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VLAN原理详解

关注:191 发表时间:2018-11-29 16:15:56

VLAN原理详解

 

为什么需要VLAN


1、什么是VLAN?

VLAN(Virtual LAN),翻译成中文是“虚拟局域网”。LAN可以是由少数几台家用计算机构成的网络,也可以是数以百计的计算机构成的企业网络。VLAN所指的LAN特指使用路由器分割的网络——也就是广播域。

 

广播域,指的是广播帧(目标MAC地址全部为1)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(Multicast Frame)和目标不明的单播帧(Unknown Unicast Frame)也能在同一个广播域中畅行无阻。

 

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。

 

2、未分割广播域时……

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。

 

图中,是一个由5台二层交换机(交换机1~5)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(ARP Request)信息”,来尝试获取计算机B的MAC地址。

 

交换机1收到广播帧(ARP请求)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Flooding。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。

 

3、广播域的分割与VLAN的必要性

分割广播域时,一般都必须使用到路由器。使用路由器后,可以以路由器上的网络接口(LAN Interface)为单位分割广播域。

 

但是,通常情况下路由器上不会有太多的网络接口,其数目多在1~4个左右。随着宽带连接的普及,宽带路由器(或者叫IP共享器)变得较为常见,但是需要注意的是,它们上面虽然带着多个(一般为4个左右)连接LAN一侧的网络接口,但那实际上是路由器内置的交换机,并不能分割广播域。

 

况且使用路由器分割广播域的话,所能分割的个数完全取决于路由器的网络接口个数,使得用户无法自由地根据实际需要分割广播域。

 

与路由器相比,二层交换机一般带有多个网络接口。因此如果能使用它分割广播域,那么无疑运用上的灵活性会大大提高。

 

用于在二层交换机上分割广播域的技术,就是VLAN。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。

 

实现VLAN的机制


1、实现VLAN的机制

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(Flooding)。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,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。

 

2、直观地描述VLAN

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。

 

3、需要VLAN间通信时怎么办

那么,当我们需要在不同的VLAN间通信时又该如何是好呢?

VLAN是广播域,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”。


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