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车载以太网交换机入门基本功(2)— 初识VLAN

经纬恒润 2024-07-16 11:32 次阅读

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……

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:

wKgZomaV6S6AL2x1AABubwe4LoY096.png

图 2 IEEE 802.3的MAC报文格式

wKgZomaV6TSAXYT2AAB42kbRDUI329.png

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:

wKgaomaV6USAcrWLAABYFVpra0A189.png

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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