交换机可以隔离冲突域但是不能隔离广播域,当主机数目较多时会导致安全隐患、广播泛滥、性能显著下降甚至造成网络不可用。在这种情况下出现了VLAN (虚拟局域网,Virtual Local Area Network)技术解决以上问题。
如图是一个典型的交换网络,网络中只有终端计算机和交换机。在这样的网络中,如果某一台计算机发送了一个广播帧,由于交换机对广播帧执行泛洪操作,结果所有其他的计算机都会收到这个广播帧。
在典型交换网络中,当某台主机发送一个广播帧或未知单播帧时,该数据帧会被泛洪,甚至传递到整个广播域,广播域越大,产生的网络安全问题、垃圾流量问题,就越严重。
如上图:如果PC1向PC2发送了一个单播帧。此时SW1、SW3、SW7的MAC地址表中存在关于PC2的MAC地址表项,但SW2和SW5不存在关于PC2的MAC地址表项。那么,SW1和SW3将对该单播帧执行点对点的转发操作,SW7将对该单播帧执行丢弃操作,SW2和SW5将对该单播帧执行泛洪操作。最后的结果是,PC2虽然收到了该单播帧,但网络中的很多其他非目的主机,同样收到了不该接收的数据帧。显然,广播域越大,网络安全问题和垃圾流量问题就越严重。
为了解决广播域带来的问题,人们引入了VLAN (Virtual Local Area Network),即虚拟局域网技术:
通过在交换机上部署VLAN,可以将一个规模较大的广播域在逻辑上划分成若干个不同的、规模较小的广播域,由此可以有效地提升网络的安全性,同时减少垃圾流量,节约网络资源。
VLAN的特点:
一个VLAN就是一个广播域,所以在同一个VLAN内部,计算机可以直接进行二层通信;而不同VLAN内的计算机,无法直接进行二层通信,只能进行三层通信来传递信息,即广播报文被限制在一个VLAN内。
VLAN的划分不受地域的限制。
VLAN的好处:
灵活构建虚拟工作组:用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组,同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围,网络构建和维护更方便灵活。
限制广播域:广播域被限制在一个VLAN内,节省了带宽,提高了网络处理能力。
增强局域网的安全性:不同VLAN内的报文在传输时是相互隔离的,即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信。
提高了网络的健壮性:故障被限制在一个VLAN内,本VLAN内的故障不会影响其他VLAN的正常工作。
vlan可以减小广播域的大小,增加广播域的数量,今天我们就来看看VLAN的实现原理,如图所示:
Switch1与Switch2同属一个企业,该企业统一规划了网络中的VLAN。其中VLAN10用于A部门,VLAN20用于B部门。A、B部门的员工在Switch1和Switch2上都有接入。
PC1发出的数据经过Switch1和Switch2之间的链路到达了Switch2。如果不加处理,后者无法判断该数据所属的VLAN,也不知道应该将这个数据输出到本地哪个VLAN中。
为了标识数据帧所属的VLAN就引入了VLAN标签 (VLAN Tag),要使交换机能够分辨不同VLAN的报文,需要在报文中添加标识VLAN信息的字段。IEEE 802.1Q协议规定,在以太网数据帧中加入4个字节的VLAN标签,又称VLAN Tag,简称Tag。
如图所示,SW1识别出某个帧是属于哪个VLAN后,会在这个帧的特定位置上添加一个标签。这个标签明确地标明了这个帧是属于哪个VLAN的。其他交换机(如SW2)收到这个带标签的数据帧后,就能轻而易举地直接根据标签信息识别出这个帧属于哪个VLAN。
最后我们来看一看VLAN数据帧有哪些字段:
在一个VLAN交换网络中,以太网帧主要有以下两种形式:
- 有标记帧(Tagged帧):IEEE 802.1Q协议规定,在以太网数据帧的目的MAC地址和源MAC地址字段之后、协议类型字段之前加入4个字节的VLAN标签(又称VLAN Tag,简称Tag)的数据帧。
- 无标记帧(Untagged帧):原始的、未加入4字节VLAN标签的数据帧。
VLAN数据帧中的主要字段:
- TPID:2字节,Tag Protocol Identifier(标签协议标识符),表示数据帧类型。
- 取值为0x8100时表示IEEE 802.1Q的VLAN数据帧。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧,会将其丢弃。
- 各设备厂商可以自定义该字段的值。当邻居设备将TPID值配置为非0x8100时,为了能够识别这样的报文,实现互通,必须在本设备上修改TPID值,确保和邻居设备的TPID值配置一致。
- PRI:3 bit,Priority,表示数据帧的优先级,用于QoS。
- 取值范围为0~7,值越大优先级越高。当网络阻塞时,交换机优先发送优先级高的数据帧。
- CFI:1 bit,Canonical Format Indicator(标准格式指示位),表示MAC地址在不同的传输介质中是否以标准格式进行封装,用于兼容以太网和令牌环网
- CFI取值为0表示MAC地址以标准格式进行封装,为1表示以非标准格式封装。
- 在以太网中,CFI的值为0。
- VID:12 bit,VLAN ID,表示该数据帧所属VLAN的编号。
- VLAN ID取值范围是0~4095。由于0和4095为协议保留取值,所以VLAN ID的有效取值范围是1~4094。
- 交换机利用VLAN标签中的VID来识别数据帧所属的VLAN,广播帧只在同一VLAN内转发,这就将广播域限制在一个VLAN内。
如何识别带VLAN标签的数据帧:
数据帧的Length/Type = 0x8100。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-499932.html
注意:计算机无法识别Tagged数据帧,因此计算机处理和发出的都是Untagged数据帧;为了提高处理效率,交换机内部处理的数据帧一律都是Tagged帧。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-499932.html
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