VLAN 标记与网络帧基础 | AI生成和翻译

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问题：VLAN 不提供加密；它们仅使用 VLAN ID 为帧打上标签以进行分段。帧是如何打标签的，以及何时打标签？什么是帧？VLAN 在哪里运行？计算机如何为它们打标签？计算机如何知道它的帧将进入某个 VLAN？

回答：

什么是帧 (Frames)？

在计算机网络中，特别是在基于 Ethernet 的局域网 (LAN) 中，数据以称为帧 (frames) 的单位传输。一个 Ethernet 帧是一个结构化的数据包，包括：

• 前导码 (Preamble) 和帧起始定界符 (SFD)：用于同步。
• 目的和源 MAC 地址：用于在硬件层标识发送者和接收者。
• EtherType/长度字段：指示协议或数据的长度。
• 有效载荷/数据 (Payload/Data)：实际发送的信息（如 IP 数据包）。
• 帧检查序列 (FCS)：用于错误检测。

帧运行在 OSI 模型的第 2 层（数据链路层）。它们是交换 (switching) 的基本单位，并封装了如 IP 数据包等高层数据。

什么是 VLAN，它们在哪里运行？

VLAN (Virtual Local Area Networks) 是一种用于将物理网络逻辑分割成多个隔离的广播域的技术。它们主要运行在网络交换机 (network switches)（第 2 层设备）上，交换机负责实现 VLAN 配置。VLAN 由 IEEE 802.1Q 标准定义，并在数据链路层（第 2 层）运行。

• VLAN 运行的位置：
  • 在受管理交换机上：交换机维护 VLAN 数据库并处理流量分段。
  • 不在基础集线器 (hubs) 或非管理型交换机上，因为它们缺乏 VLAN 支持。
  • 可以扩展到路由器或三层交换机 (Layer 3 switches) 以进行 VLAN 间路由 (inter-VLAN routing)。
  • 默认情况下，VLAN 不在终端用户计算机上运行；计算机通过配置了特定 VLAN 的交换机端口连接到 VLAN。

VLAN 有助于提高安全性、减少广播流量并组织网络（例如，在同一物理基础设施上划分人力资源和财务等部门）。

帧是如何打标签的，以及何时打标签？

VLAN 标签 (Tagging) 为 Ethernet 帧添加一个 VLAN ID (VID)，以识别它们所属的 VLAN。这是使用 IEEE 802.1Q 协议完成的，该协议在帧头的源 MAC 地址之后插入一个 4 字节的标签（称为 802.1Q 标签或 VLAN 标签）。

• 帧如何打标签：
  • 标签包括：
    • 标签协议标识符 (TPID)：一个 2 字节字段，设置为 0x8100 以表明这是一个 802.1Q 标签。
    • 标签控制信息 (TCI)：一个 2 字节字段，包含：
      • 优先级代码点 (PCP)：3 位用于 QoS 优先级 (0-7)。
      • 丢弃资格指示器 (DEI)：1 位用于拥塞处理。
      • VLAN ID (VID)：12 位，允许 4096 个可能的 VLAN（0-4095，其中 0 和 4095 为保留值）。
  • 这将帧大小从标准的 1518 字节增加到最高 1522 字节（如果支持，大号帧 jumbo frames 可以更大）。
  • 对于单一 VLAN 设置，打标签是可选的，但对于多 VLAN 环境则是必不可少的。
• 何时打标签：
  • 当帧需要经过 trunk link（在交换机之间或交换机与路由器之间传输多个 VLAN 流量的连接）时，会进行打标签。
  • 入站 (Ingress)：当一个未打标签的帧进入交换机上的 Access Port 时，交换机在内部转发或通过 Trunk 转发之前，会为其打上该端口配置的 VLAN ID 标签。
  • 出站 (Egress)：通过 Trunk 端口时，帧以带标签的形式发送。在 Access Port 上，标签在发送到终端设备之前会被移除。
  • 除非终端设备明确支持并请求打标签（例如通过兼容 802.1Q 的软件），否则不会在连接终端设备的 Access Port 上打标签。

计算机如何为帧打标签？

计算机（如 PC 等终端主机）通常本身不为帧打标签，因为大多数标准的网络接口卡 (NIC) 和操作系统处理的是未打标签的流量。但是，如果进行了相关配置，计算机也可以为帧打标签：

• 计算机打标签的要求：
  • 支持 VLAN 的 NIC：硬件必须支持 802.1Q（大多数现代 NIC 都支持）。
  • 软件配置：
    • 在 Windows 中：使用设备管理器在 NIC 属性中启用 VLAN 标签，或使用 PowerShell 命令如 Set-NetAdapterBinding。
    • 在 Linux 中：使用 vconfig（较旧）或 ip link 等工具创建 VLAN 子接口（例如 ip link add link eth0 name eth0.10 type vlan id 10）。
    • 在 macOS 中：通过系统偏好设置或 networksetup 命令。
  • 这在虚拟化环境（如 VMware、Hyper-V）或托管不同 VLAN 上多个虚拟机的服务器中很常见。
• 过程：
  • 计算机的操作系统或应用程序在发送数据时指定 VLAN ID。
  • NIC 在传输之前将 802.1Q 标签插入到帧中。
  • 对于标准台式机这很少见；它更多用于 VoIP 电话或服务器等高级设置。

如果计算机不打标签，连接的交换机端口（配置为 Access Port）将根据端口的默认 VLAN 添加标签。

计算机如何知道它的帧将进入某个 VLAN？

计算机通常不会固有的“知道”VLAN，因为 VLAN 是交换机层面的抽象。相反：

• 通过交换机端口配置确定：
  • Access Ports：分配给单个 VLAN。计算机发送未打标签的帧，交换机用该端口的 VLAN ID 为其打上标签。计算机并无察觉；它只看到一个标准的 Ethernet 连接。
  • Trunk Ports：允许通过多个 VLAN。如果计算机连接到 Trunk 并且支持打标签，它必须用正确的 VID 为自己的帧打标签；否则，帧可能会默认为 Native VLAN（Trunk 上未打标签的 VLAN）。
• 计算机如何学习或配置：
  • 通过手动配置：管理员在计算机上设置 VLAN 子接口。
  • 动态协议：如带有 VLAN 选项的 DHCP，或类似 MVRP (Multiple VLAN Registration Protocol) 的协议，但这些配置很高级，在终端主机上并不常见。
  • 在虚拟环境中：Hypervisors 将 VLAN 分配给虚拟 NIC。
  • 对于基本操作，计算机不需要“知道”这些；网络基础设施强制执行分段。如果配置错误，计算机的流量可能会进入错误的 VLAN 或被丢弃。

总之，VLAN 标签实现了不带加密的分段，侧重于逻辑隔离。为了安全起见，应将 VLAN 与其他措施（如 ACL 或加密协议，例如 IPsec）结合使用。

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