/1端口类型是access接口，端口属于vlan 2，所以LSW2剥除vlan2标签将数据帧从g0/0/2发送给PC3。

六、PC3收到数据帧查看目的mac是发送给本身的接收下该数据帧。

6 VLAN配置：

建立VLAN：

VLAN ID的取值范围是1到4094。在交换机上划分VLAN时，须要首先建立VLAN。在交换机上执行vlan <vlan-id>命令，建立VLAN。

例如：执行vlan 10命令后，就建立了VLAN 10，并进入了VLAN 10视图。

如需建立多个VLAN：

  • 能够在交换机上执行vlan batch { vlan-id1 [ to vlan-id2 ] }命令，以建立多个连续的VLAN。

  • 也能够执行vlan batch { vlan-id1 vlan-id2 }命令，建立多个不连续的VLAN，VLAN号之间须要有空格。

VLAN端口类型的配置：

华为系列交换机上，默认的端口类型是hybrid。

配置端口类型的命令是port link-type <type>，type能够配置为Access，Trunk或Hybrid。

配置Access

一、使用port link-type access命令修改端口的类型为Access；

二、添加端口到VLAN：可使用两种方法把端口加入到VLAN。

  • 第一种方法是进入到VLAN视图，执行port <interface>命令，把端口加入VLAN。

  • 第二种方法是进入到接口视图，执行port default <vlan-id>命令，把端口加入VLAN。vlan-id是指端口要加入的VLAN。

配置Trunk

一、使用port link-type trunk命令修改端口的类型为Trunk；

二、配置Trunk端口容许哪些VLAN的数据帧经过。执行port trunk allow-pass vlan { { vlan-id1 [ to vlan-id2 ] } | all }命令，能够配置端口容许的VLAN，all表示容许全部VLAN的数据帧经过。

三、执行port trunk pvid vlan vlan-id命令，能够修改Trunk端口的PVID。

修改Trunk端口的PVID以后，须要注意：

  • 缺省VLAN不必定是端口容许经过的VLAN。只有使用命令port trunk allow-pass vlan { { vlan-id1 [ to vlan-id2 ] } | all }容许缺省VLAN数据经过，才能转发缺省VLAN的数据帧。

  • 交换机的全部端口默认容许VLAN1的数据经过。

配置Hybrid

一、port link-type hybrid命令的做用是将端口的类型配置为Hybrid。默认状况下，交换机的端口类型是Hybrid。所以，只有在把Access口或Trunk口配置成Hybrid时，才须要执行此命令。

二、port hybrid tagged vlan{ { vlan-id1 [ to vlan-id2 ] } | all }命令用来配置容许哪些VLAN的数据帧以Tagged方式经过该端口。

三、port hybrid untagged vlan { { vlan-id1 [ to vlan-id2 ] } | all }命令用来配置容许哪些VLAN的数据帧以Untagged方式经过该端口。

配置检查

执行display vlan命令，能够确认端口是否已经加入到VLAN中。

7 实战——vlan配置实例

如图所示：PC1和PC4属于vlan3，PC2和PC3属于vlan2。经过配置实现PC1和PC4可以互通，PC1和PC2相互隔离；

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配置以下：

[LSW1]

#

sysname LSW1

#

vlan batch 2 to 3

#

interface GigabitEthernet0/0/1

port link-type trunk

port trunk allow-pass vlan 2 to 3

#

interface GigabitEthernet0/0/2

port link-type access

port default vlan 2

#

interface GigabitEthernet0/0/3

port link-type access

port default vlan 3
[LSW2]

#

sysname LSW2

#

vlan batch 2 to 3

#

interface GigabitEthernet0/0/1

port link-type trunk

port trunk allow-pass vlan 2 to 3

#

interface GigabitEthernet0/0/2

port link-type access

port default vlan 2

#

interface GigabitEthernet0/0/3

port link-type access

port default vlan 3

#

在LSW1上查看：

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在PC1上ping测试PC4和PC2，能够发现相同vlan之间能够通讯，不一样vlan间不能够通讯。

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分别在LSW1的G0/0/3和G0/0/1抓取报文：

在G0/0/3抓取的报文是不带标签的

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G0/0/1抓取报文是带标签的:

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根据type取值0x8100，代表这是一个携带802.1Q标签的帧。能够获得如下信息:

  • Priority为0，优先级最低。

  • CFI的值为0代表是以太网

  • VLAN ID值为3，表示这是一个带有vlan3标签的数据帧。
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