Linux Bridge VLAN

一、Linux Bridge VLAN

（1）是什么？
Bridge 是什么
VLAN 是什么
LINUX BRIDGE VLAN又是什么？——>

（2）解决什么问题？【应用场景】
应用背景
已一个实际问题引出
【应用场景】：
【网络扩展】
随着企业的发展，其网络需求也在不断增长，可能需要将多个物理网络连接起来以扩展网络的规模和容量。
·解决方案：VLAN可以通过跨多个交换机或路由器的VLAN trunking技术来连接不同的物理网络，使它们在逻辑上形成一个统一的网络。这样，不同地理位置的设备可以被分配到同一个VLAN中，实现资源共享和统一管理，同时保持网络的逻辑隔离。

网络虚拟化背景：overlay

二、结合linux 内核特性对Linux Bridge 协议栈的介绍
（1）VLAN
【概念】
【背景】
Vlan最初的概念是应用与交换机中，并且由硬件来划分vlan。
【分类】
·单交换机实现VLAN——基于port的vlan
基于Port的VLAN属于静态VLAN,它是划分网络最简单,最有效和最常用的方法,下面将在单台交换机上配置静态VLAN,来实现两个网段的数据隔离,以下实验是一种网络拓扑中最简单的拓扑结构图,适合于小型办公网络,其实验拓扑图如下.

·基于Port VLAN：最传统的方法是基于port的vlan，即每个vlan虚拟网由一个vlan_id标示，并由一个vlan_mask来标示哪些port和它同处于一个vlan虚拟网。硬件支持，可以不需要vlan_head就能完成vlan功能。
·跨交换机实现VLAN——trunk口
在实际的工作环境中,只在一台交换机上实现VLAN是远远不够的,通常需要跨越多台交换机实现VLAN划分网段,思科交换机通过使用Trunk干道端口的方式实现多台交换机数据共享,并实现跨交换机上的同一个VLAN之间的数据通信,其拓扑结构图如下：

·承载多个vlan的port称为trunk口，它上面收发的数据包必须含有vlan_head，以识别该包是属于哪个vlan。

【缺点】
由前面Linux中vlan的实现可知，发往vlan设备的数据包都被打上vlan_head，而vlan设备接收到的数据包都默认为有vlan_head，并将其去除。这是符合trunk口的定义的。
总之Linux下的VLAN模型，是一套虚拟化的架构，它为了虚拟出vlan端口，做得比较臃肿。如果把上图中下方的switch设备用Linux来驱动，该怎么模型化这个设备，还要充分利用硬件的特性，实现高效的vlan。

【协议】-IEEE802.1Q标准
VLAN的工作原理是基于IEEE 802.1Q标准。该标准规定了VLAN的标识符（VLAN ID），它是一个16位的数字，范围从0到4095。每个VLAN都有一个唯一的VLAN ID，用于标识不同的VLAN。
【实现】
当一个数据包需要被发送到VLAN时，交换机（Switch）【交换机是基于linux的，linux中的802.1q模块就是支持VLAN的】会将该数据包加上VLAN标识符（VLAN ID）。然后，该数据包会被发送到指定的VLAN。只有具有相同VLAN ID的设备才能接收该数据包。

【优势】
VLAN 的主要优点是能提高网络的灵活性和安全性。
·通过使用 VLAN，网络管理员可以根据需要来划分网络，而不是受到物理布局的限制。
·此外，VLAN 可以防止不必要的广播流量，提高网络的效率。

【借鉴材料】
https://lpoyx.blog.csdn.net/article/details/138918775?spm=1001.2101.3001.6650.2&utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EBlogCommendFromBaidu%7ERate-2-138918775-blog-137021517.235%5Ev43%5Epc_blog_bottom_relevance_base4&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EBlogCommendFromBaidu%7ERate-2-138918775-blog-137021517.235%5Ev43%5Epc_blog_bottom_relevance_base4&utm_relevant_index=3

（2）Linux 网络设备
网络设备有3类：
·传统的网络设备，它们不需要依赖于其它设备而独自存在，如eth0、loopback等；
·VLAN网络设备，它需要依赖于一个宿主设备，若宿主设备没了，它是不能工作的；
vlan_dev的硬件地址必须和real_dev相同，这样，发往vlan_dev的数据包才能被实际的硬件设备接收到。
【发送流程】
发送流程会直接调用hard_dev_start_xmit()函数，该函数首先对skb作一系列检查，包括vlan的检查，然后调用skb->dev->ops->ndo_start_xmit()发送。
首先来看对vlan的检查，参见dev.c中的hard_dev_start_xmit(skb)函数，其实很简单，检查skb中的vlan标志，若有，则插入vlan_tag，并修改skb->proto=802.1q，最后去除skb中的vlan标志。skb中为什么会有vlan标志，因为上层选择vlan_dev后，根据它的priv_flags（见上一节）可知道它是一个vlan设备，因此给它打上一个vlan标志。

·Bridge网络设备，它也是虚拟的，它依赖于从设备。（有了从设备才构成了一座桥）
（3）Bridge

【vlan与vxlan的区别】
区别：

1. 范围：

   • VLAN：局限于本地交换机或同一交换机上，通常用于小范围的网络隔离。
   • VXLAN：可以跨越多个交换机或数据中心，扩展到更大的网络环境中。

2. 封装：

   • VLAN：直接在以太网帧中使用802.1Q标记。
   • VXLAN：使用UDP封装，将以太网帧封装在IP包中，通常使用UDP端口4789。

3. 网络标识：

   • VLAN：使用12位的VLAN ID，支持最多4096个VLAN。
   • VXLAN：使用24位的VNI（VXLAN Network Identifier），支持超过1600万个VXLAN网络。

4. 弹性：

   • VLAN：适合小规模和单个数据中心的网络。
   • VXLAN：适合大规模和跨数据中心的网络，提供更好的扩展性。

联系：

1. 网络分隔：两者都用于网络隔离和虚拟化，允许在同一物理网络中创建多个虚拟网络。

2. 互补：VXLAN可以在VLAN的基础上扩展，利用VXLAN在更广泛的网络范围内实施VLAN的逻辑分隔。

（4）Linux Bridge VLAN （虚拟交换机）
【应用场景】虚拟交换机主要使用在云环境中，在虚拟机之间、虚拟机和外部网络之间实现网络的连通。
【发送流程】
因此只有当br0设置IP地址时，Bridge才有可能将数据包发往上层协议栈。

【涉及到的实际产品】

硬件产品

企业网络设备

1.交换机和路由器：

网络交换机： 一些企业级网络交换机基于 Linux 开发，使用 Linux bridge 和 VLAN 技术来提供高性能的 VLAN 支持。这些设备可以通过 Linux bridge 配置 VLAN 以满足不同部门或业务单元的网络隔离需求。
软件路由器： 如 VyOS、pfsense（在 Linux 环境下），利用 Linux bridge VLAN 功能实现复杂的网络拓扑、流量管理和 VLAN 隔离。

2.家庭路由器：

一些基于 Linux 的家用路由器（如 OpenWrt、DD-WRT）使用 Linux bridge 和 VLAN 技术来实现多 VLAN 配置，以便将不同类型的设备（如 IoT 设备、工作设备）隔离到不同的网络中。

软件产品

防火墙和网络安全设备：

防火墙： 一些基于 Linux 的防火墙产品（如 iptables-based firewall）使用 Linux bridge VLAN 来管理流量分隔、VLAN 过滤和流量控制，提供增强的网络安全功能。

数据中心和云计算

**a. 数据中心网络管理：

网络分段： 在数据中心环境中，Linux bridge VLAN 用于实现网络分段，以提供不同客户或应用的网络隔离。通过 VLAN，可以在物理服务器上实现虚拟网络结构。
虚拟网络功能（NFV）： 网络功能虚拟化（NFV）中，Linux bridge VLAN 技术用于创建虚拟网络设备（如虚拟交换机、虚拟路由器）来支持灵活的网络配置。

私有云解决方案：

OpenStack： 在 OpenStack 环境中，网络服务（Neutron）可以利用 Linux bridge 和 VLAN 技术来配置和管理虚拟网络，为云中的虚拟机提供隔离的网络环境。

这些应用展示了 Linux bridge VLAN 技术在实际环境中的广泛使用，涵盖了从虚拟化、企业网络设备到数据中心和家庭网络的各种场景。通过灵活配置 VLAN 和网络桥接，用户可以实现网络流量隔离、管理和优化，以满足不同的网络需求。

以下是几种常见的企业网络设备，它们使用了 Linux bridge 和 VLAN 技术。这个表格包括了这些设备的名称、主要功能和特点、VLAN 支持的特性以及适用的场景。

设备特点说明：

• VyOS: 作为一个全面的开源网络操作系统，VyOS 提供了完整的路由、VPN、防火墙等功能，适用于中小型企业和网络虚拟化环境。

• pfSense: 提供强大的防火墙和路由功能，适用于企业级网络安全管理，支持复杂的 VLAN 配置。

• OpenWrt: 一个灵活的路由器固件，适用于家庭和小型办公室的网络配置。

• Cisco C8800 系列: 高性能企业交换机，适用于大型企业和数据中心环境，提供丰富的 VLAN 配置和管理功能。

• Juniper EX 系列: 可靠的企业级交换机，适用于需要高吞吐量和多层交换功能的大型企业和数据中心。

• Arista 7280R 系列: 数据中心专用的高性能交换机，支持高密度 VLAN 配置和流量管理。

• MikroTik CRS 系列: 提供高度可编程的交换机功能，适合需要灵活配置的中小型企业和教育机构。

• Ubiquiti EdgeSwitch: 性价比高的企业级交换机，适用于中小型企业和教育机构，支持基本的 VLAN 管理功能。

• Netgear ProSafe 系列: 适合预算有限的小型企业，提供基本的 VLAN 支持和管理功能。

这些设备的选择和配置将根据企业的网络需求、预算以及对性能的要求来决定。

三、LINUX BRIDGE VLAN 竞品介绍

华为:
AR500, AR510, AR531, AR550, AR1500, and AR2500 V200R010 CLI-based Configuration Guide - Ethernet Switching
H3C
H3C的S5120系列交换机
锐捷：
CISCO：
Arista：

中兴：web配置改为桥接后会激活 CPU 的临时软桥接，是传统的 linux bridge ，此时 hardware offload 不会介入，所有的数据包处理通过 CPU 转发

华硕ASUS：RT-AX53U