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Linux实现的IEEE 802.1Q VLAN

2013-11-06 10:28 佚名 博客 字号:T | T
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VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段,从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。IEEE802.1q协议也就是“VirtualBridgedLocalAreaNetworks”协议,主要规定了VLAN的实现方法。本博文将重新解读该协议,并演示Linux实现的IEEE 802.1Q VLAN间通信的原理及配置。

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VLAN是一种将局域网设备从逻辑上划分成一个个网段,从而实现虚拟工作组的新兴数据交换技术。IEEE802.1q协议也就是“VirtualBridgedLocalAreaNetworks”(虚拟桥接局域网,简称“虚拟局域网”)协议,主要规定了VLAN的实现方法。本博文将重新解读该协议,并演示Vlan间通信的原理及配置。 

VLAN的核心概念

说起IEEE 802.1q,都知道是VLAN,说起VLAN,基本上也没有盲区,网络基础。然而说到配置,基本所有人都能顺口溜一样说出Cisco或者H3C设备的配置命令,对于Linux的VLAN配置却存在大量的疑问。这些疑问之所以存在我觉得有两点原因:

1.对VLAN的本质还是没有理解。

不管你的Cisco/H3C命令敲得再熟练,如果看不懂Linux的vconfig,那么也将无法掩饰你对概念理解的浅显;

2.对Linux实现虚拟网络设备风格不熟悉

可能你已经十分理解802.1q了,也许还看过了IEEE的文档,然而却对Linux的Bridge,tap,bond等虚拟设备不是很理解,那么也将无法顺利配置VLAN。

对于VLAN概念的理解,有几点要强调:

1.VLAN分离了广播域;

2.单独的一个VLAN模拟了一个常规的交换以太网,因此VLAN将一个物理交换机分割成了一个或多个逻辑交换机;

3.不同VLAN之间通信需要三层参与;

4.当多台交换机级联时,VLAN通过VID来识别,该ID插入到标准的以太帧中,被称作tag;

5.大多数的tag都不是端到端的,一般在上行路上第一个VLAN交换机打tag,下行链路的最后一个VLAN交换机去除tag;

6.只有在一个数据帧不打tag就不能区分属于哪个VLAN时才会打上tag,能去掉时尽早要去掉tag;

7.最终,IEEE 802.1q解决了VLAN的tag问题。除了IEEE 802.1q,其余的都是和实现相关的,虽然Cisco和H3C的实现很类似,Linux可以和它们有大不同。

关键看最后3点,也就是3,4,5。这是VLAN最难理解的部分,不过一旦理解了,VLAN也就不剩下什么了。为了使得叙述上以及配置上更加的方便,Cisco以及其他的厂商定义了很多的细节,而这些细节在IEEE 802.1q标准中并没有被定义,这些细节包括但不局限于以下几点:

1.每一个VLAN交换机端口需要绑定一个VLAN id;

2.每一个VLAN交换机端口处于下面三类中的一类:access,trunk,hybrid。

2.1.access端口:从此类端口收到的数据帧是不打tag的,从此类端口发出的数据帧是不打tag的;

2.2.trunck端口:从此类端口收到的数据帧打着tag,从此类端口发出的数据帧需要打tag(不考虑缺省VLAN的情况);

2.3.hybrid端口:略

我们实则没有必要去深究Cisco/H3C的命令以及到底那三类端口类型有何区别,之所以有三类端口类型完全是为了将VLAN的概念(最终的IEEE 802.1q标准)很方便的用起来。说白了,trunk端口的存在是因为不得已,因为有属于多个VLAN的数据帧要通过单一的物理链路,不打tag是无法区分各自属于哪个VLAN的,于是就有了IEEE 802.1q这个标准,定义了一个tag插入到以太帧中,为了使这个理论性的东西被使用起来,厂商便定义了一系列的概念性的东西,比如和tag相关的链路就是trunk链路之类。

于是乎,我们可以完全抛开任何的配置命令,抛开任何厂商定义的东西,完全按照IEEE 802.1q标准以及我们的需求来理解VLAN,这样下来之后,你绝对可以在Linux上完美实现任何VLAN配置了。首先我们定义一下我们的需求以及满足该需求的网络拓扑,关键看如何接线。

1.情况一.同一VLAN内部通信

1.1.同一交换机同一VLAN的不同端口进行通信

1.2.不同交换机的不同端口进行通信

2.情况二.不同VLAN之间通信

2.1.同一交换机不同VLAN之间进行通信

2.2.不同交换机的不同VLAN进行通信

从上述1.2可以看出,为了节省线缆和避免环路,两个VLAN交换机的两个端口之间的同一条链路需要承载不同的VLAN数据帧,为了使彼此能够识别每个数据帧到底属于哪个VLAN,十分显然的办法就是为数据帧打上tag,因此上述1.2中的端口J和端口K之间的链路上的数据帧需要打tag,端口J和端口K都同属于两个VLAN,分别为VLAN m和VLAN n。换句话说,只要一个端口需要传输和接收属于多个VLAN的数据帧,那么从该端口发出的数据帧就要打上tag,从该端口接收的数据帧可以通过tag来识别它属于哪个VLAN,用Cisco/H3C等厂商的术语来讲,它就是trunk端口,两个trunck端口之间的链路属于trunk链路。

我们知道,一般而言,我们的PC机直接连接在常规二层交换机或者支持VLAN的交换机端口上,而我们的PC机发出的一般都是常规的以太网数据帧,这些数据帧是没有tag的,它们可能根本不知道802.1q为何物,然而VLAN存在的目的就是把一些PC机划在一个VLAN中,而把另一些PC机划在另一个VLAN中从而实现隔离,那么很显然的一种办法就是将支持VLAN的交换机的某些端口划在一个VLAN,而另一些端口划在另一个VLAN中,一个VLAN的所有端口其实就形成了一个逻辑上的二层常规交换机,同属于一个VLAN的PC机连接在划在同一个VLAN的端口上,为了扩展VLAN,鉴于单台交换机端口数量的限制,需要级联交换机,那么级联链路上则同时承载着不同VLAN流量,因此级联链路则成为trunk链路,所有不是级联链路的链路都是直接链路,用厂商术语来讲就是access链路(注意,这里暂且不谈hybrid),自然而然的,access链路两端的端口都是和tag无关的,只需要做到“没有tag直通,有tag去掉即可”,因此它可以连接PC机或者常规交换机以及VLAN交换机的非trunk端口。

VLAN的内容基本也就是以上那些了,分为三部分:

1.设计目的

隔离广播域,节省物理设备,隔离安全策略域

2.IEEE 802.1q

为扩展VLAN的级联方案提供了一个标准的协议

3.如何使用VLAN

将某些端口划为一个VLAN,基于MAC地址什么的...

其实,至于怎么划分VLAN,标准中并没有给出什么硬性的规定,只要能够保证属于同一VLAN的端口完全否则IEEE 802系列的标准即可,换句话说就是属于同一VLAN的所有交换机的所有同一VLAN的端口完全就是一个以太网即可,透传以太帧。

到此为止,我们基本上已经忘了配置trunk,access,基于端口划VLAN的命令了,脑子里面留下的只是VLAN的核心概念,使用这些核心的概念,我们就可以在Linux上配置完整的VLAN方案了,如果你去硬套Cisco的配置,那么结果只是悲哀。比如如果你问:如何在Linux上配置端口为access,如何在Linux上将某些网卡划到一个VLAN...

理解Linux Bridge的都知道,Linux本身就可以实现多个Bridge设备,因为Linux的Bridge是软的,所以一个Linux Box可以配置多个逻辑意义的Bridge,而多个Bridge设备之间必须通过第三层进行通信,加之第三层正是以太网的边界,因此一个Linux Box也就可以模拟多个以太网了,不同的Bridge设备就可以代表不同的VLAN。

Linux上的VLAN

Linux上的VLANLinux上的VLAN和Cisco/H3C上的VLAN不同,后者的VLAN是现有了LAN,再有V,也就是说是先有一个大的LAN,再划分为不同的VLAN,而Linux则正好相反,由于Linux的Bridge设备是被创建出来的逻辑设备,因此Linux需要先创建VLAN,再创建一个Bridge关联到该VLAN,创建VLAN很简单:

ifconfig eth0 0.0.0.0 up

vconfig eth0 10

ifconfig eth0.10 up

当使用vconfig创建了eth0.10之后,它就是一个“真实意义”的虚拟网卡设备了,类似br0,tap0,bond0之类的,在这个虚拟网卡之下绑定的是一个真实网卡eth0,也就是数据从eth0这块真实网卡发出,eth0.10中的“.10”表示它可以承载VLAN 10的数据帧,并且在通过eth0发出之前要打上tag。那么打tag这件事自然而然就是通过eth0.10这个虚拟设备的hard_xmit来完成的,在这个hard_xmit中,打上相应的tag后,再调用eth0的hard_xmit将数据真正发出,如下图所示:

因此一个真实的物理网卡比如ethx,它可以承载多个VLAN的数据帧,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为trunk端口加入VLAN id为y的VLAN中。类比Cisco/H3C,我们已经创建了trunk,总结一下:使用vconfig创建一个ethx.y的虚拟设备,就创建了一个trunk,其中ethx就是trunk口,而y代表该trunk口连接的trunk链路可以承载的VLAN数据帧的id,我们创建ethx.a,ethx.b,ethx.c,ethx.d,就说明ethx可以承载VLAN a,VLAN b,VLAN c,VLAN d的数据帧。

接下来,我们看一下如何创建access端口。首先注意,由于Linux的Bridge是虚拟的,逻辑意义的,因此可以先创建了VLAN之后,再根据这个VLAN动态的创建Bridge,而不是“为每一个端口配置VLAN id”,我们需要做的很简单:

创建VLAN:

ifconfig eth0 0.0.0.0 up

vconfig eth0 10

ifconfig eth0.10 up

为该VLAN创建Bridge:

brctl addbr brvlan10

brctl addif brvlan10 eth0.10

为该VLAN添加网卡:

ifconfig eth1 0.0.0.0 up

brctl addif brvlan10 eth1

ifconfig eth2 0.0.0.0 up

brctl addif brvlan10 eth2

...

这就完了。从此,eth1和eth2就是VLAN 10的access端口了,而eth0则是一个trunk端口,级联VLAN的时候要用到,如果不需要级联VLAN,而仅仅需要扩展VLAN 10,那么你大可将eth1连接在一个二层常规交换机或者hub上...同样的,你可以再创建一个VLAN,同样通过eth0来级联上游VLAN交换机:

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

如下图所示:

这下基本就搞定了Linux上VLAN的配置,接下来还有一个内容,那就是VLAN之间的通信。这个知识点最简单了,那就是使用路由,为此很多人把支持VLAN的三层交换机和路由器等同起来。既然使用路由就需要一个IP地址作为网关,那么如何能寻址到这个IP地址自然就是一个不可回避的问题,我们要把这个IP配置在哪里呢?可以肯定的是,必须配置在当前VLAN的某处,于是我们有多个地方可以配置这个IP:

1.同属于一个VLAN的路由器接口上,且该路由器有到达目的VLAN的路由(该路由器接口为trunk口)。

2.同属于一个VLAN的ethx.y似的虚拟接口上,且该Linux Box拥有到指定VLAN a的路由(最显然的,拥有ethx'.a虚拟接口)。

3.同属于一个VLAN的Bridge设备上(Linux的Bridge默认带有一个本地接口,可以配置IP地址),且该Linux Box拥有到指定VLAN a的路由(最显然的,拥有ethx'.a虚拟接口或者目标VLAN的Bridge设备)。

其中的1和2实际上没有什么差别,本质上就是找一个能配置IP地址的地方,大多数情况下使用2,但是如果出现同一个VLAN在同一个Linux Box配置了两个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

此时有两个ethx.y型的虚拟接口,为了不使路由冲突,只能配置一个IP,那么此IP地址就只能配置在brvlan10上了。不管配置在Bridge上还是配置在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个接口,在netif_receive_skb调用handle_bridge的时候都会将数据帧导向本地的IP路由来处理。Linux作为一个软件,其并没有原生实现硬件cache转发,因此对于Linux而言,所谓的三层交换其实就是路由。

我们看一下一个被打上tag的数据帧什么时候脱去这个tag,在定义上,它是从access端口发出时脱去的,然而在语义上,只要能保证access端口发出的数据帧不带有tag即可,因此对于何时脱去tag并没有什么严格的要求。在Linux的VLAN实现上,packet_type的func作为一个第三层的处理函数来单独处理802.1q数据帧,802.1q此时和IP协议处于一个同等的位置,VLAN的func函数vlan_skb_recv正如IP的处理函数ip_rcv一样。在Linux实现的VLAN中,只有当一个端口收到了一个数据帧,并且该数据帧是发往本地的时候,才会到达第三层的packet_type的func处理,否则只会被第二层处理,也就是Bridge逻辑处理,Linux的原生Bridge实现并不能处理802.1q数据帧,甚至都不能识别它。整个trunk口收发数据帧,IEEE 802.1q帧处理,以及VLAN间通信的示意图如下:

到此为止,Linux的VLAN要点基本已经说完了,有了这些理解,我想设计一个单臂Linux Box就不是什么难事了,单臂设备最大的优势就是节省物理设备,同时还能实现隔离。这个配置不复杂,如果不想用VLAN实现的话也可以用ip addr add dev ...增加虚拟IP的方式来实现,然而用VLAN实现的好处在于可以和既有的三层交换机进行联动,也可以直接插在支持标准的IEEE 802.1q的设备的trunk口上。

机制搭台,策略唱戏。既然VLAN的实现机制已经了然于胸了,那么它的缺点估计你也看到了,如何去克服呢?PVLAN说实在的是一个VLAN的替代方案。解决了VLAN间的IP网段隔离问题,我们在Linux上如何实现它呢?这倒也不难,无非就是在LAN上添加一些访问控制策略罢了,完全可以用纯软件的方式来实现,甚至都可以用ebtables/arptables/iptables来实现一个PVLAN。如果说VLAN是一个硬实现的VLAN的话,那么PVLAN纯粹是一个软实现的VLAN,甚至都不需要划分什么VLAN,大家都处于一个IP网段,只需要配置好访问控制策略即可,使得同一IP子网的Host只能和默认网关通信,而之间不能通信,所以说,即使你不知道“隔离VLAN”,“团体VLAN”之类的术语,实际上你已经实现了一个PVLAN了。

几点总结

1.你需要首先规划出你的网络拓扑而不是先去研究VLAN在Linux上如何配置以及如何实现;

2.你需要深入理解VLAN设计的初衷,该配置哪些东西;

3.你需要知道对于VLAN哪些概念是核心,哪些概念并不是必须的。

4.不管基于什么平台配置VLAN,只有两点是必须的:a.哪些端口属于哪个VLAN;b.哪个端口是级联端口,属于多个VLAN。

5.其它的都不用去死记硬背,都是浮云...

原文链接:http://blog.csdn.net/dog250/article/details/7354590

【责任编辑:孟娟 TEL:(010)68476606】



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