車載以太網(wǎng)交換機入門基本功（2）— 初識VLAN

       在《交換機入門基本功 -上》提到，交換機在物理層面劃分通信區(qū)域并產(chǎn)生局域網(wǎng)（Local Area Network, LAN）。局域網(wǎng)具有一個特點：連線拓撲一旦確定，一定時間內(nèi)不會發(fā)生通信區(qū)域的變動。在實際通信過程中，廣播報文和未知目的地址的單播報文，需要通知到所有設備。通信區(qū)域的大小，影響了這個過程中需要通知設備的多少。然而，對設備不加選擇的廣播會造成廣播泛濫。交換機此時并不具備設備選擇的功能，通信區(qū)域內(nèi)的所有設備們此時別無選擇，只能不斷地被“打擾”（“i”設備表示：交換機這個“e人”好可怕，默默哭泣ㄒoㄒ~~）。而且，這種廣播泛濫還會占用帶寬，造成線路沖突和性能下降等問題，甚至可能造成網(wǎng)絡癱瘓。

       要解決這個問題，一個簡單的想法是：改變局域網(wǎng)內(nèi)的連線拓撲，這是否可行呢？答案是有用，但不多。理由很簡單，如果只需要偶爾改變連線拓撲，每次只改變一兩個設備，那就只是幾根網(wǎng)線的拔插工作。但如果需要頻繁改變通信區(qū)域，或者存在多個通信區(qū)域、且每次涉及的設備很多呢？千手觀音都得說：這活太累了……

圖 1  “千手觀音”哭泣

       聰明的小伙伴可能會想到，如果不改變物理連線，而是限制報文的傳播路徑，讓它們只能在特定范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)發(fā)呢？沒錯，天無絕人之路，既然改變不了物理世界，那就在虛擬世界里大展身手，就是虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local  Area Network, VLAN）的來源！

       VLAN技術(shù)在邏輯層面上，將局域網(wǎng)劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域是獨立的廣播域，區(qū)域內(nèi)可以進行廣播通信，區(qū)域間不能進行直接通信。這樣，無需修改實際的連線拓撲，就可以快速劃分和修改廣播域，可操作性和應變能力大大增強。設想一下，你一邊在小組群討論小組作業(yè)怎么寫，一邊在宿舍群討論晚上吃什么，要是兩個群的信息可以互相看到，那豈不是亂了套？！這種分群討論方式的好處還有：如果臨時加入了一名小組成員，那么只需要把這個人拉到小組群里就可以繼續(xù)討論，并不會影響之前的工作，簡直不要太方便！

       那么，小伙伴可能又要問了：這么方便的VLAN，究竟是用了什么“魔法”做到的呢？

       神秘的魔法就是：VLAN ID ，簡稱VID，即不同VLAN的編號。通過在報文內(nèi)增加額外字段，標明報文的VID，說明報文要在哪個VLAN下進行傳輸。

VLAN報文結(jié)構(gòu)

       攜帶VID的報文結(jié)構(gòu)遵循IEEE的802.1Q協(xié)議。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）電氣電子工程師學會，在電氣及電子工程、計算機及其他技術(shù)領域做出卓越貢獻，引領新技術(shù)發(fā)展步伐，制定國際和行業(yè)標準。802.1Q協(xié)議在MAC（Media Access Control）報文的基礎上，定義了VLAN的標準化實現(xiàn)方案。

       首先介紹下不帶VLAN的MAC報文，有兩種格式，分別是IEEE 802.3在1982年頒布的格式，和以太網(wǎng)V2在1983年頒布的格式，二者只在部分字段有所區(qū)別，格式如圖 2和圖 3：

圖 2 IEEE 802.3的MAC報文格式

圖 3 以太網(wǎng)V2的MAC報文格式

       每個字段的含義如下：

• PRE：Preamble前導碼，長度為8個字節(jié)（一個字節(jié)有8位bit），用于時間同步，通常是連續(xù)的“10”值。

• DA：Destination Address目的地址，長度為6個字節(jié)，表明該報文要發(fā)送到特定的MAC地址。

• SA：Source Address源地址，長度為6個字節(jié)，表明發(fā)送該報文的MAC地址。

• L/T：Length/Type，表明報文的長度/類型，長度2個字節(jié)；L長度字段取值在0-1500之間，T類型字段取值大于1536，1500-1536之間的取值未定義。T類型字段可表明的協(xié)議類型有IPv4、IPv6、ARP等。

• DATA：數(shù)據(jù)，長度在46-1500字節(jié)之間。

• FCS：Frame Check Sequence幀檢測序列，使用CRC（Cyclic Redundancy Check）循環(huán)冗余校驗算法，對包括DA、SA、L/T、DATA字段在內(nèi)計算校驗值，確保在傳輸過程中數(shù)據(jù)沒有被篡改。

       進一步的，在上述MAC報文格式基礎上，增加VLAN的說明字段。具體格式如圖 4：

圖 4 攜帶VLAN的MAC報文格式

       VLAN的說明字段介于SA和L/T之間，稱之為Tag字段。Tag字段長度為4個字節(jié)，包括TPID和TCI兩個部分：

• TPID：Tag Protocol Identifier，Tag協(xié)議標識位，該字段的位置和不帶tag報文的L/T字段重合，用于區(qū)分報文是否攜帶tag。

• TCI：Tag Control Information，Tag控制信息，包含具體的VLAN控制信息。
  

       TCI字段又可分為三個部分：

• PCP：Priority Code Point優(yōu)先級代碼位，長度為3bit，表明報文在同個VLAN內(nèi)的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)順序，需要和交換機隊列配合使用，后面會進行介紹。

• DEI：Drop Eligible Indicator丟棄使能位，長度為1bit，表明在傳輸過程中，如果數(shù)據(jù)過多影響傳輸效率，是否進行丟棄處理。取值為0表示不丟棄，1表示丟棄。

• VLAN ID：簡稱VID，長度為12bit，表明報文所屬的VLAN，這也是前文提到的任意劃分廣播域的“魔法”！

       除了在報文內(nèi)增加Tag字段表明報文所屬的VLAN，還需要依賴交換機進行實際轉(zhuǎn)發(fā)。其中，交換機的端口屬性在VLAN轉(zhuǎn)發(fā)過程中非常關(guān)鍵。在《交換機入門基本功-3》將介紹交換機端口屬性以及具體的轉(zhuǎn)發(fā)過程。

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