VLAN

What-VLAN是什么

VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）是一种网络技术，它在逻辑上将一个物理的局域网（LAN）划分为多个独立的广播域，即多个虚拟局域网。每个VLAN是一个逻辑上的隔离网络，其内部的设备可以像在独立的物理网络中一样进行通信，而不同VLAN之间的通信则需要通过路由器或三层交换机进行。

1. 逻辑划分： VLAN通过软件配置，根据网络策略（如业务需求、安全要求、地理位置等）将同一物理网络中的设备划分到不同的逻辑组（即VLAN）。这些设备可以是计算机、服务器、打印机、交换机端口等。
2. 广播域隔离： 每个VLAN构成了一个独立的广播域。广播、多播等流量仅限于同一VLAN内部传播，不会跨越到其他VLAN，从而减少了不必要的网络流量，提高了网络效率，也增强了网络安全性。
3. 基于标签的通信： VLAN中的数据帧在传输时会附加一个VLAN标签（IEEE 802.1Q标签），用于标识该帧所属的VLAN。交换机根据标签进行数据帧的转发，确保同一VLAN内的设备可以相互通信，不同VLAN之间的通信则需要通过三层设备（如路由器、三层交换机）进行路由。

When-VLAN是什么时候出现的

VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）这一概念最早出现在1990年代初，作为一种网络管理技术被提出，旨在解决传统以太网中广播域过大、网络资源难以有效隔离和管理的问题。
1. 1990年代初： VLAN概念被提出，最初的实现依赖于网络设备厂商的私有协议。这些早期的VLAN解决方案主要由Cisco、3Com等网络设备制造商推出，用于在他们的交换机产品上实现网络分段。
2. 1990年代中期： IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）开始着手制定关于VLAN标准化的草案，旨在为不同厂商的网络设备提供统一的VLAN实现框架，增强不同设备间的互操作性。
3. 1998年： IEEE正式发布了802.1Q标准，这是关于VLAN标签规范的正式标准。802.1Q标准定义了一种在以太网帧中插入4字节VLAN标签（VLAN Tag）的方法，使得交换机可以基于标签识别和处理属于不同VLAN的数据帧。这一标准的出台标志着VLAN技术进入了标准化和广泛普及的阶段。

Why-为什么需要VLAN

1. 网络管理与资源分配： VLAN使得网络管理员可以根据业务需求、部门划分、地理位置等因素灵活地组织网络资源，简化网络管理，提高资源利用率。

2. 广播风暴抑制： 通过将设备划分到不同的VLAN，可以有效控制广播域的范围，防止广播风暴的发生，保证网络稳定运行。

3. 网络安全增强： VLAN提供了逻辑上的隔离，不同VLAN之间的通信需经由三层设备进行，可以实施更细粒度的安全策略，如访问控制列表（ACL）、防火墙规则等，防止非法访问和数据泄露。

4. QoS（Quality of Service）保障： VLAN可以为不同类型的网络流量（如语音、视频、数据等）分配独立的VLAN，实施差异化的QoS策略，确保关键业务的服务质量。
   说人话就是，为了更灵活的管理设备，并且灵活的隔离广播域，避免频繁广播(ARP、DHCP、RIP等)对整个网络的影响。

   注：所谓灵活，指的是软件层面进行广播域的分割，而不是通过端口的个数(硬件层面)进行分割！
   

How-VLAN是如何工作

预备知识

其实在知道其为什么引入的时候，我们其实可以自己设计一下VALN（如果让你来开发，你如何来设计）。
我能想到的就是：1.肯定要用不同的标识符去标识不同的ID；2.交换机内与交换机之间的处理肯定是不一样的。(我只能想这么多了，你可以思考你想到的)

在此之前，我们需要思考没有VALN的二层交换机：不同的PC的广播信息，都会无脑转发其他的所有端口。
所以当使用到VLAN后，他就不会按照硬件端口来转发广播信息了，而是通过区分不同的VLAN的标识符来转发广播信息。而这个VLAN的标识符就称之为“VLAN ID”。

VLAN通信简述流程

相同的VLAN间通信

在同一交换机下： 同一VLAN内设备直接通过交换机进行二层交换，交换机根据目的MAC地址在内部MAC地址表中查找并转发数据帧。无需VLAN标签或路由介入。
在不同交换机下： 同一VLAN内设备通过中继链路（Trunk Link）连接的交换机进行通信。数据帧携带VLAN标签，各交换机根据标签识别所属VLAN并依据内部MAC地址表进行二层转发，直至到达目的设备所在交换机。中继链路确保了VLAN信息在整个转发过程中得以保留和正确处理。

不同的VLAN间通信

在同一交换机下： 不同VLAN间设备无法直接通信，因为交换机根据VLAN划分隔离广播域。若需通信，需通过三层设备（如路由器）进行路由，或使用其他跨VLAN通信技术（如VLAN间路由、单臂路由、多层VLAN等）。
在不同交换机下： 不同VLAN间设备同样无法直接通信，需通过中继链路上传递至连接各交换机的三层设备（如路由器、三层交换机），由三层设备进行路由或使用相应的跨VLAN通信技术实现数据转发。中继链路确保VLAN标签传递到三层设备，以便正确识别和处理不同VLAN间的通信请求。

注：VLAN是广播域。而通常两个广播域之间由路由器连接，广播域之间来往的数据包都是由路由器中继的。因此，VLAN间的通信也需要路由器提供中继服务，这被称作“VLAN间路由”。VLAN间路由，可以使用普通的路由器，也可以使用三层交换机。

VLAN的访问链接

VLAN tag

从上面的"VLAN通信简述流程"可以看出VLAN的实现至少是需要VLAN ID信息的表示标识的，但是在传统数据链路层首部字段中并未有相关的字段信息。所以需要引入VLAN相关的信息标识(这其实也就说明VLAN是后面网络发展中的产物)

字段	含义
TPID(Tag Protocol Identifier)	表示数据帧类型，如IEEE 802.1Q。
PRI(Priority)	表示数据帧的802.1p优先级。
CFI(Canonical Format Indicator)	表示MAC地址在不同的传输介质中是否以标准格式进行封装，用于兼容以太网和令牌环网。在以太网中，CFI的值为0。
VID(VLAN ID)	标识了该数据帧所属的VLAN，数据帧只能在其所属VLAN内进行传输。

交换机内部处理的数据帧都带有VLAN标签。而交换机连接的部分设备（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标签。添加什么VLAN标签，由接口上的缺省VLAN（Port Default VLAN ID，PVID）决定。

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上，且跨越交换机的VLAN可能不止一个，如果需要用户间的互通，就需要交换机间的接口能够同时识别和发送多个VLAN的数据帧。根据接口连接对象以及对收发数据帧处理的不同，当前有VLAN的多种接口类型，以适应不同的连接和组网。

不同厂商对VLAN接口类型的定义可能不同。对于华为设备来说，常见的VLAN接口类型有三种，包括：Access、Trunk和Hybrid。

预备知识:
在一个VLAN交换网络中，以太网数据帧主要有以下两种形式：
无标记帧（Untagged帧）：原始的、未加入4字节VLAN标签的帧。
有标记帧（Tagged帧）：加入了4字节VLAN标签的帧。

Access接口

Access接口一般用于和不能识别Tag的用户终端（如用户主机、服务器）相连，或者不需要区分不同VLAN成员时使用。

Access接口大部分情况只能收发Untagged帧，且只能为Untagged帧添加唯一VLAN的Tag。交换机内部只处理Tagged帧，所以Access接口需要给收到的数据帧添加VLAN Tag，也就必须配置缺省VLAN。配置缺省VLAN后，该Access接口也就加入了该VLAN。
当Access接口收到带有Tag的帧，并且帧中VID与PVID相同时，Access接口也能接收并处理该帧。
在发送带有Tag的帧前，Access接口会剥离Tag。

发送or接收	数据帧类型	处理行为
接收	无tag	添加VLAN tag(VID=PVID),加入
接收	有tag	判断VID和PVID是否匹配，匹配则加入；不匹配则丢弃
发送	无tag	access接口则直接发送；trunk接口则添加VLAN tag(VID=PVID)再发送
发送	有tag	access接口则剥离VLAN tag再发送;trunk接口则直接发送

Trunk接口

Trunk接口一般用于连接交换机、路由器、AP以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，但只允许属于缺省VLAN的帧从该类接口上发出时不带Tag（即剥除Tag）。

Trunk接口上的缺省VLAN，有的厂商也将它定义为native VLAN。当Trunk接口收到Untagged帧时，会为Untagged帧打上Native VLAN对应的Tag。

Trunk接口是交换机上的一种特殊端口类型，设计用于承载多个VLAN的流量

发送or接收	数据帧类型	处理行为
接收	无tag	添加VLAN tag(VID=PVID)，通过列表检查，在则转发；不在则丢弃
接收	有tag	判断VID是否在允许通过VLAN列表中，在则根据内部MAC地址表决定是本地VALN内转发还是通过trunk接口转发到其他交换机或设备；不在则丢弃
发送	无tag	添加VLAN tag(VID=PVID)转发
发送	有tag	直接转发

Hybrid接口

Hybrid接口既可以用于连接不能识别Tag的用户终端（如用户主机、服务器）和网络设备（如Hub），也可以用于连接交换机、路由器以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端、AP。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，且允许从该类接口发出的帧根据需要配置某些VLAN的帧带Tag（即不剥除Tag）、某些VLAN的帧不带Tag（即剥除Tag）。

Hybrid接口和Trunk接口在很多应用场景下可以通用，但在某些应用场景下，必须使用Hybrid接口。比如在灵活QinQ中，服务提供商网络的多个VLAN的报文在进入用户网络前，需要剥离外层VLAN Tag，此时Trunk接口不能实现该功能，因为Trunk接口只能使该接口缺省VLAN的报文不带VLAN Tag通过。

Hybrid接口是交换机上的一种端口类型，它结合了Access接口和Trunk接口的特点，提供了更为灵活的VLAN处理能力。

发送or接收	数据帧类型	处理行为
接收	无tag	添加VLAN tag(VID=PVID)，通过列表检查，在则转发；不在则丢弃
接收	有tag	判断VID是否在允许通过VLAN列表中，在则根据内部MAC地址表决定是本地VALN内转发还是通过trunk接口或Hybrid接口转发到其他交换机或设备；不在则丢弃
发送	无tag	可以根据配置，选择是否为特定VLAN的Untagged帧添加VLAN标签（即Tagged发送），或者保持Untagged状态发送。
发送	有tag	直接转发

接口对比区别

接口	目的	untagged帧处理	发送数据帧灵活性
Access	主要用于连接终端设备，如工作站、打印机等，实现单个VLAN的接入。	Access接口接收Untagged帧并认为属于PVID指定的VLAN	Access接口不支持发送Tagged帧
Trunk	主要用于连接交换机之间或交换机与路由器、三层交换机等设备，实现多个VLAN的流量在同一物理链路上同时传输。	Trunk接口通常不接收Untagged帧（除非特殊配置）	Trunk接口通常不发送Untagged帧（除非特殊配置）
Hybrid	提供更精细的VLAN控制，既能连接交换机间，也可连接终端设备，实现对Tagged和Untagged帧更灵活的处理。	Hybrid接口可以接收更多配置的Untagged帧。	Hybrid接口可以根据配置选择是否为Untagged帧添加VLAN标签。

VLAN间路由

预备知识

不同VLAN间不通过路由就无法通信。在LAN内的通信，必须在数据帧头中指定通信目标的MAC地址。而为了获取MAC地址，TCP/IP协议下使用的是ARP。ARP解析MAC地址的方法，则是通过广播。也就是说，如果广播报文无法到达，那么就无从解析MAC地址，亦即无法直接通信。

计算机分属不同的VLAN，也就意味着分属不同的广播域，自然收不到彼此的广播报文。因此，属于不同VLAN的计算机之间无法直接互相通信。

为了能够在VLAN间通信，需要利用OSI参照模型中更高一层——网络层的信息（IP地址）来进行路由。路由功能，一般主要由路由器提供。但在今天的局域网里，我们也经常利用带有路由功能的交换机——三层交换机（Layer 3 Switch）来实现。

同一VLAN内的通信时数据的流程

路由器与交换机都只用一条网线连接，使用trunk接口连接。

具体实现过程为：首先将用于连接路由器的交换机端口设为汇聚链接，而路由器上的端口也必须支持汇聚链路。双方用于汇聚链路的协议自然也必须相同。接着在路由器上定义对应各个VLAN的“子接口（Sub Interface）”。尽管实际与交换机连接的物理端口只有一个，但在理论上我们可以把它分割为多个虚拟端口。

计算机A与同一VLAN内的计算机B之间通信时的情形。

1. 计算机A发出ARP请求信息，请求解析B的MAC地址。
2. 交换机收到数据帧后，检索MAC地址列表中与收信端口同属一个VLAN的表项。
3. 结果发现，计算机B连接在端口2上，于是交换机将数据帧转发给端口2，最终计算机B收到该帧。

收发信双方同属一个VLAN之内的通信，一切处理均在交换机内完成。

不同VLAN间通信时数据的流程

1. 计算机A从通信目标的IP地址（192.168.2.1）得出C与本机不属于同一个网段。因此会向设定的默认网关（Default Gateway，GW）转发数据帧。在发送数据帧之前，需要先用ARP获取路由器的MAC地址。
2. 得到路由器的MAC地址R后，接下来就是按图中所示的步骤发送往C去的数据帧。①的数据帧中，目标MAC地址是路由器的地址R、但内含的目标IP地址仍是最终要通信的对象C的地址。这一部分的内容，涉及到局域网内经过路由器转发时的通信步骤，有机会再详细解说吧。
3. 交换机在端口1上收到①的数据帧后，检索MAC地址列表中与端口1同属一个VLAN的表项。由于汇聚链路会被看作属于所有的VLAN，因此这时交换机的端口6也属于被参照对象。这样交换机就知道往MAC地址R发送数据帧，需要经过端口6转发。

从端口6发送数据帧时，由于它是汇聚链接，因此会被附加上VLAN识别信息。由于原先是来自红色VLAN的数据帧，因此如图中②所示，会被加上红色VLAN的识别信息后进入汇聚链路。
4. 路由器收到②的数据帧后，确认其VLAN识别信息，由于它是属于红色VLAN的数据帧，因此交由负责红色VLAN的子接口接收。

接着，根据路由器内部的路由表，判断该向哪里中继。

由于目标网络192.168.2.0/24是蓝色VLAN，且该网络通过子接口与路由器直连，因此只要从负责蓝色VLAN的子接口转发就可以了。这时，数据帧的目标MAC地址被改写成计算机C的目标地址；并且由于需要经过汇聚链路转发，因此被附加了属于蓝色VLAN的识别信息。这就是图中③的数据帧。
5. 交换机收到③的数据帧后，根据VLAN标识信息从MAC地址列表中检索属于蓝色VLAN的表项。由于通信目标——计算机C连接在端口3上、且端口3为普通的访问链接，因此交换机会将数据帧除去VLAN识别信息后（数据帧④）转发给端口3，最终计算机C才能成功地收到这个数据帧。

进行VLAN间通信时，即使通信双方都连接在同一台交换机上，也必须经过：“发送方——交换机——路由器——交换机——接收方”这样一个流程。
详情参考REF:[图文并茂VLAN详解，让你看一遍就理解VLAN]

思考

其实VLAN的路由通信和无VLAN是差不多的，只是多了VLAN ID的判断。对吗？

• 相同点：
  1. 路由原理： 无论是有VLAN还是无VLAN环境，路由通信的基本原理都是基于IP地址进行路由决策。路由器根据数据包的目的IP地址查找路由表，确定下一跳地址，然后将数据包转发到相应的接口。
  2. 三层处理： 在路由器内部，对IP数据包的处理逻辑（如IP头部校验、TTL减一、路由表查找、IP选项处理等）在有VLAN和无VLAN环境下是相同的。
• 不同点：
  1. 数据帧的封装与解封装： 在有VLAN环境中，数据帧在进入路由器时需要解析VLAN标签（802.1Q标签），提取VLAN ID信息；在离开路由器时，根据需要可能需要重新封装VLAN标签。而在无VLAN环境中，数据帧无需处理VLAN标签。
  2. 接口与VLAN关联： 在有VLAN环境中，路由器上的接口（尤其是连接交换机的接口）通常与一个或多个VLAN关联，形成子接口。数据包的接收和发送需根据VLAN ID与接口（子接口）的关联情况进行。而在无VLAN环境中，接口直接对应物理网络，无需考虑VLAN关联。
  3. 路由表项与VLAN关联： 在有VLAN环境中，路由表项可能与特定VLAN相关联，尤其是在使用VLAN间路由（Inter-VLAN Routing）时。路由器在进行路由决策时，需要考虑数据包的源VLAN和目标VLAN，选择合适的路由表项。而在无VLAN环境中，路由表项与VLAN无关，仅基于目的IP地址进行路由决策。
  4. 访问控制与策略： 在有VLAN环境中，可能需要基于VLAN ID实施更细致的访问控制策略，如VLAN间访问控制列表（ACL）、VLAN间服务质量（QoS）策略等。这些策略在无VLAN环境中通常无需考虑VLAN ID。

其实VLAN就是引入VLAN tag字段，增加了软件标识虚拟LAN口的能力，灵活替换和扩展了硬件LAN口的限。

扩展

VLAN间访问控制列表（Inter-VLAN ACL）和VLAN间服务质量（QoS）策略是VLAN环境中用于控制不同VLAN间通信行为和网络流量的重要工具。以下是这两者概念的详细介绍:

VLAN间访问控制列表（Inter-VLAN ACL）

1. 访问控制列表（ACL）： 访问控制列表（Access Control List）是一种网络安全机制，用于定义允许或拒绝网络流量的规则。ACL规则通常基于数据包的源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、协议类型等信息进行匹配。
2. VLAN间ACL： 在VLAN环境中，VLAN间ACL（Inter-VLAN ACL）特指应用于不同VLAN间通信的ACL规则。这些规则用于控制来自一个VLAN的数据包能否访问另一个VLAN，以及访问的具体条件。

通过VLAN间ACL，网络管理员可以精细地管理不同VLAN间的访问权限，实现网络安全隔离、流量过滤和访问控制。例如，可以设置一个VLAN间ACL规则，禁止VLAN 10中的主机访问VLAN 20中的特定服务器端口，或者只允许VLAN 30中的特定IP地址与VLAN 40进行通信。

VLAN间服务质量（QoS）策略

1. 服务质量（QoS）： 服务质量（Quality of Service）是一种网络管理机制，旨在确保关键业务流量在网络中得到优先处理，避免非关键流量过度占用网络资源，从而保证网络性能和应用响应时间。QoS通过为不同类型的流量分配不同的优先级、带宽限制、丢弃策略等，实现对网络流量的差异化处理。
2. VLAN间QoS： 在VLAN环境中，VLAN间QoS策略（Inter-VLAN QoS）特指应用于不同VLAN间通信的QoS规则。这些规则用于对跨越VLAN边界的流量进行分类、标记、优先级设置、带宽限制、拥塞控制等操作，以确保跨VLAN通信的质量。

例如，可以设置一个VLAN间QoS策略，对来自VLAN 50的视频会议流量标记为高优先级，并为其预留一定的带宽，以保证视频会议的流畅性，同时限制来自VLAN 60的普通网页浏览流量在跨VLAN传输时不超过一定的带宽。

总结

帮助理解记忆由来：软件层面隔离广播域 => VLAN ID => 数据帧增加VLAN tag =>传统数据帧和VLAN数据帧兼容 => VLAN 接口类型(Access、Trunk和Hybrid) => VLAN标签处理机制

REF

图文并茂VLAN详解，让你看一遍就理解VLAN
什么是VLAN?
VLAN数据帧格式