Linux實現的IEEE 802.1Q VLAN
第一部分：VLAN的核心概念
說起IEEE 802.1q，都知道是VLAN，說起VLAN，基本上也沒有盲區，網絡基礎。然而說到配置，基本所有人都能順口溜一樣說出Cisco或者H3C設備的配置命令，對於Linux的VLAN配置卻存在大量的疑問。這些疑問之所以存在我覺得有兩點原因：
1.對VLAN的本質還是沒有理解。
不管你的Cisco/H3C命令敲得再熟練，如果看不懂Linux的vconfig，那麼也將無法掩飾你對概念理解的淺顯；
2.對Linux實現虛擬網絡設備風格不熟悉
可能你已經十分理解802.1q了，也許還看過了IEEE的文檔，然而卻對Linux的Bridge，tap，bond等虛擬設備不是很理解，那麼也將無法順利配置VLAN。
對於VLAN概念的理解，有幾點要強調：
1.VLAN分離了廣播域；
2.單獨的一個VLAN模擬了一個常規的交換以太網，因此VLAN將一個物理交換機分割成了一個或多個邏輯交換機；
3.不同VLAN之間通信需要三層參與；
4.當多臺交換機級聯時，VLAN通過VID來識別，該ID插入到標準的以太幀中，被稱作tag；
5.大多數的tag都不是端到端的，一般在上行路上第一個VLAN交換機打tag，下行鏈路的最後一個VLAN交換機去除tag；
6.只有在一個數據幀不打tag就不能區分屬於哪個VLAN時纔會打上tag，能去掉時儘早要去掉tag；
7.最終，IEEE 802.1q解決了VLAN的tag問題。除了IEEE 802.1q，其餘的都是和實現相關的，雖然Cisco和H3C的實現很類似，Linux可以和它們有大不同。
關 鍵看最後3點，也就是3，4，5。這是VLAN最難理解的部分，不過一旦理解了，VLAN也就不剩下什麼了。爲了使得敘述上以及配置上更加的方 便，Cisco以及其他的廠商定義了很多的細節，而這些細節在IEEE 802.1q標準中並沒有被定義，這些細節包括但不侷限於以下幾點：
1.每一個VLAN交換機端口需要綁定一個VLAN id；
2.每一個VLAN交換機端口處於下面三類中的一類：access，trunk，hybrid。
2.1.access端口：從此類端口收到的數據幀是不打tag的，從此類端口發出的數據幀是不打tag的；
2.2.trunck端口：從此類端口收到的數據幀打着tag，從此類端口發出的數據幀需要打tag(不考慮缺省VLAN的情況)；
2.3.hybrid端口：略
我 們實則沒有必要去深究Cisco/H3C的命令以及到底那三類端口類型有何區別，之所以有三類端口類型完全是爲了將VLAN的概念(最終的IEEE 802.1q標準)很方便的用起來。說白了，trunk端口的存在是因爲不得已，因爲有屬於多個VLAN的數據幀要通過單一的物理鏈路，不打tag是無法 區分各自屬於哪個VLAN的，於是就有了IEEE 802.1q這個標準，定義了一個tag插入到以太幀中，爲了使這個理論性的東西被使用起來，廠商便定義了一系列的概念性的東西，比如和tag相關的鏈路 就是trunk鏈路之類。
於是乎，我們可以完全拋開任何的配置命令，拋開任何廠商定義的東西，完全按照IEEE 802.1q標準以及我們的需求來理解VLAN，這樣下來之後，你絕對可以在Linux上完美實現任何VLAN配置了。首先我們定義一下我們的需求以及滿 足該需求的網絡拓撲，關鍵看如何接線。
1.情況一.同一VLAN內部通信
1.1.同一交換機同一VLAN的不同端口進行通信
1.2.不同交換機的不同端口進行通信
2.情況二.不同VLAN之間通信
2.1.同一交換機不同VLAN之間進行通信
2.2.不同交換機的不同VLAN進行通信
從 上述1.2可以看出，爲了節省線纜和避免環路，兩個VLAN交換機的兩個端口之間的同一條鏈路需要承載不同的VLAN數據幀，爲了使彼此能夠識別每個數據 幀到底屬於哪個VLAN，十分顯然的辦法就是爲數據幀打上tag，因此上述1.2中的端口J和端口K之間的鏈路上的數據幀需要打tag，端口J和端口K都 同屬於兩個VLAN，分別爲VLAN m和VLAN n。換句話說，只要一個端口需要傳輸和接收屬於多個VLAN的數據幀，那麼從該端口發出的數據幀就要打上tag，從該端口接收的數據幀可以通過tag來識 別它屬於哪個VLAN，用Cisco/H3C等廠商的術語來講，它就是trunk端口，兩個trunck端口之間的鏈路屬於trunk鏈路。
我們知道，一般而言，我們的PC機直接連接在常規二層交換機或者支持VLAN的交換機端口上，而我們的PC機發出的一般都是常規的以太網數據幀，這些數據 幀是沒有tag的，它們可能根本不知道802.1q爲何物，然而VLAN存在的目的就是把一些PC機劃在一個VLAN中，而把另一些PC機劃在另一個 VLAN中從而實現隔離，那麼很顯然的一種辦法就是將支持VLAN的交換機的某些端口劃在一個VLAN，而另一些端口劃在另一個VLAN中，一個VLAN 的所有端口其實就形成了一個邏輯上的二層常規交換機，同屬於一個VLAN的PC機連接在劃在同一個VLAN的端口上，爲了擴展VLAN，鑑於單臺交換機端 口數量的限制，需要級聯交換機，那麼級聯鏈路上則同時承載着不同VLAN流量，因此級聯鏈路則成爲trunk鏈路，所有不是級聯鏈路的鏈路都是直接鏈路， 用廠商術語來講就是access鏈路(注意，這裏暫且不談hybrid)，自然而然的，access鏈路兩端的端口都是和tag無關的，只需要做到“沒有 tag直通，有tag去掉即可”，因此它可以連接PC機或者常規交換機以及VLAN交換機的非trunk端口。
VLAN的內容基本也就是以上那些了，分爲三部分：
1.設計目的
隔離廣播域，節省物理設備，隔離安全策略域
2.IEEE 802.1q
爲擴展VLAN的級聯方案提供了一個標準的協議
3.如何使用VLAN
將某些端口劃爲一個VLAN，基於MAC地址什麼的...
其實，至於怎麼劃分VLAN，標準中並沒有給出什麼硬性的規定，只要能夠保證屬於同一VLAN的端口完全否則IEEE 802系列的標準即可，換句話說就是屬於同一VLAN的所有交換機的所有同一VLAN的端口完全就是一個以太網即可，透傳以太幀。
到此爲止，我們基本上已經忘了配置trunk，access，基於端口劃VLAN的命令了，腦子裏面留下的只是VLAN的核心概念，使用這些核心的概念， 我們就可以在Linux上配置完整的VLAN方案了，如果你去硬套Cisco的配置，那麼結果只是悲哀。比如如果你問：如何在Linux上配置端口爲 access，如何在Linux上將某些網卡劃到一個VLAN...
理解Linux Bridge的都知道，Linux本身就可以實現多個Bridge設備，因爲Linux的Bridge是軟的，所以一個Linux Box可以配置多個邏輯意義的Bridge，而多個Bridge設備之間必須通過第三層進行通信，加之第三層正是以太網的邊界，因此一個Linux Box也就可以模擬多個以太網了，不同的Bridge設備就可以代表不同的VLAN。
第二部分：Linux上的VLAN
Linux 上的VLAN和Cisco/H3C上的VLAN不同，後者的VLAN是現有了LAN，再有V，也就是說是先有一個大的LAN，再劃分爲不同的VLAN，而 Linux則正好相反，由於Linux的Bridge設備是被創建出來的邏輯設備，因此Linux需要先創建VLAN，再創建一個Bridge關聯到該 VLAN，創建VLAN很簡單：
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 10
ifconfig eth0.10 up
當 使用vconfig創建了eth0.10之後，它就是一個“真實意義”的虛擬網卡設備了，類似br0，tap0，bond0之類的，在這個虛擬網卡之下綁 定的是一個真實網卡eth0，也就是數據從eth0這塊真實網卡發出，eth0.10中的“.10”表示它可以承載VLAN 10的數據幀，並且在通過eth0發出之前要打上tag。那麼打tag這件事自然而然就是通過eth0.10這個虛擬設備的hard_xmit來完成的， 在這個hard_xmit中，打上相應的tag後，再調用eth0的hard_xmit將數據真正發出，如下圖所示：
因此一個真實的物理網卡比如ethx，它可以承載多個VLAN的數據幀，因此它就是trunk端口了，如下所示：
Linux 的VLAN工具vconfig採用ethx.y的方式以ethx爲trunk端口加入VLAN id爲y的VLAN中。類比Cisco/H3C，我們已經創建了trunk，總結一下：使用vconfig創建一個ethx.y的虛擬設備，就創建了一個 trunk，其中ethx就是trunk口，而y代表該trunk口連接的trunk鏈路可以承載的VLAN數據幀的id，我們創建 ethx.a，ethx.b，ethx.c，ethx.d，就說明ethx可以承載VLAN a，VLAN b，VLAN c，VLAN d的數據幀。
接下來，我們看一下如何創建access端口。首先注意，由於Linux的Bridge是虛擬的，邏輯意義的，因此可以先創建了VLAN之後，再根據這個VLAN動態的創建Bridge，而不是“爲每一個端口配置VLAN id”，我們需要做的很簡單：
創建VLAN：
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 10
ifconfig eth0.10 up
爲該VLAN創建Bridge：
brctl addbr brvlan10
brctl addif brvlan10 eth0.10
爲該VLAN添加網卡：
ifconfig eth1 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan10 eth1
ifconfig eth2 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan10 eth2
...
這 就完了。從此，eth1和eth2就是VLAN 10的access端口了，而eth0則是一個trunk端口，級聯VLAN的時候要用到，如果不需要級聯VLAN，而僅僅需要擴展VLAN 10，那麼你大可將eth1連接在一個二層常規交換機或者hub上...同樣的，你可以再創建一個VLAN，同樣通過eth0來級聯上游VLAN交換機：
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 20
ifconfig eth0.20 up
brctl addbr brvlan20
brctl addif brvlan20 eth0.20
ifconfig eth5 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan20 eth5
如下圖所示：
這 下基本就搞定了Linux上VLAN的配置，接下來還有一個內容，那就是VLAN之間的通信。這個知識點最簡單了，那就是使用路由，爲此很多人把支持 VLAN的三層交換機和路由器等同起來。既然使用路由就需要一個IP地址作爲網關，那麼如何能尋址到這個IP地址自然就是一個不可迴避的問題，我們要把這 個IP配置在哪裏呢？可以肯定的是，必須配置在當前VLAN的某處，於是我們有多個地方可以配置這個IP：
1.同屬於一個VLAN的路由器接口上，且該路由器有到達目的VLAN的路由(該路由器接口爲trunk口)。
2.同屬於一個VLAN的ethx.y似的虛擬接口上，且該Linux Box擁有到指定VLAN a的路由(最顯然的，擁有ethx'.a虛擬接口)。
3.同屬於一個VLAN的Bridge設備上(Linux的Bridge默認帶有一個本地接口，可以配置IP地址)，且該Linux Box擁有到指定VLAN a的路由(最顯然的，擁有ethx'.a虛擬接口或者目標VLAN的Bridge設備)。
其中的1和2實際上沒有什麼差別，本質上就是找一個能配置IP地址的地方，大多數情況下使用2，但是如果出現同一個VLAN在同一個Linux Box配置了兩個trunk端口，那麼就要使用Bridge的地址了，比如下面的配置：
brctl addbr brvlan10
brctl addif brvlan10 eth0.10
brctl addif brvlan10 eth1.10
ifconfig brvlan10 up
此 時有兩個ethx.y型的虛擬接口，爲了不使路由衝突，只能配置一個IP，那麼此IP地址就只能配置在brvlan10上了。不管配置在Bridge上還 是配置在ethx.y上，都是要走IP路由的，只要MAC地址指向了本地的任意的一個接口，在netif_receive_skb調用 handle_bridge的時候都會將數據幀導向本地的IP路由來處理。Linux作爲一個軟件，其並沒有原生實現硬件cache轉發，因此對於 Linux而言，所謂的三層交換其實就是路由。
我們看一下一個被打上tag的數據幀什麼時候脫去這個tag，在定義上，它是從access端口發出時脫去的，然而在語義上，只要能保證access端口 發出的數據幀不帶有tag即可，因此對於何時脫去tag並沒有什麼嚴格的要求。在Linux的VLAN實現上，packet_type的func作爲一個 第三層的處理函數來單獨處理802.1q數據幀，802.1q此時和IP協議處於一個同等的位置，VLAN的func函數vlan_skb_recv正如 IP的處理函數ip_rcv一樣。在Linux實現的VLAN中，只有當一個端口收到了一個數據幀，並且該數據幀是發往本地的時候，纔會到達第三層的 packet_type的func處理，否則只會被第二層處理，也就是Bridge邏輯處理，Linux的原生Bridge實現並不能處理802.1q數 據幀，甚至都不能識別它。整個trunk口收發數據幀，IEEE 802.1q幀處理，以及VLAN間通信的示意圖如下：
到 此爲止，Linux的VLAN要點基本已經說完了，有了這些理解，我想設計一個單臂Linux Box就不是什麼難事了，單臂設備最大的優勢就是節省物理設備，同時還能實現隔離。這個配置不復雜，如果不想用VLAN實現的話也可以用ip addr add dev ...增加虛擬IP的方式來實現，然而用VLAN實現的好處在於可以和既有的三層交換機進行聯動，也可以直接插在支持標準的IEEE 802.1q的設備的trunk口上。
機制搭臺，策略唱戲。既然VLAN的實現機制已經瞭然於胸了，那麼它的缺點估計你也看到了，如何去克服呢？PVLAN說實在的是一個VLAN的替代方案。 解決了VLAN間的IP網段隔離問題，我們在Linux上如何實現它呢？這倒也不難，無非就是在LAN上添加一些訪問控制策略罷了，完全可以用純軟件的方 式來實現，甚至都可以用ebtables/arptables/iptables來實現一個PVLAN。如果說VLAN是一個硬實現的VLAN的話，那麼 PVLAN純粹是一個軟實現的VLAN，甚至都不需要劃分什麼VLAN，大家都處於一個IP網段，只需要配置好訪問控制策略即可，使得同一IP子網的 Host只能和默認網關通信，而之間不能通信，所以說，即使你不知道“隔離VLAN”，“團體VLAN”之類的術語，實際上你已經實現了一個PVLAN 了。
第三部分：幾點總結
1.你需要首先規劃出你的網絡拓撲而不是先去研究VLAN在Linux上如何配置以及如何實現；
2.你需要深入理解VLAN設計的初衷，該配置哪些東西；
3.你需要知道對於VLAN哪些概念是核心，哪些概念並不是必須的。
4.不管基於什麼平臺配置VLAN，只有兩點是必須的：a.哪些端口屬於哪個VLAN；b.哪個端口是級聯端口，屬於多個VLAN。
5.其它的都不用去死記硬背，都是浮雲...