计算机网络自顶向下方法50——链路层虚拟局域网链路虚拟化：网络作为链路层（多协议标签交换）

虚拟局域网：在物理网络上划出逻辑"隔离区"

一、VLAN 解决了什么问题？

在传统的交换式局域网中，所有设备都处于同一个广播域。

问题：当一台设备发送广播帧（如ARP请求）时，交换机会将其泛洪到所有端口。如果网络规模很大，大量的广播流量会浪费带宽和CPU资源，这被称为 "广播风暴" 的风险。
缺乏逻辑分组：物理位置不同的设备，即使属于同一个项目组，也无法被简单地划分到同一个逻辑网络中，只能通过复杂的路由器配置来实现。

VLAN的核心思想就是：在同一个物理交换机基础设施上，创建多个 逻辑上独立的、隔离的局域网**。**

二、VLAN 是如何工作的？

1. 基于端口的VLAN

这是最简单、最常见的VLAN类型。

机制：网络管理员手动配置交换机的每个端口，将其划分到某个特定的VLAN ID（如VLAN 10、VLAN 20）。
效果：一个端口只能属于一个VLAN。不同VLAN之间的流量，在二层（交换机层面）是完全隔离的，即使它们连接在同一台交换机上。

2. VLAN 的运作原理

下图清晰地展示了基于端口的VLAN如何实现逻辑隔离与跨物理交换机的扩展：

如图所示：

逻辑隔离 ：即使工程部的主机A和市场部的主机C都连接到同一台核心交换机上，因为它们属于不同的VLAN，它们之间无法直接二层通信。广播帧只会在自己的VLAN内泛洪。
跨物理交换机扩展 ：VLAN 10可以跨越多个交换机。连接两台交换机的链路需要配置为 Trunk 端口。

3. Trunk 端口与 VLAN 标签

Trunk 端口 ：属于所有VLAN，用于在交换机之间或交换机与路由器之间传输多个VLAN的流量。
IEEE 802.1Q 协议 ：这是实现Trunk的关键。当帧需要通过Trunk链路发送时，交换机会在原始的以太网帧的源MAC地址和类型字段之间插入一个4字节的802.1Q标签。
- 这个标签里包含了VLAN ID，用于告诉接收方交换机这个帧属于哪个VLAN。
- 接收方交换机看到标签后，将其移除，然后将原始帧转发到指定VLAN的对应端口。

三、VLAN 间的通信：需要路由器

由于VLAN是二层隔离的，不同VLAN之间的设备想要通信，必须通过网络层（第三层）。

解决方案 ：使用路由器或具备路由功能的三层交换机。
工作方式：
1. 每个VLAN对应一个独立的IP子网（例如，VLAN 10: 192.168.10.0/24, VLAN 20: 192.168.20.0/24）。
2. 路由器的接口（或三层交换机的虚拟接口）会配置这些子网的网关IP。
3. 当VLAN 10的主机想要与VLAN 20的主机通信时，它会将数据包发送到自己的网关（路由器）。
4. 路由器根据目标IP地址进行路由查询，然后将数据包从VLAN 20的接口路由回去。

四、VLAN 的巨大优势总结

广播控制：将大型的广播域划分为多个较小的部分，显著减少了网络中的广播流量，提升了性能和稳定性。
安全性与隔离：不同部门的流量被逻辑隔离。即使市场部的主机感染了病毒，它也很难传播到工程部的VLAN中。
简化管理：管理员可以根据逻辑组（如部门）而非物理位置来管理网络。添加、移动或更改用户所属的工作组变得非常简单，只需修改交换机端口的VLAN配置即可，无需改动物理线缆。
成本效益：无需为每个逻辑网络购买独立的物理交换机和布线。

总而言之，VLAN就像在一栋大的办公楼里用看不见的墙隔出了许多独立的办公室。大家共享同一套物理基础设施（大楼、走廊/Trunk），但每个办公室（VLAN）内部是独立和安全的，要去另一个办公室串门，就必须经过一个中心枢纽（路由器）。

链路虚拟化深度解析：多协议标签交换

MPLS 被设计用于解决本世纪初互联网核心路由器面临的一些性能和管理挑战。它本质上是一种在第二层（链路层）和第三层（网络层）之间工作的"2.5层"技术。

一、MPLS 的诞生：应对传统IP转发的挑战

在传统的IP网络中，每个路由器在转发每个数据包时，都需要：

解析IP头部。
执行最长前缀匹配 查找，这是一个相对复杂和耗时的操作。
将数据包转发到正确的出口。

这导致了两个问题：

性能瓶颈：LPM查找在软件中实现较慢，尽管有硬件（如TCAM）加速，但对于核心网络极高的流量来说仍是负担。
缺乏流量工程能力：IP路由协议（如OSPF）总是选择"最短路径"，导致某些链路拥塞，而其他链路空闲，网络管理员无法灵活地引导流量。

MPLS 通过 "标签交换" 的简单逻辑，巧妙地解决了这些问题。

二、MPLS 的核心工作机制

MPLS 的核心思想是为数据包贴上一个短的、固定长度的"标签"，后续路由器只需根据这个标签进行转发，而不再需要分析IP头部。

1. MPLS 标签

格式：一个32位的字段，插入在链路层帧头和网络层数据报之间，故称"2.5层"。

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|                Label                  |  Exp |S|       TTL     |
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- **Label**：20位，实际的标签值。
- **Exp**：3位，用于服务质量。
- **S**：1位，**栈底标识**。MPLS支持标签栈（多层标签），该位为1表示这是最后一个标签。
- **TTL**：8位，生存时间，与IP TTL作用相同。

2. MPLS 网络架构

标签交换路由器：网络中所有运行MPLS的路由器。
标签边缘路由器 ：位于MPLS网络边界的LSR。负责压入标签到进入MPLS网络的数据包，以及弹出离开MPLS网络的数据包的标签。
标签交换路径 ：一个源LSR为了将特定类别的数据包转发到特定出口LSR，而选择的一条路径。LSP本质上是单向的。

3. MPLS 转发过程：一个生动的例子

下图展示了一个数据包穿越MPLS网络时，其标签被交换的完整过程：

过程详解：

入口操作 ：当原始IP数据包到达MPLS网络的入口LER时，LER会根据数据包的特征（如目的IP前缀、QoS要求等）将其划分为一个 "转发等价类" ，并为其压入一个MPLS标签。这个操作相当于给数据包贴上了目的地"快递单"。
核心交换 ：带标签的数据包在MPLS网络的核心LSR中传输。每个核心LSR仅根据入标签 在其 "标签信息库" 中进行查找。LFIB中存放的是 {入标签，入接口} -> {出标签，出接口} 的映射。LSR将入标签交换为出标签，然后将数据包从指定接口转发出去。这个过程无需进行IP路由查找，速度极快。
出口操作 ：当数据包到达出口LER时，LER弹出（移除）MPLS标签，恢复原始IP数据包，然后通过传统的IP路由方式，将其最终交付给目的主机。

三、MPLS 的显著优势

高效的转发性能：基于固定长度标签的精确匹配查找，远比基于IP地址的最长前缀匹配要快，降低了路由器开销。
显式的流量工程 ：这是MPLS的杀手级应用。网络管理员可以手动指定或通过协议计算一条穿越网络的非最短路径。这允许：
- 负载均衡：将流量从拥塞的最短路径分流到空闲的非最短路径上。
- 满足特定QoS需求：为语音或视频流量选择低延迟、低抖动的路径。
虚拟专用网服务 ：服务提供商可以利用MPLS，在一张物理网络上为多个企业客户创建相互隔离的、安全的 "MPLS VPN" 。每个客户的VPN路由信息完全独立。
协议无关性：MPLS可以承载多种网络层协议（不仅是IP，也可以是IPv6、IPX等），这也是其名称"多协议"的由来。

四、MPLS 与现代网络

尽管如今硬件性能大幅提升，纯IP转发的速度已不是问题，但MPLS并未过时。

流量工程 和 MPLS VPN 依然是其在大型服务提供商和企业骨干网中广泛应用的主要原因。
SDN的互补：MPLS可以被视为一种早期的、专门化的SDN形式。现代SDN控制器可以通过协议（如RSVP-TE或BGP）动态地建立LSP，实现对MPLS网络的集中控制和编程。

总结来说，MPLS通过在其上运行的IP网络之上创建了一个"覆盖网络"，将复杂的路由决策推至网络边缘（LER），而在网络核心使用简单快速的标签交换。它成功地虚拟化了底层物理链路，为网络运营商提供了前所未有的性能控制能力和服务创造灵活性。

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