VLAN&Trunk

一、概述

1、交换机基本通信原理

回顾交换机基本通信原理前，首先需要了解帧的类型。帧是数据链路层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。帧的种类是对于交换机而言的，交换机根据其dst MAC来区分。一般分为Known-unicast Frame（已知单播帧）、Unknown-unicast Frame（未知单播帧）、Multicast Frame（组播帧）、Broadcast Frame（广播帧）：

  • Known-unicast Frame：帧的dst MAC可以在CAM表中查询到。

  • Unknown-unicast Frame：帧的dst MAC无法在CAM表中查询到。

  • Multicast Frame：帧的dst MAC是组播MAC。

  • Broadcast Frame：帧的dst MAC是FF.FF.FF.FF.FF.FF。

泛洪（Flood）是指将数据帧发送到除该帧接收接口之外的所有接口。BUM三种帧会触发交换机泛洪行为。通常一台初始交换机所有接口处于同一个广播域，如果划分了VLAN，则变相的将大的广播域拆分成多个广播域，泛洪行为也会仅限制在对应的广播域内。

图1-1

如图1-1，此时A需要访问C，A知道C的IP地址（通过查询DNS得知），但是A不知道C的MAC，A启用ARP进程，A发送了一个广播包（想查询C的MAC）。广播包首先到达交换机，交换机拿到数据帧后发现是广播帧，先记录了src MAC、G0/0/1、VLAN 1到自己的CAM表中然后泛洪。

查找CAM表：根据以太网帧中的dst MAC，比对CAM表中的MAC

  • 未匹配中：

    • dst MAC是广播帧：学习src MAC，然后泛洪；

    • dst MAC是未知单播帧：学习src MAC，然后泛洪；

  • 匹配中：学习src MAC，则查询对应的接口，并转发；

泛洪的广播包到达B和C，B和C均对其解封装，此时B发现IP首部的目的IP不是自己，于是不予理会。C发现IP首部的目的IP是自己，开始回单播包。回包内容：

交换机拿到单播数据帧后，发现CAM表中匹配中了，于是先记录src MAC、G0/0/3、VLAN 1到自己的CAM表中，然后转发到G0/0/1口出去。A拿到数据包后解封装即可获得C的MAC地址，随后开始正式通信。

2、VLAN&Trunk技术背景

随着公司交换机接入的设备越来越多，公司对安全性也提出了新的要求，多个部门在同一台交换机上交换数据，这必然会带来安全隐患（被窃听），也没有更多的预算去为每个部门单独配备一台交换机，为了满足该需求，VLAN技术诞生。VLAN技术通过将交换机上的端口绑定进端口组中实现端口隔离。相同端口组中的接入设备能够通信，不同端口组中的接入设备不能够通信。VLAN技术带来的不仅仅是隔离能力，还能够控制广播流量。

后来公司因为业务扩张购入了第二台交换机，为业务部门VLAN扩容了10台PC，但是这10台PC是在SW2上面划分的端口组，这就是端到端VLAN。那么业务VLAN分布在两台交换机上如何通信？可以在两台交换机之间连线，而链路的两端都属于业务VLAN就能够通信了，但是会造成一个问题，端到端VLAN的VLAN数目越多，所需要的连接两台交换机的端口就越多，这会导致扩展性差、端口利用率低的缺点。为了满足高扩展性和提升端口利用率，Trunk技术诞生。Trunk使得某个端口可以传递多个VLAN的流量，这样端到端VLAN的部署将会非常灵活，多台交换机之间仅需要一条链路即可传递多个VLAN的流量，提高了端口利用率。

VLAN是一个单独的广播域，交换机的access模式的接口只能承载单个VLAN的流量，trunk模式的接口可以承载多个VLAN的流量。

二、VLAN

1、VLAN概述

广播域是一个区域，区域中的所有设备都能接收到域内任何一台设备发出的广播帧（注意如果是泛洪行为，那么广播域内的任何一台设备都会收到BUM）。广播帧的边界通常是路由器，这是因为路由器不转发广播数据帧。VLAN是广播域的一个实例，一个广播域通常是一个只包含单个IP子网的2层网络。

VLAN（Virtual LAN，虚拟局域网）是将交换机的多个物理端口划分成不同的逻辑端口组。交换机可以确保来自组内某个端口的流量不会发送到其他端口组中（否则属于路由功能）。VLAN可以看作是独立的LAN网段。每个VLAN也是一个独立的广播域，广播帧将发送给相同端口组内的其他所有端口，处于相同VLAN的所有端口同处在同一个广播域下。

图2-1

如图2-1，原本未划分VLAN的时候，四台主机属于同一个交换机的VLAN 1下（即同一个局域网）相互之间可以通信。划分VLAN后，橙色VLAN的主机内部可以通信，但是不能和绿色VLAN中的主机通信。

VLAN的优点就是增加分段性、灵活性、安全性。VLAN的特点就是默认情况下，所有接口处于同一个广播域，同一个广播域下的所有主机都能通过二层通信，广播不能跨VLAN传递，VLAN之间无法通信。

2、VLAN部署方式

部署方式一般有两种：本地VLAN部署、端到端VLAN部署。本地VLAN部署是指一台交换机使用一个VLAN；而端到端VLAN部署是指同一个VLAN分布在不同交换机上。对比来看端到端VLAN灵活性更高，也是最广泛应用的VLAN部署方式。

图2-2

本地VLAN通信时就是交换机基本通信原理，而端到端VLAN通信时则不太同于本地VLAN通信过程。逻辑端口组中的物理端口一般都是L2的access模式，而交换机互联端口一般都是L2的trunk模式。

3、Access模式标签行为

图2-3

接入PC/裸金属的端口一般划分为access模式，access处理帧的原则就是无论是收到帧还是发送帧，都不会执行任何tag和untag行为。

理解图2-3，以太帧A进入SW1，A将以纯净帧的方式进行泛洪，A到达连接SW2的交换机链路上，仍然是纯净以太帧，类似的，A会经过SW2的泛洪抵达192.168.176.2（也可以理解为SW2将SW1+176.1看作是一台PC，也就是一个局域网）。该配置只有在面临特殊割接场景（VLAN Translation）时使用的，正常配置不允许这样。

4、Vioce VLAN

Voice VLAN可以实现在数据网络中部署语音技术。用户可以将IP电话放置在不同的逻辑网络中，尽管数据和语音实际上使用的是同一个物理网络。语音VLAN的特性可以将电话放入到各自的VLAN中，而不需要终端用户在IP电话上进行任何配置。即使用户将电话移动到其他的位置，电话也会无缝地分配到之前的VLAN中。

配置Voice VLAN#
interface GigbitEthernet0/0/1
 switchport mode access
 switchport access vlan 10
 switchport voice vlan 10

5、VLAN配置

1）VLAN id范围

VLAN id是唯一标识VLAN的，802.1q支持VLAN id范围1-4094，802.1q默认允许所有标准和扩展VLAN通过trunk链路。部分VLAN id是用于系统使用，VLAN id根据用途分为：

  • 默认VLAN：1

  • 正常VLAN：2~1001、1002~1005

1002~1005用于令牌环网、FDDI的VLAN，用户无法删除

  • 扩展（仅用于ethernet VLAN）：1025~4094

  • 保留：0、4095、1006~1024

1006~1024仅限系统使用，用户无法查看和使用

2）手动配置-Static

思科VLAN配置

创建VLAN#
vlan 2-31,33,34-40
  exit    #退出VLAN配置模式才能成功创建VLAN
vlan 2
  name 192.168.2.0/24 #VLAN命名

物理接口划入VLAN#
int GigbitEthernet1/0
  switchport mode access   #接口为Access模式
  switchport access vlan 10  #接口划入VLAN 10（如果先前未创建VLAN10，该命令敲完后自动创建VLAN10）

相关查看命令#
show vlan
show vlan brief
show run interface GigbitEthernet1/0


华为VLAN配置

创建VLAN#
vlan batch 10 to 20 30 40 to 50
vlan 10
name 192.168.10.0/24

物理接口划入VLAN#
interface XGigbitEthernet1/1
port link-type access #接口为Access模式
port default vlan 10  #接口划入VLAN 10（如果先前未创建VLAN10，该命令敲完后报错）

相关查看命令#
display vlan brief
display current interface XGigbitEthernet1/1

3）自动配置-VTP

VTP通过Trunk链路自动将server模式的交换机VLAN信息推送到client模式的交换机上。VTP一般适用于新建网络时简化配置的场景，VTP一旦推送完成数据库后，就需要将所有设备的VTP模式改成Transparent。因为今后如果一旦有新的具有更高修订号的交换机加入后，无论是server还是client模式都会导致现网交换机的VTP配置被覆盖，这会导致重大的网络故障。

Warning: 强烈建议禁用VTP。

三、Trunk

1、Trunk概述

端到端VLAN部署时，需要使用多台交换机，而交换机之间仅使用一条链路来传递多个VLAN的数据。Trunk链路就是这样一条可以承载多个VLAN流量的点到点的物理链路。Trunk链路的使用可以将2层操作扩展到整个网络中，提高了端口利用率。

图3-1

准确认识access和trunk：access模式的端口只能承载任一某一个VLAN的流量，trunk模式的端口能够同时承载所有VLAN的流量。

2、Trunk协议

实现单个物理链路承载多个VLAN流量的trunk协议有ISL和802.1q/dot1q两种。因为ISL是思科私有的，在多厂商设备的应用场景下很少使用，所以公有标准802.1q是目前使用最广泛的trunk协议标准。

1）802.1q帧格式

为了支持承载多VLAN，trunk链路使用了802.1q帧格式。802.1q帧格式在原有的ethernet帧格式基础上增加了4bytes tag字段，该字段中包括了ethertype、PRI、VLAN id等更加细微的字段。

图3-2

  • ethertype（2bytes）：表示802.1q标签

  • PRI（3bits）：VLAN优先级；

  • VLAN id（12bits）：即VID，表示该802.1q帧所属的VLAN，支持最多4096个VID，最大支持可配置的VID为4094，VID=0表示优先级帧

图3-3

802.1q帧长度达到1522 bytes，交换机需要支持该帧。普通帧（即ethernet帧）存在于access链路上，进入access端口后不会打上tag，本地VLAN的数据帧交换无需tag字段，而端到端VLAN的数据帧交换则需要tag字段，但是端到端VLAN交换只有跨交换机时才需要，让对端交换机知道从trunk链路上传递过来的每个数据帧属于哪个VLAN，这就必须要查看tag字段中的值才行。所以如果有帧（本征VLAN的数据帧除外）需要发送到trunk链路上时才会打tag。到达对端交换机后，立刻剔除tag，根据帧的dst MAC查看CAM表，比对后发送到access端口。这点和华为的tag和untag处理不太一样，思科交换机的802.1q帧的生存周期在于是否需要进行端到端的VLAN传递，端到端的VLAN传递一旦结束，那么802.1q帧就会被转换成普通ethernet帧。而CAM表中表项的VLAN则是交换机根据端口组划分时就生成的，而不是帧转发的依据。

2）Native VLAN

native VLAN（本征VLAN）/PVID（缺省VLAN）是指在trunk链路上传递，但是不打tag的数据帧。也就是说trunk链路可以发送802.1q帧，也可以发送不带tag的帧（可以理解为纯净以太网帧）。设置native VLAN的目的就是兼容部分不支持VLAN的设备，比如一些早期的设备或者无线AP，或者无法打tag的协议（如stp）等等。

图3-4

配置802.1q标准的trunk时，必须在trunk链路两端定义一个native VLAN。正常情况下，除了native VLAN外的所有数据帧在trunk链路传输时都会插入一个包含VID的tag来标识所属VLAN。

Note:

  • 默认本征VLAN为VLAN 1。

  • native VLAN在trunk链路两端交换机上配置，且需要一致。

图3-5

如果存在trunk链路两端交换机native VLAN不同，那么就会造成VLAN流量互串、VLAN跳转攻击等问题，所以建议设置一个偏僻的VLAN为native vlan。所谓的VLAN跳转攻击就是trunk链路两端native VLAN没配置成一样的VID，导致的不同VLAN互通情况。

3）VLAN Pruning

802.1q可以控制端到端VLAN的通信，通常这种行为业内称之为VLAN裁剪/VLAN修剪。例如两台交换机之间的Trunk链路上仅允许VLAN 10~99通过，VLAN 100被拒绝，理论上在Trunk链路一端执行VLAN裁剪即可，但是考虑到Trunk链路的负载，建议在Trunk链路两端执行VLAN裁剪。

3、VLAN通信原理

图3-6

讨论以下两种场景的VLAN通信时，native VLAN设置为VLAN 1。

1）本地VLAN通信

A需要和B通信，去掉ARP通信过程，只关注帧的tag和untag。A发送ethernet帧到access链路上，到达SW1 G1后，交换机需要根据“交换机基本通信原理”执行：查看帧首部的dst MAC和CAM表中的表项进行比对，查找到后根据表项后的port = G2，将帧从G2口发送出去。

本地VLAN通信的过程中，没有涉及到任何的tag和untag。因为数据帧进行本地VLAN通信时的转发依据无需tag中的信息。

2）端到端VLAN通信

802.1q封装

A需要和C通信，去掉ARP通信过程，只关注帧的tag和untag。A发送ethernet帧到access链路上，到达SW1 G1后，交换机根据CAM表中的表项信息，查找到需要扔到trunk链路上执行端到端的VLAN通信，于是交给802.1q进行数据封装：802.1q封装ethernet帧为802.1q帧，判断是否为native vlan：

  • 是，判断是否允许通过trunk链路

    • 允许，则802.1q不打tag，直接扔到trunk链路上

    • 不允许，则丢弃

  • 不是，判断是否允许通过trunk链路

    • 允许，则802.1q打上对应VLAN的tag（根据src MAC判断在CAM表项中的VLAN号），重新计算FCS后扔到trunk链路上

    • 不允许，则丢弃

Note:

  • trunk端口运行的802.1q协议负责802.1q帧封装。

  • access端口收到802.1q帧，会将tag忽略并当作普通ethernet帧处理。

802.1q解封装

SW2 G1收到802.1q帧后，判断是否允许通过trunk链路：

  • 允许，判断是否有tag：

    • 有，则根据tag字段中的VLAN值，去掉tag后，根据“交换机基本通信原理”的步骤扔到对应的出接口上

    • 无，则直接扔到本机所配置的native VLAN上，根据“交换机基本通信原理”扔到对应的出接口上

  • 不允许，则丢弃数据帧

总结：access不会对tag做任何处理（包括tag和untag），当端到端VLAN通信时，才会涉及到对tag处理，本地VLAN通信仅会执行查表转发，而与tag无关！802.1q帧的封装工作由802.1q协议来完成。

4、Trunk配置

1）DTP

Catalyst交换机会在trunk端口上使用动态trunk协议（即DTP），用于和对端自动协商trunk状态。DTP会进行trunk链路的邻居端口协商，包括工作模式、trunk协议等。工作模式包括：

  • access：永久access模式，端口忽略DTP协商结果。

  • trunk：永久trunk模式，端口忽略DTP协商结果。

  • auto：默认ethernet为auto，被动接收，如果邻居端口工作模式是trunk/desirable，那么就协商成trunk链路。

  • nonegotiate：阻止端口发送DTP帧，适合本地/邻居端口手动配置为trunk模式。

  • desirable：主动尝试建立trunk链路，如果邻居端口工作模式是trunk/desirable/auto，那么就协商成trunk链路。

图3-7

2）Trunk配置

思科Trunk配置

IOS配置#
int GigbitEthernet1/0
 switchport trunk en dot1q   #封装协议为802.1q
 switchport mode trunk      #端口模式为trunk
 switchport nonegotiate      #关闭DTP，接口设置为nonegotiate（即非协商）后，不会发送DTP帧，如果配置为非协商后，就必须使用手动配置接口为trunk或者access
 switchport trunk native vlan x  #设置本征VLAN，trunk链路两端交换机接口都需要修改
 switchport trunk allowed vlan { add | except | all | remove } x #VLAN裁剪

NXOS配置#
int Ethernet1/0
 switchport mode trunk      #端口模式为trunk
 switchport nonegotiate      #关闭DTP
#NX-OS默认敲完端口模式为trunk后，封装协议采用Dot1q。#

相关查看命令#
show int trunk

华为Trunk配置

int GigbitEthernet1/0
 port link-type trunk   #端口模式为trunk
 port trunk pvid vlan 99 #设置本征VLAN
 port trunk allow-pass vlan 10 20 30 #VLAN裁剪

四、常规部署建议

层次化设计方案中，二层和三层边界应当是汇聚层交换机。汇聚层交换机对上连接核心层交换机，采用L3互联；汇聚层交换机对下连接接入层交换机，采用L2互联。L2技术则主要采用VLAN、Trunk、Spanning-tree（为了防止二层网络出现环路，引发广播风暴）。VLAN应当配置在接入和汇聚交换机上，VLAN的网关一般采用SVI（因所有的二层网络都位于汇聚交换机，其SVI也位于汇聚交换机，业内称此类网关部署方式为集中式网关部署），也位于汇聚交换机。部署VLAN和Trunk时应当注意设计原则：

  • 未使用的物理接口划入黑洞VLAN（黑洞VLAN不是默认的VLAN 1）。

  • VLAN隔离：将语音VLAN、数据VLAN、管理VLAN、native VLAN、黑洞VLAN保持隔离。

  • 管理VLAN：将交换机管理网段单独规划且采用单独VLAN。启用SSH协议，不要使用telnet协议。

  • Trunk链路：关闭DTP、手动配置为trunk模式、将无需透传的VLAN执行裁剪（有效限制生成树震荡带来的影响）。

五、VLAN划分&子网划分

VLAN划分基于数据链路层，而子网划分基于网络层。在实际运用时，需要将两种东西结合起来才可以组网。通常情况下，规划了VLAN就必须要为每个VLAN规划相应的子网。VLAN划分和子网划分通常有四种组合：

Case1：相同VLAN，相同子网：标准设计（同一广播域）；单播、广播能正常交互。

Case2：相同VLAN，不同子网：不推荐；

  • 广播通信正常：广播帧直接广播域泛洪，会干扰两个子网，广播帧无法隔离。

  • 单播通信正常（不同子网）：首先主机会判断不处于同一子网，直接请求网关的MAC，将数据帧发送至网关，网关进行IP寻址，扔给目标主机的网关，再由该网关扔给目标主机。

Case3：不同VLAN，相同子网：不推荐；采用特殊方法可以通信。

  • 广播通信无法进行；源主机和目标主机不在同一个广播域，广播帧无法送达目标主机。

  • 单播通信无法进行；首先判断为同一子网，直接请求目标主机的MAC，但是因为广播通信无法进行，因此单播通信也无法进行。

  • 特殊方式：VLAN Translation、Native VLAN。

Case4：不同VLAN，不同子网：标准设计（不同广播域）；

  • 广播通信正常；广播帧仅在各自的广播域内泛洪，无法跨子网（即跨广播域）。

  • 单播通信正常；首先主机判断为不同子网，直接请求网关的MAC，将后续数据提交至网关，如果网关有目标主机所在的目标网络，那么就可以执行IP路由。