VLAN之间通信技术探析

摘　要：VLAN间通过第三方的路由设备进行通信，有传统的路由器和带有路由功能的交换机--三层交换机 (Layer3Swicth)实现。传统路由器存在数据传输效率低、节点操作的复杂性无法降低和价格昂贵等局限性。三层交换机实现的VLAN间通信技术弥补、克服了传统的路由器的技术局限，与传统路由器结合应用， 为VLAN技术开拓了更大的发展空间。

关键词：VLAN；局域网间通信
　　虚拟局域网(VLAN)技术是交换技术的重要组成部分，它将物理上直接相连的网络从逻辑上，划分成了多个子网，每一个VLAN对应着一个广播域或子网。物理层面它是由一组含有相同逻辑结构及需求，但与物理位置无关的主机，VLAN间相互通信时，就相当于这些主机连在了同一条线缆之上，处于不同VLAN上的主机不能直接进行通信，需要引入路由技术或多层交换技术才可以解决。本文对以上的VLAN间相互通信技术展开探究。
　　间的通信简析
　　VLAN是由网络按逻辑分成的各个子网，即一个VLAN对应一个子网，网关为每个VLAN生成相应的子网接口，当各子网的主机间进行通信时，通过之间的网关进行转发，以实现VLAN间的通信，物理上由VLAN间具有路由功能的设备承担。路由设备较早主要由路由器承担，现在的局域网里更多的由带有路由功能的多层交换机--三层交换机 (Layer3Swicth)来实现。
　　2.路由器实现的VLAN间通信技术分析
　　2.1VLAN间路由器通信技术原理
　　VLAN间路由器通信通过添加 "边界路由器"来解决。VLAN间能使用一台路由器时，产生了路由选择的问题，因为传统路由器的每个物理接口只能支持一个子网或广播域，于是当面对众多的VLAN时，传统的路由器就必须通过增加以太网接口，为每个VLAN设置一条物理连接，但路由器以太网接口有限，且价格昂贵，于是必须采用TRUNK连接方式，即在在一条物理链路上传输不同VLAN的数据。其工作过程如下：(1)路由器通过TRUNK链路接收来自各个VLAN的数据包；(2)路由器确定数据包的目的IP地址，确定目的IP地址所在的VLAN，同时使用网络的VLANISL头对数据包封装；(3)路由器把数据包通过和目的VLAN对应的接口进行发送。
　　2.2VLAN间路由器通信的局限性
　　VLAN间路由器通信的局限性是路由器的技术特性决定的,使其无法具有很高的信息吞吐量。对此分析如下：路由器在0SI七层网络模型的第三层--网络层操作，其对于任何一个运行的数据包均须进行"拆包"和"打包"的操作，同时路由器还要完成数据包过滤和压缩、协议转换、计算路由、甚至防火墙等许多工作，这占用于大量的CPU资源。且当流经路由器的流量超过其吞吐能力时，会引起路由器内部拥塞，持续拥塞会使转发的数据包延误，甚至丢失。以上的原因限制了其吞吐量，且其价格昂贵，使其成为网络瓶颈。
　　因此，路由器存在:数据传输效率低;节点操作的复杂性无法降低;价格昂贵、结构复杂等局限性。
　　3. 多层交换机实现VLAN间通信
　　3.1三层交换技术原理
　　三层交换(PI交换技术)是相对于传统交换概念而言的，传统的交换技术是在数据链路层(网络模型中的第二层)进行操作，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现数据包的高速转发。一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，用基于第三层交换的VLAN技术改善局域网，它并不是简单地把路由设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上，而是二者的有机结合。
　　基本的三层交换技术包括报文交换和流交换（FS），报文交换即业务流中的每一个报文都要经过第三层处理，即路由处理，并且业务流转发是基于第三层地址。流交换是分析流中的第一个数据包，以便完成路由处理并基于第三层地址转发该数据包，同时缓存该数据流的路由信息。数据流的后续数据包直接在第二层进行交换而无须第三层处理。通常VLAN间的通信，采用"流交换"技术，以实现"一次路由，多次交换"。
　　3.2三层交换的实现
　　我们以CISCO公司的Catalyst5000/6000系列交换机为例，来探讨多层交换机对VLAN间通信的实现。该交换机包含组件如下:
　　(1)多层路由处理器(MLS-RP)。其相当设于网络中的路由器，负责处理每个数据流的第一个数据包，协助MLS交换引擎(MLS一SE)在第三层的CAM中建立捷径条目；
　　(2)多层交换的交换引擎(MLS-SE)。其是处理转发和重写数据包功能的交换实体；
　　(3)多层交换协议(MLSP)。它是MLS-Rp通告路由变化和VLANS参与MLS接口MAC地址的方法，运行于MLS-SE和MLS-RP之间，进行多层交换功能的启动。
　　多层交换机实现VLAN间通信过程如下：
　　第一步:发送MLSPHello信息
　　多层路由处理器每15秒发送一个MLSPHello包，包内含VLAN标识和MAC地址信息。MLS-SE通过以上信息掌握到路由器的第二层属性。Hello包是周期性发送的，可以保证相关值动态地跟踪网络的变化和实现一定的淘汰机制
　　第二步:标识候选包
　　MLS-SE对进入交换机的数据包进行匹配判断，如果MLS缓存中含有与之匹配的捷径条目，则MLS-SE就旁路路由器而直接转发该数据包;若MLS中不含与该数据包相匹配的捷径条目，则MLS-SE将它归为候选包，并在缓存中建立部分捷径。数据包采用传统的第二层交换机处理方式处理，并发往与之相连的路由器接口(网关)。候选包(帧)须满足:目标地址经过MLSP所列的路由器接口的一个MAC地址和不存在捷径条目。
　　第三步:标识使能包
　　路由器将数据包从交换机的某个接口转出，并将包封装为VLANZ帧通过ISL链路送回。此时，路由器已经重写第二层帧的帧头。同时，路由器不仅改写了ISL头的VLAN号，而且也修改了两个MAC地址域:源MAC改为路由器出口的MAC地址，目标MAC改为目标主机的MAC地址。这个修改后的数据包称为使能包。
　　使能包到达交换机交换引擎后，交换引擎根据使能包上目的地MAC地址，知道其往哪个接口转发出去，同时MLS-SE会建立一个捷径条目，该条目含该使能包的第四层协议类型，应用端口源目标IP地址，目标MAC地址，VLANID号，以及到达目的VLAN的交换机端口号等重写数据流中的后续包帧头所需的所有信息
　　第四步，交换(转发)数据流中的后续包
　　当后续的数据包送出后，MLS一SE利用数据包中的目标IP地址查找在第三步建立的完整捷径。地址匹配后，MLS一SE利用重写引擎修改帧头信息，然后直接转发给目的主机，而不发给路由器MLS一RP，从而实现了对后续数据包的第二层交换。
　　4.结语
　　虚拟局 域网(VLAN)间通信技术由传统路由器向三层交换技术大规模转换，三层交换技术解决了局域网中网段划分之后，网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面;解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。为VLAN技术的发展和应用创造出更为广阔的空间，两种技术相互结合能为用户提供更优质、廉价的网络服务。
　　参考文献
　　[1]仇剑锋，基于VLAN和三层交换的企业网络安全策略研究.中南大学学位论文，2007.
　　[2]洪军.VLAN技术及在交换机上的实现.中北大学学位论文2007.