Linux實現(xiàn)的IEEE 802.1Q VLAN
VLAN是一種將局域網(wǎng)設(shè)備從邏輯上劃分成一個個網(wǎng)段，從而實現(xiàn)虛擬工作組的新興數(shù)據(jù)交換技術(shù)。IEEE802.1q協(xié)議也就是“VirtualBridgedLocalAreaNetworks”(虛擬橋接局域網(wǎng)，簡稱“虛擬局域網(wǎng)”)協(xié)議，主要規(guī)定了VLAN的實現(xiàn)方法。本博文將重新解讀該協(xié)議，并演示Vlan間通信的原理及配置。
VLAN的核心概念
說起IEEE 802.1q，都知道是VLAN，說起VLAN，基本上也沒有盲區(qū)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。然而說到配置，基本所有人都能順口溜一樣說出Cisco或者H3C設(shè)備的配置命令，對于Linux的VLAN配置卻存在大量的疑問。這些疑問之所以存在我覺得有兩點原因：
1.對VLAN的本質(zhì)還是沒有理解。
不管你的Cisco/H3C命令敲得再熟練，如果看不懂Linux的vconfig，那么也將無法掩飾你對概念理解的淺顯;
2.對Linux實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備風(fēng)格不熟悉
可能你已經(jīng)十分理解802.1q了，也許還看過了IEEE的文檔，然而卻對Linux的Bridge，tap，bond等虛擬設(shè)備不是很理解，那么也將無法順利配置VLAN。
對于VLAN概念的理解，有幾點要強調(diào)：
1.VLAN分離了廣播域;
2.單獨的一個VLAN模擬了一個常規(guī)的交換以太網(wǎng)，因此VLAN將一個物理交換機分割成了一個或多個邏輯交換機;
3.不同VLAN之間通信需要三層參與;
4.當(dāng)多臺交換機級聯(lián)時，VLAN通過VID來識別，該ID插入到標(biāo)準的以太幀中，被稱作tag;
5.大多數(shù)的tag都不是端到端的，一般在上行路上***個VLAN交換機打tag，下行鏈路的***一個VLAN交換機去除tag;
6.只有在一個數(shù)據(jù)幀不打tag就不能區(qū)分屬于哪個VLAN時才會打上tag，能去掉時盡早要去掉tag;
7.最終，IEEE 802.1q解決了VLAN的tag問題。除了IEEE 802.1q，其余的都是和實現(xiàn)相關(guān)的，雖然Cisco和H3C的實現(xiàn)很類似，Linux可以和它們有大不同。
關(guān)鍵看***3點，也就是3，4，5。這是VLAN最難理解的部分，不過一旦理解了，VLAN也就不剩下什么了。為了使得敘述上以及配置上更加的方便，Cisco以及其他的廠商定義了很多的細節(jié)，而這些細節(jié)在IEEE 802.1q標(biāo)準中并沒有被定義，這些細節(jié)包括但不局限于以下幾點：
1.每一個VLAN交換機端口需要綁定一個VLAN id;
2.每一個VLAN交換機端口處于下面三類中的一類：access，trunk，hybrid。
2.1.access端口：從此類端口收到的數(shù)據(jù)幀是不打tag的，從此類端口發(fā)出的數(shù)據(jù)幀是不打tag的;
2.2.trunck端口：從此類端口收到的數(shù)據(jù)幀打著tag，從此類端口發(fā)出的數(shù)據(jù)幀需要打tag(不考慮缺省VLAN的情況);
2.3.hybrid端口：略
我們實則沒有必要去深究Cisco/H3C的命令以及到底那三類端口類型有何區(qū)別，之所以有三類端口類型完全是為了將VLAN的概念(最終的IEEE 802.1q標(biāo)準)很方便的用起來。說白了，trunk端口的存在是因為不得已，因為有屬于多個VLAN的數(shù)據(jù)幀要通過單一的物理鏈路，不打tag是無法區(qū)分各自屬于哪個VLAN的，于是就有了IEEE 802.1q這個標(biāo)準，定義了一個tag插入到以太幀中，為了使這個理論性的東西被使用起來，廠商便定義了一系列的概念性的東西，比如和tag相關(guān)的鏈路就是trunk鏈路之類。
于是乎，我們可以完全拋開任何的配置命令，拋開任何廠商定義的東西，完全按照IEEE 802.1q標(biāo)準以及我們的需求來理解VLAN，這樣下來之后，你絕對可以在Linux上***實現(xiàn)任何VLAN配置了。首先我們定義一下我們的需求以及滿足該需求的網(wǎng)絡(luò)拓撲，關(guān)鍵看如何接線。
1.情況一.同一VLAN內(nèi)部通信
1.1.同一交換機同一VLAN的不同端口進行通信
1.2.不同交換機的不同端口進行通信
2.情況二.不同VLAN之間通信
2.1.同一交換機不同VLAN之間進行通信
2.2.不同交換機的不同VLAN進行通信
從上述1.2可以看出，為了節(jié)省線纜和避免環(huán)路，兩個VLAN交換機的兩個端口之間的同一條鏈路需要承載不同的VLAN數(shù)據(jù)幀，為了使彼此能夠識別每個數(shù)據(jù)幀到底屬于哪個VLAN，十分顯然的辦法就是為數(shù)據(jù)幀打上tag，因此上述1.2中的端口J和端口K之間的鏈路上的數(shù)據(jù)幀需要打tag，端口J和端口K都同屬于兩個VLAN，分別為VLAN m和VLAN n。換句話說，只要一個端口需要傳輸和接收屬于多個VLAN的數(shù)據(jù)幀，那么從該端口發(fā)出的數(shù)據(jù)幀就要打上tag，從該端口接收的數(shù)據(jù)幀可以通過tag來識別它屬于哪個VLAN，用Cisco/H3C等廠商的術(shù)語來講，它就是trunk端口，兩個trunck端口之間的鏈路屬于trunk鏈路。
我們知道，一般而言，我們的PC機直接連接在常規(guī)二層交換機或者支持VLAN的交換機端口上，而我們的PC機發(fā)出的一般都是常規(guī)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，這些數(shù)據(jù)幀是沒有tag的，它們可能根本不知道802.1q為何物，然而VLAN存在的目的就是把一些PC機劃在一個VLAN中，而把另一些PC機劃在另一個VLAN中從而實現(xiàn)隔離，那么很顯然的一種辦法就是將支持VLAN的交換機的某些端口劃在一個VLAN，而另一些端口劃在另一個VLAN中，一個VLAN的所有端口其實就形成了一個邏輯上的二層常規(guī)交換機，同屬于一個VLAN的PC機連接在劃在同一個VLAN的端口上，為了擴展VLAN，鑒于單臺交換機端口數(shù)量的限制，需要級聯(lián)交換機，那么級聯(lián)鏈路上則同時承載著不同VLAN流量，因此級聯(lián)鏈路則成為trunk鏈路，所有不是級聯(lián)鏈路的鏈路都是直接鏈路，用廠商術(shù)語來講就是access鏈路(注意，這里暫且不談hybrid)，自然而然的，access鏈路兩端的端口都是和tag無關(guān)的，只需要做到“沒有tag直通，有tag去掉即可”，因此它可以連接PC機或者常規(guī)交換機以及VLAN交換機的非trunk端口。
VLAN的內(nèi)容基本也就是以上那些了，分為三部分：
1.設(shè)計目的
隔離廣播域，節(jié)省物理設(shè)備，隔離安全策略域
2.IEEE 802.1q
為擴展VLAN的級聯(lián)方案提供了一個標(biāo)準的協(xié)議
3.如何使用VLAN
將某些端口劃為一個VLAN，基于MAC地址什么的...
其實，至于怎么劃分VLAN，標(biāo)準中并沒有給出什么硬性的規(guī)定，只要能夠保證屬于同一VLAN的端口完全否則IEEE 802系列的標(biāo)準即可，換句話說就是屬于同一VLAN的所有交換機的所有同一VLAN的端口完全就是一個以太網(wǎng)即可，透傳以太幀。
到此為止，我們基本上已經(jīng)忘了配置trunk，access，基于端口劃VLAN的命令了，腦子里面留下的只是VLAN的核心概念，使用這些核心的概念，我們就可以在Linux上配置完整的VLAN方案了，如果你去硬套Cisco的配置，那么結(jié)果只是悲哀。比如如果你問：如何在Linux上配置端口為access，如何在Linux上將某些網(wǎng)卡劃到一個VLAN...
理解Linux Bridge的都知道，Linux本身就可以實現(xiàn)多個Bridge設(shè)備，因為Linux的Bridge是軟的，所以一個Linux Box可以配置多個邏輯意義的Bridge，而多個Bridge設(shè)備之間必須通過第三層進行通信，加之第三層正是以太網(wǎng)的邊界，因此一個Linux Box也就可以模擬多個以太網(wǎng)了，不同的Bridge設(shè)備就可以代表不同的VLAN。
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Linux上的VLAN
Linux上的VLANLinux上的VLAN和Cisco/H3C上的VLAN不同，后者的VLAN是現(xiàn)有了LAN，再有V，也就是說是先有一個大的LAN，再劃分為不同的VLAN，而Linux則正好相反，由于Linux的Bridge設(shè)備是被創(chuàng)建出來的邏輯設(shè)備，因此Linux需要先創(chuàng)建VLAN，再創(chuàng)建一個Bridge關(guān)聯(lián)到該VLAN，創(chuàng)建VLAN很簡單：
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 10
ifconfig eth0.10 up
當(dāng)使用vconfig創(chuàng)建了eth0.10之后，它就是一個“真實意義”的虛擬網(wǎng)卡設(shè)備了，類似br0，tap0，bond0之類的，在這個虛擬網(wǎng)卡之下綁定的是一個真實網(wǎng)卡eth0，也就是數(shù)據(jù)從eth0這塊真實網(wǎng)卡發(fā)出，eth0.10中的“.10”表示它可以承載VLAN 10的數(shù)據(jù)幀，并且在通過eth0發(fā)出之前要打上tag。那么打tag這件事自然而然就是通過eth0.10這個虛擬設(shè)備的hard_xmit來完成的，在這個hard_xmit中，打上相應(yīng)的tag后，再調(diào)用eth0的hard_xmit將數(shù)據(jù)真正發(fā)出，如下圖所示：
因此一個真實的物理網(wǎng)卡比如ethx，它可以承載多個VLAN的數(shù)據(jù)幀，因此它就是trunk端口了，如下所示：
Linux的VLAN工具vconfig采用ethx.y的方式以ethx為trunk端口加入VLAN id為y的VLAN中。類比Cisco/H3C，我們已經(jīng)創(chuàng)建了trunk，總結(jié)一下：使用vconfig創(chuàng)建一個ethx.y的虛擬設(shè)備，就創(chuàng)建了一個trunk，其中ethx就是trunk口，而y代表該trunk口連接的trunk鏈路可以承載的VLAN數(shù)據(jù)幀的id，我們創(chuàng)建ethx.a，ethx.b，ethx.c，ethx.d，就說明ethx可以承載VLAN a，VLAN b，VLAN c，VLAN d的數(shù)據(jù)幀。
接下來，我們看一下如何創(chuàng)建access端口。首先注意，由于Linux的Bridge是虛擬的，邏輯意義的，因此可以先創(chuàng)建了VLAN之后，再根據(jù)這個VLAN動態(tài)的創(chuàng)建Bridge，而不是“為每一個端口配置VLAN id”，我們需要做的很簡單：
創(chuàng)建VLAN：
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 10
ifconfig eth0.10 up
為該VLAN創(chuàng)建Bridge：
brctl addbr brvlan10
brctl addif brvlan10 eth0.10
為該VLAN添加網(wǎng)卡：
ifconfig eth1 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan10 eth1
ifconfig eth2 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan10 eth2
...
這就完了。從此，eth1和eth2就是VLAN 10的access端口了，而eth0則是一個trunk端口，級聯(lián)VLAN的時候要用到，如果不需要級聯(lián)VLAN，而僅僅需要擴展VLAN 10，那么你大可將eth1連接在一個二層常規(guī)交換機或者hub上...同樣的，你可以再創(chuàng)建一個VLAN，同樣通過eth0來級聯(lián)上游VLAN交換機：
ifconfig eth0 0.0.0.0 up
vconfig eth0 20
ifconfig eth0.20 up
brctl addbr brvlan20
brctl addif brvlan20 eth0.20
ifconfig eth5 0.0.0.0 up
brctl addif brvlan20 eth5
如下圖所示：
這下基本就搞定了Linux上VLAN的配置，接下來還有一個內(nèi)容，那就是VLAN之間的通信。這個知識點最簡單了，那就是使用路由，為此很多人把支持VLAN的三層交換機和路由器等同起來。既然使用路由就需要一個IP地址作為網(wǎng)關(guān)，那么如何能尋址到這個IP地址自然就是一個不可回避的問題，我們要把這個IP配置在哪里呢?可以肯定的是，必須配置在當(dāng)前VLAN的某處，于是我們有多個地方可以配置這個IP：
1.同屬于一個VLAN的路由器接口上，且該路由器有到達目的VLAN的路由(該路由器接口為trunk口)。
2.同屬于一個VLAN的ethx.y似的虛擬接口上，且該Linux Box擁有到指定VLAN a的路由(最顯然的，擁有ethx'.a虛擬接口)。
3.同屬于一個VLAN的Bridge設(shè)備上(Linux的Bridge默認帶有一個本地接口，可以配置IP地址)，且該Linux Box擁有到指定VLAN a的路由(最顯然的，擁有ethx'.a虛擬接口或者目標(biāo)VLAN的Bridge設(shè)備)。
其中的1和2實際上沒有什么差別，本質(zhì)上就是找一個能配置IP地址的地方，大多數(shù)情況下使用2，但是如果出現(xiàn)同一個VLAN在同一個Linux Box配置了兩個trunk端口，那么就要使用Bridge的地址了，比如下面的配置：
brctl addbr brvlan10
brctl addif brvlan10 eth0.10
brctl addif brvlan10 eth1.10
ifconfig brvlan10 up
此時有兩個ethx.y型的虛擬接口，為了不使路由沖突，只能配置一個IP，那么此IP地址就只能配置在brvlan10上了。不管配置在Bridge上還是配置在ethx.y上，都是要走IP路由的，只要MAC地址指向了本地的任意的一個接口，在netif_receive_skb調(diào)用handle_bridge的時候都會將數(shù)據(jù)幀導(dǎo)向本地的IP路由來處理。Linux作為一個軟件，其并沒有原生實現(xiàn)硬件cache轉(zhuǎn)發(fā)，因此對于Linux而言，所謂的三層交換其實就是路由。
我們看一下一個被打上tag的數(shù)據(jù)幀什么時候脫去這個tag，在定義上，它是從access端口發(fā)出時脫去的，然而在語義上，只要能保證access端口發(fā)出的數(shù)據(jù)幀不帶有tag即可，因此對于何時脫去tag并沒有什么嚴格的要求。在Linux的VLAN實現(xiàn)上，packet_type的func作為一個第三層的處理函數(shù)來單獨處理802.1q數(shù)據(jù)幀，802.1q此時和IP協(xié)議處于一個同等的位置，VLAN的func函數(shù)vlan_skb_recv正如IP的處理函數(shù)ip_rcv一樣。在Linux實現(xiàn)的VLAN中，只有當(dāng)一個端口收到了一個數(shù)據(jù)幀，并且該數(shù)據(jù)幀是發(fā)往本地的時候，才會到達第三層的packet_type的func處理，否則只會被第二層處理，也就是Bridge邏輯處理，Linux的原生Bridge實現(xiàn)并不能處理802.1q數(shù)據(jù)幀，甚至都不能識別它。整個trunk口收發(fā)數(shù)據(jù)幀，IEEE 802.1q幀處理，以及VLAN間通信的示意圖如下：
到此為止，Linux的VLAN要點基本已經(jīng)說完了，有了這些理解，我想設(shè)計一個單臂Linux Box就不是什么難事了，單臂設(shè)備***的優(yōu)勢就是節(jié)省物理設(shè)備，同時還能實現(xiàn)隔離。這個配置不復(fù)雜，如果不想用VLAN實現(xiàn)的話也可以用ip addr add dev ...增加虛擬IP的方式來實現(xiàn)，然而用VLAN實現(xiàn)的好處在于可以和既有的三層交換機進行聯(lián)動，也可以直接插在支持標(biāo)準的IEEE 802.1q的設(shè)備的trunk口上。
機制搭臺，策略唱戲。既然VLAN的實現(xiàn)機制已經(jīng)了然于胸了，那么它的缺點估計你也看到了，如何去克服呢?PVLAN說實在的是一個VLAN的替代方案。解決了VLAN間的IP網(wǎng)段隔離問題，我們在Linux上如何實現(xiàn)它呢?這倒也不難，無非就是在LAN上添加一些訪問控制策略罷了，完全可以用純軟件的方式來實現(xiàn)，甚至都可以用ebtables/arptables/iptables來實現(xiàn)一個PVLAN。如果說VLAN是一個硬實現(xiàn)的VLAN的話，那么PVLAN純粹是一個軟實現(xiàn)的VLAN，甚至都不需要劃分什么VLAN，大家都處于一個IP網(wǎng)段，只需要配置好訪問控制策略即可，使得同一IP子網(wǎng)的Host只能和默認網(wǎng)關(guān)通信，而之間不能通信，所以說，即使你不知道“隔離VLAN”，“團體VLAN”之類的術(shù)語，實際上你已經(jīng)實現(xiàn)了一個PVLAN了。
幾點總結(jié)
1.你需要首先規(guī)劃出你的網(wǎng)絡(luò)拓撲而不是先去研究VLAN在Linux上如何配置以及如何實現(xiàn);
2.你需要深入理解VLAN設(shè)計的初衷，該配置哪些東西;
3.你需要知道對于VLAN哪些概念是核心，哪些概念并不是必須的。
4.不管基于什么平臺配置VLAN，只有兩點是必須的：a.哪些端口屬于哪個VLAN;b.哪個端口是級聯(lián)端口，屬于多個VLAN。
5.其它的都不用去死記硬背，都是浮云...
原文鏈接：http://blog.csdn.net/dog250/article/details/7354590
