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在數據通信和寬帶接入設備裏，只要涉及到二層技術的，就會遇到VLAN。而且，通常情況下，VLAN在這些設備中是基本功能。所以不管是剛邁進這個行業的新生，還是已經在這個行業打拼了很多年的前輩，都要熟悉這個技術。在論壇上經常看到討論各種各樣的關於VLAN的問題，在工作中也經常被問起關於VLAN的這樣或那樣的問題，所以，有了想寫一點東西的衝動。
大部分童鞋接觸交換這門技術都是從思科技術開始的，討論的時候也脫離不了思科的影子。值得說明的是，VLAN是一種標準技術，思科在實現VLAN的時候加入了自己的專有名詞，這些名詞可能不是通用的，儘管它們已經深深印在各位童鞋們的腦海裏。本文的描述是從基本原理開始的，有些說法會和思科技術有些出入，當然，也會講到思科交換中的VLAN。
1. 以太網交換原理
VLAN的概念是基於以太網交換的，所以，爲了保持連貫性，還是先從交換原理講起。不過，這裏沒有長篇累牘的舉例和配置，都是一些最基本的原理。
本節所說的以太網交換原理，是針對‘傳統’的以太網交換機來說的。所謂‘傳統’，是指不支持VLAN。
簡單的講，以太網交換原理可以概括爲 ‘源地址學習，目的地址轉發’。考慮到IP層也涉及到地址問題，爲了避免混淆，可以修改爲 ‘源MAC學習，目的MAC轉發’。從語文的語法角度來講，可能還有些問題，就再修改一下 ‘根據源MAC進行學習，根據目的MAC進行轉發’。總之，根據個人習慣了。本人比較喜歡 ‘源MAC學習，目的MAC轉發’的口訣。
稍微解釋一下。
所謂的‘源MAC學習’，是指交換機根據收到的以太網幀的幀頭中的源MAC地址來建立自己的MAC地址表，‘學習’是業內的習慣說法，就如同在淘寶上買東西都叫‘寶貝’一樣。
所謂的‘目的MAC轉發’，是指交換機根據收到的以太網幀的幀頭中的目的MAC地址和本地的MAC地址表來決定如何轉發，確定的說，是如何交換。
這個過程大家應該是耳熟能詳了。但爲了與後面的VLAN描述對比方便，這裏還是簡單的舉個例子。
Figure 1-1:
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| SW1 (Ethernet Switch) |
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| |
|port1 |port 2
| |
|-------| |-------|
| PC1| | PC2|
|-------| |-------|
簡單描述一下PC1 ping PC2的過程：（這裏假設，PC1和PC2位於同一個IP網段，IP地址分別爲IP_PC1和IP_PC2，MAC地址分別爲MAC_PC1和MAC_PC2）
1). PC1首先發送ARP請求，請求PC2的MAC。目的MAC=FF:FF:FF:FF:FF:FF(廣播)；源MAC=MAC_PC1。
SW1收到該廣播數據幀後，根據幀頭中的源MAC地址，首先學習到了PC1的MAC，建立MAC地址表如下：
MAC地址 端口
MAC_PC1 PORT 1
2). 由於ARP請求爲廣播幀，所以，SW1向除了PORT1之外的所有UP的端口廣播。
注意，該幀沒有任何變化。換句話說，交換機沒有對幀做任何修改。這就是傳說中的透明傳輸。
3). PC2收到該ARP請求幀，本地建立ARP表項，同時單播回送ARP應答幀。目的MAC=MAC_PC1；源MAC=MAC_PC2。
SW1收到該單播幀手，根據幀頭中的源MAC地址，學習到了PC2的MAC，建立MAC地址表如下：
MAC地址 端口
MAC_PC1 PORT 1
MAC_PC2 PORT 2
4). SW1根據幀頭中的目的MAC地址(MAC_PC1)將數據幀從PORT 1轉發。
5). PC1收到ARP響應，ARP交互過程成功。接下來進行單播PING包交互。
SW1根據數據幀的目的MAC進行透明轉發單播幀，同時刷新本地MAC地址表的老化定時器。
2. 802.1Q VLAN的基本原理
嚴格來說，802.1Q VLAN不是一個協議，因爲互連的設備之間沒有協議層面的報文交互。802.1Q VLAN只定義了數據幀的封裝格式，即，在以太網幀頭中插入了4個字節的VLAN字段。其主要內容爲VLAN TAG，緊隨其後的數據類型和802.1p報文優先級的標識。
本人所理解的VLAN技術要點主要有兩點：1.支持VLAN的交換機的內部交換原理；2.設備之間(交換機之間，交換機與路由器之間，交換機與主機之間)交互時，VLAN TAG的添加和移除。下面就按照這個思路來描述。
2.1 支持VLAN的交換機的交換原理
引入VLAN概念後，數據幀只在相應的VLAN進行交換。用通俗一點的話來講，一個交換機被虛擬出了多個邏輯交換機，每一個VLAN內的端口都是一個邏輯上的交換機。用專業一點的話來講，一個交換機被劃分了多個不同的廣播域，每一個VLAN內的端口，在同一個廣播域內。
引入VLAN後的交換原理與傳統的交換原理相比，並沒有本質上的改變，同樣遵循‘源MAC學習，目的MAC轉發’的基本原則。唯一不同的是，學習和轉發都只在同一個VLAN中進行，數據幀不能跨VLAN交換或轉發。
2.1.1 數據幀該在哪個VLAN中進行交換？
前面提到，支持VLAN的交換機將數據幀限制在同一個VLAN中進行交換，那麼數據幀到底該在哪個VLAN中交換呢？
如果收到的數據幀攜帶了VLAN信息 （通常稱爲’TAGED數據幀‘，前面已經介紹了帶VLAN TAG的以太幀格式），該VLAN信息中的VLAN TAG就是交換該幀的VLAN。
如果收到的數據幀沒有攜帶VLAN信息（通常稱爲‘ UNTAGED數據幀‘），收到該幀的端口的PVID就是交換該幀的VLAN。
該規則在2.2.3節中有詳細的描述。
根據上面的原則，也定義了PVID的概念。當端口收到一個UNTAGED數據幀時，無法確定在哪個VLAN中進行交換，PVID定義了在這種情形下交換該幀的VLAN。從某種意義上講，可以把PVID理解爲端口的default VLAN。在支持VLAN的交換機中，每個端口都有一個PVID值，該值有一個缺省值，當然你也可以更改它。
2.1.2 MAC地址學習和MAC地址表
引入VLAN概念後，MAC地址的學習也在相應的VLAN中進行。從某種意義上理解，一臺交換機有多張MAC地址表，每個VLAN一張表，在交換數據幀進行查表時，只需要在相應的VLAN中進行查找。
很顯然，MAC地址表項中，增加了VLAN TAG屬性。
VLAN MAC地址 端口
VLAN1 MAC_PC1 PORT 1
VLAN1 MAC_PC2 PORT 2
VLAN2 MAC_PC1 PORT 1
VLAN2 MAC_PC2 PORT 2
2.2 VLAN TAG的添加和移除規則
爲了保證設備之間的互聯互通，需要理解VLAN TAG的添加和移除規則。也就是說，交換機在轉發數據幀時，什麼時候應該打TAG，什麼時候應該不打TAG，什麼時候又會丟棄數據幀。
爲什麼要有這麼‘複雜’（其實也沒那麼複雜）的規則呢？爲什麼不把所有的數據幀都打上TAG呢，這樣不是簡單多了？其實，這樣做也是爲了適應不同設備的工作原理，有些設備是不支持VLAN TAG的。
2.2.1 典型設備
先介紹一下幾種典型的設備：
PC：大部分的PC（專用的，或用於測試的除外）是工作在應用層的，缺省情況下是不支持(其實也不需要)VLAN
TAG的。也就是說，PC發出的都是UNTAGED數據幀。
Router：路由器是支持VLAN TAG的。也就是說，路由器可以發出TAGED數據幀，也可以發出UNTAGED數據幀。需要說明的是，路由器是處理數據包的三層信息的，對於二層信息（包括VLAN信息），路由器只是檢查其有效性，之後將其剝離。這個過程就是我們常說的‘終結’，也就是說，路由器會終結掉報文的VLAN信息的。
Switch：這裏的switch是指以太網交換機。VLAN技術就是主要針對於交換機提出的，所以，在討論VLAN概念時都是立足於交換機來討論。很顯然，交換機既支持收發TAGED數據幀，也支持收發UNTAGED數據幀。從嚴格意義上講，引入VLAN後，交換機的行爲不再是‘透明傳輸’，因爲數據幀經過交換機後可能發生了變化。
瞭解了幾種典型設備的工作原理後，就應該覺得交換機上TAG的添加和移除原則的必要性了。
2.2.2 VLAN中的端口屬性
一個VLAN可以包含多個端口，而一個端口也可以屬於多個VLAN。一個端口在一個VLAN中有不同的屬性，TAG的添加和移除原則就是根據這個屬性而定的。
TAGED：如果一個端口在一個VLAN中的屬性是TAG的，那麼，從該端口轉發出去的數據幀就是TAGED。（當然，該數據幀是在該VLAN中交換的）
UNTAGED：如果一個端口在一個VLAN中的屬性是UNTAG的，那麼，從該端口轉發出去的數據幀就是UNTAGED。（當然，該數據幀是在該VLAN中交換的）
2.2.3 交換機收發數據幀的處理總結
我們分幾種情況討論交換機的接收和發送處理：接收端口和發送端口在VLAN中屬性；收到的數據幀是TAG的還是UNTAG的。
1). 端口接收到數據幀
a). 如果是TAG的數據幀，檢查該接收端口是否在該VLAN(數據幀中所攜帶的VLAN TAG)中
- 接收端口在該VLAN中，則在該VLAN中根據交換原理(即，'源MAC學習，目的MAC轉發'的原理)交換該數據包
- 接收端口不在該VLAN中，丟棄該數據幀
b). 如果是UNTAG的數據幀，檢查該接收端口是否在某個VLAN中的屬性是UNTAG
- 接收端口在某個VLAN中的屬性是UNTAG的，則在該VLAN中根據交換原理交換該數據包
- 接收端口在任何VLAN中的屬性都不是UNTAG的，丟棄該數據包
注：根據這個原理可知，一個端口最多在一個VLAN中的屬性是UNTAG的，否則，收到一個UNTAG的數據幀之後，就無法確定在哪個VLAN中進行交換。其實，端口UNTAG所在的VLAN，就是2.1.1節中所提到的PVID的概念。
2). 端口發送數據幀
a).檢查該端口在該VLAN(就是交換該數據幀的VLAN)中的屬性
- 該端口在該VLAN種的屬性是TAG的，發送的數據幀爲TAG的數據幀
- 該端口在該VLAN種的屬性是UNTAG的，發送的數據幀爲UNTAG的數據幀
注：由於數據已經被交換到該端口，說明該端口肯定在該VLAN裏。
2.2.4 典型配置
簡單介紹一下，交換機連接不同典型設備時的常用配置。
1). 連接PC
上面介紹了在通常情況下，PC只支持收發UNTAG的數據幀，所以，連接PC的端口只需要加入一個VLAN，而且，在該VLAN中的屬性爲UNTAG。
2). 連接Router
路由器既支持收發TAG數據幀，也支持收發UNTAG數據幀。通常情況下，不同的VLAN數據幀都能通過該端口與路由器互通。所以連接路由器的端口可以屬於多個VLAN，而且，只能在一個VLAN中的屬性是UNTAG的，在其他的VLAN中都是TAG的。
3). 連接Switch
也就是交換機的級聯。通常情況下是不同性能的交換機進行級聯。這種情況和連接路由器的情況基本相同。
2.2.5 思科交換機的端口類型
TAG和UNTAG應該是一般性的說法，但討論路由交換技術時，不能忽略思科技術，因爲它畢竟是這個行業的引導者(你也可以說它是先入爲主)。
通常情況下，理解VLAN的概念都是以VLAN爲立足點，然後將端口加入該VLAN，並賦予端口某種屬性。這種思路似乎不適用于思科的交換技術。
在思科的交換機上，都是以端口爲立足點的，然後配置該端口的類型和所屬的VLAN。
這裏介紹思科的兩種端口類型，Access和Trunk。理解了這兩種類型，也就理解了思科交換的VLAN基本原理。
1). Access端口
思科的Access端口是爲了連接PC（終端設備）而設計的。由於大部分終端設備都不支持(其實也不需要)VLAN TAG的，所以連接終端設備的端口只需要在一個VLAN中，而且是UNTAG的。Access端口就是這樣的。
如果將端口配置爲Access模式，該端口就只能在一個VLAN中(也就是Access VLAN)，而且該端口在該VLAN中的屬性是UNTAG的。從某種意義上說，該VLAN也就是該端口的PVID。
2). Trunk端口
思科的Trunk端口是爲了連接上行設備(路由器，交換機等支持多VLAN的設備)。通常情況下，上行端口需要匯聚多個VLAN的流量，所以該端口應該屬於多個VLAN。
如果將端口配置爲Trunk模式，該端口可以屬於多個VLAN，在思科技術中，習慣稱該端口可以允許多個VLAN通過。該端口在一個VLAN中是UNTAG的，也就是該端口的PVID，在思科技術中，稱爲Native VLAN。該端口在其他的VLAN中都是TAG的。
可以說，思科在VLAN的一般性原理上多增加了一層開發。如果理解了其本質原理，可以看出是和2.2.3節完全吻合的。
2.3 交換機對VLAN的支持的發展歷程
從技術發展爲產品總是需要一個過程，在接觸過早期交換機的童鞋們應該會知道，當時的交換機對VLAN的支持有兩種模式，SVL和IVL。
SVL: Shared VLAN Learning 共享式VLAN學習
IVL: Independent VLAN Learning 獨立VLAN學習
從通俗而簡單的角度來說，IVL就是每個VLAN有一個MAC-端口映射表，同一個MAC可以出現在多個表裏面(也就是不同的VLAN裏面)；而SVL是在交換機內建一張大表，映射關係是MAC-VLAN-端口，而且，一個MAC在表中只出現一次，只屬於一個VLAN。
顯然，SVL應該更容易實現一點，看起來是一種打補丁的實現方式，貌似不是真正的VLAN。早期的VLAN交換機中，有很多是SVL模式的。
我們前面2.1和2.2節所介紹的原理，都是針對IVL來講的。
從網絡上看到一位仁兄從專業的角度上總結了SVL和IVL的工作原理，非常準確而精闢，故我就不再加以潤色，直接引用了。
IVL，網上大部分資料都說爲每個VLAN建一個表，看起來好像有很多表，其實這裏所說的表是指邏輯上的表，實際上在交換機中還是隻有一個表，如果將VID相同的記錄都提取出來組成一個表，那麼就一個物理上的表在邏輯上就可以認爲是多個表了。
2.3.1 IVL (Independent VLAN Learning)
在MAC表中以MAC＋VID爲主鍵進行儲存。這樣，同一個MAC就可能由於VID的不同而在MAC表中存在多條記錄。
1).根據MAC＋VID在MAC表中尋找，找不到轉3)
2).向找到的port轉發packet，end.
3).向packet攜帶的vid對應的整個VLAN的port轉發，end.
2.3.2 SVL(Shared VLAN Learning)
在MAC表中以MAC爲主鍵進行儲存，也就是說同一個MAC在SVL方式下只能存在一個記錄在MAC表中。
1).在MAC中先根據MAC尋找相應的記錄，找不到轉4)
2).記錄中的VID與packet中攜帶的VID一樣，得到相應的port；不一樣轉5)
3).將packet轉發到相應的port，end.
4).向packet攜帶的vid對應的整個VLAN的port轉發，end.
5).drop，end.
這個過程還是需要一點基礎的，如果看的有點虛無縹緲，大可以略過該節，因爲當今市場上，很少看到SVL的交換機了。
