运维锅总详解VLAN

news2024/9/21 13:27:49

本文介绍了VLAN作用、公司多个部门VLAN举例、VLAN间路由、VLAN协议控制字段解释及工作流程、VLAN历史演进等方面对VLAN技术进行详细分析。希望对您理解VLAN有所帮助！

一、VLAN作用

VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）是一种通过划分网络资源以实现逻辑分段的方法。VLAN的主要作用包括以下几个方面：

  1. 网络分段：VLAN能够将一个物理网络划分成多个逻辑网络，从而将不同部门、工作组或功能的设备分隔开来。这有助于减少广播域的大小，提高网络效率。

  2. 安全性：通过将不同的设备分配到不同的VLAN，可以限制它们之间的通信，从而提高网络的安全性。只有在同一VLAN中的设备才能直接相互通信，除非通过路由器或三层交换机进行配置。

  3. 简化网络管理：VLAN使网络管理更加灵活，可以轻松地根据需求重新配置网络拓扑，而无需物理重新布线。这对动态变化的企业环境尤其有用。

  4. 提高性能：通过减少广播流量和冲突域的大小，VLAN可以提高网络的整体性能。广播流量只在同一VLAN内传播，不会影响其他VLAN。

  5. 简化故障排除：由于VLAN划分了不同的网络段，管理员可以更容易地隔离和诊断网络问题，减少故障排除的复杂性和时间。

VLAN在现代网络中是一个非常重要的工具，用于优化网络性能、增强安全性和简化管理。

二、公司多个部门VLAN举例

以下是一个公司不同部门的VLAN示例。假设公司有以下几个部门：行政部、财务部、研发部、销售部和IT部门。每个部门可以分配一个独立的VLAN，以确保网络资源的隔离和安全性。

VLAN 配置示例

  1. 行政部（Administration）

    • VLAN ID: 10
    • IP 地址范围: 192.168.10.0/24

  2. 财务部（Finance）

    • VLAN ID: 20
    • IP 地址范围: 192.168.20.0/24

  3. 研发部（R&D）

    • VLAN ID: 30
    • IP 地址范围: 192.168.30.0/24

  4. 销售部（Sales）

    • VLAN ID: 40
    • IP 地址范围: 192.168.40.0/24

  5. IT部门（IT Department）

    • VLAN ID: 50
    • IP 地址范围: 192.168.50.0/24

配置示例

假设使用的是Cisco交换机，可以通过以下命令来配置VLAN：

Switch> enable
Switch# configure terminal

# 创建VLAN并分配名称
Switch(config)# vlan 10
Switch(config-vlan)# name Administration
Switch(config-vlan)# exit

Switch(config)# vlan 20
Switch(config-vlan)# name Finance
Switch(config-vlan)# exit

Switch(config)# vlan 30
Switch(config-vlan)# name RnD
Switch(config-vlan)# exit

Switch(config)# vlan 40
Switch(config-vlan)# name Sales
Switch(config-vlan)# exit

Switch(config)# vlan 50
Switch(config-vlan)# name IT
Switch(config-vlan)# exit

# 分配接口到VLAN
Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/1 - 10
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 10

Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/11 - 20
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 20

Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/21 - 30
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 30

Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/31 - 40
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 40

Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/41 - 50
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 50

说明

  1. 创建VLAN：使用vlan命令创建VLAN，并分配一个名称。
  2. 分配接口到VLAN：使用interface range命令选择一组接口，并将它们配置为访问模式，接着使用switchport access vlan命令将它们分配到指定的VLAN。

说明

  1. 子图Switch：表示连接到交换机的各个部门VLAN。
  2. 虚线连接：表示VLAN间路由，打通IT部门和研发部之间的通信。

这种图示直观地展示了公司各部门的VLAN配置及其网络拓扑结构。

通过这种配置，公司可以将不同部门的网络流量隔离，提升安全性和网络性能。

三、VLAN间路由

为了在IT部门（VLAN 50）和研发部（VLAN 30）之间实现通信，需要配置VLAN间路由。这通常通过三层交换机或路由器来实现。以下是如何配置VLAN间路由的示例：

配置示例

假设使用的是Cisco三层交换机，可以通过以下步骤来配置VLAN间路由。

步骤 1：配置SVI（Switched Virtual Interface）

在三层交换机上为每个VLAN配置SVI。这些SVI将充当每个VLAN的默认网关。

Switch> enable
Switch# configure terminal

# 为VLAN 30配置SVI
Switch(config)# interface vlan 30
Switch(config-if)# ip address 192.168.30.1 255.255.255.0
Switch(config-if)# no shutdown

# 为VLAN 50配置SVI
Switch(config)# interface vlan 50
Switch(config-if)# ip address 192.168.50.1 255.255.255.0
Switch(config-if)# no shutdown
步骤 2：启用IP路由

启用交换机上的IP路由功能，以便处理不同VLAN之间的流量。

Switch(config)# ip routing
步骤 3：配置接口和VLAN

确保交换机的接口已正确分配到相应的VLAN。

# 配置VLAN 30的接口
Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/21 - 30
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 30

# 配置VLAN 50的接口
Switch(config)# interface range gigabitEthernet 0/41 - 50
Switch(config-if-range)# switchport mode access
Switch(config-if-range)# switchport access vlan 50

配置说明

  1. 配置SVI：在三层交换机上为每个VLAN配置一个虚拟接口（SVI），并分配IP地址，这个IP地址将作为VLAN内设备的默认网关。
  2. 启用IP路由：启用交换机的IP路由功能，使其能够在不同VLAN之间路由流量。
  3. 配置接口和VLAN：确保物理接口正确分配到相应的VLAN。

验证配置

配置完成后，可以通过以下命令验证VLAN间路由是否正常工作。

Switch# show ip interface brief
Switch# show ip route
Switch# ping 192.168.50.1 source 192.168.30.1

通过这些步骤，IT部门（VLAN 50）和研发部（VLAN 30）之间应该能够正常通信。

可以用Mermaid来表示网络拓扑图。以下是如何表示公司不同部门VLAN的网络拓扑图，并且打通IT部门和研发部之间的通信的示例：

在这里插入图片描述

说明

  1. 子图Switch：表示连接到交换机的各个部门VLAN。
  2. 虚线连接：表示VLAN间路由，打通IT部门和研发部之间的通信。

该图示直观地展示了公司各部门的VLAN配置及其网络拓扑结构。

四、VLAN协议控制字段解释及工作流程

VLAN（虚拟局域网）协议通过在数据帧中添加额外的标记字段来实现网络分段。最常见的VLAN协议是IEEE 802.1Q，它在以太网帧中增加了一个VLAN标签。以下是VLAN标签的字段解释及其工作流程：

VLAN 标签字段解释

802.1Q标签插入在以太网帧的源MAC地址和类型字段之间，占用4个字节，具体字段如下：

  1. Tag Protocol Identifier (TPID):

    • 长度：16位
    • 值：0x8100
    • 描述：标识该帧是一个带有802.1Q标签的以太网帧。

  2. Priority Code Point (PCP):

    • 长度：3位
    • 描述：定义了优先级，允许在VLAN内实现不同的服务质量（QoS）。

  3. Drop Eligible Indicator (DEI):

    • 长度：1位
    • 描述：指示该帧是否可以在网络拥塞时被丢弃。

  4. VLAN Identifier (VID):

    • 长度：12位
    • 描述：标识该帧属于哪个VLAN，取值范围为0到4095，其中0和4095是保留值，实际可用范围为1到4094。

工作流程

  1. 帧打标签（Tagging）：

    • 当一个数据帧从VLAN中的一个设备发送时，交换机会在帧中插入802.1Q标签。这包括TPID、PCP、DEI和VID字段，以标识该帧属于哪个VLAN。

  2. 交换机处理：

    • 交换机根据VLAN标签中的VID来决定如何处理帧。它会检查交换机上的VLAN配置表，以确定该帧应该被发送到哪些端口。
    • 如果帧的目的地端口属于同一个VLAN，交换机会将帧转发到相应的端口，而不需要进行任何修改。
    • 如果帧需要跨VLAN传输（如VLAN间路由），则需要通过三层交换机或路由器进行处理。

  3. 帧解标签（Untagging）：

    • 当带有VLAN标签的帧到达目标设备时，交换机会移除802.1Q标签，使帧变为标准的以太网帧，再传输到设备。

VLAN 间通信

要实现不同VLAN之间的通信，需要通过路由器或三层交换机进行VLAN间路由。其工作流程如下：

  1. 帧进入三层交换机：

    • 当一个VLAN的设备发送给另一个VLAN的设备时，数据帧首先到达三层交换机。

  2. 检查VLAN表：

    • 三层交换机会检查帧的VLAN标签，并在其VLAN接口表中查找目的VLAN的网关。

  3. 路由决定：

    • 根据路由表，三层交换机会决定如何转发该帧。它可能会修改帧的VLAN标签以适应目标VLAN。

  4. 转发帧：

    • 三层交换机将帧转发到目标VLAN的出口端口，并移除或修改VLAN标签，使其适应目标设备。

通过这种方式，VLAN间的通信可以在网络层上实现，从而确保不同VLAN之间的网络流量可以互通，而又保持每个VLAN内的隔离性。

五、VLAN历史演进

VLAN（虚拟局域网）技术的发展历程经历了多个阶段，从最初的概念到广泛应用，随着网络需求的变化而不断演进。以下是VLAN技术的历史演进过程：

1. 初期阶段：物理网络隔离

1980年代：

  • 在早期的局域网（LAN）中，网络隔离主要通过物理方式实现。每个部门或功能组都有各自独立的网络，通过路由器连接。这种方法增加了硬件成本和管理复杂度。

2. VLAN的概念提出

1990年代初：

  • 随着网络规模和复杂性的增加，物理隔离的局限性变得显著。为了更灵活地管理网络资源，VLAN的概念被提出。VLAN通过逻辑方式划分网络，使得一个物理网络可以被分成多个逻辑网络。

3. VLAN技术的标准化

1998年：

  • IEEE发布了802.1Q标准，这是第一个正式的VLAN标准。802.1Q定义了在以太网帧中插入4字节的VLAN标签，包括VLAN标识符（VID）、优先级字段（PCP）、Drop Eligible Indicator（DEI）和Tag Protocol Identifier（TPID）。这使得不同厂商的设备可以互操作，推动了VLAN技术的广泛应用。

4. VLAN的广泛应用

2000年代：

  • 随着802.1Q标准的普及，VLAN技术在企业网络中得到了广泛应用。VLAN用于提高网络性能、安全性和管理的灵活性。三层交换机和路由器的引入，使得VLAN间路由成为可能，进一步增强了网络的灵活性。

5. 高级VLAN技术的发展

2010年代：

  • 随着数据中心和大规模网络的需求增加，VLAN技术也在不断发展。例如：
    • Private VLANs (PVLANs)：用于进一步隔离VLAN内的通信，增强安全性。
    • VxLAN (Virtual Extensible LAN)：解决传统VLAN的扩展性问题，支持更大规模的虚拟网络，适用于云计算和大规模数据中心环境。

6. SDN和网络虚拟化的兴起

2020年代：

  • 软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的兴起，推动了VLAN技术的新发展。SDN允许通过集中控制器管理VLAN和网络流量，提高了网络配置的灵活性和自动化水平。
  • VxLAN等技术继续演进，支持更大规模的虚拟网络环境。

未来展望

  • 随着网络需求的不断变化，特别是在5G、物联网（IoT）和边缘计算等领域，VLAN技术预计将继续发展，以适应新的应用场景和技术要求。

通过这些阶段，VLAN技术从最初的概念发展到今天，已经成为现代网络中不可或缺的一部分。它不仅提高了网络的性能和安全性，还大大简化了网络的管理和配置。

​
完。

六、一个秘密

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