cs-note/hhs/NETWORK/02-链路层/05-VLAN与Trunk.md

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tags: [计算机网络, VLAN, 802.1Q, Trunk, Access端口]
create time: 2026-05-17 23:30
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# VLAN 与 Trunk

## 概述

VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）允许在一台物理交换机上创建多个逻辑隔离的广播域。它是现代数据中心和办公网络的基本组织单元。

> [!QUESTION] 为什么需要 VLAN？
> 一台万兆交换机的 MAC 表通常限制在几万条以内，加上广播泛洪带来的开销，单广播域超过 2000 台主机会显著降低性能。VLAN 将大网络划分为多个小广播域，就像在一栋大楼里用防火墙隔出多个独立办公室——同一楼层但互不干扰。

## IEEE 802.1Q Tag 结构

### 不带 VLAN 的 Ethernet II 帧

```
┌──────────┬──────────┬──────┬─────────────┬──────┐
│ Dest MAC │ Src MAC  │Type  │   Payload    │ FCS  │
│  6 bytes │  6 bytes │ 2B   │  46-1500 B   │ 4 B  │
│          │          │0x0800│              │      │
└──────────┴──────────┴──────┴─────────────┴──────┘
           ←── 14 ──→       ←──MTU──→     ←── 4 ──→
           Header                    Payload   Tail
```

### 带 802.1Q Tag 的帧

```
┌──────────┬──────────┬──────┬──────┬──────────┬─────────────┬──────┐
│ Dest MAC │ Src MAC  │ TPID │ TCI  │Org.EType │   Payload    │ FCS  │
│  6 bytes │  6 bytes │ 2B   │ 2B   │  2B      │  46-1500 B   │ 4 B  │
│          │          │0x8100│ VID  │ 0x0800   │              │      │
└──────────┴──────────┴──────┴──────┴──────────┴─────────────┴──────┘
           ←── 14 ──→ │←4 Tag→│ ←───── 4+MTU ─────→    ←── 4 ──→
                      ↑ 新增 4-byte Tag
```

> [!important] TPID 替换了 EtherType
> TPID（0x8100）**占据**了原帧中 EtherType 的位置，原 EtherType（如 0x0800）被后移到 TCI 之后、Payload 之前。交换机通过识别 TPID=0x8100 来判断这是一帧 802.1Q 标记帧。

### TCI (Tag Control Information) 位图

```
Bit 15-13         Bit 12        Bit 11-0
─────────────────────────────────────────
PCP (优先级)     |  DEI/CFI     |  VID (VLAN ID)
  (3 bits)       |  (1 bit)     |  (12 bits)
```

| 字段 | 大小 | 取值范围 | 说明 |
|------|------|---------|------|
| PCP | 3 bit | 0–7 | Priority Code Point，QoS 优先级（见下表） |
| DEI | 1 bit | 0 或 1 | Drop Eligible Indicator，指示该帧在拥塞时可被丢弃。在 802.1Q-2011 前称为 CFI（Canonical Format Indicator），传统以太网固定为 0 |
| VID | 12 bit | 0–4095 | VLAN Identifier，**实际可用 1–4094**（0 仅用于优先级帧，4095 保留） |

### PCP 优先级对照

| PCP | 用途 | 典型场景 |
|-----|------|---------|
| 1 | Background | 后台低优先级的备份任务 |
| 0 | Best Effort（默认） | 普通数据流量，**大多数业务的默认值** |
| 2 | Spare | 预留，可用于自定义业务 |
| 3 | Excellent Effort | 关键业务数据（如 ERP、数据库同步） |
| 4 | Video | 视频流（≤100ms 延迟要求） |
| 5 | Voice | 语音通话 VoIP（≤10ms 延迟，**流控标记**） |
| 6 | Internetwork Control | 路由协议等网络控制报文 |
| 7 | Network Control | STP、LLDP 等二层协议，**不能被丢弃** |

> [!question] 为什么 PCP 0（Best Effort）不是最低优先级？
> 这是 IEEE 802.1Q 历史遗留设计。PCP 1 的 "Background" 比默认更"低"，用于非紧急的大块传输（如备份），避免抢占默认业务的带宽。实际部署中 PCP 0 和 1 的区别不大，重点应关注 PCP 4–7。

## VLAN 端口类型

| 端口类型 | Access | Trunk | Hybrid（Huawei/H3C） |
|----------|--------|-------|---------------------|
| 允许 VLAN | 1 个（PVID） | 多个 | 多个（可配置） |
| 入栈标签 | 接收不带标签 → 打上 PVID | 所有到达的帧保持标签 | 根据配置决定 |
| 出栈标签 | 发送时剥离标签 | 发送时保留标签（除 PVID） | 按每 VLAN 配置 |
| 使用场景 | 接 PC/打印机/AP | 交换机互联、接路由器 | 灵活混合 |

### Access 端口示例

```mermaid
flowchart LR
    PC["PC (无标签帧)"] -->|"发裸帧"| A["Access Port<br/>PVID = 10"]
    A -->|"打上 Tag 10"| S["Switch 内部 VLAN 10 域"]
    S -->|"移除 Tag"| B["Access Port<br/>PVID = 10"]
    B -->|"发裸帧"| GW["网关 Router"]
    
    style A fill:#DDA0DD,color:#000
    style B fill:#DDA0DD,color:#000
```

> Access 端口对主机透明——主机看到的仍是普通以太网帧，完全不知道 VLAN 的存在。

### Trunk 端口示例

```mermaid
flowchart LR
    SW1["Switch A"] -->|"Trunk<br/>携带多个 VID"| SW2["Switch B"]
    
    Note over SW1,SW2: VLAN 10 流量: EtherType=0x8100, VID=10<br/>VLAN 20 流量: EtherType=0x8100, VID=20
    
    style SW1 fill:#98FB98,color:#000
    style SW2 fill:#98FB98,color:#000
```

## Native VLAN（本征 VLAN）

Trunk 端口上有一个特殊概念：**Native VLAN**，默认为 VLAN 1。

```mermaid
flowchart LR
    UH["不带标签的主机"] -->|"裸帧（无 Tag）"| TR["Trunk 端口"]
    TH["带 Tag 的主机"] -->|"Tag 帧（VID=10）"| TR
    TR -->|"识别为 Native VLAN"| NV["VLAN 1 域"]
    TR -->|"按 VID 转发"| V10["VLAN 10 域"]
    
    style NV fill:#FFD700,color:#000
    style V10 fill:#87CEEB,color:#000
```

**工作规则：**
- **入方向**：Trunk 端口收到**不带标签的帧**时，自动归入 Native VLAN
- **出方向**：属于 Native VLAN 的帧在发出时**剥离标签**（对端看到的是裸帧）

> [!warning] Native VLAN 必须两端一致
> 如果 Trunk 两端交换机的 Native VLAN 设置不一致（一端是 VLAN 1，另一端是 VLAN 2），会导致：
> 1. 流量被错误转发到非预期 VLAN
> 2. 成为 VLAN Hopping 攻击的入口（见下一节）

## Router-on-a-Stick（单臂路由）

当路由器只有一个物理接口时，可以通过子接口 + VLAN 实现多个 VLAN 间路由：

```
        VLAN 10              VLAN 20
    ┌──────────┐        ┌──────────┐
    │ 192.168.10.x /24 │    │ 192.168.20.x /24 │
    └──────┬───┘        └──────┬───┘
           │                   │
         Access              Access
           │                   │
    ┌──────┴───────────────────┴───┐
    │            Switch             │
    │   Trunk Port (eth0.10 & .20) │
    └──────┬───────────────────┬───┘
           │ 子接口 eth0.10    │ 子接口 eth0.20
           ▼                   ▼
    ┌─────────────────┐  ┌─────────────────┐
    │ Router            │  │ Router            │
    │ eth0.10: 192.168.10.1/24 │  │ eth0.20: 192.168.20.1/24 │
    └─────────────────┘  └─────────────────┘
```

> [!warning] 单臂路由的性能瓶颈
> 所有 VLAN 间的流量都经过同一个物理接口进出（先入后出），相当于**双倍带宽占用**。对于万兆环境，建议使用三层交换机做硬件 VLAN 间路由。

## 配置示例

### Linux Bridge 上的 VLAN

```bash
# 创建 vlan interface
ip link add link eth0 name eth0.10 type vlan id 10
ip link add link eth0 name eth0.20 type vlan id 20

# 设置 IP 并启用
ip addr add 192.168.10.1/24 dev eth0.10
ip addr add 192.168.20.1/24 dev eth0.20
ip link set eth0.10 up
ip link set eth0.20 up

# 查看
$ ip -d link show type vlan
4: eth0.10@eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 ...
    link/ether aa:bb:cc:dd:ee:ff brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    vlan protocol 802.1Q id 10 reassemble 0
```

### Docker 中利用 VLAN

> [!warning] Docker bridge 网络 ≠ VLAN
> `docker network create --driver bridge` 创建的是**隔离的 Linux 网桥**，不会在帧上打 802.1Q Tag。它在逻辑上类似"独立广播域"，但不是真正的 VLAN。
> 要让容器接入真实 VLAN，需使用 `macvlan` 或 `ipvlan` 驱动：

```yaml
# docker-compose.yml — 容器直接接入物理 VLAN
services:
  web-vlan10:
    image: nginx
    networks:
      office_net:
        ipv4_address: 192.168.10.10

  app-vlan20:
    image: app:latest
    networks:
      server_net:
        ipv4_address: 192.168.20.10

networks:
  office_net:
    driver: macvlan
    driver_opts:
      parent: eth0.10    # 宿主机 VLAN 子接口
    ipam:
      config:
        - subnet: 192.168.10.0/24
          gateway: 192.168.10.1
  server_net:
    driver: macvlan
    driver_opts:
      parent: eth0.20
    ipam:
      config:
        - subnet: 192.168.20.0/24
          gateway: 192.168.20.1
```

容器通过 macvlan 驱动直接收发带 802.1Q 标签的帧，与物理网络中的 VLAN 设备无缝互通。

## VLAN 边界与跨 Switch

```mermaid
sequenceDiagram
    participant SW1 as Switch-A
    participant Link as 交换机间链路
    participant SW2 as Switch-B
    
    SW1->>Link: Frame {EtherType:0x8100, VID:10}
    Note over Link: Trunk 链路保持 802.1Q Tag
    SW2->>SW2: 收到 → 识别 VID=10 → 在 VLAN 10 内转发
    SW2->>SW2: 查 MAC 表 → 仅从同 VLAN 端口发出
```

**核心要点：** VLAN 信息随 802.1Q Tag 穿过 Trunk 链路传递到下一台交换机。每台交换机根据自己的 VLAN 数据库独立处理。

## VLAN Hopping 攻击与防御

VLAN Hopping 是通过协议漏洞非法访问其他 VLAN 的二层攻击，主要有两种方式：

### 攻击一：Double Tagging（双标签攻击）

```mermaid
sequenceDiagram
    participant A as 攻击者 (VLAN 10)
    participant S as Switch
    participant V as VLAN 20 目标主机
    
    A->>S: 外层 Tag VID=1 (Native VLAN)<br/>内层 Tag VID=20 (目标 VLAN)
    S->>S: 剥离外层 Tag (Native VLAN=1)
    S->>V: 帧到达 VLAN 20！（内层 Tag 未被检查）
```

**原理**：攻击者发送双标签帧，外层使用 Native VLAN ID。Switch 剥离外层 Tag 后，内层 Tag 暴露，帧被转发到目标 VLAN。此攻击**单向**，且需要攻击者在 Native VLAN 中。

> [!important] 防御：将 Native VLAN 设为未使用的 VLAN（如 VLAN 999），并确认所有 Trunk 端口都显式允许所需的 VLAN（不要用 `allowed vlan all`）

### 攻击二：DTP 欺骗

若端口启用了 DTP（Dynamic Trunking Protocol），攻击者可伪装成交换机，诱使端口切换为 Trunk 模式，从而访问所有 VLAN。

**防御**：在所有接入端口上关闭 DTP 自动协商：
```bash
# Cisco: 关闭 DTP
switchport nonegotiate
# Huawei: 关闭自动协商
undo negotiation auto
```

## 最佳实践

| 项目 | 建议 |
|------|------|
| VLAN ID 分配 | 管理 VLAN=1（不建议，安全风险），业务 VLAN ≥ 10 |
| Native VLAN | 修改默认 native VLAN（避免用 1），防 VLAN Hopping |
| VLAN 数量 | 单台交换机支持最大 4094 个 VLAN |
| Inter-VLAN 路由 | >10 个 VLAN 用三层交换机而非单臂路由 |
| 安全 | 未使用的端口划入"黑洞 VLAN"（无 IP 段），**关闭 DTP**（Dynamic Trunking Protocol，Cisco 私有自动协商协议）|

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/02-链路层/01-Ethernet帧结构]] — 802.1Q Tag 的 TPID 替换了原始帧的 EtherType 位置
- [[hhs/NETWORK/02-链路层/04-Switch与路由器]] — Switch 如何基于 VLAN 隔离广播域
- [[hhs/NETWORK/02-链路层/03-MAC地址与广播域]] — VLAN 缩小了广播域的规模