网络二层技术——VLAN三种接口Access、Trunk、Hybrid（从原理到配置一篇带你搞懂）

前言

       随着网络中计算机的数量越来越多，传统的以太网络开始面临冲突严重、广播泛滥以及安全性无法保障等各种问题。
      VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是将一个物理的局域网在逻辑上划分成多个广播域的技术。通过在交换机上配置VLAN，可以实现在同一个VLAN内的用户可以进行二层互访，而不同VLAN间的用户被二层隔离。这样既能够隔离广播域，又能够提升网络的安全性。

传统以太网

早期的局域网LAN技术是基于总线型结构的，它存在以下主要问题

1. 若某时刻有多个节点同时试图发送消息，那么它们将产生冲突。
2. 从任意节点发出的消息都会被发送到其他节点，形成广播。
3. 所有主机共享一条传输通道，无法控制网络中的信息安全。这种网络构成了一个冲突域，网络中计算机数量越多，冲突越严重，网络效率越低。
   同时，该网络也是一个广播域，当网络中发送信息的计算机数量变多时，广播流量将会耗费大量带宽。
   因此，传统局域网不仅面临冲突域太大和广播域太大两大难题，而且无法保障传输信息的安全。
4. 为了扩展传统LAN，以接入更多计算机，同时避免冲突的恶化，出现了网桥和二层交换机，它们能有效隔离冲突域。
5. 为限制广播域的范围，减少广播流量，需要在没有二层互访需求的主机之间进行隔离。因此，人们设想在物理局域网上构建多个逻辑局域网，即VLAN。

 

VLAN 技术

VLAN能够隔离广播域。

       VLAN技术可以将一个物理局域网在逻辑上划分成多个广播域，也就是多个VLAN。VLAN技术部署在数据链路层，用于隔离二层流量。同一个VLAN内的主机共享同一个广播域，它们之间可以直接进行二层通信。而VLAN间的主机属于不同的广播域，不能直接实现二层互通。这样，广播报文就被限制在各个相应的VLAN内，同时也提高了网络安全性。

本例中，原本属于同一广播域的主机被划分到了两个VLAN中，即，VLAN1和VLAN2。VLAN内部的主机可以直接在二层互相通信，VLAN1和VLAN2之间的主机无法直接实现二层通信。

 

VLAN帧格式

通过Tag区分不同VLAN

       VLAN标签长4个字节，直接添加在以太网帧头中，IEEE802.1Q文档对VLAN标签作出了说明。

1. TPID：Tag Protocol Identifier，2字节，固定取值，0x8100，是IEEE定义的新类型，表明这是一个携带802.1Q标签的帧。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。
2. TCI：Tag Control Information，2字节。帧的控制信息，详细说明如下：
3. Priority：3比特，表示帧的优先级，取值范围为0～7，值越大优先级越高。当交换机阻塞时，优先发送优先级高的数据帧。
4. CFI：Canonical Format Indicator，1比特。CFI表示MAC地址是否是经典格式。CFI为0说明是经典格式，CFI为1表示为非经典格式。用于区分以太网帧、FDDI（Fiber Distributed Digital Interface）帧和令牌环网帧。在以太网中，CFI的值为0。
5. VLAN Identifier：VLAN ID，12比特，在X7系列交换机中，可配置的VLAN ID取值范围为0～4095，但是0和4095在协议中规定为保留的VLAN ID，不能给用户使用。

在现有的交换网络环境中，以太网的帧有两种格式：
       没有加上VLAN标记的标准以太网帧（untagged frame）；有VLAN标记的以太网帧（tagged frame）。

 

链路类型

用户主机和交换机之间的链路为接入链路，交换机与交换机之间的链路为干道链路

VLAN链路分为两种类型：Access链路和Trunk链路。

接入链路（Access Link）：连接用户主机和交换机的链路称为接入链路。如本例所示，图中主机和交换机之间的链路都是接入链路。
干道链路（Trunk Link）：连接交换机和交换机的链路称为干道链路。如本例所示，图中交换机之间的链路都是干道链路。干道链路上通过的帧一般为带Tag的VLAN帧。

 

PVID

PVID表示端口在缺省情况下所属的VLAN。
缺省情况下，X7系列交换机每个端口的PVID都是1。

PVID即Port VLAN ID，代表端口的缺省VLAN。
       交换机从对端设备收到的帧有可能是Untagged的数据帧，但所有以太网帧在交换机中都是以Tagged的形式来被处理和转发的，因此交换机必须给端口收到的Untagged数据帧添加上Tag。为了实现此目的，必须为交换机配置端口的缺省VLAN。当该端口收到Untagged数据帧时，交换机将给它加上该缺省VLAN的VLAN Tag。

 

端口类型

Access 端口

Access端口在收到数据后会添加VLAN Tag，VLAN ID和端口的PVID相同。
Access端口在转发数据前会移除VLAN Tag。

       Access端口是交换机上用来连接用户主机的端口，它只能连接接入链路，并且只能允许唯一的VLAN ID通过本端口。

Access端口收发数据帧的规则如下：

1. 如果该端口收到对端设备发送的帧是untagged（不带VLAN标签），交换机将强制加上该端口的PVID。
2. 如果该端口收到对端设备发送的帧是tagged（带VLAN标签），交换机会检查该标签内的VLAN ID。当VLAN ID与该端口的PVID相同时，接收该报文。当VLAN ID与该端口的PVID不同时，丢弃该报文。
3. Access端口发送数据帧时，总是先剥离帧的Tag，然后再发送。Access端口发往对端设备的以太网帧永远是不带标签的帧。

       在本示例中，交换机的G0/0/1，G0/0/2，G0/0/3端口分别连接三台主机，都配置为Access端口。主机A把数据帧（未加标签）发送到交换机的G0/0/1端口，再由交换机发往其他目的地。
       收到数据帧之后，交换机根据端口的PVID给数据帧打上VLAN标签10，然后决定从G0/0/3端口转发数据帧。G0/0/3端口的PVID也是10，与VLAN标签中的VLAN ID相同，交换机移除标签，把数据帧发送到主机C。
       连接主机B的端口的PVID是2，与VLAN10不属于同一个VLAN，因此此端口不会接收到VLAN10的数据帧。

 

Trunk 端口

当Trunk端口收到帧时，如果该帧不包含Tag，将添加上端口的PVID；如果该帧包含Tag，则不改变。
当Trunk端口发送帧时，该帧的VLAN ID在Trunk的允许发送列表中：
       1. 若与端口的PVID相同时，则剥离Tag发送；
       2. 若与端口的PVID不同时，则直接发送。

       Trunk端口是交换机上用来和其他交换机连接的端口，它只能连接干道链路。Trunk端口允许多个VLAN的帧（带Tag标记）通过。

Trunk端口收发数据帧的规则如下：

1. 当接收到对端设备发送的不带Tag的数据帧时，会添加该端口的PVID，如果PVID在允许通过的VLAN ID列表中，则接收该报文，否则丢弃该报文。当接收到对端设备发送的带Tag的数据帧时，检查VLAN ID是否在允许通过的VLAN ID列表中。如果VLAN ID在接口允许通过的VLAN ID列表中，则接收该报文。否则丢弃该报文。
2. 端口发送数据帧时，当VLAN ID与端口的PVID相同，且是该端口允许通过的VLAN ID时，去掉Tag，发送该报文。当VLAN ID与端口的PVID不同，且是该端口允许通过的VLAN ID时，保持原有Tag，发送该报文。
   

       在本示例中，SWA和SWB连接主机的端口为Access端口，PVID如图所示。SWA和SWB互连的端口为Trunk端口，PVID都为1，此Trunk链路允许所有VLAN的流量通过。当SWA转发VLAN1的数据帧时会剥离VLAN标签，然后发送到Trunk链路上。而在转发VLAN20的数据帧时，不剥离VLAN标签直接转发到Trunk链路上。

 

Hybrid 端口

Hybrid端口既可以连接主机，又可以连接交换机。
Hybrid端口可以以Tagged 或Untagged方式加入VLAN 。

       Access端口发往其他设备的报文，都是Untagged数据帧，而Trunk端口仅在一种特定情况下才能发出untagged数据帧(当VLAN ID与端口的PVID相同，且是该端口允许通过的VLAN ID时)，其它情况发出的都是Tagged数据帧。
       Hybrid端口是交换机上既可以连接用户主机，又可以连接其他交换机的端口。Hybrid端口既可以连接接入链路又可以连接干道链路。Hybrid端口允许多个VLAN的帧通过，并可以在出端口方向将某些VLAN帧的Tag剥掉。华为设备默认的端口类型是Hybrid。

       在本示例中，要求主机A和主机B都能访问服务器，但是它们之间不能互相访问。此时交换机连接主机和服务器的端口，以及交换机互连的端口都配置为Hybrid类型。交换机连接主机A的端口的PVID是2，连接主机B的端口的PVID是3，连接服务器的端口的PVID是100。

Hybrid端口收发数据帧的规则如下：

1. 当接收到对端设备发送的不带Tag的数据帧时，会添加该端口的PVID，如果PVID在允许通过的VLAN ID列表中，则接收该报文，否则丢弃该报文。
2. 当接收到对端设备发送的带Tag的数据帧时，检查VLAN ID是否在允许通过的VLAN ID列表中。如果VLAN ID在接口允许通过的VLAN ID列表中，则接收该报文，否则丢弃该报文。
3. Hybrid端口发送数据帧时，将检查该接口是否允许该VLAN数据帧通过。如果允许通过，则可以通过命令配置发送时是否携带Tag。
4. 配置port hybrid tagged vlan vlan-id命令后，接口发送该vlan-id的数据帧时，不剥离帧中的VLAN Tag，直接发送。该命令一般配置在连接交换机的端口上。
5. 配置port hybrid untagged vlan vlan-id命令后，接口在发送vlan-id的数据帧时，会将帧中的VLAN Tag剥离掉再发送出去。该命令一般配置在连接主机的端口上。

       本例介绍了主机A和主机B发送数据给服务器的情况。在SWA和SWB互连的端口上配置了port hybrid tagged vlan 2 3 100命令后，SWA和SWB之间的链路上传输的都是带Tag标签的数据帧。在SWB连接服务器的端口上配置了port hybrid untagged vlan 2 3，主机A和主机B发送的数据会被剥离VLAN标签后转发到服务器。

 

VLAN 划分方法

基于端口的VLAN划分方法在实际中最为常见。

VLAN的划分包括如下5种方法：
       基于端口划分：根据交换机的端口编号来划分VLAN。通过为交换机的每个端口配置不同的PVID，来将不同端口划分到VLAN中。初始情况下，X7系列交换机的端口处于VLAN1中。此方法配置简单，但是当主机移动位置时，需要重新配置VLAN。

       基于MAC地址划分：根据主机网卡的MAC地址划分VLAN。此划分方法需要网络管理员提前配置网络中的主机MAC地址和VLAN ID的映射关系。如果交换机收到不带标签的数据帧，会查找之前配置的MAC地址和VLAN映射表，根据数据帧中携带的MAC地址来添加相应的VLAN标签。在使用此方法配置VLAN时，即使主机移动位置也不需要重新配置VLAN。

       基于IP子网划分：交换机在收到不带标签的数据帧时，根据报文携带的IP地址给数据帧添加VLAN标签。

       基于协议划分：根据数据帧的协议类型（或协议族类型）、封装格式来分配VLAN ID。网络管理员需要首先配置协议类型和VLAN ID之间的映射关系。

       基于策略划分：使用几个条件的组合来分配VLAN标签。这些条件包括IP子网、端口和IP地址等。只有当所有条件都匹配时，交换机才为数据帧添加VLAN标签。另外，针对每一条策略都是需要手工配置的。

 

VLAN 配置方法

VLAN配置

[SWA]vlan 10
[SWA-vlan10]quit
[SWA]vlan batch 2 to 3
Info: This operation may take a few seconds. Please wait for a moment...done. 

在交换机上划分VLAN时，需要首先创建VLAN。在交换机上执行vlan 命令，创建VLAN。

      如本例所示，执行vlan 10命令后，就创建了VLAN 10，并进入了VLAN 10视图。VLAN ID的取值范围是1到4094。如需创建多个VLAN，可以在交换机上执行vlan batch { vlan-id1 [ to vlan-id2 ] }命令，以创建多个连续的VLAN。也可以执行vlan batch { vlan-id1 vlan-id2 }命令，创建多个不连续的VLAN，VLAN号之间需要有空格。

 

配置 Access 接口

[SWA]interface GigabitEthernet 0/0/5
[SWA-GigabitEthernet0/0/5]port link-type access
[SWA-GigabitEthernet0/0/5]interface GigabitEthernet 0/0/7
[SWA-GigabitEthernet0/0/7]port link-type access

#添加端口到VLAN
[SWA]vlan 2
[SWA-vlan2]port GigabitEthernet 0/0/7
[SWA-vlan2]quit
[SWA]interface GigabitEthernet0/0/5 
[SWA-GigabitEthernet0/0/5]port default vlan 3

 

配置 Trunk 接口

[SWA-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk
[SWA-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 2 3

 

配置 Hybrid 接口

[SWA-GigabitEthernet0/0/1]port link-type hybrid
[SWA-GigabitEthernet0/0/1]port hybrid tagged vlan 2 3 100
[SWA-GigabitEthernet0/0/2]port hybrid pvid vlan 2
[SWA-GigabitEthernet0/0/2]port hybrid untagged vlan 2 100
[SWA-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid pvid vlan 3
[SWA-GigabitEthernet0/0/3]port hybrid untagged vlan 3 100

[SWB-GigabitEthernet0/0/1]port link-type hybrid
[SWB-GigabitEthernet0/0/1]port hybrid tagged vlan 2 3 100
[SWB-GigabitEthernet0/0/2]port hybrid pvid vlan 100
[SWB-GigabitEthernet0/0/2]port hybrid untagged vlan 2 3 100

      在本示例中，要求主机A和主机B都能访问服务器，但是它们之间不能互相访问。
      此时通过命令port link-type hybrid配置交换机连接主机和服务器的端口，以及交换机互连的端口都为Hybrid类型。通过命令port hybrid pvid vlan 2配置交换机连接主机A的端口的PVID是2。类似地，连接主机B的端口的PVID是3，连接服务器的端口的PVID是100。
      通过在G0/0/1端口下使用命令port hybrid tagged vlan 2 3 100，配置VLAN2,VLAN3和VLAN100的数据帧在通过该端口时都携带标签。在G0/0/2端口下使用命令port hybrid untagged vlan 2 100，配置VLAN2和VLAN100的数据帧在通过该端口时都不携带标签。在G0/0/3端口下使用命令port hybrid untagged vlan 3 100，配置VLAN3和VLAN100的数据帧在通过该端口时都不携带标签。
      在SWB上继续进行配置，在G0/0/1端口下使用命令port link-type hybrid配置端口类型为Hybrid。
      在G0/0/1端口下使用命令port hybrid tagged vlan 2 3 100，配置VLAN2，VLAN3和VLAN100的数据帧在通过该端口时都携带标签。
      在G0/0/2端口下使用命令port hybrid untagged vlan 2 3 100，配置VLAN2，VLAN3和VLAN100的数据帧在通过该端口时都不携带标签。