LAN和VLAN技術原理

目錄

• 局域網LAN

• 虛擬局域網

• VLAN實現原理

一、局域網LAN

    上圖表示的是最基本的LAN布局，如果兩個設備間要進行通信，必須先知道雙方的名字，這里MAC就是他們各自的名字。假如Bob向Sally發送消息，但是一開始Bob并不知道Sally的MAC是什么，所以要先獲取Sally的MAC地址，中間有個ARP協議就是解決這個問題（Bob先廣播發送一個詢問信息，詢問Sally在哪，這個詢問信息凡是連接這個Hub的設備都會接受,Sally接受這個詢問消息后將自己的MAC發送給Bob，其他的設備則會丟棄這個詢問信息），至此已經建立設備間通信的準備條件。

    使用Hub連接的一群設備，都屬于同一個沖突域和廣播域，這里沖突域就是廣播域，簡單理解就是在這種布局中，一次只能一臺設備發送信號且其他設備都能接受該信號。

    集線器是中繼系統中的物理層（第一層）設備，主要作用是將信號進行接受-恢復放大-發送，雙絞線、光纖在傳輸信號的時候，隨著距離的增大，信號會減弱造成失真，借助集線器可以讓信號傳播更遠的距離；同時Hub上有很多接口，能夠擴展終端數量擴大LAN的規模。

    但是同一Hub上的所有設備共享帶寬，如果設備數量過多的話，會造成鏈路擁堵，嚴重的會產生廣播風暴。

    解決的上面布局的缺陷是將一個大的區域劃分成眾多小的區域，這樣可以縮減沖突域的范圍，降低數據擁堵，中間使用的設備是交換機。如上圖是把主集線器換成交換機，交換機的一個端口對應一個單獨的沖突域，這樣一來一個大的廣播域就分成了多個小的沖突域，圖中的集線器只是擴展交換機端口的沖突域。但注意的是，這整個網絡仍是一個廣播域。

    上面的布局還是不夠好，無法對廣播域進行隔離，我們想象一下如果只有一個廣播域，當主機數量越來越多時，發送一個廣播則所有設備都要進行處理，那將是一筆很大的開銷，為此我們引進路由器來劃分廣播域。注意，路由器可以劃分沖突域和廣播域。

    當路由器收到廣播時，會自動把它自動丟棄，不會轉發到路由器的其他端口，實現了廣播域的分割。而且路由器還要一個串行接口0用來連接廣域網。

    圖中LAN布局所示，有6個沖突域（串行接口那個除外），3個廣播域。

二、虛擬局域網

什么是VLAN（虛擬局域網），我們發現凡是帶V的，都和虛擬掛鉤，既然是虛擬的，也就是不存在物理實體的，所以在理解的時候，我們要有一定的邏輯思維。VLAN技術就是將一個物理的LAN在邏輯上劃分成多個廣播域，每一個廣播域就是一個VLAN。

為什么要使用VLAN呢，我們知道，交換機構成的LAN可以隔離沖突域，使得同一局域網內的所有主機可以同時發送消息，這確實相比集線器是一個很大的進步，但是，當一臺設備發送一個廣播，隨著LAN內的主機數量越來越多，交換機要復制該廣播的數量就會增多（因為要轉發到每一天設備嘛），那么每臺設備發送廣播呢，可想而知交換機將不堪重負。因此想到了劃分廣播域，

默認情況下，廣播會發給LAN下所有的主機如上圖，但是劃分了VLAN之后，廣播只會發給同一VLAN內的所有主機，而不會發給其他VLAN內的主機。

上圖所示，雖然這些主機在同一個交換機上，但是通過對交換機做一些特殊的處理（什么處理后邊詳解），本來一個廣播域被劃分成了3個廣播域，物理上這些主機在一個交換機上，但是邏輯上已經分別劃分到三個交換機上，所以會有三個局域網（只不過是虛擬的），會有三個廣播域，這就是為什么叫做虛擬局域網的原因。

這里特別說明一點，VLAN1這個虛擬局域網編號，一般工作于管理組，所以普通VLAN都是從2開始編號，默認情況下，所有虛擬局域網都隸屬于VALN1，因為是管理員組嘛。

將來如果想添加一個PC到VLAN3里邊，只需要將其PC接到物理交換機的VLAN3接口上邊即可，而不需要像普通LAN一樣（新加的PC機要跑到指定的局域網里邊），這樣就實現了隨地增加用戶，不用關心他的物理位置的限制。

為了便于管理，同時一個VLAN就是一個廣播域，所以通常會分配一個單獨的子網號給一個VLAN，現在我們想到一個問題，同一個VLAN內的主機能夠互相通信，但是不同VLAN的主機能通信嗎，答案是不能，為了解決這個問題，引進了三層交換機（或路由器）等OSI的三層設備實現跨網段通信。

三、VLAN實現原理

靜態VLAN

在VLAN管理員最初配置交換機Port和VLAN ID的對應關系時，就已經固定了這種對應關系，即這個Port只能對應這個VLAN ID，之后無法進行更改，除非管理員再重新配置。

當一臺設備接到這個Port上的時候，怎么判斷該主機的VLAN ID與Port對應呢，這里是根據IP配置決定的，我們知道每個VLAN都有一個子網號，并對應著哪些Port，如果設備要求的IP地址和該Port對應的VLAN的子網號不匹配，則連接失敗，該設備將無法正常通信。所以除了連接到正確的Port外，也必須給設備分配屬于該VLAN網絡段的IP地址，這樣才能加入到該VLAN中。

動態VLAN

交換機自動配置Port為主機所屬的VLAN。這里有三種分類：基于MAC，基于IP，基于用戶

基于MAC的VLAN（例如二層交換機）

將所有主機的硬件地址都加入到VALN的管理數據庫中，例如，一主機隨便連接到交換機的一個動態VLAN的Port時，管理數據庫將根據主機的MAC地址查詢到該主機要加入VLAN 2中，然后自動設置該Port為VLAN 2。缺點是當主機更換了網卡之后，管理數據庫需要重新設定。

基于IP的VLAN（例如三層交換機）

與基于MAC不同，這種方法會記錄子網ID與VLAN ID的映射，而不論主機的網卡怎么變換，只要他的IP不變，交換機就可以根據主機的子網ID自動設置對應的VLAN ID。

基于用戶的VLAN

根據操作系統的登錄用戶決定VLAN。

Access接口和Trunk接口

交換機中，有兩種類型的接口：接入端口（Access）和中繼端口（Trunk），Access接口只能用來連接用戶主機，只能屬于一個VLAN，因此該接口只傳輸本VLAN的數據。

以上我介紹的都是基于一臺交換機劃分VLAN的情況，當要實現跨兩臺甚至更多交換機呢，基于Access接口已經無法實現了，我們需要加入Trunk接口連接交換機。

如下圖，VLAN 1的A跨不同交換機發送數據給B時，都必須經過交換機的Trunk接口，并在數據幀頭加入該VLAN 1特有的標記字段，然后通過Trunk鏈路發送給另一臺交換機，另一臺交換機Trunk接口識別標記之后，去除標記，然后轉發給B。