車載以太網(wǎng)交換機(jī)入門(mén)基本功（2）— 初識(shí)VLAN

       在《交換機(jī)入門(mén)基本功 -上》提到，交換機(jī)在物理層面劃分通信區(qū)域并產(chǎn)生局域網(wǎng)（Local Area Network, LAN）。局域網(wǎng)具有一個(gè)特點(diǎn)：連線拓?fù)湟坏┐_定，一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生通信區(qū)域的變動(dòng)。在實(shí)際通信過(guò)程中，廣播報(bào)文和未知目的地址的單播報(bào)文，需要通知到所有設(shè)備。通信區(qū)域的大小，影響了這個(gè)過(guò)程中需要通知設(shè)備的多少。然而，對(duì)設(shè)備不加選擇的廣播會(huì)造成廣播泛濫。交換機(jī)此時(shí)并不具備設(shè)備選擇的功能，通信區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備們此時(shí)別無(wú)選擇，只能不斷地被“打擾”（“i”設(shè)備表示：交換機(jī)這個(gè)“e人”好可怕，默默哭泣ㄒoㄒ~~）。而且，這種廣播泛濫還會(huì)占用帶寬，造成線路沖突和性能下降等問(wèn)題，甚至可能造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

       要解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)簡(jiǎn)單的想法是：改變局域網(wǎng)內(nèi)的連線拓?fù)?，這是否可行呢？答案是有用，但不多。理由很簡(jiǎn)單，如果只需要偶爾改變連線拓?fù)?，每次只改變一兩個(gè)設(shè)備，那就只是幾根網(wǎng)線的拔插工作。但如果需要頻繁改變通信區(qū)域，或者存在多個(gè)通信區(qū)域、且每次涉及的設(shè)備很多呢？千手觀音都得說(shuō)：這活太累了……

圖 1  “千手觀音”哭泣

       聰明的小伙伴可能會(huì)想到，如果不改變物理連線，而是限制報(bào)文的傳播路徑，讓它們只能在特定范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)呢？沒(méi)錯(cuò)，天無(wú)絕人之路，既然改變不了物理世界，那就在虛擬世界里大展身手，就是虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local  Area Network, VLAN）的來(lái)源！

       VLAN技術(shù)在邏輯層面上，將局域網(wǎng)劃分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域是獨(dú)立的廣播域，區(qū)域內(nèi)可以進(jìn)行廣播通信，區(qū)域間不能進(jìn)行直接通信。這樣，無(wú)需修改實(shí)際的連線拓?fù)?，就可以快速劃分和修改廣播域，可操作性和應(yīng)變能力大大增強(qiáng)。設(shè)想一下，你一邊在小組群討論小組作業(yè)怎么寫(xiě)，一邊在宿舍群討論晚上吃什么，要是兩個(gè)群的信息可以互相看到，那豈不是亂了套？！這種分群討論方式的好處還有：如果臨時(shí)加入了一名小組成員，那么只需要把這個(gè)人拉到小組群里就可以繼續(xù)討論，并不會(huì)影響之前的工作，簡(jiǎn)直不要太方便！

       那么，小伙伴可能又要問(wèn)了：這么方便的VLAN，究竟是用了什么“魔法”做到的呢？

       神秘的魔法就是：VLAN ID ，簡(jiǎn)稱VID，即不同VLAN的編號(hào)。通過(guò)在報(bào)文內(nèi)增加額外字段，標(biāo)明報(bào)文的VID，說(shuō)明報(bào)文要在哪個(gè)VLAN下進(jìn)行傳輸。

VLAN報(bào)文結(jié)構(gòu)

       攜帶VID的報(bào)文結(jié)構(gòu)遵循IEEE的802.1Q協(xié)議。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）電氣電子工程師學(xué)會(huì)，在電氣及電子工程、計(jì)算機(jī)及其他技術(shù)領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，引領(lǐng)新技術(shù)發(fā)展步伐，制定國(guó)際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。802.1Q協(xié)議在MAC（Media Access Control）報(bào)文的基礎(chǔ)上，定義了VLAN的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)方案。

       首先介紹下不帶VLAN的MAC報(bào)文，有兩種格式，分別是IEEE 802.3在1982年頒布的格式，和以太網(wǎng)V2在1983年頒布的格式，二者只在部分字段有所區(qū)別，格式如圖 2和圖 3：

圖 2 IEEE 802.3的MAC報(bào)文格式

圖 3 以太網(wǎng)V2的MAC報(bào)文格式

       每個(gè)字段的含義如下：

• PRE：Preamble前導(dǎo)碼，長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)（一個(gè)字節(jié)有8位bit），用于時(shí)間同步，通常是連續(xù)的“10”值。

• DA：Destination Address目的地址，長(zhǎng)度為6個(gè)字節(jié)，表明該報(bào)文要發(fā)送到特定的MAC地址。

• SA：Source Address源地址，長(zhǎng)度為6個(gè)字節(jié)，表明發(fā)送該報(bào)文的MAC地址。

• L/T：Length/Type，表明報(bào)文的長(zhǎng)度/類型，長(zhǎng)度2個(gè)字節(jié)；L長(zhǎng)度字段取值在0-1500之間，T類型字段取值大于1536，1500-1536之間的取值未定義。T類型字段可表明的協(xié)議類型有IPv4、IPv6、ARP等。

• DATA：數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度在46-1500字節(jié)之間。

• FCS：Frame Check Sequence幀檢測(cè)序列，使用CRC（Cyclic Redundancy Check）循環(huán)冗余校驗(yàn)算法，對(duì)包括DA、SA、L/T、DATA字段在內(nèi)計(jì)算校驗(yàn)值，確保在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)沒(méi)有被篡改。

       進(jìn)一步的，在上述MAC報(bào)文格式基礎(chǔ)上，增加VLAN的說(shuō)明字段。具體格式如圖 4：

圖 4 攜帶VLAN的MAC報(bào)文格式

       VLAN的說(shuō)明字段介于SA和L/T之間，稱之為T(mén)ag字段。Tag字段長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)，包括TPID和TCI兩個(gè)部分：

• TPID：Tag Protocol Identifier，Tag協(xié)議標(biāo)識(shí)位，該字段的位置和不帶tag報(bào)文的L/T字段重合，用于區(qū)分報(bào)文是否攜帶tag。

• TCI：Tag Control Information，Tag控制信息，包含具體的VLAN控制信息。
  

       TCI字段又可分為三個(gè)部分：

• PCP：Priority Code Point優(yōu)先級(jí)代碼位，長(zhǎng)度為3bit，表明報(bào)文在同個(gè)VLAN內(nèi)的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)順序，需要和交換機(jī)隊(duì)列配合使用，后面會(huì)進(jìn)行介紹。

• DEI：Drop Eligible Indicator丟棄使能位，長(zhǎng)度為1bit，表明在傳輸過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)過(guò)多影響傳輸效率，是否進(jìn)行丟棄處理。取值為0表示不丟棄，1表示丟棄。

• VLAN ID：簡(jiǎn)稱VID，長(zhǎng)度為12bit，表明報(bào)文所屬的VLAN，這也是前文提到的任意劃分廣播域的“魔法”！

       除了在報(bào)文內(nèi)增加Tag字段表明報(bào)文所屬的VLAN，還需要依賴交換機(jī)進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)。其中，交換機(jī)的端口屬性在VLAN轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中非常關(guān)鍵。在《交換機(jī)入門(mén)基本功-3》將介紹交換機(jī)端口屬性以及具體的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。

       經(jīng)緯恒潤(rùn)作為OPEN聯(lián)盟會(huì)員和AUTOSAR聯(lián)盟的高級(jí)合作伙伴，長(zhǎng)期為國(guó)內(nèi)外各大OEM和供應(yīng)商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和測(cè)試咨詢服務(wù)，積極研發(fā)和探索車載網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)和工程應(yīng)用。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已建立了高質(zhì)量、本土化的設(shè)計(jì)與測(cè)試一體化解決方案，為整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供可靠支持。

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