什么是VLAN？VLAN的工作原理詳解

什么是VLAN?

VLAN(Virtual LAN)，翻譯成中文是“虛擬局域網(wǎng)”。LAN可以是由少數(shù)幾臺(tái)家用計(jì)算機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，也可以是數(shù)以百計(jì)的計(jì)算機(jī)構(gòu)成的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。VLAN所指的LAN特指使用路由器分割的網(wǎng)絡(luò)——也就是廣播域。

在此讓我們先復(fù)習(xí)一下廣播域的概念。廣播域，指的是廣播幀(目標(biāo)MAC地址全部為1)所能傳遞到的范圍，亦即能夠直接通信的范圍。嚴(yán)格地說(shuō)，并不僅僅是廣播幀，多播幀(Multicast Frame)和目標(biāo)不明的單播幀(Unknown Unicast Frame)也能在同一個(gè)廣播域中暢行無(wú)阻。

本來(lái)，二層交換機(jī)只能構(gòu)建單一的廣播域，不過(guò)使用VLAN功能后，它能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)廣播域。

未分割廣播域時(shí)

那么，為什么需要分割廣播域呢?那是因?yàn)椋绻麅H有一個(gè)廣播域，有可能會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)整體的傳輸性能。具體原因，請(qǐng)參看附圖加深理解。

圖中，是一個(gè)由5臺(tái)二層交換機(jī)(交換機(jī)1～5)連接了大量客戶機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)這時(shí)，計(jì)算機(jī)A需要與計(jì)算機(jī)B通信。

在基于以太網(wǎng)的通信中，必須在數(shù)據(jù)幀中指定目標(biāo)MAC地址才能正常通信，因此計(jì)算機(jī)A必須先廣播“ARP請(qǐng)求(ARP Request)信息”，來(lái)嘗試獲取計(jì)算機(jī)B的MAC地址。

交換機(jī)1收到廣播幀(ARP請(qǐng)求)后，會(huì)將它轉(zhuǎn)發(fā)給除接收端口外的其他所有端口，也就是Flooding了。

接著，交換機(jī)2收到廣播幀后也會(huì)Flooding。交換機(jī)3、4、5也還會(huì)Flooding。最終ARP請(qǐng)求會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到同一網(wǎng)絡(luò)中的所有客戶機(jī)上。

請(qǐng)大家注意一下，這個(gè)ARP請(qǐng)求原本是為了獲得計(jì)算機(jī)B的MAC地址而發(fā)出的。

也就是說(shuō)：只要計(jì)算機(jī)B能收到就萬(wàn)事大吉了。

可是事實(shí)上，數(shù)據(jù)幀卻傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致所有的計(jì)算機(jī)都收到了它。

如此一來(lái)，一方面廣播信息消耗了網(wǎng)絡(luò)整體的帶寬，另一方面，收到廣播信息的計(jì)算機(jī)還要消耗一部分CPU時(shí)間來(lái)對(duì)它進(jìn)行處理。造成了網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU運(yùn)算能力的大量無(wú)謂消耗。

廣播信息是那么經(jīng)常發(fā)出的嗎?

讀到這里，你也許會(huì)問(wèn)：廣播信息真是那么頻繁出現(xiàn)的嗎?

答案是：是的，實(shí)際上廣播幀會(huì)非常頻繁地出現(xiàn)。

利用TCP/IP協(xié)議棧通信時(shí)，除了前面出現(xiàn)的ARP外，還有可能需要發(fā)出DHCP、RIP等很多其他類型的廣播信息。

ARP廣播，是在需要與其他主機(jī)通信時(shí)發(fā)出的。當(dāng)客戶機(jī)請(qǐng)求DHCP服務(wù)器分配IP地址時(shí)，就必須發(fā)出DHCP的廣播。而使用RIP作為路由協(xié)議時(shí)，每隔30秒路由器都會(huì)對(duì)鄰近的其他路由器廣播一次路由信息。

RIP以外的其他路由協(xié)議使用多播傳輸路由信息，這也會(huì)被交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)(Flooding)。除了TCP/IP以外，NetBEUI、IPX和Apple Talk等協(xié)議也經(jīng)常需要用到廣播。例如在Windows下雙擊打開(kāi)“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)”時(shí)就會(huì)發(fā)出廣播(多播)信息。(Windows XP除外……)

總之，廣播就在我們身邊。

下面是一些常見(jiàn)的廣播通信：

(1)ARP請(qǐng)求：建立IP地址和MAC地址的映射關(guān)系。

(2)RIP：一種路由協(xié)議。

(3)DHCP：用于自動(dòng)設(shè)定IP地址的協(xié)議。

(4)NetBEUI：Windows下使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

(5)IPX：NovellNetware使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

(6)Apple Talk：蘋(píng)果公司的Macintosh計(jì)算機(jī)使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

如果整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)廣播域，那么一旦發(fā)出廣播信息，就會(huì)傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)LAN時(shí)，需要注意如何才能有效地分割廣播域。

廣播域的分割與VLAN的必要性

分割廣播域時(shí)，一般都必須使用到路由器。使用路由器后，可以以路由器上的網(wǎng)絡(luò)接口(LAN Interface)為單位分割廣播域。

但是，通常情況下路由器上不會(huì)有太多的網(wǎng)絡(luò)接口，其數(shù)目多在1～4個(gè)左右。隨著寬帶連接的普及，寬帶路由器(或者叫IP共享器)變得較為常見(jiàn)，但是需要注意的是，它們上面雖然帶著多個(gè)(一般為4個(gè)左右)連接LAN一側(cè)的網(wǎng)絡(luò)接口，但那實(shí)際上是路由器內(nèi)置的交換機(jī)，并不能分割廣播域。

況且使用路由器分割廣播域的話，所能分割的個(gè)數(shù)完全取決于路由器的網(wǎng)絡(luò)接口個(gè)數(shù)，使得用戶無(wú)法自由地根據(jù)實(shí)際需要分割廣播域。

與路由器相比，二層交換機(jī)一般帶有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。因此如果能使用它分割廣播域，那么無(wú)疑運(yùn)用上的靈活性會(huì)大大提高。

用于在二層交換機(jī)上分割廣播域的技術(shù)，就是VLAN。通過(guò)利用VLAN，我們可以自由設(shè)計(jì)廣播域的構(gòu)成，提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的自由度。

實(shí)現(xiàn)VLAN的機(jī)制

在理解了“為什么需要VLAN”之后，接下來(lái)讓我們來(lái)了解一下交換機(jī)是如何使用VLAN分割廣播域的。

首先，在一臺(tái)未設(shè)置任何VLAN的二層交換機(jī)上，任何廣播幀都會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給除接收端口外的所有其他端口(Flooding)。例如，計(jì)算機(jī)A發(fā)送廣播信息后，會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給端口2、3、4。

這時(shí)，如果在交換機(jī)上生成紅、藍(lán)兩個(gè)VLAN;同時(shí)設(shè)置端口1、2屬于紅色VLAN、端口3、4屬于藍(lán)色VLAN。再?gòu)腁發(fā)出廣播幀的話，交換機(jī)就只會(huì)把它轉(zhuǎn)發(fā)給同屬于一個(gè)VLAN的其他端口——也就是同屬于紅色VLAN的端口2，不會(huì)再轉(zhuǎn)發(fā)給屬于藍(lán)色VLAN的端口。

同樣，C發(fā)送廣播信息時(shí)，只會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給其他屬于藍(lán)色VLAN的端口，不會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給屬于紅色VLAN的端口。

就這樣，VLAN通過(guò)限制廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)的范圍分割了廣播域。上圖中為了便于說(shuō)明，以紅、藍(lán)兩色識(shí)別不同的VLAN，在實(shí)際使用中則是用“VLAN ID”來(lái)區(qū)分的。

直觀地描述VLAN

如果要更為直觀地描述VLAN的話，我們可以把它理解為將一臺(tái)交換機(jī)在邏輯上分割成了數(shù)臺(tái)交換機(jī)。

在一臺(tái)交換機(jī)上生成紅、藍(lán)兩個(gè)VLAN，也可以看作是將一臺(tái)交換機(jī)換做一紅一藍(lán)兩臺(tái)虛擬的交換機(jī)。

在紅、藍(lán)兩個(gè)VLAN之外生成新的VLAN時(shí)，可以想象成又添加了新的交換機(jī)。

但是，VLAN生成的邏輯上的交換機(jī)是互不相通的。因此，在交換機(jī)上設(shè)置VLAN后，如果未做其他處理，VLAN間是無(wú)法通信的。

明明接在同一臺(tái)交換機(jī)上，但卻偏偏無(wú)法通信——這個(gè)事實(shí)也許讓人難以接受。但它既是VLAN方便易用的特征，又是使VLAN令人難以理解的原因。

需要VLAN間通信時(shí)怎么辦

那么，當(dāng)我們需要在不同的VLAN間通信時(shí)又該如何是好呢?

請(qǐng)大家再次回憶一下：VLAN是廣播域。而通常兩個(gè)廣播域之間由路由器連接，廣播域之間來(lái)往的數(shù)據(jù)包都是由路由器中繼的。

因此，VLAN間的通信也需要路由器提供中繼服務(wù)，這被稱作“VLAN間路由”。

VLAN間路由，可以使用普通的路由器，也可以使用三層交換機(jī)。其中的具體內(nèi)容，等有機(jī)會(huì)再細(xì)說(shuō)吧。

在這里希望大家先記住不同VLAN間互相通信時(shí)需要用到路由功能。

VLAN的訪問(wèn)鏈接

01交換機(jī)的端口類型

交換機(jī)的端口，可以分為以下兩種：

(1)訪問(wèn)鏈接(Access Link)

(2)匯聚鏈接(Trunk Link)

接下來(lái)就讓我們來(lái)依次學(xué)習(xí)這兩種不同端口的特征。這一講，首先學(xué)習(xí)“訪問(wèn)鏈接”。

02訪問(wèn)鏈接

訪問(wèn)鏈接，指的是“只屬于一個(gè)VLAN，且僅向該VLAN轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀”的端口。在大多數(shù)情況下，訪問(wèn)鏈接所連的是客戶機(jī)。

通常設(shè)置VLAN的順序是：

(1)生成VLAN

(2)設(shè)定訪問(wèn)鏈接(決定各端口屬于哪一個(gè)VLAN)

設(shè)定訪問(wèn)鏈接的手法，可以是事先固定的、也可以是根據(jù)所連的計(jì)算機(jī)而動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)定。前者被稱為“靜態(tài)VLAN”、后者自然就是“動(dòng)態(tài)VLAN”了。

靜態(tài)VLAN——基于端口

靜態(tài)VLAN又被稱為基于端口的VLAN(PortBased VLAN)。顧名思義，就是明確指定各端口屬于哪個(gè)VLAN的設(shè)定方法。

由于需要一個(gè)個(gè)端口地指定，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)數(shù)目超過(guò)一定數(shù)字(比如數(shù)百臺(tái))后，設(shè)定操作就會(huì)變得煩雜無(wú)比。并且，客戶機(jī)每次變更所連端口，都必須同時(shí)更改該端口所屬VLAN的設(shè)定——這顯然不適合那些需要頻繁改變拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

動(dòng)態(tài)VLAN

另一方面，動(dòng)態(tài)VLAN則是根據(jù)每個(gè)端口所連的計(jì)算機(jī)，隨時(shí)改變端口所屬的VLAN。這就可以避免上述的更改設(shè)定之類的操作。動(dòng)態(tài)VLAN可以大致分為3類：

(1)基于MAC地址的VLAN(MAC Based VLAN)

(2)基于子網(wǎng)的VLAN(Subnet Based VLAN)

(3)基于用戶的VLAN(User Based VLAN)

其間的差異，主要在于根據(jù)OSI參照模型哪一層的信息決定端口所屬的VLAN。

基于MAC地址的VLAN

基于MAC地址的VLAN，就是通過(guò)查詢并記錄端口所連計(jì)算機(jī)上網(wǎng)卡的MAC地址來(lái)決定端口的所屬。假定有一個(gè)MAC地址“A”被交換機(jī)設(shè)定為屬于VLAN “10”，那么不論MAC地址為“A”的這臺(tái)計(jì)算機(jī)連在交換機(jī)哪個(gè)端口，該端口都會(huì)被劃分到VLAN 10中去。

計(jì)算機(jī)連在端口1時(shí)，端口1屬于VLAN 10;而計(jì)算機(jī)連在端口2時(shí)，則是端口2屬于VLAN 10。

由于是基于MAC地址決定所屬VLAN的，因此可以理解為這是一種在OSI的第二層設(shè)定訪問(wèn)鏈接的辦法。

但是，基于MAC地址的VLAN，在設(shè)定時(shí)必須調(diào)查所連接的所有計(jì)算機(jī)的MAC地址并加以登錄。而且如果計(jì)算機(jī)交換了網(wǎng)卡，還是需要更改設(shè)定。

基于IP地址的VLAN

基于子網(wǎng)的VLAN，則是通過(guò)所連計(jì)算機(jī)的IP地址，來(lái)決定端口所屬VLAN的。

不像基于MAC地址的VLAN，即使計(jì)算機(jī)因?yàn)榻粨Q了網(wǎng)卡或是其他原因?qū)е翸AC地址改變，只要它的IP地址不變，就仍可以加入原先設(shè)定的VLAN。

因此，與基于MAC地址的VLAN相比，能夠更為簡(jiǎn)便地改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。IP地址是OSI參照模型中第三層的信息，所以我們可以理解為基于子網(wǎng)的VLAN是一種在OSI的第三層設(shè)定訪問(wèn)鏈接的方法。

基于用戶的VLAN，則是根據(jù)交換機(jī)各端口所連的計(jì)算機(jī)上當(dāng)前登錄的用戶，來(lái)決定該端口屬于哪個(gè)VLAN。這里的用戶識(shí)別信息，一般是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)登錄的用戶，比如可以是Windows域中使用的用戶名。這些用戶名信息，屬于OSI第四層以上的信息。

總的來(lái)說(shuō)，決定端口所屬VLAN時(shí)利用的信息在OSI中的層面越高，就越適于構(gòu)建靈活多變的網(wǎng)絡(luò)。

VLAN的匯聚鏈接(Trunk Link)

01需要設(shè)置跨越多臺(tái)交換機(jī)的VLAN時(shí)

到此為止，我們學(xué)習(xí)的都是使用單臺(tái)交換機(jī)設(shè)置VLAN時(shí)的情況。

那么，如果需要設(shè)置跨越多臺(tái)交換機(jī)的VLAN時(shí)又如何呢?

在規(guī)劃企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，很有可能會(huì)遇到隸屬于同一部門(mén)的用戶分散在同一座建筑物中的不同樓層的情況，這時(shí)可能就需要考慮到如何跨越多臺(tái)交換機(jī)設(shè)置VLAN的問(wèn)題了。

假設(shè)有如下圖所示的網(wǎng)絡(luò)，且需要將不同樓層的A、C和B、D設(shè)置為同一個(gè)VLAN。

這時(shí)最關(guān)鍵的就是“交換機(jī)1和交換機(jī)2該如何連接才好呢?”

最簡(jiǎn)單的方法，自然是在交換機(jī)1和交換機(jī)2上各設(shè)一個(gè)紅、藍(lán)VLAN專用的接口并互聯(lián)了。

但是，這個(gè)辦法從擴(kuò)展性和管理效率來(lái)看都不好。

例如，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上再新建VLAN時(shí)，為了讓這個(gè)VLAN能夠互通，就需要在交換機(jī)間連接新的網(wǎng)線。

建筑物樓層間的縱向布線是比較麻煩的，一般不能由基層管理人員隨意進(jìn)行。

并且，VLAN越多，樓層間(嚴(yán)格地說(shuō)是交換機(jī)間)互聯(lián)所需的端口也越來(lái)越多，交換機(jī)端口的利用效率低是對(duì)資源的一種浪費(fèi)、也限制了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

為了避免這種低效率的連接方式，人們想辦法讓交換機(jī)間互聯(lián)的網(wǎng)線集中到一根上，這時(shí)使用的就是匯聚鏈接(Trunk Link)。

02何謂匯聚鏈接?

匯聚鏈接(Trunk Link)指的是能夠轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)不同VLAN的通信的端口。

匯聚鏈路上流通的數(shù)據(jù)幀，都被附加了用于識(shí)別分屬于哪個(gè)VLAN的特殊信息。

現(xiàn)在再讓我們回過(guò)頭來(lái)考慮一下剛才那個(gè)網(wǎng)絡(luò)如果采用匯聚鏈路又會(huì)如何呢?用戶只需要簡(jiǎn)單地將交換機(jī)間互聯(lián)的端口設(shè)定為匯聚鏈接就可以了。

這時(shí)使用的網(wǎng)線還是普通的UTP線，而不是什么其他的特殊布線。圖例中是交換機(jī)間互聯(lián)，因此需要用交叉線來(lái)連接。

接下來(lái)，讓我們具體看看匯聚鏈接是如何實(shí)現(xiàn)跨越交換機(jī)間的VLAN的。

A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀從交換機(jī)1經(jīng)過(guò)匯聚鏈路到達(dá)交換機(jī)2時(shí)，在數(shù)據(jù)幀上附加了表示屬于紅色VLAN的標(biāo)記。

交換機(jī)2收到數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)過(guò)檢查VLAN標(biāo)識(shí)發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)據(jù)幀是屬于紅色VLAN的，因此去除標(biāo)記后根據(jù)需要將復(fù)原的數(shù)據(jù)幀只轉(zhuǎn)發(fā)給其他屬于紅色VLAN的端口。

這時(shí)的轉(zhuǎn)送，是指經(jīng)過(guò)確認(rèn)目標(biāo)MAC地址并與MAC地址列表比對(duì)后只轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)MAC地址所連的端口。

只有當(dāng)數(shù)據(jù)幀是一個(gè)廣播幀、多播幀或是目標(biāo)不明的幀時(shí)，它才會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到所有屬于紅色VLAN的端口。

藍(lán)色VLAN發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)的情形也與此相同。

通過(guò)匯聚鏈路時(shí)附加的VLAN識(shí)別信息，有可能支持標(biāo)準(zhǔn)的“IEEE 802.1Q”協(xié)議，也可能是Cisco產(chǎn)品獨(dú)有的“ISL(Inter Switch Link)”。

如果交換機(jī)支持這些規(guī)格，那么用戶就能夠高效率地構(gòu)筑橫跨多臺(tái)交換機(jī)的VLAN。

另外，匯聚鏈路上流通著多個(gè)VLAN的數(shù)據(jù)，自然負(fù)載較重。因此，在設(shè)定匯聚鏈接時(shí)，有一個(gè)前提就是必須支持100Mbps以上的傳輸速度。

另外，默認(rèn)條件下，匯聚鏈接會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)上存在的所有VLAN的數(shù)據(jù)。

換一個(gè)角度看，可以認(rèn)為匯聚鏈接(端口)同時(shí)屬于交換機(jī)上所有的VLAN。

由于實(shí)際應(yīng)用中很可能并不需要轉(zhuǎn)發(fā)所有VLAN的數(shù)據(jù)，因此為了減輕交換機(jī)的負(fù)載、也為了減少對(duì)帶寬的浪費(fèi)，我們可以通過(guò)用戶設(shè)定限制能夠經(jīng)由匯聚鏈路互聯(lián)的VLAN。

03訪問(wèn)鏈接的總結(jié)

綜上所述，設(shè)定訪問(wèn)鏈接的手法有靜態(tài)VLAN和動(dòng)態(tài)VLAN兩種，其中動(dòng)態(tài)VLAN又可以繼續(xù)細(xì)分成幾個(gè)小類。

其中基于子網(wǎng)的VLAN和基于用戶的VLAN有可能是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商使用獨(dú)有的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，不同廠商的設(shè)備之間互聯(lián)有可能出現(xiàn)兼容性問(wèn)題;因此在選擇交換機(jī)時(shí)，一定要注意事先確認(rèn)。

下表總結(jié)了靜態(tài)VLAN和動(dòng)態(tài)VLAN的相關(guān)信息。

種類解說(shuō)：

靜態(tài)VLAN(基于端口的VLAN)將交換機(jī)的各端口固定指派給VLAN

動(dòng)態(tài)VLAN基于MAC地址的VLAN根據(jù)各端口所連計(jì)算機(jī)的MAC地址設(shè)定

基于子網(wǎng)的VLAN根據(jù)各端口所連計(jì)算機(jī)的IP地址設(shè)定

基于用戶的VLAN根據(jù)端口所連計(jì)算機(jī)上登錄用戶設(shè)定

VLAN的匯聚方式——IEEE802.1Q與ISL

01匯聚方式

在交換機(jī)的匯聚鏈接上，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀附加VLAN信息，構(gòu)建跨越多臺(tái)交換機(jī)的VLAN。

附加VLAN信息的方法，最具有代表性的有：

(1)IEEE 802.1Q

(2)ISL

現(xiàn)在就讓我們看看這兩種協(xié)議分別如何對(duì)數(shù)據(jù)幀附加VLAN信息。

02IEEE 802.1Q

IEEE 802.1Q，俗稱“Dot One Q”，是經(jīng)過(guò)IEEE認(rèn)證的對(duì)數(shù)據(jù)幀附加VLAN識(shí)別信息的協(xié)議。

在此，請(qǐng)大家先回憶一下以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式。

IEEE 802.1Q所附加的VLAN識(shí)別信息，位于數(shù)據(jù)幀中“發(fā)送源MAC地址”與“類別域”(Type Field)之間。

具體內(nèi)容為2字節(jié)的TPID(Tag Protocol IDentifier)和2字節(jié)的TCI(Tag Control Information)，共計(jì)4字節(jié)。

在數(shù)據(jù)幀中添加了4字節(jié)的內(nèi)容，那么CRC值自然也會(huì)有所變化。

這時(shí)數(shù)據(jù)幀上的CRC是插入TPID、TCI后，對(duì)包括它們?cè)趦?nèi)的整個(gè)數(shù)據(jù)幀重新計(jì)算后所得的值。

而當(dāng)數(shù)據(jù)幀離開(kāi)匯聚鏈路時(shí)，TPID和TCI會(huì)被去除，這時(shí)還會(huì)進(jìn)行一次CRC的重新計(jì)算。

TPID字段在以太網(wǎng)報(bào)文中所處位置與不帶VLAN Tag的報(bào)文中協(xié)議類型字段所處位置相同。

TPID的值固定為0x8100，它標(biāo)示網(wǎng)絡(luò)幀承載的802.1Q類型，交換機(jī)通過(guò)它來(lái)確定數(shù)據(jù)幀內(nèi)附加了基于IEEE 802.1Q的VLAN信息。

而實(shí)質(zhì)上的VLAN ID，是TCI中的12位元。由于總共有12位，因此最多可供識(shí)別4096個(gè)VLAN。

基于IEEE 802.1Q附加的VLAN信息，就像在傳遞物品時(shí)附加的標(biāo)簽。因此，它也被稱作“標(biāo)簽型VLAN”(Tagging VLAN)。

03ISL(Inter Switch Link)

ISL，是Cisco產(chǎn)品支持的一種與IEEE 802.1Q類似的、用于在匯聚鏈路上附加VLAN信息的協(xié)議。

使用ISL后，每個(gè)數(shù)據(jù)幀頭部都會(huì)被附加26字節(jié)的“ISL包頭(ISL Header)”，并且在幀尾帶上通過(guò)對(duì)包括ISL包頭在內(nèi)的整個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行計(jì)算后得到的4字節(jié)CRC值。換而言之，就是總共增加了30字節(jié)的信息。

在使用ISL的環(huán)境下，當(dāng)數(shù)據(jù)幀離開(kāi)匯聚鏈路時(shí)，只要簡(jiǎn)單地去除ISL包頭和新CRC就可以了。由于原先的數(shù)據(jù)幀及其CRC都被完整保留，因此無(wú)需重新計(jì)算CRC。

ISL有如用ISL包頭和新CRC將原數(shù)據(jù)幀整個(gè)包裹起來(lái)，因此也被稱為“封裝型VLAN”(Encapsulated VLAN)。

需要注意的是，不論是IEEE802.1Q的“Tagging VLAN”，還是ISL的“Encapsulated VLAN”，都不是很嚴(yán)密的稱謂。

不同的書(shū)籍與參考資料中，上述詞語(yǔ)有可能被混合使用，因此需要大家在學(xué)習(xí)時(shí)格外注意。

并且由于ISL是Cisco獨(dú)有的協(xié)議，因此只能用于Cisco網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互聯(lián)。

VLAN間路由

01VLAN間路由的必要性

根據(jù)目前為止學(xué)習(xí)的知識(shí)，我們已經(jīng)知道兩臺(tái)計(jì)算機(jī)即使連接在同一臺(tái)交換機(jī)上，只要所屬的VLAN不同就無(wú)法直接通信。接下來(lái)我們將要學(xué)習(xí)的就是如何在不同的VLAN間進(jìn)行路由，使分屬不同VLAN的主機(jī)能夠互相通信。

首先，先來(lái)復(fù)習(xí)一下為什么不同VLAN間不通過(guò)路由就無(wú)法通信。在LAN內(nèi)的通信，必須在數(shù)據(jù)幀頭中指定通信目標(biāo)的MAC地址。

而為了獲取MAC地址，TCP/IP協(xié)議下使用的是ARP。ARP解析MAC地址的方法，則是通過(guò)廣播。也就是說(shuō)，如果廣播報(bào)文無(wú)法到達(dá)，那么就無(wú)從解析MAC地址，亦即無(wú)法直接通信。

計(jì)算機(jī)分屬不同的VLAN，也就意味著分屬不同的廣播域，自然收不到彼此的廣播報(bào)文。

因此，屬于不同VLAN的計(jì)算機(jī)之間無(wú)法直接互相通信。為了能夠在VLAN間通信，需要利用OSI參照模型中更高一層——網(wǎng)絡(luò)層的信息(IP地址)來(lái)進(jìn)行路由。

路由功能，一般主要由路由器提供。但在今天的局域網(wǎng)里，我們也經(jīng)常利用帶有路由功能的交換機(jī)——三層交換機(jī)(Layer 3 Switch)來(lái)實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)就讓我們分別看看使用路由器和三層交換機(jī)進(jìn)行VLAN間路由時(shí)的情況。

02使用路由器進(jìn)行VLAN間路由

在使用路由器進(jìn)行VLAN間路由時(shí)，與構(gòu)建橫跨多臺(tái)交換機(jī)的VLAN時(shí)的情況類似，我們還是會(huì)遇到“該如何連接路由器與交換機(jī)”這個(gè)問(wèn)題。

路由器和交換機(jī)的接線方式，大致有以下兩種：

(1)將路由器與交換機(jī)上的每個(gè)VLAN分別連接

(2)不論VLAN有多少個(gè)，路由器與交換機(jī)都只用一條網(wǎng)線連接

最容易想到的，當(dāng)然還是“把路由器和交換機(jī)以VLAN為單位分別用網(wǎng)線連接”了。

將交換機(jī)上用于和路由器互聯(lián)的每個(gè)端口設(shè)為訪問(wèn)鏈接(Access Link)，然后分別用網(wǎng)線與路由器上的獨(dú)立端口互聯(lián)。

如下圖所示，交換機(jī)上有2個(gè)VLAN，那么就需要在交換機(jī)上預(yù)留2個(gè)端口用于與路由器互聯(lián);路由器上同樣需要有2個(gè)端口;兩者之間用2條網(wǎng)線分別連接。

如果采用這個(gè)辦法，大家應(yīng)該不難想象它的擴(kuò)展性很成問(wèn)題。

每增加一個(gè)新的VLAN，都需要消耗路由器的端口和交換機(jī)上的訪問(wèn)鏈接，而且還需要重新布設(shè)一條網(wǎng)線。而路由器，通常不會(huì)帶有太多LAN接口的。

新建VLAN時(shí)，為了對(duì)應(yīng)增加的VLAN所需的端口，就必須將路由器升級(jí)成帶有多個(gè)LAN接口的高端產(chǎn)品，這部分成本、還有重新布線所帶來(lái)的開(kāi)銷，都使得這種接線法成為一種不受歡迎的辦法。

那么，第二種辦法“不論VLAN數(shù)目多少，都只用一條網(wǎng)線連接路由器與交換機(jī)”呢?當(dāng)使用一條網(wǎng)線連接路由器與交換機(jī)、進(jìn)行VLAN間路由時(shí)，需要用到匯聚鏈接。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先將用于連接路由器的交換機(jī)端口設(shè)為匯聚鏈接(Trunk Link)，而路由器上的端口也必須支持匯聚鏈路。雙方用于匯聚鏈路的協(xié)議自然也必須相同。接著在路由器上定義對(duì)應(yīng)各個(gè)VLAN的“子接口”(Sub Interface)。

盡管實(shí)際與交換機(jī)連接的物理端口只有一個(gè)，但在理論上我們可以把它分割為多個(gè)虛擬端口。

VLAN將交換機(jī)從邏輯上分割成了多臺(tái)，因而用于VLAN間路由的路由器，也必須擁有分別對(duì)應(yīng)各個(gè)VLAN的虛擬接口。

采用這種方法的話，即使之后在交換機(jī)上新建VLAN，仍只需要一條網(wǎng)線連接交換機(jī)和路由器。用戶只需要在路由器上新設(shè)一個(gè)對(duì)應(yīng)新VLAN的子接口就可以了。與前面的方法相比，擴(kuò)展性要強(qiáng)得多，也不用擔(dān)心需要升級(jí)LAN接口數(shù)不足的路由器或是重新布線。

03同一VLAN內(nèi)的通信

接下來(lái)，我們繼續(xù)學(xué)習(xí)使用匯聚鏈路連接交換機(jī)與路由器時(shí)，VLAN間路由是如何進(jìn)行的。

如下圖所示，為各臺(tái)計(jì)算機(jī)以及路由器的子接口設(shè)定IP地址。

紅色VLAN(VLAN ID=1)的網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.0/24，藍(lán)色VLAN(VLAN ID=2)的網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.2.0/24。

各計(jì)算機(jī)的MAC地址分別為A/B/C/D，路由器匯聚鏈接端口的MAC地址為R。交換機(jī)通過(guò)對(duì)各端口所連計(jì)算機(jī)MAC地址的學(xué)習(xí)，生成如下的MAC地址列表。

首先考慮計(jì)算機(jī)A與同一VLAN內(nèi)的計(jì)算機(jī)B之間通信時(shí)的情形。

計(jì)算機(jī)A發(fā)出ARP請(qǐng)求信息，請(qǐng)求解析B的MAC地址。交換機(jī)收到數(shù)據(jù)幀后，檢索MAC地址列表中與收信端口同屬一個(gè)VLAN的表項(xiàng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)B連接在端口2上，于是交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給端口2，最終計(jì)算機(jī)B收到該幀。

收發(fā)信雙方同屬一個(gè)VLAN之內(nèi)的通信，一切處理均在交換機(jī)內(nèi)完成。

04不同VLAN間的通信

接下來(lái)是這一講的核心內(nèi)容，不同VLAN間的通信。讓我們來(lái)考慮一下計(jì)算機(jī)A與計(jì)算機(jī)C之間通信時(shí)的情況。

計(jì)算機(jī)A從通信目標(biāo)的IP地址(192.168.2.1)得出C與本機(jī)不屬于同一個(gè)網(wǎng)段。因此會(huì)向設(shè)定的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)(DefaultGateway，GW)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，需要先用ARP獲取路由器的MAC地址。

得到路由器的MAC地址R后，接下來(lái)就是按圖中所示的步驟發(fā)送往C去的數(shù)據(jù)幀。

①的數(shù)據(jù)幀中，目標(biāo)MAC地址是路由器的地址R、但內(nèi)含的目標(biāo)IP地址仍是最終要通信的對(duì)象C的地址。

交換機(jī)在端口1上收到①的數(shù)據(jù)幀后，檢索MAC地址列表中與端口1同屬一個(gè)VLAN的表項(xiàng)。

由于匯聚鏈路會(huì)被看作屬于所有的VLAN，因此這時(shí)交換機(jī)的端口6也屬于被參照對(duì)象。

這樣交換機(jī)就知道往MAC地址R發(fā)送數(shù)據(jù)幀，需要經(jīng)過(guò)端口6轉(zhuǎn)發(fā)。

從端口6發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，由于它是匯聚鏈接，因此會(huì)被附加上VLAN識(shí)別信息。由于原先是來(lái)自紅色VLAN的數(shù)據(jù)幀，因此如圖中②所示，會(huì)被加上紅色VLAN的識(shí)別信息后進(jìn)入?yún)R聚鏈路。

路由器收到②的數(shù)據(jù)幀后，確認(rèn)其VLAN識(shí)別信息，由于它是屬于紅色VLAN的數(shù)據(jù)幀，因此交由負(fù)責(zé)紅色VLAN的子接口接收。

接著，根據(jù)路由器內(nèi)部的路由表，判斷該向哪里中繼。

由于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)192.168.2.0/24是藍(lán)色VLAN，，且該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)子接口與路由器直連，因此只要從負(fù)責(zé)藍(lán)色VLAN的子接口轉(zhuǎn)發(fā)就可以了。

這時(shí)，數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)MAC地址被改寫(xiě)成計(jì)算機(jī)C的目標(biāo)地址;并且由于需要經(jīng)過(guò)匯聚鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，因此被附加了屬于藍(lán)色VLAN的識(shí)別信息。這就是圖中③的數(shù)據(jù)幀。

交換機(jī)收到③的數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)VLAN標(biāo)識(shí)信息從MAC地址列表中檢索屬于藍(lán)色VLAN的表項(xiàng)。由于通信目標(biāo)——計(jì)算機(jī)C連接在端口3上、且端口3為普通的訪問(wèn)鏈接，因此交換機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)幀去除VLAN識(shí)別信息后(數(shù)據(jù)幀④)轉(zhuǎn)發(fā)給端口3，最終計(jì)算機(jī)C才能成功地收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀。

進(jìn)行VLAN間通信時(shí)，即使通信雙方都連接在同一臺(tái)交換機(jī)上，也必須經(jīng)過(guò)：“發(fā)送方——交換機(jī)——路由器——交換機(jī)——接收方”這樣一個(gè)流程。

三層交換機(jī)

01使用路由器進(jìn)行VLAN間路由時(shí)的問(wèn)題

現(xiàn)在，我們知道只要能提供VLAN間路由，就能夠使分屬不同VLAN的計(jì)算機(jī)互相通信。但是，如果使用路由器進(jìn)行VLAN間路由的話，隨著VLAN之間流量的不斷增加，很可能導(dǎo)致路由器成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

交換機(jī)使用被稱為ASIC(ApplicationSpecified Integrated Circuit)的專用硬件芯片處理數(shù)據(jù)幀的交換操作，在很多機(jī)型上都能實(shí)現(xiàn)以纜線速度(Wired Speed)交換。

而路由器，則基本上是基于軟件處理的。即使以纜線速度接收到數(shù)據(jù)包，也無(wú)法在不限速的條件下轉(zhuǎn)發(fā)出去，因此會(huì)成為速度瓶頸。

就VLAN間路由而言，流量會(huì)集中到路由器和交換機(jī)互聯(lián)的匯聚鏈路部分，這一部分尤其特別容易成為速度瓶頸。

并且從硬件上看，由于需要分別設(shè)置路由器和交換機(jī)，在一些空間狹小的環(huán)境里可能連設(shè)置的場(chǎng)所都成問(wèn)題。

02三層交換機(jī)(Layer 3 Switch)

為了解決上述問(wèn)題，三層交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。三層交換機(jī)，本質(zhì)上就是“帶有路由功能的(二層)交換機(jī)”。

路由屬于OSI參照模型中第三層網(wǎng)絡(luò)層的功能，因此帶有第三層路由功能的交換機(jī)才被稱為“三層交換機(jī)”。

關(guān)于三層交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以參照下面的簡(jiǎn)圖。

在一臺(tái)本體內(nèi)，分別設(shè)置了交換機(jī)模塊和路由器模塊;而內(nèi)置的路由模塊與交換模塊相同，使用ASIC硬件處理路由。因此，與傳統(tǒng)的路由器相比，可以實(shí)現(xiàn)高速路由。

并且，路由與交換模塊是匯聚鏈接的，由于是內(nèi)部連接，可以確保相當(dāng)大的帶寬。

使用三層交換機(jī)進(jìn)行VLAN間路由(VLAN內(nèi)通信)

在三層交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)究竟是怎樣傳播的呢?基本上，它和使用匯聚鏈路連接路由器與交換機(jī)時(shí)的情形相同。

假設(shè)有如下圖所示的4臺(tái)計(jì)算機(jī)與三層交換機(jī)互聯(lián)。當(dāng)使用路由器連接時(shí)，一般需要在LAN接口上設(shè)置對(duì)應(yīng)各VLAN的子接口;而三層交換機(jī)則是在內(nèi)部生成“VLAN接口”(VLAN Interface)。VLAN接口，是用于各VLAN收發(fā)數(shù)據(jù)的接口。(注：在Cisco的Catalyst系列交換機(jī)上，VLAN Interface被稱為SVI——Switched Virtual Interface)

為了與使用路由器進(jìn)行VLAN間路由對(duì)比，讓我們同樣來(lái)考慮一下計(jì)算機(jī)A與計(jì)算機(jī)B之間通信時(shí)的情況。

首先是目標(biāo)地址為B的數(shù)據(jù)幀被發(fā)到交換機(jī);

通過(guò)檢索同一VLAN的MAC地址列表發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)B連在交換機(jī)的端口2上;

因此將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給端口2。

使用三層交換機(jī)進(jìn)行VLAN間路由(VLAN間通信)

接下來(lái)設(shè)想一下計(jì)算機(jī)A與計(jì)算機(jī)C間通信時(shí)的情形。針對(duì)目標(biāo)IP地址，計(jì)算機(jī)A可以判斷出通信對(duì)象不屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此向默認(rèn)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)(Frame 1)。

交換機(jī)通過(guò)檢索MAC地址列表后，經(jīng)由內(nèi)部匯聚鏈接，將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給路由模塊。在通過(guò)內(nèi)部匯聚鏈路時(shí)，數(shù)據(jù)幀被附加了屬于紅色VLAN的VLAN識(shí)別信息(Frame 2)。

路由模塊在收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，先由數(shù)據(jù)幀附加的VLAN識(shí)別信息分辨出它屬于紅色VLAN，據(jù)此判斷由紅色VLAN接口負(fù)責(zé)接收并進(jìn)行路由處理。

因?yàn)槟繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)192.168.2.0/24是直連路由器的網(wǎng)絡(luò)、且對(duì)應(yīng)藍(lán)色VLAN;

因此，接下來(lái)就會(huì)從藍(lán)色VLAN接口經(jīng)由內(nèi)部匯聚鏈路轉(zhuǎn)發(fā)回交換模塊。

在通過(guò)匯聚鏈路時(shí)，這次數(shù)據(jù)幀被附加上屬于藍(lán)色VLAN的識(shí)別信息(Frame 3)。

交換機(jī)收到這個(gè)幀后，檢索藍(lán)色VLAN的MAC地址列表，確認(rèn)需要將它轉(zhuǎn)發(fā)給端口3。

由于端口3是通常的訪問(wèn)鏈接，因此轉(zhuǎn)發(fā)前會(huì)先將VLAN識(shí)別信息去除(Frame 4)。最終，計(jì)算機(jī)C成功地收到交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。

整體的流程，與使用外部路由器時(shí)的情況十分相似——都需要經(jīng)過(guò)“發(fā)送方→交換模塊→路由模塊→交換模塊→接收方”。

加速VLAN間通信的手段

01流(Flow)

根據(jù)到此為止的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道VLAN間路由，必須經(jīng)過(guò)外部的路由器或是三層交換機(jī)的內(nèi)置路由模塊。但是，有時(shí)并不是所有的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)路由器(或路由模塊)。

例如，使用FTP(File Transfer Protocol)傳輸容量為數(shù)MB以上的較大的文件時(shí)，由于MTU的限制，IP協(xié)議會(huì)將數(shù)據(jù)分割成小塊后傳輸、并在接收方重新組合。這些被分割的數(shù)據(jù)，“發(fā)送的目標(biāo)”是完全相同的。

發(fā)送目標(biāo)相同，也就意味著同樣的目標(biāo)IP地址、目標(biāo)端口號(hào)(注：特別強(qiáng)調(diào)一下，這里指的是TCP/UDP端口)。自然，源IP地址、源端口號(hào)也應(yīng)該相同。

這樣一連串的數(shù)據(jù)流被稱為“流”(Flow)。

只要將流最初的數(shù)據(jù)正確地路由以后，后繼的數(shù)據(jù)理應(yīng)也會(huì)被同樣地路由。

據(jù)此，后繼的數(shù)據(jù)不再需要路由器進(jìn)行路由處理;通過(guò)省略反復(fù)進(jìn)行的路由操作，可以進(jìn)一步提高VLAN間路由的速度。

02加速VLAN間路由的機(jī)制

接下來(lái)，讓我們具體考慮一下該如何使用三層交換機(jī)進(jìn)行高速VLAN間路由。

首先，整個(gè)流的第一塊數(shù)據(jù)，照常由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)→路由器路由→再次由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)所連端口。這時(shí)，將第一塊數(shù)據(jù)路由的結(jié)果記錄到緩存里保存下來(lái)。

需要記錄的信息有：

(1)目標(biāo)IP地址

(2)源IP地址

(3)目標(biāo)TCP/UDP端口號(hào)

(4)源TCP/UDP端口號(hào)

(5)接收端口號(hào)(交換機(jī))

(6)轉(zhuǎn)發(fā)端口號(hào)(交換機(jī))

(7)轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)MAC地址

等等。

同一個(gè)流的第二塊以后的數(shù)據(jù)到達(dá)交換機(jī)后，直接通過(guò)查詢先前保存在緩存中的信息查出“轉(zhuǎn)發(fā)端口號(hào)”后就可以轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)所連端口了。

這樣一來(lái)，就不需要再一次次經(jīng)由內(nèi)部路由模塊中繼，而僅憑交換機(jī)內(nèi)部的緩存信息就足以判斷應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)的端口。

這時(shí)，交換機(jī)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行由路由器中繼時(shí)相似的處理，例如改寫(xiě)MAC地址、IP包頭中的TTL和Check Sum校驗(yàn)碼信息等。

通過(guò)在交換機(jī)上緩存路由結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了以纜線速度(Wired Speed)接收發(fā)送方傳輸來(lái)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)、并且能夠全速路由、轉(zhuǎn)發(fā)給接收方。

需要注意的是，類似的加速VLAN間路由的手法多由各廠商獨(dú)有的技術(shù)所實(shí)現(xiàn)，并且該功能的稱謂也因廠商而異。例如，在Cisco的Catalyst系列交換機(jī)上，這種功能被稱為“多層交換”(Multi Layer Switching)。另外，除了三層交換機(jī)的內(nèi)部路由模塊，外部路由器中的某些機(jī)型也支持類似的高速VLAN間路由機(jī)制。

傳統(tǒng)型路由器存在的意義

01路由器的必要性

三層交換機(jī)的價(jià)格，在問(wèn)世之初非常昂貴，但是現(xiàn)在它們的價(jià)格已經(jīng)下降了許多。

目前國(guó)外一些廉價(jià)機(jī)型的售價(jià)，折合成人民幣后僅為一萬(wàn)多元，而且還在繼續(xù)下降中。

既然三層交換機(jī)能夠提供比傳統(tǒng)型路由器更為高速的路由處理，那么網(wǎng)絡(luò)中還有使用路由器的必要嗎?

答案是：“是”。

使用路由器的必要性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

用于與WAN連接

三層交換機(jī)終究是“交換機(jī)”。也就是說(shuō)，絕大多數(shù)機(jī)型只配有LAN(以太網(wǎng))接口。在少數(shù)高端交換機(jī)上也有用于連接WAN的串行接口或是ATM接口，但在大多數(shù)情況下，連接WAN還是需要用到路由器。

保證網(wǎng)絡(luò)安全

在三層交換機(jī)上，通過(guò)數(shù)據(jù)包過(guò)濾也能確保一定程度的網(wǎng)絡(luò)安全。但是使用路由器所提供的各種網(wǎng)絡(luò)安全功能，用戶可以構(gòu)建更為安全可靠的網(wǎng)絡(luò)。

路由器提供的網(wǎng)絡(luò)安全功能中，除了最基本的數(shù)據(jù)包過(guò)濾功能外，還能基于IPSec構(gòu)建VPN(VirtualPrivate Network)、利用RADIUS進(jìn)行用戶認(rèn)證等等。

支持除TCP/IP以外的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

盡管TCP/IP已經(jīng)成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)的主流，但還有不少網(wǎng)絡(luò)利用Novell Netware下的IPX/SPX或Macintosh下的AppleTalk等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

三層交換機(jī)中，除了部分高端機(jī)型外基本上還只支持TCP/IP。因此，在需要使用除TCP/IP之外其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的環(huán)境下，路由器還是必不可少的。

注：在少數(shù)高端交換機(jī)上，也能支持上述路由器的功能。例如Cisco的Catalyst 6500系列，就可以選擇與WAN連接的接口模塊;還有可選的基于IPSec實(shí)現(xiàn)VPN的模塊;并且也能支持TCP/IP以外的其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

02路由器和交換機(jī)配合構(gòu)建LAN的實(shí)例

下面讓我們來(lái)看一個(gè)路由器和交換機(jī)搭配構(gòu)建LAN的實(shí)例。

利用在各樓層配置的二層交換機(jī)定義VLAN，連接TCP/IP客戶計(jì)算機(jī)。各樓層間的VLAN間通信，利用三層交換機(jī)的高速路由加以實(shí)現(xiàn)。如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求高可靠性，還可以考慮冗余配置三層交換機(jī)。

與WAN的連接，則通過(guò)帶有各種網(wǎng)絡(luò)接口的路由器進(jìn)行。并且，通過(guò)路由器的數(shù)據(jù)包過(guò)濾和VPN等功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全。此外，使用路由器還能支持Novell Netware等TCP/IP之外的網(wǎng)絡(luò)。

只有在充分掌握了二層、三層交換機(jī)以及傳統(tǒng)路由器的基礎(chǔ)上，才能做到物競(jìng)其用，構(gòu)筑出高效率、高性價(jià)比的網(wǎng)絡(luò)。

使用VLAN設(shè)計(jì)局域網(wǎng)

01使用VLAN設(shè)計(jì)局域網(wǎng)的特點(diǎn)

通過(guò)使用VLAN構(gòu)建局域網(wǎng)，用戶能夠不受物理鏈路的限制而自由地分割廣播域。

另外，通過(guò)先前提到的路由器與三層交換機(jī)提供的VLAN間路由，能夠適應(yīng)靈活多變的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

但是，由于利用VLAN容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜化，因此也會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組成難以把握。

可以這樣說(shuō)，在利用VLAN時(shí)，除了有“網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成靈活多變”這個(gè)優(yōu)點(diǎn)外，還搭配著“網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜化”這個(gè)缺點(diǎn)。

下面，就讓我們來(lái)看看具體的實(shí)例。

02不使用VLAN的局域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的改變

假設(shè)有如圖所示的由1臺(tái)路由器、2臺(tái)交換機(jī)構(gòu)成的“不使用VLAN構(gòu)建”的網(wǎng)絡(luò)。

圖中的路由器，帶有2個(gè)LAN接口。左側(cè)的網(wǎng)絡(luò)是192.168.1.0/24，右側(cè)是192.168.2.0/24。

現(xiàn)在如果想將192.168.1.0/24這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)A轉(zhuǎn)移到192.168.2.0/24上去，就需要改變物理連接、將A接到右側(cè)的交換機(jī)上。

并且，當(dāng)需要新增一個(gè)地址為192.168.3.0/24的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還要在路由器上再占用一個(gè)LAN接口并添置一臺(tái)交換機(jī)。而由于這臺(tái)路由器上只帶了2個(gè)LAN接口，因此為了新增網(wǎng)絡(luò)還必須將路由器升級(jí)為帶有3個(gè)以上LAN接口的產(chǎn)品。

03使用VLAN的局域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的改變

接下來(lái)再假設(shè)有一個(gè)由1臺(tái)路由器、2臺(tái)交換機(jī)構(gòu)成的“使用VLAN”的局域網(wǎng)。交換機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與路由器之間均為匯聚鏈路;并且假設(shè)192.168.1.0/24對(duì)應(yīng)紅色VLAN、192.168.2.0/24對(duì)應(yīng)藍(lán)色VLAN。

需要將連接在交換機(jī)1上192.168.1.0/24這個(gè)網(wǎng)段的計(jì)算機(jī)A轉(zhuǎn)屬192.168.2.0/24時(shí)，無(wú)需更改物理布線。只要在交換機(jī)上生成藍(lán)色VLAN，然后將計(jì)算機(jī)A所連的端口1加入到藍(lán)色VLAN中去，使它成為訪問(wèn)鏈接即可。

然后，根據(jù)需要設(shè)定計(jì)算機(jī)A的IP地址、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等信息就可以了。如果IP地址相關(guān)的設(shè)定是由DHCP獲取的，那么在客戶機(jī)方面無(wú)需進(jìn)行任何設(shè)定修改，就可以在不同網(wǎng)段間移動(dòng)。

利用VLAN后，我們可以在免于改動(dòng)任何物理布線的前提下，自由進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的邏輯設(shè)計(jì)。如果所處的工作環(huán)境恰恰需要經(jīng)常改變網(wǎng)絡(luò)布局，那么利用VLAN的優(yōu)勢(shì)就非常明顯了。

并且，當(dāng)需要新增一個(gè)地址為192.168.3.0/24的網(wǎng)段時(shí)，也只需要在交換機(jī)上新建一個(gè)對(duì)應(yīng)192.168.3.0/24的VLAN，并將所需的端口加入它的訪問(wèn)鏈路就可以了。

如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中還需要利用外部路由器，則只要在路由器的匯聚端口上新增一個(gè)子接口的設(shè)定就可以完成全部操作，而不需要消耗更多的物理接口(LAN接口)。要使用的是三層交換機(jī)內(nèi)部的路由模塊，則只需要新設(shè)一個(gè)VLAN接口即可。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的成長(zhǎng)，往往是難以預(yù)測(cè)的，很可能經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)需要分割現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)或是增加新網(wǎng)絡(luò)的情況。而充分活用VLAN后，就可以輕易地解決這些問(wèn)題。

04利用VLAN而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化

雖然利用VLAN可以靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，但是同時(shí)，它也帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的問(wèn)題。

特別是由于數(shù)據(jù)流縱橫交錯(cuò)，一旦發(fā)生故障時(shí)，準(zhǔn)確定位并排除故障會(huì)比較困難。

為了便于理解數(shù)據(jù)流向的復(fù)雜化，假設(shè)有下圖所示的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)A向計(jì)算機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)流的整體走向如下：

計(jì)算機(jī)A→交換機(jī)1→路由器→交換機(jī)1→交換機(jī)2→計(jì)算機(jī)C

首先計(jì)算機(jī)A向交換機(jī)1送出數(shù)據(jù)(①)，其后數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)給路由器(②)進(jìn)行VLAN間路由。路由后的數(shù)據(jù)，再?gòu)膮R聚鏈路返回交換機(jī)1(③)。由于通信目標(biāo)計(jì)算機(jī)C并不直連在交換機(jī)1上，因此還需要經(jīng)過(guò)匯聚鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到交換機(jī)2(④)。在交換機(jī)2上，數(shù)據(jù)最終被轉(zhuǎn)發(fā)到C所連的端口2上，這才完成整個(gè)流程(⑤)。

在這個(gè)例子中，僅由2臺(tái)交換機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)流已經(jīng)如此復(fù)雜，如果構(gòu)建橫跨多臺(tái)交換機(jī)的VLAN的話，每個(gè)數(shù)據(jù)流的流向顯然會(huì)更加難以把握。

05網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)

為了對(duì)應(yīng)日漸復(fù)雜化的數(shù)據(jù)流，管理員需要從“邏輯結(jié)構(gòu)”與“物理結(jié)構(gòu)”兩方面入手，把握好網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀。

物理結(jié)構(gòu)，指的是從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層觀察到的網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，表示了網(wǎng)絡(luò)的物理布線形態(tài)和VLAN的設(shè)定等等。

而邏輯結(jié)構(gòu)，則表示從網(wǎng)絡(luò)層以上的層面觀察到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。下面我們就試著以路由器為中心分析一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)。

還是先前的那個(gè)例子，描繪了布線形態(tài)和VLAN設(shè)定的“物理結(jié)構(gòu)”如下圖所示。

分析這個(gè)物理結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)換成以路由器為中心的邏輯結(jié)構(gòu)后，會(huì)得到如下的邏輯結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)我們需要進(jìn)行路由或是數(shù)據(jù)包過(guò)濾的設(shè)定時(shí)，都必須在邏輯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

把握這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖的區(qū)別是十分重要的，特別是在VLAN和三層交換機(jī)大行其道的現(xiàn)代企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

審核編輯：湯梓紅