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VLAN工作原理

什么是VLAN？
VLAN（VirtualLAN），翻译成中文是“虚拟局域网”。LAN可以是由少数几台家用计算机构成的网络，
也可以是数以百计的计算机构成的企业网络。VLAN所指的LAN特指使用路由器分割的网络——也就是广
播域。
在此让我们先复习一下广播域的概念。广播域，指的是广播帧（目标MAC地址全部为1）所能传递到
的范围，亦即能够直接通信的范围。严格地说，并不仅仅是广播帧，多播帧（MulticastFrame）和目标不明
的单播帧（UnknownUnicastFrame）也能在同一个广播域中畅行无阻。
本来，二层交换机只能构建单一的广播域，不过使用VLAN功能后，它能够将网络分割成多个广播域。
未分割广播域时……
那么，为什么需要分割广播域呢？那是因为，如果仅有一个广播域，有可能会影响到网络整体的传输
性能。具体原因，请参看附图加深理解。

图中，是一个由5台二层交换机（交换机1～5）连接了大量客户机构成的网络。假设这时，计算机A
需要与计算机B通信。在基于以太网的通信中，必须在数据帧中指定目标MAC地址才能正常通信，因此
计算机A必须先广播“ARP请求（ARPRequest）信息”，来尝试获取计算机B的MAC地址。
交换机1收到广播帧（ARP请求）后，会将它转发给除接收端口外的其他所有端口，也就是Flooding
了。接着，交换机2收到广播帧后也会Flooding。交换机3、4、5也还会Flooding。最终ARP请求会被转
发到同一网络中的所有客户机上。
请大家注意一下，这个ARP请求原本是为了获得计算机B的MAC地址而发出的。也就是说：只要计
算机B能收到就万事大吉了。可是事实上，数据帧却传遍整个网络，导致所有的计算机都收到了它。如此
一来，一方面广播信息消耗了网络整体的带宽，另一方面，收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU时
间来对它进行处理。造成了网络带宽和CPU运算能力的大量无谓消耗。
广播信息是那么经常发出的吗？
读到这里，您也许会问：广播信息真是那么频繁出现的吗？
答案是：是的！实际上广播帧会非常频繁地出现。利用TCP/IP协议栈通信时，除了前面出现的ARP外，
还有可能需要发出DHCP、RIP等很多其他类型的广播信息。
ARP广播，是在需要与其他主机通信时发出的。当客户机请求DHCP服务器分配IP地址，就必须发出
DHCP的广播。而使用RIP作为路由协议时，每隔30秒路由器都会对邻近的其他路由器广播一次路由信息。
RIP以外的其他路由协议使用多播传输路由信息，这也会被交换机转发（Flooding）。除了TCP/IP以外，
NetBEUI、IPX和AppleTalk等协议也经常需要用到广播。例如在Windows下双击打开“网络计算机”时就
会发出广播（多播）信息。（WindowsXP除外……）
总之，广播就在我们身边。下面是一些常见的广播通信：
lARP请求：建立IP地址和MAC地址的映射关系。
RIP：一种路由协议。
DHCP：用于自动设定IP地址的协议。
NetBEUI：Windows下使用的网络协议。
IPX：NovellNetware使用的网络协议。
AppleTalk：苹果公司的Macintosh计算机使用的网络协议。
如果整个网络只有一个广播域，那么一旦发出广播信息，就会传遍整个网络，并且对网络中的主机带来
额外的负担。因此，在设计LAN时，需要注意如何才能有效地分割广播域。
广播域的分割与VLAN的必要性
分割广播域时，一般都必须使用到路由器。使用路由器后，可以以路由器上的网络接口（LANInterface）
为单位分割广播域。
但是，通常情况下路由器上不会有太多的网络接口，其数目多在1～4个左右。随着宽带连接的普及，
宽带路由器（或者叫IP共享器）变得较为常见，但是需要注意的是，它们上面虽然带着多个（一般为4个
左右）连接LAN一侧的网络接口，但那实际上是路由器内置的交换机，并不能分割广播域。
况且使用路由器分割广播域的话，所能分割的个数完全取决于路由器的网络接口个数，使得用户无法
自由地根据实际需要分割广播域。
与路由器相比，二层交换机一般带有多个网络接口。因此如果能使用它分割广播域，那么无疑运用上
的灵活性会大大提高。
用于在二层交换机上分割广播域的技术，就是VLAN。通过利用VLAN，我们可以自由设计广播域的
构成，提高网络设计的自由度。
实现VLAN的机制
在理解了“为什么需要VLAN”之后，接下来让我们来了解一下交换机是如何使用VLAN分割广播的
首先，在一台未设置任何VLAN的二层交换机上，任何广播帧都会被转发给除接收端口外的所有其他端
口（Flooding）。例如，计算机A发送广播信息后，会被转发给端口2、3、4。

这时，如果在交换机上生成红、