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VLAN详解系列:(6)VLAN间路由详解

【汇总】通俗易懂学VLAN

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VLAN间路由1

VLAN间路由的必要性

根据目前为止学习的知识,我们已经知道两台计算机即使连接在同一台交换机上,只要所属的VLAN不同就无法直接通信。接下来我们将要学习的就是如何在不同的VLAN间进行路由,使分属不同VLAN的主机能够互相通信。

首先,先来复习一下为什么不同VLAN间不通过路由就无法通信。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。关于路由的具体内容,以后有机会再详细解说吧。

路由功能,一般主要由路由器提供。但在今天的局域网里,我们也经常利用带有路由功能的交换机——三层交换机(Layer 3 Switch)来实现。接下来就让我们分别看看使用路由器和三层交换机进行VLAN间路由时的情况。

使用路由器进行VLAN间路由

在使用路由器进行VLAN间路由时,与构建横跨多台交换机的VLAN时的情况类似,我们还是会遇到“该如何连接路由器与交换机”这个问题。路由器和交换机的接线方式,大致有以下两种:

l将路由器与交换机上的每个VLAN分别连接
l不论VLAN有多少个,路由器与交换机都只用一条网线连接

最容易想到的,当然还是“把路由器和交换机以VLAN为单位分别用网线连接”了。将交换机上用于和路由器互联的每个端口设为访问链接,然后分别用网线与路由器上的独立端口互联。如下图所示,交换机上有2个VLAN,那么就需要在交换机上预留2个端口用于与路由器互联;路由器上同样需要有2个端口;两者之间用2条网线分别连接。

vlan

如果采用这个办法,大家应该不难想象它的扩展性很成问题。每增加一个新的VLAN,都需要消耗路由器的端口和交换机上的访问链接,而且还需要重新布设一条网线。而路由器,通常不会带有太多LAN接口的。新建VLAN时,为了对应增加的VLAN所需的端口,就必须将路由器升级成带有多个LAN接口的高端产品,这部分成本、还有重新布线所带来的开销,都使得这种接线法成为一种不受欢迎的办法。

那么,第二种办法“不论VLAN数目多少,都只用一条网线连接路由器与交换机”呢?当使用一条网线连接路由器与交换机、进行VLAN间路由时,需要用到汇聚链接。

具体实现过程为:首先将用于连接路由器的交换机端口设为汇聚链接,而路由器上的端口也必须支持汇聚链路。双方用于汇聚链路的协议自然也必须相同。接着在路由器上定义对应各个VLAN的“子接口(Sub Interface)”。尽管实际与交换机连接的物理端口只有一个,但在理论上我们可以把它分割为多个虚拟端口。
VLAN将交换机从逻辑上分割成了多台,因而用于VLAN间路由的路由器,也必须拥有分别对应各个VLAN的虚拟接口。

vlan

采用这种方法的话,即使之后在交换机上新建VLAN,仍只需要一条网线连接交换机和路由器。用户只需要在路由器上新设一个对应新VLAN的子接口就可以了。与前面的方法相比,扩展性要强得多,也不用担心需要升级LAN接口数不足的路由器或是重新布线。

VLAN间路由2

同一VLAN内的通信

接下来,我们继续学习使用汇聚链路连接交换机与路由器时,VLAN间路由是如何进行的。如下图所示,为各台计算机以及路由器的子接口设定IP地址。

vlan

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。

vlan

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。

vlan

不同VLAN间通信时数据的流程

接下来是这一讲的核心内容,不同VLAN间的通信。让我们来考虑一下计算机A与计算机C之间通信时的情况。

vlan

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(Default Gateway,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除去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。

三层交换机(1)

使用路由器进行VLAN间路由时的问题
现在,我们知道只要能提供VLAN间路由,就能够使分属不同VLAN的计算机互相通信。但是,如果使用路由器进行VLAN间路由的话,随着VLAN之间流量的不断增加,很可能导致路由器成为整个网络的瓶颈。
交换机使用被称为ASIC(Application Specified 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。并且从硬件上看,由于需要分别设置路由器和交换机,在一些空间狭小的环境里可能连设置的场所都成问题。
三层交换机(Layer 3 Switch)
为了解决上述问题,三层交换机应运而生。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”。
关于三层交换机的内部结构,可以参照下面的简图。

vlan

在一台本体内,分别设置了交换机模块和路由器模块;而内置的路由模块与交换模块相同,使用ASIC硬件处理路由。因此,与传统的路由器相比,可以实现高速路由。并且,路由与交换模块是汇聚链接的,由于是内部连接,可以确保相当大的带宽。

三层交换机(2)

使用三层交换机进行VLAN间路由(VLAN内通信)
在三层交换机内部数据究竟是怎样传播的呢?基本上,它和使用汇聚链路连接路由器与交换机时的情形相同。
假设有如下图所示的4台计算机与三层交换机互联。当使用路由器连接时,一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口;而三层交换机则是在内部生成“VLAN接口(VLAN Interface)”。VLAN接口,是用于各VLAN收发数据的接口。(注:在Cisco的Catalyst系列交换机上,VLAN Interface被称为SVI——Switched Virtual Interface)
vlan

为了与使用路由器进行VLAN间路由对比,让我们同样来考虑一下计算机A与计算机B之间通信时的情况。首先是目标地址为B的数据帧被发到交换机;通过检索同一VLAN的MAC地址列表发现计算机B连在交换机的端口2上;因此将数据帧转发给端口2。

使用三层交换机进行VLAN间路由(VLAN间通信)

接下来设想一下计算机A与计算机C间通信时的情形。针对目标IP地址,计算机A可以判断出通信对象不属于同一个网络,因此向默认网关发送数据(Frame 1)。
交换机通过检索MAC地址列表后,经由内部汇聚链接,将数据帧转发给路由模块。在通过内部汇聚链路时,数据帧被附加了属于红色VLAN的VLAN识别信息(Frame 2)。
路由模块在收到数据帧时,先由数据帧附加的VLAN识别信息分辨出它属于红色VLAN,据此判断由红色VLAN接口负责接收并进行路由处理。因为目标网络192.168.2.0/24是直连路由器的网络、且对应蓝色VLAN;因此,接下来就会从蓝色VLAN接口经由内部汇聚链路转发回交换模块。在通过汇聚链路时,这次数据帧被附加上属于蓝色VLAN的识别信息(Frame 3)。
交换机收到这个帧后,检索蓝色VLAN的MAC地址列表,确认需要将它转发给端口3。由于端口3是通常的访问链接,因此转发前会先将VLAN识别信息除去(Frame 4)。最终,计算机C成功地收到交换机转发来的数据帧。

vlan

整体的流程,与使用外部路由器时的情况十分相似——都需要经过发送方→交换模块→路由模块→交换模块→接收方。

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