虚拟局域网的概念和基本原理

虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）是一种将物理上互联的网络在逻辑上划分成不同广播域的技术。它能让一组设备和用户，在实际应用中不受物理位置限制，按功能、部门等因素进行逻辑分组，实现相互通信 。

一、VLAN 的概念

在传统局域网中，一个物理网段就是一个广播域，网络中的所有设备都能接收到广播消息。随着网络规模扩大和设备增多，广播消息会大量占用网络带宽，导致网络性能下降 。VLAN 技术的出现，解决了这一问题。它通过在逻辑上划分广播域，将一个局域网分割成多个独立的虚拟局域网 。这些虚拟局域网虽然在物理上连接在同一网络，但在逻辑上相互隔离，一个 VLAN 内的广播和单播流量不会转发到其他 VLAN 中 。在一个企业网络中，可将销售部门、研发部门、财务部门等分别划分到不同的 VLAN 中，每个部门内部的网络通信不会影响其他部门，从而提高了网络的安全性和性能 。

二、VLAN 的基本原理

（一）VLAN 的实现方式
VLAN 通常在交换机或路由器上实现 。在以太网帧中增加 VLAN 标签是常用的分类方式 。VLAN 标签位于源 MAC 地址和以太网络类型 Ethertype 域之间，包含 4 个字节 。其中，TPID 为标签协议字段，值为 0x8100，用于标识这是一个 802.1Q 标记帧 。TCI 为标签控制信息字段，包括用户优先级、规范格式字段和 VLAN ID 。PCP 用于定义用户优先级，CFI 在以太网交换机中总被设置为 0，VID 是对 VLAN 的 12 位识别字段，VID=0 用于识别帧优先级，4095 (FFF) 作为预留值，所以 VLAN 配置的最大可能值为 4094 。当交换机接收到一个带有 VLAN 标签的以太网帧时，会根据 VID 来判断该帧属于哪个 VLAN，并按照相应的转发规则进行转发 。
（二）VLAN 与广播域
VLAN 的核心原理是将网络划分为多个广播域 。每个 VLAN 就是一个独立的广播域，只有在同一个 VLAN 内的设备才能接收到彼此的广播消息 。在一个办公大楼的网络中，不同楼层的办公室可以划分成不同的 VLAN。这样，某一楼层的广播消息不会传播到其他楼层，减少了广播风暴对整个网络的影响 。如果没有 VLAN，一个广播消息可能会传遍整个大楼的网络，导致网络拥塞 。通过划分 VLAN，有效地控制了广播域的范围，提高了网络的稳定性和性能 。
（三）VLAN 之间的通信
虽然 VLAN 内的设备可以直接通信，但不同 VLAN 之间的设备若要通信，就需要借助路由器或三层交换机 。这是因为不同 VLAN 属于不同的逻辑子网，它们的 IP 地址处于不同的网段 。当一个 VLAN 内的设备要与另一个 VLAN 内的设备通信时，数据包首先会发送到本 VLAN 的网关（通常是路由器或三层交换机的接口），然后由网关进行路由转发，将数据包发送到目标 VLAN 的网关，最后再由目标 VLAN 的网关将数据包转发给目标设备 。在一个企业中，销售部门（VLAN1）要与财务部门（VLAN2）进行数据传输，就需要通过路由器或三层交换机进行路由转发 。

三、VLAN 的划分方式

（一）基于端口划分
按网络端口来划分 VLAN 是最常见的方式 。这种方式配置过程简单，只需将交换机的端口划分到不同的 VLAN 中即可 。可以将交换机的 1 - 5 端口划分到 VLAN1，6 - 10 端口划分到 VLAN2 。它允许跨越多个交换机，适用于网络拓扑相对稳定的场景 。缺点是灵活性较差，如果一个设备需要从一个 VLAN 移动到另一个 VLAN，就需要重新配置交换机端口 。
（二）基于 MAC 地址划分
根据每个主机的 MAC 地址来划分 VLAN 。这种方式的最大优点是当用户物理位置移动时，VLAN 不用重新配置 。因为 MAC 地址是设备的物理地址，是唯一标识 。即使设备连接到不同的交换机端口，只要 MAC 地址不变，就仍然属于原来的 VLAN 。在一个办公环境中，员工带着笔记本电脑在不同的办公区域移动，基于 MAC 地址划分的 VLAN 可以保证其始终处于原来的 VLAN 中 。它的缺点是在大规模 VLAN 中应用难度较大，因为需要维护一个庞大的 MAC 地址与 VLAN 的映射表 。
（三）基于网络层划分
根据每个主机的网络层地址或协议类型划分 VLAN ，比如 IP 地址 。这种方式的优点是用户的物理位置改变时，不需要重新配置所属的 VLAN 。因为 IP 地址是网络层的标识，与物理位置无关 。在一个企业网络中，员工更换办公地点后，只要 IP 地址不变，就仍然属于原来的 VLAN 。它的缺点是效率较低，因为在划分 VLAN 时需要对每个数据包的网络层信息进行解析 。类似的还有根据 IP 组播划分 VLAN 的方法 。
（四）基于规则划分
基于策略组成的 VLAN 能实现多种分配方法，包括 VLAN 交换机端口、MAC 地址、IP 地址、网络层协议等 。当一个站点加入网络中时，会被自动地包含进相应的 VLAN 中 。同时，对站点的移动和改变也可自动识别和跟踪 。这是最灵活的 VLAN 划分方法 。在一个复杂的企业网络中，可根据不同的业务需求和安全策略，制定相应的规则来划分 VLAN 。某些敏感数据的访问只能在特定的 VLAN 中进行，通过基于规则的 VLAN 划分，可以实现对这些数据的安全隔离 。

四、VLAN 的优势

（一）减少广播风暴
VLAN 能将网络划分为多个广播域，减少参与广播风暴的设备数量 。在一个大型网络中，广播风暴可能会导致网络拥塞，使所有设备都无法正常通信 。通过划分 VLAN，将广播消息限制在每个 VLAN 内部，有效地控制了广播风暴的发生，防止广播风暴波及整个网络 。
（二）增强网络安全
不同 VLAN 内的报文在传输时相互隔离，一个 VLAN 内的用户不能和其他 VLAN 内的用户直接通信 。如果不同 VLAN 要进行通信，需要通过路由器或三层交换机等三层设备 。这就将含有敏感数据的用户组与网络的其余部分隔离，降低了泄露机密信息的可能性 。在企业网络中，财务部门的数据通常比较敏感，将其划分到独立的 VLAN 中，可以防止其他部门的用户未经授权访问财务数据 。
（三）提高通信性能
VLAN 可以减少网络上不必要的流量，节省了带宽 。因为不同 VLAN 之间的通信需要经过路由器或三层交换机进行路由转发，所以可以对不同 VLAN 之间的流量进行控制和管理 。在一个企业网络中，可根据业务需求，为不同的 VLAN 分配不同的带宽，确保关键业务的网络畅通 。
（四）灵活组网，简化运维
VLAN 能将不同地点、不同网络、不同用户组合在一起，形成一个虚拟的网络环境 。就像使用本地 LAN 一样方便、灵活、有效 。网络构建和维护更方便灵活，降低了网络运行管理费用 。在一个跨国企业中，不同地区的分支机构可以通过 VLAN 技术，组成一个虚拟的局域网，实现数据共享和通信 。

五、VLAN 的应用场景

（一）企业网络
在企业中，不同部门之间的业务需求和安全要求各不相同 。通过划分 VLAN，可以将不同部门的设备划分到不同的 VLAN 中，实现网络隔离和安全控制 。销售部门可以访问互联网进行业务拓展，而研发部门则可以限制对互联网的访问，以保护公司的知识产权 。VLAN 还可以实现对不同部门的网络流量进行管理和控制，提高网络性能 。
（二）校园网络
在校园中，不同教学楼、不同实验室的网络需求也有所不同 。通过划分 VLAN，可以将不同教学楼、不同实验室的设备划分到不同的 VLAN 中 。图书馆的网络可以设置为只允许访问学术资源网站，而学生宿舍的网络可以设置为允许访问互联网的各种服务 。VLAN 还可以方便地管理校园网络中的用户，提高网络的安全性和稳定性 。
（三）数据中心
在数据中心中，不同的服务器和应用程序需要不同的网络环境 。通过划分 VLAN，可以将不同的服务器和应用程序划分到不同的 VLAN 中 。对于一些对安全性要求较高的应用程序，可以将其服务器划分到独立的 VLAN 中，并设置严格的访问控制策略 。VLAN 还可以提高数据中心的网络性能，确保不同应用程序之间的网络隔离和互不干扰 。

拓展阅读：

1. 如何在交换机上配置基于端口的 VLAN：登录交换机管理界面，找到 VLAN 配置选项，创建新的 VLAN，然后将需要划分到该 VLAN 的端口添加进去，保存设置即可 。
2. VLAN 和子网有什么区别：VLAN 是从数据链路层划分广播域，主要解决广播风暴和网络安全问题；子网是从网络层对 IP 地址进行划分，主要用于合理分配 IP 地址和路由选择 。
3. 在大型网络中，如何优化 VLAN 的配置：合理规划 VLAN 数量和划分方式，使用三层交换机提高 VLAN 间通信效率，设置 VLAN 间的访问控制列表增强网络安全，定期监控和维护 VLAN 的运行状态 。