交換機VLAN基礎與劃分及配置實例
交換機VLAN基礎與劃分及配置實例
2019/07/1公佈
一.VLAN基礎
VLAN中文名稱為”虛擬區域網”，VLAN是一種將區域網設備從邏輯上劃分成一個個不同的網段，從而實現虛擬工作組的新興數據交換技術。這種新興技術主要應用於交換機與路由器中，但主流應用還是在交換機中。
IEEE於1999年頒布了用以標準化VLAN實現方案的802.1Q協議標準草案。VLAN技術的出現，使得管理員根據實際應用需求，把同一物理區域網內的不同用戶邏輯地劃分成不同的廣播域，每個VLAN都包含一組有著相同需求的計算機工作站，與物理上形成的LAN有著相同的屬性。由於是從邏輯上劃分，而不是從物理上劃分，所以同一個VLAN內的各個工作站沒有限制在同一個物理範圍內，即這些工作站可以在不同物理LAN網段。
由VLAN的特點可知，一個VLAN內部的廣播和單播流量都不會轉發到其他VLAN中，從而有助於控制量、減少設備投資、簡化網路管理、提高網路的安全性。交換技術的發展，也加快了新的交換技術(VLAN)的應用速度。通過將企業網路劃分為虛擬網路VLAN的網段，可以強化網路管理和網路安全，控制不必要的數據廣播。
在同一個VLAN中的工作站，不論實際與哪個交換機連接，它們之間的通訊就像在獨立的交換機上一樣。同一個VLAN中的廣播只有VLAN中的成員才能聽到，不會傳輸到其他的VLANl中去，這樣可以很好的控制不必要的廣播風暴產生。同時，若沒有路由的話，不同的VLAN之間不能相互通訊，這樣增加了企業網路中不同部門之間的安全性。VLAN除了能將網路劃分為多個廣播域，從而有效地控制廣播風暴的發生，以及使網路的拓樸結構變得非常靈活的優點外，還可以用於控制網路中的不同部門，不同站點之間的互相訪問。
VLAN是為解決乙太網路的安全性和廣播問題進而提出的一種協議，在乙太網幀的基礎上增加了VLAN頭，用VLAN ID把用戶劃分為更小的工作組，限制不同工作組間的用戶互相訪問，每個工作組就是一個虛擬區域網。虛擬區域網的好處是可以限制廣播範圍，並能夠形成虛擬工作組，動態管理網路。
二.VLAN的劃分方法
VLAN在交換機的實現方法，可以大致劃分成6類
端口劃分是最常應用的一種VLAN劃分方法，應用也最為廣泛、最有效，目前絕大多數VLAN協議的交換機都提供這種VLAN配置方法。這種劃分VLAN的方法是根據乙太網路交換機的交換端口來劃分，將VLAN交換機上的物理端口和VLAN交換機內部的PVC(永久虛電路)端口分成若干個組，每個組成一個虛擬網路，相當於一個獨立的VLAN交換機。 此種劃分LVAN的方法是根據每個主機的MAC位址來劃分，即對每個MAC位址的主機都配置所屬的組別，此法實現的機制就是每塊網卡都對應唯一的MAC位址，VLAN交換機跟蹤屬於VLAN MAC的位址。這種方法的VLAN允許網路用戶從一個物理位置移動到另一個物理位置時，自動保留其所屬VLAN的成員身份。 VLAN按網路層協議來劃分，可分為IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN網路。這種按網路層協議來組成的VLAN，可使廣播域跨越多個VLAN交換機。這對於希望針對具體應用和服務來組織用戶的網路管理員來說非常具有吸引力。且用戶可以在網路內部自由移動，但其VLAN成員身份仍然保留不變。 IP組播實際也是一種VLAN的定義，即認為一個IP組播組就是一個VLAN。這種劃分的方法將VLAN擴大到廣域網，因此此方法具有更大的靈活性，而且也很容 基於策略組成的VLAN能實現多種分配方法，包括VLAN交換機端口、MAC位址、IP位址、網路層協議等。網路管理人員可根據自己的管理模式和本單位的需求來決定選擇哪種類型的VLAN。 基於用戶定義、非用戶授權來劃分VLAN，是指為了適應特別的VLAN網路，根據具體的網路用戶的特別要求來定義和設計VLAN，並且可讓非VLAN群體用戶訪問VLAN，但是需要提供用戶密碼，在得VLAN管理的認證後才可加入一個VLAN。
對於不同部門需要互相訪問時，可通過路由器轉發，並配合基於MAC位址的端口過濾。對某站點的訪問路徑上最靠近該站點的交換機、路由交換機或路由器的相應端口上，設定通過的MAC位址集。這樣便可防止非法入侵者從內部盜用IP位址從其他可接入點入侵的可能。
從這種劃分方法本身可以看出，這種劃分的方法優點是定義VN成員時非常簡單，只需將所有的端口都定義為相應的VLAN組即可。適用於任何大小的網路。缺點是如果某用戶離開了原來的端口，到了新的交換機的某個端口，則必須重新定義。
由這種劃分的機制可看出，這種VLAN的劃分方法最大的優點就是當用戶物理位置移動時，即從一個交換機換到其他的交換機時，VLAN不需重新配置，因為它是基於用戶，而不是基於交換機的端口。缺點是初始化時，所有的用戶都必須進行配置，假如有幾百個或幾千個用戶，在配置上非常累，所以這種劃分方法通常適用於小型區域網。且這種劃分的方法也導致了交換機執行效率的降低，因為在每個交換機的端口都可能存在很多個VLAN組的成員，保存了許多用戶的MAC地址，查詢起來相當不容易。另外，對於使用筆記型電腦的用戶來說，網卡可能經常更換，這樣VLAN就必須經常配置。
這種方法的優點是用戶的物理位置改變，不需重新配置所屬的VLAN，且可根據協議類型來劃分VLAN，這對網路管理者來說很重要，另外這種方法不需要附加的幀標籤來識別VLAN，這樣可以減少網路的通信量。缺點是效率低，因為檢查每個數據包的網路層位址是需要消耗處理時間的(相對於前面兩種方法)，一般的交換機芯片都可以自動檢查網路上數據包的乙太網幀頭，但要讓芯片能檢查IP幀頭，需要更高的技術，同時也更費時。當然，這與各家廠商的實現方法有關。
三.VLAN的優越性
任何新技術要得到廣泛支持和應用，肯定存在一些關鍵優勢，VLAN技術也是如此，它的優勢主要體現以下幾個方面
借助VLAN技術，能將不同地點、不同網路、不同用戶組合在一起，形成一個虛擬的網路環境，就像使用本地LAN一樣方便、靈活、有效。VLAN可降低移動或變更工作站地理位置的管理費用，特別是一些業務情況有經常性變動的公司使用VLAN後，這部份管理費用大大降低。 VLAN可以提供建立防牆的機制，防此交換網路的過量廣播。使用VLAN，可以將某個交換端口或用戶賦予某個特定的VLAN組，該VLAN組可以在一個交換網中或跨接多個交換機，在一個VLAN中的廣播不會送到VLAN之外。 因為一個VLAN就是一個獨立的廣播域，VLAN之間相互隔離，這大大提高了網路的利用率，確保了網路的安全保密性。人們在LAN上經常傳送一些保密的、關鍵的數據。保密的數據應提供訪問控制等安全手段。一個有效和容易實現的方法是將網路分段成幾個不同的廣播組，網路管理員限制了VLAN中用戶的數量，禁止未經允許而訪問VLAN中的應用。交換端口可以基於應用類型和訪問特權來進行分組，被限制的應用程序和資源一般置於安全性VLAL中。
四.配置實例分析
某公司有100台電腦，主要使用的網路的部門有:生產部(20)、財務部(15)、人事部(8)和信息中心(12)四大部份。
網路基本結構為：整個網路中幹部分採用3台Catalyst 1900網管型交換機(分別命名為:Switch1、Switch2及Switch3，各交換機根據需要接下幾個集線器，主要用於非VLAN用戶，如行政文書、臨時用戶等)、一台Cisco 2514路由器，整個網路都通過路由器Cisco 2514與外部互聯網進行聯接。
所連的用戶主要分布於四個部份：生產部、財務部、信息中心和人事部。主要對這四個部份用戶單獨劃分VLAN，以確保相應部門網路資源不被盜用或破壞。現在為了公司相應部份網路資源的安全性需要，特別是對於像財務部、人事部這類敏感的部門，其網路上的信息不想讓太多人可以隨便進出，於是公司採用了VLAN的方法來解決以上問題。
通過VLAN的劃分，可以把公司主要網路劃分為:生產部、財務部、人事部和信息中心四個主要部份，對應的VLAN組為Prod、Fina、Info、Huma，各VANL組所對應的網段如下表所示。
之所以把交換機的編號從”2”號開始，是因為交換機有一個默認的VLAN，即為”1”號VLAN，”1”號包含所有連在該交換機上的用戶。
