交换（二）：VLAN

虚拟局域网（Virtual LAN，VLAN）：
由于交换机是工作在链路层的网络设备，连接在同一台交换机的终端处于同一个三层网中，同时也处于同一个广播域。当交换机接入较多的终端时，任意一台终端发送广播报文时（例如：ARP请求），报文都会传遍整个网络。对于规模较大的组网场景，广播报文的泛滥对于网络通信将会造成较大的影响。VLAN技术为这一问题提供了解决方案，VLAN将同一物理上的网络划分为多个逻辑上的虚拟子网，并规定当收到广播报文时，仅仅在其所在VLAN中进行广播从而防止广播报文泛滥。VLAN技术在链路层的层次中实现了广播域的隔离。

在基于以太网的通信中，必须在数据帧中指定目标MAC地址才能正常通信，因此计算机A必须先广播“ARP请求（ARP Request）信息”，来尝试获取计算机B的MAC地址。
交换机1收到广播帧（ARP请求）后，会将它转发给除接收端口外的其他所有端口，也就是洪范（Flooding）了。接着，交换机2收到广播帧后也会Flooding。交换机3、4、5也还会洪范（Flooding）。最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有客户机上。
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。

常见的广播通信：
1）ARP请求：建立IP地址和MAC地址的映射关系。
2）RIP：一种路由协议。
3）DHCP：用于自动设定IP地址的协议。
4）NetBEUI：Windows下使用的网络协议。
5）IPX：NovellNetware使用的网络协议。
6）Apple Talk：苹果公司的Macintosh计算机使用的网络协议。

VLAN转发流程：

VLAN间通信：
VLAN技术把用户划分成多个逻辑的网络（group），组内可以通信，组间不允许通信，二层转发的单播、组播、广播报文只能在组内转发。
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。

路由器和交换机的接线方式，大致有以下两种：
1）将路由器与交换机上的每个VLAN分别连接。
2）不论VLAN有多少个，路由器与交换机都只用一条网线连接。

子接口（Sub Interface）：
子接口是通过协议和技术将一个物理接口（Interface）虚拟出来的多个逻辑接口。在VLAN虚拟局域网中，通常是一个物理接口对应一个 VLAN。在多个 VLAN 的网络上，无法使用一个物理接口实现 VLAN 间通信。 子接口的产生正是为了打破物理接口的局限性，它允许单个物理接口通过划分多个子接口的方式，实现多个VLAN间的路由和通信。

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VLAN ID：

交换机VLAN端口类型：
1）Access：
用于连接主机，仅仅允许VLAN ID与端口的PVID相同的数据帧通过本端口。如果该端口收到的对端设备发送的帧是untagged，交换机将强制加上该端口的PVID。Access端口发往对端设备的以太网帧永远是untagged frame。很多型号的交换机默认端口类型是access，PVID默认是1，VLAN 1由系统创建，不能被删除。
2）Trunk：
用于连接交换机，在交换机之间传递tagged frame，可以自由设定允许通过的多个VLAN ID，这些ID可以与PVID相同，也可以不同。
Trunk端口发送Tagged frame向其它设备时，规则如下：
该Tagged frame中的VLAN ID取值未出现在VLAN permitted列表中，则丢弃该帧。如果在列表中，则：该Tagged frame中的VLAN ID取值与本端口的PVID相同，则移除标签后发往其它设备。由于每个端口的PVID取值是唯一的，因此仅仅在这一种情况下，Trunk端口发往其它设备的帧是untagged frame；该Tagged frame中的VLAN ID取值与本端口的PVID不同，则不做任何改变，发往对端设备。

本征VLAN：
本征VLAN即在Trunk链路上不带Tag标签的VLAN。

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三层交换机：
三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。
三层交换机与路由器的区别：
交换机使用被称为ASIC（ApplicationSpecified Integrated Circuit）的专用硬件芯片处理数据帧的交换操作，在很多机型上都能实现以缆线速度（Wired Speed）交换。而路由器，则基本上是基于软件处理的。即使以缆线速度接收到数据包，也无法在不限速的条件下转发出去，因此会成为速度瓶颈。就VLAN间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，这一部分尤其特别容易成为速度瓶颈。

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加速VLAN间通信的手段：
使用FTP（File Transfer Protocol）传输容量为数MB以上的较大的文件时，由于MTU的限制，IP协议会将数据分割成小块后传输、并在接收方重新组合。这些被分割的数据，“发送的目标”是完全相同的。发送目标相同，也就意味着同样的目标IP地址、目标端口号（注：特别强调一下，这里指的是TCP/UDP端口）。自然，源IP地址、源端口号也应该相同。这样一连串的数据流被称为“流”（Flow）。只要将流最初的数据正确地路由以后，后继的数据理应也会被同样地路由。
据此，后继的数据不再需要路由器进行路由处理；通过省略反复进行的路由操作，可以进一步提高VLAN间路由的速度。

同一个流的第二块以后的数据到达交换机后，直接通过查询先前保存在缓存中的信息查出“转发端口号”后就可以转发给目标所连端口了。这样一来，就不需要再一次次经由内部路由模块中继，而仅凭交换机内部的缓存信息就足以判断应该转发的端口。