VLAN技术探究

(1.内蒙古自治区教学仪器设备供应中心，内蒙古 呼和浩特 010010;2.内蒙 古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018)
摘 要：文章阐述了虚拟局域网(Virtual Local Area Ne t-work,VLAN)技术的概念，分析了VLAN的优点，并对其实现原理、划分方式和规划原则进行 了论述，以期给网络管理带来方便。
关键词：VLAN；虚拟局域网；广播域
中图分类号：TP393  文献标识码：A  文章编号：[HT K]1007—6921(2009)06—0096—02

传统局域网由于规模小、应用范围有限使得网络仅仅限于交换模式的状态，在这种网络模式 中局域网（LAN）通常由HUB、网桥、交换机等网络设备连接同一网段内的所有节点形成，对 于网络结构的划分也仅仅是采用物理网段的划分的方法，将各节点按照它们的物理连接自然 地划分到各个广播域。处于同一局域网内的网络节点间可以直接通信，而处于不同局域网之 间的通信则必须通过路由器才能实现。随着网络的不断扩展，接入设备逐渐增多，网络结构 也日趋复杂，这样的网络模式从效率和安全性的角度来考虑都是有所欠缺的。首先一个广播 域内的设备增加，那么在这个广播域内设备的广播频率便会相对增加。广播频率的提高，对 设备的效率会有很大的影响，因为每一个设备都必须中断其CPU正在处理的业务，来处理收 到的广播包，以决定是否需要对包内的数据作进一步处理，这种中断降低了CPU处理正常业 务的效率，增长了完成这些业务的时间，这时广播不仅消耗了带宽，而且也降低了用户工作 站的处理效率。信息流很大的时候，就容易形成广播风暴，甚至造成网络的瘫痪。其次，按 照物理连接将身份、需求各不相同的用户机械地划分到相同的用户组（广播域）中，网管很 难限制对本地网络中一个或多个特别设备的接入，不仅带来安全隐患而且限制了网络的灵活 性。针对已有的局域网合理划分广播域则需要进行虚拟网络（VLAN）设置。
1 VLAN的概念

VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）技术的出现，主要是为解决以太网的广 播问题和加强安全性而提出的。这种技术可以把一个物理网络根据用途、工作组、应用等划 分成多个逻辑的LAN ——VLAN，每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间通信就和在一个LA N内一样，而VLAN间则不能直接互通，这样，广播报文被限制在一个 VLAN内。具体地说，VL AN技术允许网络管理者将一个物理的LAN逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟LAN，即VLAN ），它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不 同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。每一个VLAN都包含一组有着 相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LAN有着相同的属性。但由于它是逻辑的而不是 物理的划分，所以同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作 站不一定属于同一个物理LAN网段。一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN 中，即使是两台计算机有着同样的网段，但是它们却没有相同的VLAN号，它们各自的广播流 也不会相互转发。VLAN隔离了广播风暴，同时也隔离了各个不同的VLAN之间的通讯，所以不 同的VLAN之间的通讯是需要有路由来完成的。
2 VLAN的优点
2．1 限制广播域

广播域被限制在一个VLAN内，节省了带宽，提高了网络处理能力。
2．2 增强局域网的安全性

不同VLAN内的报文在传输时是相互隔离的，即一个VLAN内 的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信，如果不同VLAN要进行通信，则需要通过路由器或 三层交换机等三层网络设备。
2．3 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内，网络构建和维护更方便灵活。
3 VLAN实现原理

当VLAN交换机从工作站接收到数据后，会对数据的部分内容进行检查，并与一个VLAN配置数 据库（该数据库含有静态配置的或者动态学习而得到的MAC地址等信息）中的内容进行比较 后，确定〖CM(22〗数据去向，如果数据要发往一个VLAN设备（VLAN-aware），一个标记（Tag）或者V LAN标识就被加到这个数据上，根据VLAN标识和目的地址，VLAN交换机就可以将该数据转发 到同一VLAN上适当的目的地，如果数据发往非VLAN设备（VLAN-unaware），则VLAN交换机发 送不带VLAN标识的数据。
4 VLAN 的划分方式
4．1 根据端口来划分VLAN

以网络设备在交换机上的端口来划分VLAN成员，被设定的端口都在同一个广播域中。例 如，一个交换机的1，2，3，4，5端口被定义为 VLAN1，同一交换机的6，7，8端口组成VLAN 2。根据端口划分是目前定义 VLAN的最常用的方法，IEEE 802.1Q协议标准草案中对如何根 据交换机的端口来划分VLAN给出了明确的规定。这种划分方法的优点和缺点都很明显：优点 是定义VLAN成员时非常简单，只要将所有的端口都指定一下就可以了；缺点是不允许用户随 便移动，如果属于某个VLAN的用户离开了原来的端口，到了一个新的网络设备的某个端口， 那么网络管理者就必须重新定义VLAN。
4．2 根据MAC地址划分VLAN

以计算机工作站网卡的MAC地址来划分VLAN。这种划分方法的最大优点就是由于一个MAC地址 唯一对应一块计算机网卡，所以当某个计算机工作站物理位置改变时、即从一台交换机转移 到另一台交换机时，不需要重新配置VLAN；而缺点是所有的VLAN成员必须事先定义，在有数 以百计乃至千计用户的网络中，这并不是一件轻松的事。而且这种划分方法也导致了交换机 执行效率的降低，因为交换机的每一个端口都可能连接许多不同VLAN组的成员，这样就无法 限制广播报文了。另外，对于使用笔记本电脑的用户来说，他们的网卡可能经常更换，VLAN 就必须不停的配置。
4．3 根据网络层划分VLAN

这种划分VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型划分的，如IP地址。虽然这种 划分方法是根据网络地址，但它不是网络层的路由，它只是查看每个数据报文的网络层地址 ，并根据过滤数据库中事先定义好的信息决定其归属于哪个VLAN，然后再根据生成树算法进 行交换，并不牵涉任何路由操作。这种方法的优点是用户的物理位置改变了，并不需要重新 配置所属的VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要，同时这 种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量。这种方法的缺点是效 率低，因为检查每一个数据包的网络层地址是需要消耗处理时间的(相对于前面两种方法)， 一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网帧头，但要让芯片能检查IP帧头， 需要更高的技术，同时也更费时。
4．4 根据IP组播划分VLAN

IP 组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个组播就是一个VLAN，这种划分的方法将VLA N扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展， 当然这种方法不适合局域网，主要是效率不高。
4．5 基于规则的VLAN

也称为基于策略的VLAN。基于策略组成的VLAN能实现多种分配方法，包括VLAN交换机端口、 MAC地址、IP地址、网络层协议等。网络管理人员可根据自己的管理模式和本单位的需求来 决定选择哪种类型的VLAN。这是最灵活的VLAN划分方法，具有自动配置的能力，能够把相关 的用户连成一体，在逻辑划分上称为“关系网络”。网络管理员只需在网管软件中确定划分 VLAN的规则（或属性），那么当一个工作站加入网络中时，将会被感知，并被包含进正确的 VLAN中。同时，对站点的移动和改变也可自动识别和跟踪。采用这种方法，整个网络可以非 常方便地通过路由器扩展网络规模。有的产品还支持一个端口上的主机分别属于不同的VLAN ，这在交换机与共享式Hub共存的环境中显得尤为重要。自动配置VLAN时，交换机中软件自 动检查进入交换机端口的广播信息的 IP源地址，然后软件自动将这个端口分配给一个由IP 子网映射成的VLAN。
5 VLAN的规划原则

规划一个健康的VLAN要根据实际情况，首先确定使用VLAN的目的，需要在脑海中有最优化性 能的目标，如前文所述使用VLAN可以控制广播域的范围、增强网络安全、集中网络资源管理 ，当设计一个VLAN 的时候，这些原因都需要仔细地研究、各有侧重。其次保持最小的VLAN 数目，避免创建过多的不需要的VLAN，虽然交换机本身可以支持上千个VLAN，但每增加一个 VLAN就会给路由器和网络其他设备带来额外的开销。再者使用VLAN要尽量减少路由跳数，为 了把帧从一个VLAN传递到另一个，必须用一个3层设备进行路由。这个设备可以是一个传统 的路由器，或者是一个3层交换机。从发送者到接收者，路由器每增加一跳都会增加帧的延 迟时间，这有可能造成一个性能瓶颈。设计VLAN时应该是把某个设备所需要的资源尽可能放 到与该设备相同的VLAN中，使VLAN在保证物理层上的硬件集中的同时，也保证服务逻辑上更 靠近用户，使用户设备直接通过交换网络接入资源，而不需要通过路由器。VLAN实际配置过 程通常是在交换机中进行，具体的配置由于设备的不同会存在操作上的差异，可以详细参看 二层或三层交换机的配置说明，一般都会有相应的配置介绍。
6 结语

在计算机网络建设中，合理地进行VLAN划分，还需要认真研究实际情况，考虑网络设备性能 、网络规模、网络运行、管理、安全和升级等诸方面因素，形成一套合理、适当的地址分配 和VLAN 规划方案，这将会大大提高网络的整体性能，给网络管理带来许多方便。