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VLAN基本通讯原理

VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域网),通过在支持VLAN的交换机上添加VLAN,并且动态的调整每个端口所属VLAN(默认端口都属于VLAN1),实现一台物理交换机上可以有多个LAN,每个LAN称作VLAN,VLAN之间的广播互不可达,VLAN间互不影响。每个VLAN是一个独立的广播域,如果不同VLAN中的结点想要互相访问,需要通过一台三层或三层以上设备才能实现(比如路由器、三层交换机、防火墙等)。这样就增加了安全性,可以在三层设备上配置访问列表来达到流量控制的目的。

为了提高处理效率,交换机内部的数据帧一律都带有VLAN Tag,以统一方式处理。当一个数据帧进入交换机接口时,如果没有带VLAN Tag,且该接口上配置了PVID(Port Default VLAN ID),那么,该数据帧就会被标记上接口的PVID。如果数据帧已经带有VLAN Tag,那么,即使接口已经配置了PVID,交换机不会再给数据帧标记VLAN Tag。

由于接口类型不同,交换机对帧的处理过程也不同。下面根据不同的接口类型分别介绍。

表1各类型接口对数据帧的处理方式

接口类型对接收不带Tag的报文处理对接收带Tag的报文处理发送帧处理过程
Access接口接收该报文,并打上缺省VLAN的Tag。当VLAN ID与缺省VLAN ID相同时,接收该报文。 当VLAN ID与缺省VLAN ID不同时,丢弃该报文。先剥离帧的PVID Tag,然后再发送。
Trunk接口打上缺省的VLAN ID,当缺省VLAN ID在允许通过的VLAN ID列表里时,接收该报文。 打上缺省的VLAN ID,当缺省VLAN ID不在允许通过的VLAN ID列表里时,丢弃该报文。当VLAN ID在接口允许通过的VLAN ID列表里时,接收该报文。 当VLAN ID不在接口允许通过的VLAN ID列表里时,丢弃该报文。当VLAN ID与缺省VLAN ID相同,且是该接口允许通过的VLAN ID时,去掉Tag,发送该报文。 当VLAN ID与缺省VLAN ID不同,且是该接口允许通过的VLAN ID时,保持原有Tag,发送该报文。
Hybrid接口打上缺省的VLAN ID,当缺省VLAN ID在允许通过的VLAN ID列表里时,接收该报文。 打上缺省的VLAN ID,当缺省VLAN ID不在允许通过的VLAN ID列表里时,丢弃该报文。当VLAN ID在接口允许通过的VLAN ID列表里时,接收该报文。 当VLAN ID不在接口允许通过的VLAN ID列表里时,丢弃该报文。当VLAN ID是该接口允许通过的VLAN ID时,发送该报文。可以通过命令设置发送时是否携带Tag。

交换机间VLAN通信过程

这一部分结合下图,讲解一下802.1Q干线协议的工作流程:

图中PC1和PC2属于VLAN2,PC3和PC4属于VLAN3,SW1和SW2通过干线相连,干线运行的是802.1Q协议。

l 假设PC1发送消息给PC2,刚开始PC1不知道PC2的MAC地址,所以它首先发送ARP查询包,查询PC2的MAC地址,ARP查询包以广播形式发送。

l 交换机SW1收到PC1发送过来的ARP查询广播包,SW1知道数据是从fa0/0接收到的,fa0/0被划分到VLAN2中,是一个接入端口,SW1知道这是一个来自VLAN2的广播包,SW1在MAC地址表中加入PC1的MAC和VLAN号以及对应的端口号,非VLAN交换机和VLAN交换机都会根据数据的源地址进行学习,只不过VLAN交换机除了记录源MAC地址,还需要记录源MAC所对应的VLAN号。

l SW1在收到的数据帧中加入VLAN2的标识(VLAN交换机从Access(接入)端口收

到数据时需要插入VLAN标识),接着SW1将这个VLAN2的广播包从除接收端口以外的所有属于VLAN2的接口以及主干发送出去,在从所有属于VLAN2的接入接口发送出去前需要去掉VLAN标识(VLAN交换机从Access将数据发出时要去掉VLAN标识,否则其他计算机不能识别这个加了标识的帧),从主干发送出去的帧不需要去掉VLAN标识(后面介绍到的本地VLAN除外)。也就是说如果此时SW1上还有一个非主干端口也被分配到VLAN2中,这个广播从这接入端口送出前要去掉VLAN标识,而从SW1的fa0/2发往SW2的数据帧不需要去掉VLAN标识(本地VLAN除外)。

l PC3接收不到PC1发出的ARP广播请求,因为连接PC3的端口被划分到VLAN3中了,不属于VLAN2,一个VLAN是一个广播域。

l 当SW2从自己的fa0/2接口(主干接口)接收到一个数据帧时,SW2查看数据帧中的VLAN标识,并在本地MAC地址表中添加了帧中源MAC地址、VLAN号以及对应的端口号fa0/2。接下来SW2将决定往哪转发这个收到的数据帧,SW2通过查看VLAN标识和目的MAC地址,知道这是一个VLAN2的广播ARP查询包,SW2将这个包从除接收接口(fa0/2)以外的所有属于VLAN2的接口以及其他的主干接口(如果有)发送出去,同理,在发出去之前,如果接口属于接入接口,则去掉VLAN标识,如果是主干端口则保留VLAN标识。

l PC4是收不到这个广播包的,因为不属于VLAN2,这个时候PC2收到了这个ARP请求包,发现请求的是自己的MAC地址,PC2封装ARP应答包发给SW2。

l SW2收到这个应答包,首先学习PC2的MAC地址和VLAN号以及对应端口到自己的MAC地址表,然后给这个数据帧添加VLAN2标识,之后SW2查询MAC地址表,找到PC1对应的MAC号、VLAN号和端口号,SW2比较数据帧的源MAC和目的MAC在同一个VLAN2中,SW2将数据帧从目的MAC对应的fa0/2接口发出(PC1的MAC是第5步中收到SW1

发来的数据帧的时候记录的)。

l SW1收到这个数据帧,首先也是对源MAC、VLAN号以及对应端口进行学习,然后查看数据帧中的目的MAC,之前已经保存过PC1的MAC,SW1将目的MAC所在VLAN号和源MAC所在VLAN号进行对比,发现他们处于同一个VLAN2下,SW2将这个数据帧中的VLAN标记去除并直接从目的MAC(PC1的MAC)所对应的端口fa0/0发给PC1。

l PC1成功收到ARP应答包,接下来的通信过程和这个步骤类似。

总结:交换机何时添加802.1Q标签头(VLAN标签)与交换机的接口有关,如果交换机的接口接的是一台计算机,那么这个端口是接入端口,在数据帧进入时被添加802.1Q标签头,数据帧从接入端口发出时去掉标签头;如果交换机的接口接的是另外一台交换机,那么这个接口就属于主干接口(Trunk),数据从这种接口发出一般不会去掉标签头(后面演示的Native VLAN除外)。

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