以太网基础：为什么要为节点分配VLAN呢？

以太网的开发中，有时需要为节点分配VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）。但是，为什么要为节点分配VLAN呢？本文针对这个话题展开讨论。除此之外，文末给出Lwip（Light weight IP）+TC3xx VLAN实现的源码及注意事项。

划分VLAN场景

事物的出现，总有其合理性（即：存在即合理），所以，VLAN也有其出现的原因。先看这样一个工程场景：某个控制器（eg：ECU1）启动时，向交换机（Switch）发送ARP Broadcast，以便于获取目标节点MAC（Media Access Control）地址。由于是广播帧，交换机收到该帧后，转发给所有Port（不包括接收Port），也就是我们常说的泛洪（Flooding），如下所示：

如果网络范围进一步扩大，即：多个Switch连接时，该帧ARP传播的范围会进一步扩大，如下所示：

节点发送ARP的目的是为了获取目标节点的MAC地址，以便于通信。但是，这样的动作却要把信息传遍整个网络，如此，将增加网络负担。如上，只是讨论ARP广播的例子，实际工程中，类似场景还有很多：SOME/IP中的服务发现、未知单播帧的转发等。

所以，面对这些工程场景，应该如何降低网络带宽负载呢？答：可以通过VLAN技术，分割广播域，将信息的传播限定到一定范围。

VLAN划分原理

（一）VLAN格式

相比没有VLAN的以太网帧，包含VLAN的以太网帧多4 Byte（VLAN Tag），具体位置如下所示：

VLAN Tag包含TPID（Tag Protocol Identifier，标签协议标识符）和TCI（Tag Control Information，数据帧控制信息）两个部分，如下所示：

各参数解释如下：

TPID：表示数据帧类型，0x8100 表示 IEEE 802.1Q 帧（C-VLAN），0x88A8表示S-VLAN；

PCP：Priority Code Point（3 bits），表示数据帧优先级，数值越大，优先级越高；

DEI：Drop eligible indicator（1 bit），丢弃资格标识符，表示 MAC 地址封装是否符合规范格式；

CFI：Canonical Format Indicator（1 bit），标准格式标识符；

VID：VLAN identifier（12 bits），表示帧所属的VLAN。取值范围：0~4095。

（二）VLAN分割广播域原理

根据项目的实际情况，可以划分不同ECU组，之后，为每组ECU分配一个VID。比如：ECU1、ECU2划分到VID = 0x0A组，ECU2、ECU3划分到VID = 0x0B组，如下所示：

当某个节点（eg：ECU1）发送ARP Broadcast报文时，该广播帧只能在相同VID（eg：VID=0x0A）的域内传播，非相关的VID组则不受影响，如下所示：

如此，即限定了消息传播的范围，同时，也降低了总线带宽的消耗。

VLAN分组方式有多种：基于端口（Port）划分、基于协议（Protocol）划分、基于MAC地址划分、基于IP地址划分等。

Lwip+TC3xx的VLAN实现细节

开源的Lwip虽然是不错的Ethernet学习资料，但是，这并不意味着使用Lwip会一帆风顺。利用Lwip实现VLAN过程中，需要注意以下几点：

（一）netif.c修改

在netif.c的ifx_netif_input()接口中，需要添加ETHTYPE_VLAN，即：接收含有VLAN的以太网帧，修改如下所示：

err_t ifx_netif_input(netif_t *netif)
{
    ......


    switch (htons(ethhdr->type))
    {
    /* IP or ARP packet? */
    case ETHTYPE_IP:
    case ETHTYPE_ARP:
    case ETHTYPE_VLAN:
    ......

（二）发送VLAN设置

IfxGeth_Eth.c中，本文在接口IfxGeth_Eth_configureMacCore()中添加如下代码，设置VID=0x0A，如下所示：

void IfxGeth_Eth_configureMacCore(IfxGeth_Eth *geth, IfxGeth_Eth_MacConfig *macConfig)
{
   ...
    /* Set Send Vlan */
IfxGeth_mac_writeQueueVlanTag(geth->gethSFR,IfxGeth_MtlQueue_0,0x0A);
   ...
}

IfxGeth_Eth_configureMacCore()接口的具体实现如下所示：

boolean IfxGeth_mac_writeQueueVlanTag(Ifx_GETH *gethSFR, IfxGeth_MtlQueue queueId, uint16 vLanTag)
{
    Ifx_GETH_MAC_VLAN_INCL vlan_incl;


    if (gethSFR->MAC_VLAN_INCL.B.BUSY)
    {
        return FALSE;
    }
    /* VLAN Tag Control in Transmit Packets */
    vlan_incl.B.VLC          = 2;


    vlan_incl.B.RDWR         = 1;
    vlan_incl.B.CSVL         = 0;
    vlan_incl.B.VLT          = vLanTag;
    vlan_incl.B.ADDR         = queueId;


    gethSFR->MAC_VLAN_INCL.U = vlan_incl.U;


    // Wait until operation is finished
    while (gethSFR->MAC_VLAN_INCL.B.BUSY)
    {}


    return TRUE;
}

（三）含VLAN通信数据流

包含VLAN（VID = 0x0A）的通信数据流如下所示：

审核编辑：刘清