基礎：VLAN虛擬網的概念及劃分

2019-11-05 03:01:34

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供稿：網友

　　什么是VLAN？

　　VLAN（Virtual LAN），翻譯成中文是“虛擬局域網”。LAN可以是由少數幾臺家用計算機構成的網絡，也可以是數以百計的計算機構成的企業網絡。VLAN所指的LAN特指使用路由器分割的網絡——也就是廣播域。

　　在此讓我們先復習一下廣播域的概念。廣播域，指的是廣播幀（目標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。嚴格地說，并不僅僅是廣播幀，多播幀（Multicast Frame）和目標不明的單播幀（Unknown Unicast Frame）也能在同一個廣播域中暢行無阻。

　　本來，二層交換機只能構建單一的廣播域，不過使用VLAN功能后，它能夠將網絡分割成多個廣播域。

　　未分割廣播域時……

　　那么，為什么需要分割廣播域呢？那是因為，假如僅有一個廣播域，有可能會影響到網絡整體的傳輸性能。具體原因，請參看附圖加深理解。

　　圖中，是一個由5臺二層交換機（交換機1～5）連接了大量客戶機構成的網絡。假設這時，計算機A需要與計算機B通信。在基于以太網的通信中，必須在數據幀中指定目標MAC地址才能正常通信，因此計算機A必須先廣播“ARP請求（ARP Request）信息”，來嘗試獲取計算機B的MAC地址。

　　交換機1收到廣播幀（ARP請求）后，會將它轉發給除接收端口外的其他所有端口，也就是Flooding了。接著，交換機2收到廣播幀后也會Flooding。交換機3、4、5也還會Flooding。最終ARP請求會被轉發到同一網絡中的所有客戶機上。

　　請大家注重一下，這個ARP請求原本是為了獲得計算機B的MAC地址而發出的。也就是說：只要計算機B能收到就萬事大吉了。可是事實上，數據幀卻傳遍整個網絡，導致所有的計算機都收到了它。如此一來，一方面廣播信息消耗了網絡整體的帶寬，另一方面，收到廣播信息的計算機還要消耗一部分CPU時間來對它進行處理。造成了網絡帶寬和CPU運算能力的大量無謂消耗。

　　廣播信息是那么經常發出的嗎？

　　讀到這里，也許會問：廣播信息真是那么頻繁出現的嗎？

　　答案是：是的！實際上廣播幀會非常頻繁地出現。利用TCP/ip協議棧通信時，除了前面出現的ARP外，還有可能需要發出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通信時發出的。當客戶機請求DHCP服務器分配IP地址時，就必須發出DHCP的廣播。而使用RIP作為路由協議時，每隔30秒路由器都會對鄰近的其他路由器廣播一次路由信息。RIP以外的其他路由協議使用多播傳輸路由信息，這也會被交換機轉發（Flooding）。除了TCP/IP以外，NetBEUI、IPX和Apple Talk等協議也經常需要用到廣播。例如在Windows下雙擊打開“網絡計算機”時就會發出廣播（多播）信息。（Windows xp除外……）

　　總之，廣播就在我們身邊。下面是一些常見的廣播通信：

　　l ARP請求：建立IP地址和MAC地址的映射關系。

　　l RIP：一種路由協議。

　　l DHCP：用于自動設定IP地址的協議。

　　l NetBEUI：Windows下使用的網絡協議。

　　l IPX：Novell Netware使用的網絡協議。

　　l Apple Talk：蘋果公司的Macintosh計算機使用的網絡協議。

　　假如整個網絡只有一個廣播域，那么一旦發出廣播信息，就會傳遍整個網絡，并且對網絡中的主機帶來額外的負擔。因此，在設計LAN時，需要注重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，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絡接口（LAN Interface）為單位分割廣播域。

　　但是，通常情況下路由器上不會有太多的網絡接口，其數目多在1～4個左右。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，但是需要注重的是，它們上面雖然帶著多個（一般為4個左右）連接LAN一側的網絡接口，但那實際上是路由器內置的交換機，并不能分割廣播域。

　　況且使用路由器分割廣播域的話，所能分割的個數完全取決于路由器的網絡接口個數，使得用戶無法自由地根據實際需要分割廣播域。

　　與路由器相比，二層交換機一般帶有多個網絡接口。因此假如能使用它分割廣播域，那么無疑運用上的靈活性會大大提高。

　　用于在二層交換機上分割廣播域的技術，就是VLAN。通過利用VLAN，我們可以自由設計廣播域的構成，提高網絡設計的自由度。

　　其實VLAN即虛擬局域網（Virtual Local Area Network的縮寫），是一種通過將局域網內的設備邏輯地而不是物理地劃分成一個個網段從而實現虛擬工作組的新興技術。VLAN是為解決以太網的廣播問題和安全性而提出的，它在以太網幀的基礎上增加了VLAN頭，用VLAN ID把用戶劃分為更小的工作組，限制不同工作組間的用戶二層互訪，每個工作組就是一個虛擬局域網。虛擬局域網的好處是可以限制廣播范圍，并能夠形成虛擬工作組，動態治理網絡。

　　VLAN技術答應網絡治理者將一個物理的LAN邏輯地劃分成不同的廣播域即VLAN，每一個VLAN都包含一組有著相同需求的計算機工作站，與物理上形成的LAN有著相同的屬性。但由于它是邏輯地而不是物理地劃分，所以同一個VLAN內的各個工作站無須被放置在同一個物理空間里，即這些工作站不一定屬于同一個物理LAN網段。一個VLAN內部的廣播和單播流量都不會轉發到其他VLAN中，即使是兩臺計算機有著同樣的網段，但是它們卻沒有相同的VLAN號，它們各自的廣播流也不會相互轉發,從而有助于控制流量、減少設備投資、簡化網絡治理、提高網絡的安全性。

　　1.根據端口來劃分VLAN

　　許多VLAN廠商都利用交換機的端口來劃分VLAN成員。被設定的端口都在同一個廣播域中。例如，一個交換機的1，2，3，4，5端口被定義為虛擬網AAA，同一交換機的6，7，8端口組成虛擬網BBB。這樣做答應各端口之間的通訊，并答應共享型網絡的升級。但是，這種劃分模式將虛擬網限制在了一臺交換機上。

　　第二代端口VLAN技術答應跨越多個交換機的多個不同端口劃分VLAN，不同交換機上的若干個端口可以組成同一個虛擬網。

　　以交換機端口來劃分網絡成員，其配置過程簡單明了。因此，從目前來看，這種根據端口來劃分VLAN的方式仍然是最常用的一種方式。

　　2.根據MAC地址劃分VLAN

　　這種劃分VLAN的方法是根據每個主機的MAC地址來劃分，即對每個MAC地址的主機都配置它屬于哪個組。這種劃分VLAN方法的最大優點就是當用戶物理位置移動時，即從一個交換機換到其他的交換機時，VLAN不用重新配置，所以，可以認為這種根據MAC地址的劃分方法是基于用戶的VLAN，這種方法的缺點是初始化時，所有的用戶都必須進行配置，假如有幾百個甚至上千個用戶的話，配置是非常累的。而且這種劃分的方法也導致了交換機執行效率的降低，因為在每一個交換機的端口都可能存在很多個VLAN組的成員，這樣就無法限制廣播包了。另外，對于使用筆記本電腦的用戶來說，他們的網卡可能經常更換，這樣，VLAN就必須不停地配置。

　　3.根據網絡層劃分VLAN

　　這種劃分VLAN的方法是根據每個主機的網絡層地址或協議類型(假如支持多協議)劃分的，雖然這種劃分方法是根據網絡地址，比如IP地址，但它不是路由，與網絡層的路由毫無關系。

　　這種方法的優點是用戶的物理位置改變了，不需要重新配置所屬的VLAN，而且可以根據協議類型來劃分VLAN，這對網絡治理者來說很重要，還有，這種方法不需要附加的幀標簽來識別VLAN，這樣可以減少網絡的通信量。

　　這種方法的缺點是效率低，因為檢查每一個數據包的網絡層地址是需要消耗處理時間的(相對于前面兩種方法)，一般的交換機芯片都可以自動檢查網絡上數據包的以太網幀頭，但要讓芯片能檢查IP幀頭，需要更高的技術，同時也更費時。當然，這與各個廠商的實現方法有關。

　　4.根據IP組播劃分VLAN

　　IP 組播實際上也是一種VLAN的定義，即認為一個組播組就是一個VLAN，這種劃分的方法將VLAN擴大到了廣域網，因此這種方法具有更大的靈活性，而且也很輕易通過路由器進行擴展，當然這種方法不適合局域網，主要是效率不高。

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