前言

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今天浩道跟大家分享關于VLAN技術出現的必要，以及通過圖文并茂形式帶你全面了解VLAN技術！

VLAN（Virtual Local Area Network）即虛擬局域網，是將一個物理的LAN在邏輯上劃分成多個廣播域的通信技術。每個VLAN是一個廣播域，VLAN內的主機間可以直接通信，而VLAN間則不能直接互通。這樣，廣播報文就被限制在一個VLAN內。

為什么需要VLAN

早期以太網是一種基于CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的共享通訊介質的數據網絡通訊技術。當主機數目較多時會導致沖突嚴重、廣播泛濫、性能顯著下降甚至造成網絡不可用等問題。通過二層設備實現LAN互連雖然可以解決沖突嚴重的問題，但仍然不能隔離廣播報文和提升網絡質量。

在這種情況下出現了VLAN技術。這種技術可以把一個LAN劃分成多個邏輯的VLAN，每個VLAN是一個廣播域，VLAN內的主機間通信就和在一個LAN內一樣，而VLAN間則不能直接互通，廣播報文就被限制在一個VLAN內。如下圖所示。

VLAN的作用

因此，VLAN具備以下優點：

限制廣播域：廣播域被限制在一個VLAN內，節省了帶寬，提高了網絡處理能力。

增強局域網的安全性：不同VLAN內的報文在傳輸時相互隔離，即一個VLAN內的用戶不能和其它VLAN內的用戶直接通信。

提高了網絡的健壯性：故障被限制在一個VLAN內，本VLAN內的故障不會影響其他VLAN的正常工作。

靈活構建虛擬工作組：用VLAN可以劃分不同的用戶到不同的工作組，同一工作組的用戶也不必局限于某一固定的物理范圍，網絡構建和維護更方便靈活。

VLAN vs 子網

通過將IP地址的網絡部分進一步劃分為若干個子網，可以解決IP地址空間利用率低和兩級IP地址不夠靈活的問題。

與VLAN相類似的是，子網也可以隔離主機間的通信。屬于不同VLAN的主機之間不能直接通信，屬于不同的子網的主機之間也不能直接通信。但二者沒有必然的對應關系。

VLAN vs 子網

VLAN Tag和VLAN ID

要使交換機能夠分辨不同VLAN的報文，需要在報文中添加標識VLAN信息的字段。IEEE 802.1Q協議規定，在以太網數據幀中加入4個字節的VLAN標簽（又稱VLAN Tag，簡稱Tag），用以標識VLAN信息。

IEEE 802.1Q封裝的VLAN數據幀格式

數據幀中的VID字段標識了該數據幀所屬的VLAN，數據幀只能在其所屬VLAN內進行傳輸。VID字段代表VLAN ID，VLAN ID取值范圍是0～4095。由于0和4095為協議保留取值，所以VLAN ID的有效取值范圍是1～4094。

交換機內部處理的數據幀都帶有VLAN標簽。而交換機連接的部分設備（如用戶主機、服務器）只會收發不帶VLAN tag的傳統以太網數據幀。因此，要與這些設備交互，就需要交換機的接口能夠識別傳統以太網數據幀，并在收發時給幀添加、剝除VLAN標簽。添加什么VLAN標簽，由接口上的缺省VLAN（Port Default VLAN ID，PVID）決定。

VLAN的接口類型和VLAN標簽的處理機制

現網中屬于同一個VLAN的用戶可能會被連接在不同的交換機上，且跨越交換機的VLAN可能不止一個，如果需要用戶間的互通，就需要交換機間的接口能夠同時識別和發送多個VLAN的數據幀。根據接口連接對象以及對收發數據幀處理的不同，當前有VLAN的多種接口類型，以適應不同的連接和組網。

不同廠商對VLAN接口類型的定義可能不同。對于華為設備來說，常見的VLAN接口類型有三種，包括：Access、Trunk和Hybrid。

Access接口

Access接口一般用于和不能識別Tag的用戶終端（如用戶主機、服務器）相連，或者不需要區分不同VLAN成員時使用。

在一個VLAN交換網絡中，以太網數據幀主要有以下兩種形式：無標記幀（Untagged幀）：原始的、未加入4字節VLAN標簽的幀。有標記幀（Tagged幀）：加入了4字節VLAN標簽的幀。Access接口大部分情況只能收發Untagged幀，且只能為Untagged幀添加唯一VLAN的Tag。交換機內部只處理Tagged幀，所以Access接口需要給收到的數據幀添加VLAN Tag，也就必須配置缺省VLAN。配置缺省VLAN后，該Access接口也就加入了該VLAN。

當Access接口收到帶有Tag的幀，并且幀中VID與PVID相同時，Access接口也能接收并處理該幀。

在發送帶有Tag的幀前，Access接口會剝離Tag。

Trunk接口

Trunk接口一般用于連接交換機、路由器、AP以及可同時收發Tagged幀和Untagged幀的語音終端。它可以允許多個VLAN的幀帶Tag通過，但只允許屬于缺省VLAN的幀從該類接口上發出時不帶Tag（即剝除Tag）。

Trunk接口上的缺省VLAN，有的廠商也將它定義為native VLAN。當Trunk接口收到Untagged幀時，會為Untagged幀打上Native VLAN對應的Tag。

Hybrid接口

Hybrid接口既可以用于連接不能識別Tag的用戶終端（如用戶主機、服務器）和網絡設備（如Hub），也可以用于連接交換機、路由器以及可同時收發Tagged幀和Untagged幀的語音終端、AP。它可以允許多個VLAN的幀帶Tag通過，且允許從該類接口發出的幀根據需要配置某些VLAN的幀帶Tag（即不剝除Tag）、某些VLAN的幀不帶Tag（即剝除Tag）。

Hybrid接口和Trunk接口在很多應用場景下可以通用，但在某些應用場景下，必須使用Hybrid接口。比如在靈活QinQ中，服務提供商網絡的多個VLAN的報文在進入用戶網絡前，需要剝離外層VLAN Tag，此時Trunk接口不能實現該功能，因為Trunk接口只能使該接口缺省VLAN的報文不帶VLAN Tag通過。

VLAN的使用場景 VLAN的常見使用場景包括：VLAN間用戶的二層隔離，VLAN間用戶的三層互訪。

VLAN間用戶的二層隔離

如下圖所示，某商務樓內有多家公司，為了降低成本，多家公司共用網絡資源，各公司分別連接到一臺二層交換機的不同接口，并通過統一的出口訪問Internet。

基于接口的VLAN劃分組網圖

為了保證各公司業務的獨立和安全，可將每個公司所連接的接口劃分到不同的VLAN，實現公司間業務數據的完全隔離。可以認為每個公司擁有獨立的“虛擬路由器”，每個VLAN就是一個“虛擬工作組”。

再比如，某公司有兩個部門，分別分配了固定的IP網段。為加強員工間的學習與交流，員工的位置有時會相互調動，但公司希望各部門員工訪問的網絡資源的權限不變。

基于IP的VLAN劃分組網圖

為了保證部門內員工的位置調整后，訪問網絡資源的權限不變，可在公司的交換機Switch_1上配置基于IP子網劃分VLAN。這樣，服務器的不同網段就劃分到不同的VLAN，訪問服務器不同應用服務的數據流就會隔離，提高了安全性。

VLAN間用戶的三層互訪

如下圖所示，某小型公司的兩個部門分別通過二層交換機接入到一臺三層交換機Switch_3，所屬VLAN分別為VLAN2和VLAN3，部門1和部門2的用戶互通時，需要經過三層交換機。

通過VLANIF實現VLAN間用戶的三層互訪

可在Switch_1和Switch_2上劃分VLAN并將VLAN透傳到Switch_3上，然后在Switch_3上為每個VLAN配置一個VLANIF接口，實現VLAN2和VLAN3間的路由。

VLAN的相關協議

IEEE 802.1Q

IEEE 802.1Q（也被稱為Dot1q）即Virtual Bridged Local Area Networks協議，規定了VLAN的實現標準。與標準的以太網數據幀相比，VLAN數據幀增加了1個4字節的VLAN標簽。

LNP

鏈路類型協商協議（Link-type Negotiation Protocol，LNP）用來動態協商以太網接口的鏈路類型為Access或者Trunk。

以太網接口的鏈路類型協商為Access，缺省情況下加入VLAN1。

以太網接口的鏈路類型協商為Trunk，缺省情況下加入VLAN1～4094。

QinQ

QinQ（802.1Q-in-802.1Q）協議出自IEEE 802.1ad標準協議，通過在802.1Q標簽報文的基礎上再增加一層802.1Q的Tag來達到擴展VLAN空間的功能，可以使私網VLAN透傳公網。

由于在骨干網中傳遞的報文有兩層802.1Q Tag（一層公網Tag，一層私網Tag），即802.1Q-in-802.1Q，所以稱之為QinQ協議。

云化場景下，VLAN存在的問題

隨著網絡技術的發展，云計算憑借其在系統利用率高、人力和管理成本低、靈活性和可擴展性強等方面表現出的優勢，已經成為目前企業IT建設的新趨勢。而服務器虛擬化作為云計算的核心技術之一，得到了越來越多的應用。

VLAN作為傳統的網絡隔離技術，在標準定義中VLAN的數量只有4096個，無法滿足大型數據中心的租戶間隔離需求。另外，VLAN的二層范圍一般較小且固定，無法支持虛擬機大范圍的動態遷移。

因此，RFC定義了VLAN擴展方案VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虛擬擴展局域網）。VXLAN采用MAC in UDP（User Datagram Protocol）封裝方式，是NVO3（Network Virtualization over Layer 3）中的一種網絡虛擬化技術。VXLAN完美地彌補了VLAN的上述不足，一方面通過VXLAN中的24比特VNI（VXLAN Network Identifier）字段，提供多達16M租戶的標識能力，遠大于VLAN的數量；另一方面，VXLAN本質上在兩臺交換機之間構建了一條穿越數據中心基礎IP網絡的虛擬隧道，將數據中心網絡虛擬成一個巨型“二層交換機”，滿足虛擬機大范圍動態遷移的需求。

編輯：黃飛