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VLAN原理解释

2018-02-28  本文已影响135人  梅_梅

为什么需求 VLAN

为了获得计算机B的MAC地址而发出的。也就是说：只要计算机B能收到就万事大吉了。可是事实上，数据帧却传遍整个网络，导致所有的计算机都收到了它。如此一来，一方面广播信息消耗了网络整体的带宽，另一方面，收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU时间来对它进行处理。造成了网络带宽和CPU运算能力的大量无谓消耗。因此需要使用VLAN进行隔离。

网络拓扑.png

VLAN拓扑图

如下图所示，将部分主机划到同一VLAN下（图中线路颜色相同的），那么该VLAN下的主机可以相互通信，而不通VLAN下的主机不能直接通信，完成了网络的隔离。交换机之间的链接使用聚合链路（橙色连线）。

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VLAN划分

VLAN的汇聚方式——IEEE802.1Q与ISL

IEEE 802.1Q

IEEE 802.1Q，俗称“Dot One Q”，是经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议。
IEEE 802.1Q所附加的VLAN识别信息，位于数据帧中“发送源MAC地址”与“类别域”(Type Field)之间。具体内容为2字节的TPID(Tag Protocol IDentifier)和2字节的TCI(Tag Control Information)，共计4字节。
在数据帧中添加了4字节的内容，那么CRC值自然也会有所变化。这时数据帧上的CRC是插入TPID、TCI后，对包括它们在内的整个数据帧重新计算后所得的值。
TPID字段在以太网报文中所处位置与不带VLAN Tag的报文中协议类型字段所处位置相同。TPID的值固定为0x8100，它标示网络帧承载的802.1Q类型，交换机通过它来确定数据帧内附加了基于IEEE 802.1Q的VLAN信息。而实质上的VLAN ID，是TCI中的12位元。由于总共有12位，因此最多可供识别4096个VLAN。


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ISL(Inter Switch Link)

ISL，是Cisco产品支持的一种与IEEE 802.1Q类似的、用于在汇聚链路上附加VLAN信息的协议。
使用ISL后，每个数据帧头部都会被附加26字节的“ISL包头(ISL Header)”，并且在帧尾带上通过对包括ISL包头在内的整个数据帧进行计算后得到的4字节CRC值。换而言之，就是总共增加了30字节的信息。
在使用ISL的环境下，当数据帧离开汇聚链路时，只要简单地去除ISL包头和新CRC就可以了。由于原先的数据帧及其CRC都被完整保留，因此无需重新计算CRC。

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VLAN间路由

同一VLAN内的通信

红色VLAN(VLAN ID=1)的网络地址为192.168.1.0/24，蓝色VLAN(VLAN ID=2)的网络地址为192.168.2.0/24。各计算机的MAC地址分别为A/B/C/D，路由器汇聚链接端口的MAC地址为R。交换机通过对各端口所连计算机MAC地址的学习，生成如下的MAC地址列表。

首先考虑计算机A与同一VLAN内的计算机B之间通信时的情形。

计算机A发出ARP请求信息，请求解析B的MAC地址。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。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。


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不同VLAN内的通信

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(DefaultGateway，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。
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。
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。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。
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去除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。


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为什么需要Vxlan

普通的VLAN数量只有4096个，无法满足大规模云计算IDC的需求，而IDC为何需求那么多VLAN呢，因为目前大部分IDC内部结构主要分为两种L2，L3。L2结构里面，所有的服务器都在一个大的局域网里面，TOR透明L2，不同交换机上的服务器互通靠MAC地址，通信隔离和广播隔离靠的vlan，网关在内网核心上。而L3结构这是从TOR级别上就开始用协议进行互联，网关在TOR上，不同交换机之间的互通靠IP地址。
在云计算IDC里，要求服务器做到虚拟化，原来这个服务器挂在TOR A上，我可以随意把它迁移到TOR B上，而不需要改变IP地址，这个就是L2网路的特长，因为我这个虚拟服务器和外界（网关之外）通信还靠L3，但是我网关内部互访是走L2的，这个在L3里是无法做到的。因为L3里每个IP都是唯一的，地址也是固定位置的，除非你整网段物理搬迁。因此如何在L3网络里传输L2数据呢，这就是overlay技术。
因此VXLAN（Virtual eXtensible LAN可扩展虚拟局域网）诞生了，基于IP网络之上，采用的是MAC in UDP技术，本来OSI7层模型里就是一层叠一层的，这种和GRE/IPSEC等tunnel技术是不是很像，这种封装技术对中间网络没有特殊要求，只要你能识别IP报文即可进行传送。

VXLAN报文结构

当目的IP为接收端的VTEP的IP时，假如不知道这个IP地址，则需要执行ARP请求来获取，步骤如下：

  1. 目标IP被替换成与源虚拟机具有相同VNI的多播组IP地址；
  2. 所有VTEP端都接收该多播报文，VTEP查找所在主机上的全部虚拟机来匹配源虚拟机的Inner 目的MAC。
  3. 目标VTEP的虚拟机会回应该多播包，从而获得目标VTEP的IP地址。
  4. 发送端VTEP添加VNI-VTEP-虚拟机MAC的映射关系到自己的VXLAN表中，以避免再次组播学习。
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VXLAN网络结构

NVE(Network Virtrualization Edge网络虚拟边缘节点）是实现网络虚拟化的功能实体，VM里的报文经过NVE封装后，NVE之间就可以在基于L3的网络基础上建立起L2虚拟网络。网络设备实体以及服务器实体上的VSwitch都可以作为NVE。
VTEP为VXLAN隧道的端点，封装在NVE中，用于VXLAN报文的封装和解封装。VTEP与物理网络相连，分配的地址为物理网络IP地址。VXLAN报文中源IP地址为本节点的VTEP地址，VXLAN报文中目的IP地址为对端节点的VTEP地址，一对VTEP地址就对应着一个VXLAN隧道。
VNI（VXLAN Network Identifier）：VXLAN网络标识VNI类似VLAN ID，用于区分VXLAN段，不同VXLAN段的虚拟机不能直接二层相互通信。一个VNI表示一个租户，即使多个终端用户属于同一个VNI，也表示一个租户。VNI由24比特组成，支持多达16M（(224-1)/10242）的租户。
VAP（Virtual Access Point）：虚拟接入点VAP统一为二层子接口，用于接入数据报文。为二层子接口配置不同的流封装，可实现不同的数据报文接入不同的二层子接口。

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