VLAN间路由

VLAN间路由的必要性

    根据目前为止学习的知识，我们已经知道两台计算机即使连接在同一台交换机上，只要所属的VLAN不同就无法直接通信。接下来我们将要学习的就是如何在不同的VLAN间进行路由，使分属不同VLAN的主机能够互相通信。

    首先，先来复习一下为什么不同VLAN间不通过路由就无法通信。在VLAN内的通信，必须在数据帧头中指定通信目标的MAC地址。而为了获取MAC地址，TCP/IP协议下使用的是ARP。ARP解析MAC地址的方法，则是通过广播。也就是说，如果广播报文无法到达，那么就无从解析MAC地址，亦即无法直接通信。

    计算机分属不同的VLAN，也就意味着分属不同的广播域，自然收不到彼此的广播报文。因此，属于不同VLAN的计算机之间无法直接互相通信。为了能够在VLAN间通信，需要利用OSI参照模型中更高一层——网络层的信息（IP地址）来进行路由。

    路由功能，一般主要由路由器提供。但在今天的局域网里，我们也经常利用带有路由功能的交换机——三层交换机（Layer 3 Switch）来实现。接下来就让我们分别看看使用路由器和三层交换机进行VLAN间路由时的情况。

使用路由器进行VLAN间路由

    在使用路由器进行VLAN间路由时，与构建横跨多台交换机的VLAN时的情况类似，我们还是会遇到“该如何连接路由器与交换机”这个问题。路由器和交换机的接线方式，大致有以下两种：

• 将路由器与交换机上的每个VLAN分别连接
• 不论VLAN有多少个，路由器与交换机都只用一条网线连接

    最容易想到的，当然还是“把路由器和交换机以VLAN为单位分别用网线连接”了。将交换机上用于和路由器互联的每个端口设为访问链接，然后分别用网线与路由器上的独立端口互联。如下图所示，交换机上有2个VLAN，那么就需要在交换机上预留2个端口用于与路由器互联；路由器上同样需要有2个端口；两者间用2条网线分别连接。

    如果采用这个办法，大家应该不难想象它的扩展性很成问题。每增加一个新的VLAN，都需要消耗路由器的端口和交换机上的访问链接，而且还需要重新布设一条网线。而路由器，通常不会带有太多LAN接口的。新建VLAN时，为了对应增加的VLAN所需的端口，就必须将路由器升级成带有多个LAN接口的高端产品，这部分成本、还有重新布线所带来的开销，都是的这种接线法成为一种不受欢迎的办法。

    那么，第二种办法“不论VLAN数目多少，都只用一条网线连接路由器与交换机”呢？当使用一条网线连接路由器与交换机、进行VLAN间路由时，需要用到汇聚链接。

    具体实现过程为：首先将用于连接路由器的交换机端口设定为汇聚链接，而路由器上的端口也必须支持汇聚链路。双方用于汇聚链路的协议自然也必须相同。接着在路由器上定义对应各个VLAN的“子接口（Sub Interface）”。尽管实际与交换机连接的物理端口只有一个，但在理论上我们可以把它分割为多个虚拟端口。

    VLAN将交换机从逻辑上分割成了多台，因而用于VLAN间路由的路由器，也必须拥有分别对应各个VLAN的虚拟接口。

    采用这种方法的话，即使之后在交换机上新建VLAN，仍只需要一条网线连接交换机和路由器。用户只需要在路由器上新设一个对应新VLAN的子接口就可以了。与前面的方法相比，扩展性要强得多，也不用担心需要升级LAN接口数目不足的路由器或是重新布线。

    接下来，我们继续学习使用汇聚链路连接交换机与路由器时，VLAN间路由是如何进行的。如下图所示，为各台计算机以及路由器的子接口设定IP地址。

    红色VLAN（VLAN ID = 1）的网络地址为192.168.1.0/24，蓝色VLAN（VLAN ID = 2）的网络地址为192.168.2.0/24。各计算机的MAC地址分别为A / B / C / D，路由器汇聚链接端口的MAC地址为R。交换机通过对各端口所连接计算机MAC地址的学习，生成如下的MAC地址列表。

    首先，考虑计算机A与同一VLAN内的计算机B之间通信时的情形。

    接下来是这一讲的核心内容，不同VLAN间的通信。让我们来考虑一下计算机A与计算机C之间通信时的情况。

    计算机A从通信目标的IP地址（192.168.2.1）得出C与本机不属于同一个网段。因此会向设定的默认网关（Default Gateway，GW）转发数据帧。在发送数据帧之前，需要先用ARP获取路由器的MAC地址。

    得到路由器的MAC地址后，接下来就是按照图中所示的步骤发送往C去的数据帧。①的数据帧中，目标MAC地址是路由器的地址R，但内含的目标IP地址仍是最终要通信的对象C的地址。

    交换机在端口1上收到①的数据帧后，检索MAC地址列表与端口1同属一个VLAN的表项。由于汇聚链路会被看作属于所有的VLAN，因此这时交换机的端口6也属于被参照对象。这样交换机就知道往MAC地址R发送数据帧，需要经过端口6转发。

    从端口6发送数据帧时，由于它是汇聚链接，因此会被附加上VLAN识别信息。由于原先是来自红色VLAN的数据帧，因此如图②所示，会被加上红色VLAN的识别信息后进入汇聚链路。路由器收到②的数据帧后，确认其VLAN识别信息，由于它是属于红色VLAN的数据帧，因此交由负责红色VLAN的子接口接收。

    接着，根据路由器内部的路由表，判断该向哪里中继。

    由于目标网络192.168.2.0/24是蓝色VLAN，且该网络通过子接口与路由器直连，因此只要负责蓝色VLAN的子接口转发就可以了。这时，数据帧的目标MAC地址被改写成计算机C的目标地址，并且由于需要经过汇聚链路转发，因此被附加了属于蓝色VLAN的识别信息。这就是图中的③数据帧。

    交换机收到③的数据帧后，根据VLAN标识信息从MAC地址列表中检索属于蓝色VLAN的表项。由于通信目标——计算机C连接在端口3上，且端口3为普通的访问链接，因此交换机会将数据帧除去VLAN标识信息后（数据帧④）转发给端口3，最终计算机C才能成功地收到这个数据帧。

    进行VLAN间通信时，即使通信双方都连接在同一台交换机上，也必须经过：

    发送方——交换机——路由器——交换机——接收方  这样一个流程。

三层交换机

    使用路由器进行VLAN间路由时的问题

    现在，我们知道只要能提供VLAN间路由，就能够使分属不同VLAN的计算机互相通信。但是，如果使用路由器进行VLAN间路由的话，随着VLAN之间流量的不断增加，很可能导致路由器称为整个网络的瓶颈。

    交换机使用被称为ASIC（Application Specified Integrated Circuit）的专用硬件芯片处理数据帧的交换操作，在很多机型上都能实现以缆线速度（Wired Speed）交换。而路由器，则基本上是基于软件处理的。即使以缆线速度接收到数据包，也无法在不限速的条件下转发出去，因此会成为速度瓶颈。就VLAN间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，这一部分尤其特别容易成为速度瓶颈。并且从硬件上看，由于需要分别设置路由器和交换机，在一些空间狭小的环境里可能连设置的场所都成问题。

    为了解决上述问题。三层交换机应运而生。

    三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。

    关于三层交换机的内部结构，可以参照下面的简图。

    在一台本体内，分别设置了交换机模块和路由模块。而内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。因此，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。并且，路由器与交换模块是汇聚链接的，由于是内部链接，可以确保相当大的带宽。

使用三层交换机进行VLAN间路由

    在三层交换机内部数据究竟是怎样传遍的呢？基本上，它和使用汇聚链路连接路由器与交换机时的情形相同。

    假设有如下图所示的4台计算机与三层交换机互联。当使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口；而三层交换机则是在内部生成“VLAN 接口（VLAN Interface）”。VLAN接口，是用于各VLAN收发数据的接口。（注：在Cisco的Catalyst 系列交换机上，VLAN Interface被称为 SVI -- Switch Virtual Interface）。

    为了与使用路由器进行VLAN间路由对比，让我们同样来考虑一下计算机A与计算机B之间通信时的情况。首先是目标地址为B的数据帧被发的交换机；通过检索同一VLAN的MAC地址列表发现计算机B连在交换的端口2上，因此将数据帧转发给端口2。

    接下来设想一下计算机A与计算机C间通信时的情形。针对目标IP地址，计算机A可以判断出通信对象不属于同一网络，因此向默认网关发送数据（Frame 1）。

    交换机通过检索MAC地址列表后，经过内部汇聚链接，将数据帧转发给路由模块。在通过内部汇聚链路时，数据帧被附加了属于红色VLAN的VALN识别信息（Frame 2）。

    路由模块在收到数据帧时，先由数据帧附加的VLAN标识信息分辨出它属于红色VLAN，据此判断由红色VLAN接口负责接收并进行路由处理。因为目标网络192.168.2.0/24是直连路由器的网络，且对应蓝色VLAN，因此，接下来就会从蓝色VLAN接口经由内部汇聚链路转发回交换模块。在通过汇聚链路时，这次数据帧被附加上属于蓝色VLAN的识别信息（Frame 3）。

    交换机收到这个帧后，检索蓝色VLAN的MAC地址列表，确认需要将它转发给端口3。由于端口3是通常的访问链接，因此转发前会先将VLAN识别信息除去（Frame 4）。最终，计算机C成功地收到交换机转发来的数据帧。

    整个的流程，与使用外部路由器时的情况十分相似——都需要经过 发送方 -> 路由模块 -> 交换模块 -> 接收方。