原创 车载以太网交换机入门基本功（2）— 初识VLAN

       在《交换机入门基本功 -上》提到，交换机在物理层面划分通信区域并产生局域网（Local Area Network, LAN）。局域网具有一个特点：连线拓扑一旦确定，一定时间内不会发生通信区域的变动。在实际通信过程中，广播报文和未知目的地址的单播报文，需要通知到所有设备。通信区域的大小，影响了这个过程中需要通知设备的多少。然而，对设备不加选择的广播会造成广播泛滥。交换机此时并不具备设备选择的功能，通信区域内的所有设备们此时别无选择，只能不断地被“打扰”（“i”设备表示：交换机这个“e人”好可怕，默默哭泣ㄒoㄒ~~）。而且，这种广播泛滥还会占用带宽，造成线路冲突和性能下降等问题，甚至可能造成网络瘫痪。

       要解决这个问题，一个简单的想法是：改变局域网内的连线拓扑，这是否可行呢？答案是有用，但不多。理由很简单，如果只需要偶尔改变连线拓扑，每次只改变一两个设备，那就只是几根网线的拔插工作。但如果需要频繁改变通信区域，或者存在多个通信区域、且每次涉及的设备很多呢？千手观音都得说：这活太累了……

图 1  “千手观音”哭泣

       聪明的小伙伴可能会想到，如果不改变物理连线，而是限制报文的传播路径，让它们只能在特定范围内进行转发呢？没错，天无绝人之路，既然改变不了物理世界，那就在虚拟世界里大展身手，就是虚拟局域网（Virtual Local  Area Network, VLAN）的来源！

       VLAN技术在逻辑层面上，将局域网划分成多个区域，每个区域是独立的广播域，区域内可以进行广播通信，区域间不能进行直接通信。这样，无需修改实际的连线拓扑，就可以快速划分和修改广播域，可操作性和应变能力大大增强。设想一下，你一边在小组群讨论小组作业怎么写，一边在宿舍群讨论晚上吃什么，要是两个群的信息可以互相看到，那岂不是乱了套？！这种分群讨论方式的好处还有：如果临时加入了一名小组成员，那么只需要把这个人拉到小组群里就可以继续讨论，并不会影响之前的工作，简直不要太方便！

       那么，小伙伴可能又要问了：这么方便的VLAN，究竟是用了什么“魔法”做到的呢？

       神秘的魔法就是：VLAN ID ，简称VID，即不同VLAN的编号。通过在报文内增加额外字段，标明报文的VID，说明报文要在哪个VLAN下进行传输。

VLAN报文结构

       携带VID的报文结构遵循IEEE的802.1Q协议。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）电气电子工程师学会，在电气及电子工程、计算机及其他技术领域做出卓越贡献，引领新技术发展步伐，制定国际和行业标准。802.1Q协议在MAC（Media Access Control）报文的基础上，定义了VLAN的标准化实现方案。

       首先介绍下不带VLAN的MAC报文，有两种格式，分别是IEEE 802.3在1982年颁布的格式，和以太网V2在1983年颁布的格式，二者只在部分字段有所区别，格式如图 2和图 3：

图 2 IEEE 802.3的MAC报文格式

图 3 以太网V2的MAC报文格式

       每个字段的含义如下：

• PRE：Preamble前导码，长度为8个字节（一个字节有8位bit），用于时间同步，通常是连续的“10”值。
• DA：Destination Address目的地址，长度为6个字节，表明该报文要发送到特定的MAC地址。
• SA：Source Address源地址，长度为6个字节，表明发送该报文的MAC地址。
• L/T：Length/Type，表明报文的长度/类型，长度2个字节；L长度字段取值在0-1500之间，T类型字段取值大于1536，1500-1536之间的取值未定义。T类型字段可表明的协议类型有IPv4、IPv6、ARP等。
• DATA：数据，长度在46-1500字节之间。
• FCS：Frame Check Sequence帧检测序列，使用CRC（Cyclic Redundancy Check）循环冗余校验算法，对包括DA、SA、L/T、DATA字段在内计算校验值，确保在传输过程中数据没有被篡改。

       进一步的，在上述MAC报文格式基础上，增加VLAN的说明字段。具体格式如图 4：

图 4 携带VLAN的MAC报文格式

       VLAN的说明字段介于SA和L/T之间，称之为Tag字段。Tag字段长度为4个字节，包括TPID和TCI两个部分：

• TPID：Tag Protocol Identifier，Tag协议标识位，该字段的位置和不带tag报文的L/T字段重合，用于区分报文是否携带tag。
• TCI：Tag Control Information，Tag控制信息，包含具体的VLAN控制信息。
  

       ​​​​​​​TCI字段又可分为三个部分：

• PCP：Priority Code Point优先级代码位，长度为3bit，表明报文在同个VLAN内的优先转发顺序，需要和交换机队列配合使用，后面会进行介绍。
• DEI：Drop Eligible Indicator丢弃使能位，长度为1bit，表明在传输过程中，如果数据过多影响传输效率，是否进行丢弃处理。取值为0表示不丢弃，1表示丢弃。
• VLAN ID：简称VID，长度为12bit，表明报文所属的VLAN，这也是前文提到的任意划分广播域的“魔法”！

       除了在报文内增加Tag字段表明报文所属的VLAN，还需要依赖交换机进行实际转发。其中，交换机的端口属性在VLAN转发过程中非常关键。在《交换机入门基本功-3》将介绍交换机端口属性以及具体的转发过程。

       经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术和工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。

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