深入解析VLAN：现代网络架构的关键技术

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一、什么是VLAN？

VLAN（virtual local Area Network）虚拟局域网，是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间可以直接通信，而VLAN之间不能直接互通。这样，广播报文就被限制在了一个VLAN内。

二、为什么需要VLAN？

早期的以太网是一种基于CSMA\CD (carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的通向通讯介质的数据网络通信技术，当主机数量较多的时候会导致冲突严重、广播泛滥、性能严重下降甚至造成网络不可用等问题。通过第二层设备实现LAN互联虽然可以解决冲突严重的问题，但是仍然不能隔离广播报文和提升网络质量。

在这样的前提下有了VLAN技术，这种技术可以把一个LAN划分成多个逻辑的VLAN。每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间通信就和在一个LAN一样，而VLAN之间不能互通。广播报文就被限制在一个VLAN内

三、VLAN的作用

限制广播域：广播域被限制在一个VLAN中，节省了带宽，提高了网络处理能力。

增强局域网的安全性：不同VLAN内的报文在传输时相互隔离，即一个VLAN内的用户不能和其他VLAN内的用户直接通信

提高了网络的健壮性：故障被限制在了一个VLAN内，本VLAN内的故障不会影响到其他VLAN的正常工作

灵活构建虚拟工作组：用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组。同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围，网络构建和维护更方便快捷

四、VLAN vs 子网

通过将IP地址的网络部分进一步划分为若干个子网。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。

子网和VLAN类似的是。子网也可以隔离主机之间的通信。属于不同VLAN的主机之间不能直接通信，属于不同VLAN之间的主机也不能直接通信。但是两者之间没有必然的联系

五、VLAN Tag 和 VLAN ID

要使交换机能够分辨不同VLAN报文，需要在报文中添加标识VLAN信息的字段，IEEE802.1Q协议规定，在以太网数据帧中加入4个字节的VLAN标签（VLAN Tag）用以标识VLAN信息

数据帧当中的VID字段标识了该数据帧所属的VLAN，数据帧只能在其所属的VLAN内传输，VID代表了VLAN ID，VLAN ID的取值范围是0~4095.由于0和4095是协议保留取值，所以VLAN ID的有效取值范围是1~4094.

交换机内部处理的数据都带有VLAN标签，而交换机连接的那部分设备（如用户主机、服务器）只会收发不带VLAN tag的传统以太网数据帧。因此，要与这些设备交互，就需要交换机接口能够识别传统以太网数据帧。因此要和这些设备交互，就需要交换机的接口能够识别传统以太网数据帧，并在收发时给帧添加、剥除VLAN Tag。添加什么VLAN标签，由接口上缺省的VLAN （port Default VLAN ID）决定

六、VLAN的接口类型和VLAN标签的处理机制

现网中属于同一个VLAN的用户可能会被连接在不同的交换机，而且跨越交换机的VLAN可能不止一个，如果需要用户间的互通，就需要在交换机之间的接口连接对象以及读收发数据帧处理的不同，当前有VLAN的多种接口类型，以适应不同的连接组网

6.1常见的接口类型

Access接口、Trunk接口、Hybrid接口

6.2VLAN的使用场景

VLAN的常见使用场景包括：VLAN之间用户的二层隔离。VLAN间用户的三层互访。

6.2.1VLAN之间用户的二层隔离

比如，某商务楼内有多家公司、为了降低成本、多家公司公用网络资源、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

为了保证各公司业务的独立和安全，可将每个公司所连接的接口划分到不同的VLAN，数显公司间业务数据的完全隔离。可以认为为每个公司拥有独立的“虚拟路由器”，每个VLAN就是一个“虚拟工作组”

再比如说，公司有两个部门，分别分配了固定的IP网段，为加强员工之间的学习和交流，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

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。

6.2.2VLAN间用户的三层互访

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。

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。

七、云化场景下，VLAN存在的问题

随着网络技术的发展，云计算凭借其在系统利用率高、人力和管理成本低、灵活性和可扩展性强等方面表现出的优势，已经成为目前企业IT建设的新趋势。而服务器虚拟化作为云计算的核心技术之一，得到了越来越多的应用。

VLAN作为传统的网络隔离技术，在标准定义中VLAN的数量只有4096个，无法满足大型数据中心的租户间隔离需求。另外，VLAN的二层范围一般较小且固定，无法支持虚拟机大范围的动态迁移。

因此，RFC定义了VLAN扩展方案VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网）。VXLAN采用MAC in UDP（User Datagram Protocol）封装方式，是NVO3（Network Virtualization over Layer 3）中的一种网络虚拟化技术。VXLAN完美地弥补了VLAN的上述不足，一方面通过VXLAN中的24比特VNI（VXLAN Network Identifier）字段，提供多达16M租户的标识能力，远大于VLAN的数量；另一方面，VXLAN本质上在两台交换机之间构建了一条穿越数据中心基础IP网络的虚拟隧道，将数据中心网络虚拟成一个巨型“二层交换机”，满足虚拟机大范围动态迁移的需求。

八、结语

感谢你花时间阅读这篇关于VLAN介绍的文章！希望通过这篇文章，你能够初步的了解VLAN的作用以及应用场景。希望能为你带来实用的帮助和新的知识。

在这里也需要说明一下，尽管我努力确保每个步骤和细节都准确无误，但难免会有描述不当或疏漏之处。如果在操作过程中遇到任何问题，欢迎提出宝贵意见和建议，帮助我改进和完善这篇文章。再次感谢你的支持和理解！