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传统以太网问题与VLAN技术详解

🕗 发布于 2025-01-17 22:44 网络  

传统以太网的问题

  1. 广播域：在网络中能接收同一广播信息的所有设备（计算机、交换机）等的集合
    1. 说明：在一个广播域内，当一个设备发送广播帧时，该域内的所有设备都能接收到这个广播帧。
    2. 工作原理：在以太网中，广播帧的目的MAC地址是FF：FF：FF：FF：FF：FF：FF(全是1)的特殊地址。交换机在转发帧的时候，会检查帧的目的MAC地址。如果发现是广播地址，交换机会将该帧转发到除了接收该帧的端口之外的所有端口。（假设交换机上有4个口，其中1口接收到了这个帧，交换机会将这个帧转发给2口3口4口）
  2. 冲突域：是指在网络中可能发生冲突的设备的集合
    1. 说明：在以太网中，冲突是指两个或多个设备同时在一个共享截至上发送数据，导致数据帧发生碰撞，使得数据传输失败
    2. 工作原理：以太网采用CSMA/CD机制来解决冲突问题。当设备想要发送数据的时候，它会先监听信道，如果信道空闲，就发送数据。
    3. 范围：取决于网络拓扑结构和设备类型
      1. 总线型拓扑结构：当前只能有一个数据在进传输
      2. HUB：所有连接到HUB的设备都处于同一个冲突域

VLAN－virtual lan

  1. 交换机的接口类型


    1. access-UnTag：用来接入终端，只有1个VID，主要说的是数据出去的时候剥掉VLAN标签
    2. trunk-UnTag/：用来连接另外一台交换机的，一个数据包经过trunk会携带上VLAN标签，表明这个数据包属于哪个vlan
      1. trunk口的作用
        1. 多个VLAN数据包都从这个口走，这个口可以有多个VID，也存在一个缺省VID-PVID
      2. 数据包进入trunk口：
        这个数据包未被标记--打上PVID的标签
        这个数据包被标记--沿用自带VID的标签，也打上PVID的标签
      3. 数据包出trunk口：
        这个数据包未被标记--解除PVID的标签
        这个数据包被标记--沿用自带VID的标签，解除PVID的标签
    3. hybrid：连接终端和交换机，对VLAN标签的灵活控制
    4. VID和PVID
      1. VID-VLAN ID
        1. 定义：是一个用于标识VLAN的唯一数字，范围从1~4094，每个VLAN都有唯一的VID，用于在网络中区分不同的VLAN
        2. 作用：VID用于在数据帧中标记VLAN信息，帮助教化安吉识别和转发数据帧到正确的VLAN
        3. 一个端口可以有多个VLAN ID
        4. 应用场景
          1. VLAN划分
          2. 数据帧标记
      2. PVID-Port VLAN ID
        1. 定义：PVID是端口默认的VLAN ID（缺省VLAN），用于处理进入端口未标记的数据帧，PVID是一个端口属性，每个端口可以设置一个PVID
        2. 作用：当一个未标记的数据帧进入到交换机的某个端口是，交换机会将该帧的VID设置为该端口的PVID。这样未标记的帧就会被分配到PVID指定的VLAN中
        3. PVID确保了未标记的帧能够被正确处理和转发
        4. PVID的关键作用是解除标记的，使用PVID说明这个数据包最开始的时候是没有VID的，数据包出去的时候就需要将这个PVID剥离，这样数包出去的时候才能被识别。
        5. 一个端口只能有一个PVID
        6. 应用场景
          1. 处理未标记的数据帧
          2. 端口配置
      3. 总结：数据包只要经过交换机的trunk口就一定会被打上PVID的标签，也就是说至少有１个PVID
        1. 当数据包不带VLAN标签的时候，数据包有PVID
        2. 当数据包带VLAN标签的时候，数据包有VID和PVID

  1. VLAN的作用

    1. 隔离广播域：在没有VLAN的网络中，广播帧会在整个物理网络中传播，可能会导致广播风暴，浪费网络带宽。VLAN可以将一个大的广播域划分为多个小的广播域。
    2. 增加网络安全性：限制不同部门或用户组之间的通信
    3. 灵活的网络管理：不依赖于物理位置

  2. VLAN的工作原理

    1. 基于端口的VLAN划分
      1. 网络管理源在交换机上为每个端口分配一个VLAN ID。例如1-10端口分配给A组，11-10分配给B组，当设备连接到交换机的某个端口的时候，他就属于该端口对应的VLAN。
      2. 交换机内部有一个VLAN表，记录了端口和VLAN ID的对应关系，当设备A（属于VLAN 10）发送数据帧给设备B（也属于VLAN 10）时，交换机根据VLAN表检查设备A和设备B是否在同一VLAN。如果在同一VLAN，交换机会将数据帧转发到设备B所在的端口；如果不在同一VLAN，交换机就不会转发这个帧，从而实现了VLAN之间的隔离。
    2. VLAN标记

      1. 为了在不同交换机之间传递VLAN信息，需要对数据帧进行标记。IEEE 802.1Q标准定义了VLAN标记的方法。当数据帧从一个VLAN内的设备发送到交换机时，交换机会在数据帧的以太网帧头中插入一个VLAN标签（Tag）。这个标签包含了VLAN ID等信息。

        1. 举例：设备A（属于VLAN 10）发送一个数据帧，交换机会在这个数据帧的帧头插入VLAN ID为10的标签。当这个带有标签的数据帧通过链路传输到另一个交换机时，接收的交换机会检查这个标签。如果接收端口配置为允许该VLAN ID的帧通过，交换机就会根据自己的VLAN表将数据帧转发到相应VLAN的端口。这样，即使数据帧在多个交换机之间传输，也能保持VLAN的隔离性

    3. VLAN 的特点

      1. 不受地域限制

      2. 同一VLAN内的设备才能直接进行二层通信

    4. VLAN的范围：1~4094

    5. 如何实现VLAN

      1. 背景：Switch1与Switch2属于一个企业，该企业同意规划了网络中的VLAN。其中VLAN10用于A部门，VLAN20用于B部门。且A、B部门的员工在Switch1和Switch2上都有接入

      2. 说明

        1. 使用VLAN之前，PC1和PC2是可以进行通信的

        2. 使用VLAN之后，PC1与PC2在不同的VALN，此时PC1和PC2是不能进行通信的

        3. switch是交换机的意思，数据包从switch1到switch2会携带vlan标签

        4. 端口5是trunk口

    6. VLAN标签-VLAN Tag

      1. 交换机分辨不同VLAN的报文，需要在报文中添加表示VLAN信息的字段

      2. 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

    7. VLAN数据帧

      1. IEEE-802.1Q是由 IEEE（电气和电子工程师协会）制定的一个标准，正式名称为 Virtual Bridged Local Area Networks 协议。该标准定义了如何在以太网帧中插入 VLAN 标签，以实现虚拟局域网（VLAN）的功能。

      2. 802.1Q的工作原理

        1. VLAN配置：在交换机上配置VLAN，为每个VLAN指定唯一的一个VID

        2. 帧标记：当以太网帧进入到交换机的时候，交换机会根据帧中的源MAC地址和VID对其进行标记，将VID的信息添加到以太网帧的VLAN标签中

        3. 帧转发：交换机根据帧中的VLAN标签将其转发到相应的VLAN中。如果帧中的VID与交换机上配置的VLAN不匹配，则将其转发到该VLAN中的其他端口，若所有的端口均不匹配，则将这个以太网帧丢弃

        4. 帧解标记：当一个以太网帧离开交换机的时候，狡猾那几会将其VLAN标签去除，回复到标准的以太网帧格式。

      3. VID

        1. VID=1，是缺省VLAN，默认的

        2. 新建VID从2开始

      4. TPID

        1. ​​​​​​​不同运营商的系统可能将QinQ帧外层VLAN标记的TPID设置为不同值。为实现与这些系统的兼容性，可以修改TPID值，使QinQ帧发送到公网时，承载与特定运营商相同的TPID值，从而实现与该运营商设备之间的互操作性。

        2. VLAN数据帧的TPID与不带VLAN标记的帧的协议类型字段位置相同，为避免在网络中转发和处理数据包时出现问题，不可将TPID值设置为表1-2中的任意值。

        3. 表1-2 协议类型字段数值及其表示的协议

          对应值

          协议类型

          0x0806

          ARP

          0x8035

          RARP

          0x0800

          IP

          0x86DD

          IPv6

          0x8863/0x8864

          PPPoE

          0x8847/0x8848

          MPLS

          0x8137

          IPX/SPX

          0x8809

          LACP

          0x888E

          802.1x

          0x88A7

          HGMP

          0xFFFD/0xFFFE/0xFFFF

          设备保留

    8. VLAN和子网的区别
      1. 通过IP地址的网络部分进一步划分位各个子网，可以解决IP地址空间利用率低和两级IP地址不够灵活的问题
      2. 与VLAN类似的是，子网也可以隔离主机间的通信；
        1. 属于不同VLAN的主机之间不能进行通信
        2. 属于不同子网的主机之间不能进行通信

    9. VLAN的使用场景

      1. 常见的使用场景：VLAN间用户的二层隔离、VLAN间用户的三层互访
      2. VLAN间用户的二层隔离
        1. 如下图所示，某商务楼内有多家公司，为了降低成本，多家公司共用网络资源，各公司分别连接到一台二层交换机的不同接口，并通过统一的出口访问Internet。

          基于接口的VLAN划分组网图
          1. 为了保证个公司业务的独立和安全，可将每个公司锁连接的接口划分到不同的VLAN，实现公司间业务数据的完全隔离。可以认为每个公司都有一个独立的虚拟路由器，每个VLAN就是一个虚拟工作组
        2. 某公司有两个部门，分别分配了固定的IP网段。为加强员工间的学习与交流，员工的位置有时会相互调动，但公司希望各部门员工访问的网络资源的权限不变。

          基于IP的VLAN划分组网图
          1. 为了保证部门内员工的位置调整后，访问网络资源的权限不变，可在公司的交换机Switch_1上配置基于IP子网划分VLAN。这样，服务器的不同网段就划分到不同的VLAN，访问服务器不同应用服务的数据流就会隔离，提高了安全性。
      3. VLAN用户间的三层互访
        1. 如下图所示，某小型公司的两个部门分别通过二层交换机接入到一台三层交换机Switch_3，所属VLAN分别为VLAN2和VLAN3，部门1和部门2的用户互通时，需要经过三层交换机。

          通过VLANIF实现VLAN间用户的三层互访
          1. 可在Switch_1和Switch_2上划分VLAN并将VLAN透传到Switch_3上，然后在Switch_3上为每个VLAN配置一个VLANIF接口，实现VLAN2和VLAN3间的路由。
          2. VLANIF是三层交换机上的一种逻辑接口，用于实现VLAN间的三层通信
          3. VLANIF的作用
            1. 实现VLAN间的通信：在配置好二层VLAN后，通过在三层交换机上创建VLANIF接口并配置IP地址，可以实现不同VLAN之间的通信
            2. 提供网关功能：VLANIF接口通常被配置为VLAN内设备的默认网关
    10. VLAN的类型
      1. 基于端口的VLAN：根据交换机的接口进行VLAN的划分，最常见的
      2. 基于MAC地址的VLAN：MAC地址绑定到VLAN，同一MAC地址的设备，无论连接在哪个端口，VLAN归属不变，但是端口类型需要配置位Hybird
      3. 基于协议的VLAN：根据运行的网络协议进行划分，如IP、IPX
      4. 基于子网的VLAN：根据单层网络IP地址范围进行VLAN划分，IP网段绑定到VLAN，同一IP子网的设备，无论连接在哪个端口，VLAN的归属不变，但是端口的类型需亚奥配置位Hybrid
      5. 划分网络的优先级：MAC>IP子网>协议>端口

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_57446171/article/details/145165898

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