什么是Vlan?(网络整理)

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简介

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传统的共享介质以太网和交换式的以太网中,所有的用户在同一个广播域中,会引起网络性能的下降,浪费可贵的带宽;而且对广播风暴的控制和网络安全只能在第三层的路由器上实现。
VLAN相当于OSI参考模型的第二层的广播域,能够将广播风暴控制在一个VLAN内部,划分VLAN后,由于广播域的缩小,网络中广播包消耗带宽所占的比例大大降低,网络的性能得到显著的提高。不同的VLAN之间的数据传输是通过第三层(网络层)的路由来实现的,因此使用VLAN技术,结合数据链路层和网络层的交换设备可搭建安全可靠的网络。网络管理员通过控制交换机的每一个端口来控制网络用户对网络资源的访问,同时VLAN和第三层第四层的交换结合使用能够为网络提供较好的安全措施。
另外,VLAN具有灵活性和可扩张性等特点,方便于网络维护和管理,这两个特点正是现代局域网设计必须实现的两个基本目标,在局域网中有效利用虚拟局域网技术能够提高网络运行效率。 [1] 

VLAN实现原理

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静态VLAN
在VLAN管理员最初配置交换机Port和VLAN ID的对应关系时,就已经固定了这种对应关系,即这个Port只能对应这个VLAN ID,之后无法进行更改,除非管理员再重新配置。
当一台设备接到这个Port上的时候,怎么判断该主机的VLAN ID与Port对应呢,这里是根据IP配置决定的,我们知道每个VLAN都有一个子网号,并对应着哪些Port,如果设备要求的IP地址和该Port对应的VLAN的子网号不匹配,则连接失败,该设备将无法正常通信。所以除了连接到正确的Port外,也必须给设备分配属于该VLAN网络段的IP地址,这样才能加入到该VLAN中。
动态VLAN
交换机自动配置Port为主机所属的VLAN。这里有三种分类:基于MAC,基于IP,基于用户
基于MAC的VLAN(例如二层交换机)
将所有主机的硬件地址都加入到VALN的管理数据库中,例如,一主机随便连接到交换机的一个动态VLAN的Port时,管理数据库将根据主机的MAC地址查询到该主机要加入VLAN 2中,然后自动设置该Port为VLAN 2。缺点是当主机更换了网卡之后,管理数据库需要重新设定。
基于IP的VLAN(例如三层交换机)
与基于MAC不同,这种方法会记录子网ID与VLAN ID的映射,而不论主机的网卡怎么变换,只要他的IP不变,交换机就可以根据主机的子网ID自动设置对应的VLAN ID。
基于用户的VLAN
根据操作系统的登录用户决定VLAN。
Access接口和Trunk接口
交换机中,有两种类型的接口:接入端口(Access)和中继端口(Trunk),Access接口只能用来连接用户主机,只能属于一个VLAN,因此该接口只传输本VLAN的数据。
以上介绍的都是基于一台交换机划分VLAN的情况,当要实现跨两台甚至更多交换机呢,基于Access接口已经无法实现了,我们需要加入Trunk接口连接交换机。 [2] 

VLAN优点

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控制网络的广播风暴


  采用VLAN技术,可将某个交换端口划到某个VLAN中,而一个VLAN的广播风暴不会影响其它VLAN的性能。

确保网络安全


  共享式局域网之所以很难保证网络的安全性,是因为只要用户插入一个活动端口,就能访问网络。而VLAN能限制个别用户的访问,控制广播组的大小和位置,甚至能锁定某台设备的MAC地址,因此VLAN能确保网络的安全性。

简化网络管理


  网络管理员能借助于VLAN技术轻松管理整个网络。例如需要为完成某个项目建立一个工作组网络,其成员可能遍及全国或全世界,此时,网络管理员只需设置几条命令,就能在几分钟内建立该项目的VLAN网络,其成员使用VLAN网络,就像在本地使用局域网一样。

VLAN特点

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基于端口的VLAN,简单的讲就是交换机的一个端口就是一个虚拟局域网,凡是连接在这个端口上的主机属于同个虚拟局域网之中。基于端口的VLAN的优点为:由于一个端口就是一个独立的局域网。所以,当数据在网络中传输的时候,交换机就不会把数据包转发给其他的端口,如果用户需要将数据发送到其他的虚拟局域网中,就需要先由交换机发往路由器再由路由器发往其他端口;同时以端口为中心的VLAN中完全由用户自由支配端口,无形之中就更利于管理。但是美中不足的是以端口为中心的VLAN,当用户位置改变时,往往也伴随着用户位置的改变而对网线也要进行迁移。如果不会经常移动客户机的话,采用这一方式倒也不错。

静态VLAN的优缺点

可以说静态VLAN与基于端口的VLAN有一丝相似之处,用户可在交换机上 让一个或多个交换机端口形成一个略大一些的虚拟局域网。从一定意义上讲静态虚拟局域网在某些程度上弥补了基于端口的虚拟局域网的缺点。缺陷方面,静态 VLAN虽说是可以使多个端口的设置成一个虚拟局域网,假如两个不同端口、不同虚拟局域网的人员聚到一起协商一些事情,这时候问题就出现了,因为端口及虚 拟局域网的不一致往往就会直接导致某一个虚拟局域网的人员就不能正常的访问他原先所在的VLAN之中(静态虚拟局域网的端口在同一时间只能属于同一个虚拟 局域网),这样就需要网络管理人员随时配合及时修改该线路上的端口。

动态VLAN的优缺点

与上面两种虚拟局域网的组成方式相比动态的虚拟局域网的优点真的是太多了。首先它适用于当前的无线局域网技术,其次,当用户有需要时对工作基点进行移动时完全不用担心在静态虚拟局域网与基于端口的虚拟局域网出现的一些问题在动态的虚拟局域网中出现,因为动态的虚拟局域网在建立初期已经由网络管理员将整个网络中的所有MAC地址全部输入到了路由器之 中,同时如何由路由器通过MAC地址来自动区分每一台电脑属于那一个虚拟局域网,之后将这台电脑连接到对应的虚拟局域网之中。说起缺点,动态的虚拟局域网 的缺点跟本谈不上缺点,只是在VLAN建立初期,网络管理人员需将所有机器的MAC进行登记之后划分出MAC所对应的机器的不同权限(虚拟局域网)即可。 [3] 

VLAN应用

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近来参加了不少医院网络方案的讨论和评标活动,在几乎所有医院的方案中都或多或少地采用了虚拟局域网(VLAN)技术,但笔者发现大多数方案中的VLAN设计都存在一个共同且致命的缺陷,那就是VLAN跨越网络的核心。本文就这个问题谈一谈自己的看法,供同行们参考。

VLAN相互受影响

根据VLAN的定义和技术规范,VLAN不是由独享的物理设备和物理链路搭建的物理子网网段,VLAN与实实在在的物理子网的本质区别在于,VLAN之间要共享物理设备和物理链路,因此,VLAN间就会通过所共享的设备和链路相互影响。这种影响是如何产生的呢?VLAN是通过将一个物理拓扑中的两个或多个节点通过逻辑组合而形成的,要想实现这种逻辑的组合就必须使用支持VLAN的交换设备,但真正提供VLAN功能的是这些设备内部的软件。也就是说,VLAN所构造的子网(广播域)是软件实现的,而不是由网络拓扑所决定的。网络拓扑仅对由软件所建立的VLAN有所限制。
知道了VLAN的工作原理,就不难解释VLAN间的影响了,同一交换机上的不同VLAN要共享交换机、要争夺交换机的CPU和背板资源。VLAN对交换机和链路的共享可分为两种类型:一种是“广播共享”,即VLAN划定的广播域贯穿共享设备和链路(如图1所示),换句话说广播共享是二层的共享。另一种我们称之为“路由共享”,也可以说是三层共享,在这种类型的共享中,不同VLAN的数据包是以路由(三层交换)方式穿过交换机的(如图2中虚线所示),通过的包基本上不含有一般的广播包DHCP和特殊协议的广播除外)。VLAN在“广播共享”网络资源时的相互影响要比“路由共享”时更大。
从图1可清楚地看出所共享的网络资源(交换机和链路)。在正常情况下,VLAN间的这种影响不被我们所注意,原因是共享的交换机有足够的交换能力,链路不是很拥挤,但在某一VLAN出现异常时(如感染病毒或出现环路)情况就不同了。这时被感染VLAN(如VLAN1)中的大量数据帧将挤占该VLAN所及的所有交换机的CPU资源、背板带宽,并长时间占用物理链路,其他VLAN(如VLAN2)中的设备尽管“看”不到出现异常VLAN中的数据帧,但其所依赖的网络资源已被用尽,因此,VLAN1所覆盖的网络区域就会出现异常。如果故障点发生在核心交换机附近,那么整个网络就有可能瘫痪。这在各网络拓扑交换机的性能相差不多的情况下尤为严重。

三层共享有作用

由VLAN的性质所决定,完全消除VLAN间的链路和设备的共享在理论上是不可能的。我们所做的努力只能尽量减少相互影响的范围、降低相互影响的程度。如何做到这一点呢?在实践中我们总结出如下原则:1)应尽量避免在同一交换机中配置多个VLAN;2)不同物理位置上的交换机上的端口尽量不要划归到同一个VLAN。前者较好理解,也容易实现,我们重点讨论后者,即如何做到VLAN不跨越核心交换机拓扑结构的“层”。从图1可以看出,由于VLAN1(VLAN2也是这样)的范围跨越了整个网络,如果把所有VLAN的覆盖面都限定在核心交换机的同一侧,这些资源被共享的程度不就减轻了吗?按此想法我们可以将图1所示的网络改变为图2所示的结构。
由于在这种结构中不存在跨越核心交换机的虚网,因此各VLAN的广播包就不会穿过核心交换机,但这些广播包却均能到达核心交换机,同时核心交换机上还会有ACL允许的VLAN间的正常数据流(如图2中的虚线所示)通过。很显然,这时的核心交换机既阻挡了各VLAN的广播包,又转发了VLAN间的正常数据流,其被共享的形式由“广播式”变成了“路由式”,受VLAN影响的程度变小。
有人可能会说,把核心交换机从二层提到了三层,性能会下降。这种说法无疑是正确的,但这点性能的降低对于当今的三层交换机所能提供的性能来说已经算不得什么了。从图2还可以看出,尽管受单个VLAN影响的程度和范围均变小,但共享链路的长度和强度并没有本质的变化。

三层结构最有效

继续分析图2中所存在的问题不难看出,尽管核心交换机被共享的形式改变了,但仍存在受到各VLAN出现异常情况的影响。要想避免核心交换机受到各个VLAN的影响、减小影响范围、避免全网瘫痪的发生,很容易想到在核心交换机和划有VLAN的交换机之间加上一层,以隔离核心交换机和各个VLAN。这时就形成了较为流行的三层拓扑结构的网络,如图3所示。
三层网络结构中,汇聚层核心层之间的区域不再有VLAN,汇聚层交换机的VLAN也仅限于部分端口,这时汇聚层交换机成为被“路由共享”的交换机,而且这种“路由共享”比图2的情况更弱。
如果使汇聚层交换机的性能远高于接入层的交换机,那么由VLAN的广播(多由病毒引起)所引起的整网瘫痪问题就基本解决了。
任何方案都具有利的一面和不利的一面,三层拓扑结构的网络也会带来一些问题:1)利用一般的手段较难实现对各个VLAN进行集中式的远程管理,对于这个问题的解决方案可充分利用网管软件。2)由于VLAN数量的增多、路由协议等技术的引入,此时的网络会比二层平面交换网络要复杂,对网络技术人员的要求更高,管理维护成本会有所增加。
这两点是大型网络管理本身的要求,大型网络的管理不可能不使用网络管理工具,技术人员的缺乏更是各个企业都面临的问题,对此有的专家提出了“IT物业”的理念,也许这就是将来解决这个问题的最终方案。

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南宫俊逸创始人

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