在數據通信和寬帶接入設備里，只要涉及到二層技術的，就會遇到VLAN。而且，通常情況下，VLAN在這些設備中是基本功能。所以不管是剛邁進這個行業的新生，還是已經在這個行業打拼了很多年的前輩，都要熟悉這個技術。在論壇上經常看到討論各種各樣的關于VLAN的問題，在工作中也經常被問起關于VLAN的這樣或那樣的問題，所以，有了想寫一點東西的沖動。

1. 以太網交換原理

VLAN的概念是基于以太網交換的，所以，為了保持連貫性，還是先從交換原理講起。不過，這里沒有長篇累牘的舉例和配置，都是一些最基本的原理。

本節所說的以太網交換原理，是針對‘傳統’的以太網交換機來說的。所謂‘傳統’，是指不支持VLAN。

簡單的講，以太網交換原理可以概括為 ‘源地址學習，目的地址轉發’。考慮到IP層也涉及到地址問題，為了避免混淆，可以修改為 ‘源MAC學習，目的MAC轉發’。從語文的語法角度來講，可能還有些問題，就再修改一下 ‘根據源MAC進行學習，根據目的MAC進行轉發’。總之，根據個人習慣了。本人比較喜歡 ‘源MAC學習，目的MAC轉發’的口訣。

稍微解釋一下。

所謂的‘源MAC學習’，是指交換機根據收到的以太網幀的幀頭中的源MAC地址來建立自己的MAC地址表，‘學習’是業內的習慣說法，就如同在淘寶上買東西都叫‘寶貝’一樣。

所謂的‘目的MAC轉發’，是指交換機根據收到的以太網幀的幀頭中的目的MAC地址和本地的MAC地址表來決定如何轉發，確定的說，是如何交換。

這個過程大家應該是耳熟能詳了。但為了與后面的VLAN描述對比方便，這里還是簡單的舉個例子。 

簡單描述一下PC1 ping PC2的過程：(這里假設，PC1和PC2位于同一個IP網段，IP地址分別為IP_PC1和IP_PC2，MAC地址分別為MAC_PC1和MAC_PC2)

1). PC1首先發送ARP請求，請求PC2的MAC。目的MAC=FF:FF:FF:FF:FF:FF(廣播);源MAC=MAC_PC1。

SW1收到該廣播數據幀后，根據幀頭中的源MAC地址，首先學習到了PC1的MAC，建立MAC地址表如下：

MAC地址 端口

MAC_PC1 PORT 1

2). 由于ARP請求為廣播幀，所以，SW1向除了PORT1之外的所有UP的端口廣播。

注意，該幀沒有任何變化。換句話說，交換機沒有對幀做任何修改。這就是傳說中的透明傳輸。

3). PC2收到該ARP請求幀，本地建立ARP表項，同時單播回送ARP應答幀。目的MAC=MAC_PC1;源MAC=MAC_PC2。

SW1收到該單播幀手，根據幀頭中的源MAC地址，學習到了PC2的MAC，建立MAC地址表如下：

MAC地址 端口

MAC_PC1 PORT 1

MAC_PC2 PORT 2

4). SW1根據幀頭中的目的MAC地址(MAC_PC1)將數據幀從PORT 1轉發。

5). PC1收到ARP響應，ARP交互過程成功。接下來進行單播PING包交互。

SW1根據數據幀的目的MAC進行透明轉發單播幀，同時刷新本地MAC地址表的老化定時器。

2. 802.1Q VLAN的基本原理

嚴格來說，802.1Q VLAN不是一個協議，因為互連的設備之間沒有協議層面的報文交互。802.1Q VLAN只定義了數據幀的封裝格式，即，在以太網幀頭中插入了4個字節的VLAN字段。其主要內容為VLAN TAG，緊隨其后的數據類型和802.1p報文優先級的標識。

本人所理解的VLAN技術要點主要有兩點：1.支持VLAN的交換機的內部交換原理;2.設備之間(交換機之間，交換機與路由器之間，交換機與主機之間)交互時，VLAN TAG的添加和移除。下面就按照這個思路來描述。

1 ）支持VLAN的交換機的交換原理

引入VLAN概念后，數據幀只在相應的VLAN進行交換。用通俗一點的話來講，一個交換機被虛擬出了多個邏輯交換機，每一個VLAN內的端口都是一個邏輯上的交換機。用專業一點的話來講，一個交換機被劃分了多個不同的廣播域，每一個VLAN內的端口，在同一個廣播域內。

引入VLAN后的交換原理與傳統的交換原理相比，并沒有本質上的改變，同樣遵循‘源MAC學習，目的MAC轉發’的基本原則。***不同的是，學習和轉發都只在同一個VLAN中進行，數據幀不能跨VLAN交換或轉發。

● 數據幀該在哪個VLAN中進行交換?

前面提到，支持VLAN的交換機將數據幀限制在同一個VLAN中進行交換，那么數據幀到底該在哪個VLAN中交換呢?

如果收到的數據幀攜帶了VLAN信息 (通常稱為’TAGED數據幀‘，前面已經介紹了帶VLAN TAG的以太幀格式)，該VLAN信息中的VLAN TAG就是交換該幀的VLAN。

如果收到的數據幀沒有攜帶VLAN信息(通常稱為‘ UNTAGED數據幀‘)，收到該幀的端口的PVID就是交換該幀的VLAN。

該規則在2.2.3節中有詳細的描述。

根據上面的原則，也定義了PVID的概念。當端口收到一個UNTAGED數據幀時，無法確定在哪個VLAN中進行交換，PVID定義了在這種情形下交換該幀的VLAN。從某種意義上講，可以把PVID理解為端口的default VLAN。在支持VLAN的交換機中，每個端口都有一個PVID值，該值有一個缺省值，當然你也可以更改它。

● MAC地址學習和MAC地址表

引入VLAN概念后，MAC地址的學習也在相應的VLAN中進行。從某種意義上理解，一臺交換機有多張MAC地址表，每個VLAN一張表，在交換數據幀進行查表時，只需要在相應的VLAN中進行查找。

很顯然，MAC地址表項中，增加了VLAN TAG屬性。

VLAN MAC地址 端口

VLAN1 MAC_PC1 PORT 1

VLAN1 MAC_PC2 PORT 2

VLAN2 MAC_PC1 PORT 1

VLAN2 MAC_PC2 PORT 2

2）VLAN TAG的添加和移除規則

為了保證設備之間的互聯互通，需要理解VLAN TAG的添加和移除規則。也就是說，交換機在轉發數據幀時，什么時候應該打TAG，什么時候應該不打TAG，什么時候又會丟棄數據幀。

為什么要有這么‘復雜’(其實也沒那么復雜)的規則呢?為什么不把所有的數據幀都打上TAG呢，這樣不是簡單多了?其實，這樣做也是為了適應不同設備的工作原理，有些設備是不支持VLAN TAG的。#p#

● 典型設備

先介紹一下幾種典型的設備：

PC：大部分的PC(專用的，或用于測試的除外)是工作在應用層的，缺省情況下是不支持(其實也不需要)VLAN TAG的。也就是說，PC發出的都是UNTAGED數據幀。

Router：路由器是支持VLAN TAG的。也就是說，路由器可以發出TAGED數據幀，也可以發出UNTAGED數據幀。需要說明的是，路由器是處理數據包的三層信息的，對于二層信息(包括VLAN信息)，路由器只是檢查其有效性，之后將其剝離。這個過程就是我們常說的‘終結’，也就是說，路由器會終結掉報文的VLAN信息的。

Switch：這里的switch是指以太網交換機。VLAN技術就是主要針對于交換機提出的，所以，在討論VLAN概念時都是立足于交換機來討論。很顯然，交換機既支持收發TAGED數據幀，也支持收發UNTAGED數據幀。從嚴格意義上講，引入VLAN后，交換機的行為不再是‘透明傳輸’，因為數據幀經過交換機后可能發生了變化。

了解了幾種典型設備的工作原理后，就應該覺得交換機上TAG的添加和移除原則的必要性了。

● VLAN中的端口屬性

一個VLAN可以包含多個端口，而一個端口也可以屬于多個VLAN。一個端口在一個VLAN中有不同的屬性，TAG的添加和移除原則就是根據這個屬性而定的。

TAGED：如果一個端口在一個VLAN中的屬性是TAG的，那么，從該端口轉發出去的數據幀就是TAGED。(當然，該數據幀是在該VLAN中交換的)

UNTAGED：如果一個端口在一個VLAN中的屬性是UNTAG的，那么，從該端口轉發出去的數據幀就是UNTAGED。(當然，該數據幀是在該VLAN中交換的)

● 交換機收發數據幀的處理總結

我們分幾種情況討論交換機的接收和發送處理：接收端口和發送端口在VLAN中屬性;收到的數據幀是TAG的還是UNTAG的。

1). 端口接收到數據幀

a). 如果是TAG的數據幀，檢查該接收端口是否在該VLAN(數據幀中所攜帶的VLAN TAG)中

- 接收端口在該VLAN中，則在該VLAN中根據交換原理(即，'源MAC學習，目的MAC轉發'的原理)交換該數據包

- 接收端口不在該VLAN中，丟棄該數據幀

b). 如果是UNTAG的數據幀，檢查該接收端口是否在某個VLAN中的屬性是UNTAG

- 接收端口在某個VLAN中的屬性是UNTAG的，則在該VLAN中根據交換原理交換該數據包

- 接收端口在任何VLAN中的屬性都不是UNTAG的，丟棄該數據包

注：根據這個原理可知，一個端口最多在一個VLAN中的屬性是UNTAG的，否則，收到一個UNTAG的數據幀之后，就無法確定在哪個VLAN中進行交換。其實，端口UNTAG所在的VLAN，就是2.1.1節中所提到的PVID的概念。

2). 端口發送數據幀

a).檢查該端口在該VLAN(就是交換該數據幀的VLAN)中的屬性

- 該端口在該VLAN種的屬性是TAG的，發送的數據幀為TAG的數據幀

- 該端口在該VLAN種的屬性是UNTAG的，發送的數據幀為UNTAG的數據幀

注：由于數據已經被交換到該端口，說明該端口肯定在該VLAN里。

● 典型配置

簡單介紹一下，交換機連接不同典型設備時的常用配置。

1). 連接PC

上面介紹了在通常情況下，PC只支持收發UNTAG的數據幀，所以，連接PC的端口只需要加入一個VLAN，而且，在該VLAN中的屬性為UNTAG。

2). 連接Router

路由器既支持收發TAG數據幀，也支持收發UNTAG數據幀。通常情況下，不同的VLAN數據幀都能通過該端口與路由器互通。所以連接路由器的端口可以屬于多個VLAN，而且，只能在一個VLAN中的屬性是UNTAG的，在其他的VLAN中都是TAG的。

3). 連接Switch

也就是交換機的級聯。通常情況下是不同性能的交換機進行級聯。這種情況和連接路由器的情況基本相同。

● 思科交換機的端口類型

TAG和UNTAG應該是一般性的說法，但討論路由交換技術時，不能忽略思科技術，因為它畢竟是這個行業的引導者(你也可以說它是先入為主)。

通常情況下，理解VLAN的概念都是以VLAN為立足點，然后將端口加入該VLAN，并賦予端口某種屬性。這種思路似乎不適用于思科的交換技術。

在思科的交換機上，都是以端口為立足點的，然后配置該端口的類型和所屬的VLAN。

這里介紹思科的兩種端口類型，Access和Trunk。理解了這兩種類型，也就理解了思科交換的VLAN基本原理。

a). Access端口

思科的Access端口是為了連接PC(終端設備)而設計的。由于大部分終端設備都不支持(其實也不需要)VLAN TAG的，所以連接終端設備的端口只需要在一個VLAN中，而且是UNTAG的。Access端口就是這樣的。

如果將端口配置為Access模式，該端口就只能在一個VLAN中(也就是Access VLAN)，而且該端口在該VLAN中的屬性是UNTAG的。從某種意義上說，該VLAN也就是該端口的PVID。

b). Trunk端口

思科的Trunk端口是為了連接上行設備(路由器，交換機等支持多VLAN的設備)。通常情況下，上行端口需要匯聚多個VLAN的流量，所以該端口應該屬于多個VLAN。

如果將端口配置為Trunk模式，該端口可以屬于多個VLAN，在思科技術中，習慣稱該端口可以允許多個VLAN通過。該端口在一個VLAN中是UNTAG的，也就是該端口的PVID，在思科技術中，稱為Native VLAN。該端口在其他的VLAN中都是TAG的。

可以說，思科在VLAN的一般性原理上多增加了一層開發。如果理解了其本質原理，可以看出是和2.2.3節完全吻合的。

3)交換機對VLAN的支持的發展歷程

從技術發展為產品總是需要一個過程，在接觸過早期交換機的童鞋們應該會知道，當時的交換機對VLAN的支持有兩種模式，SVL和IVL。

SVL: Shared VLAN Learning 共享式VLAN學習

IVL: Independent VLAN Learning 獨立VLAN學習

從通俗而簡單的角度來說，IVL就是每個VLAN有一個MAC-端口映射表，同一個MAC可以出現在多個表里面(也就是不同的VLAN里面);而SVL是在交換機內建一張大表，映射關系是MAC-VLAN-端口，而且，一個MAC在表中只出現一次，只屬于一個VLAN。

顯然，SVL應該更容易實現一點，看起來是一種打補丁的實現方式，貌似不是真正的VLAN。早期的VLAN交換機中，有很多是SVL模式的。

我們前面2.1和2.2節所介紹的原理，都是針對IVL來講的。

從網絡上看到一位仁兄從專業的角度上總結了SVL和IVL的工作原理，非常準確而精辟，故我就不再加以潤色，直接引用了。

IVL，網上大部分資料都說為每個VLAN建一個表，看起來好像有很多表，其實這里所說的表是指邏輯上的表，實際上在交換機中還是只有一個表，如果將VID相同的記錄都提取出來組成一個表，那么就一個物理上的表在邏輯上就可以認為是多個表了。

● IVL (Independent VLAN Learning)

在MAC表中以MAC+VID為主鍵進行儲存。這樣，同一個MAC就可能由于VID的不同而在MAC表中存在多條記錄。

1).根據MAC+VID在MAC表中尋找，找不到轉3)

2).向找到的port轉發packet，end.

3).向packet攜帶的vid對應的整個VLAN的port轉發，end.

●  SVL(Shared VLAN Learning)

在MAC表中以MAC為主鍵進行儲存，也就是說同一個MAC在SVL方式下只能存在一個記錄在MAC表中。

1).在MAC中先根據MAC尋找相應的記錄，找不到轉4)

2).記錄中的VID與packet中攜帶的VID一樣，得到相應的port;不一樣轉5)

3).將packet轉發到相應的port，end.

4).向packet攜帶的vid對應的整個VLAN的port轉發，end.

5).drop，end.

這個過程還是需要一點基礎的，如果看的有點虛無縹緲，大可以略過該節，因為當今市場上，很少看到SVL的交換機了。