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IEEE802.1Q VLAN简介

IEEE 802.1Q所附加的VLAN识别信息，位于数据帧中“发送源MAC地址”与“类别域”(Type Field)之间。具体内容为2字节的TPID(Tag Protocol IDentifier)和2字节的TCI(Tag Control Information)，共计4字节。

在数据帧中添加了4字节的内容，那么CRC值自然也会有所变化。这时数据帧上的CRC是插入TPID、TCI后，对包括它们在内的整个数据帧重新计算后所得的值。

而当数据帧离开汇聚链路时，TPID和TCI会被去除，这时还会进行一次CRC的重新计算。

TPID字段在以太网报文中所处位置与不带VLAN Tag的报文中协议类型字段所处位置相同。TPID的值固定为0x8100，它标示网络帧承载的802.1Q类型，交换机通过它来确定数据帧内附加了基于IEEE 802.1Q的VLAN信息。而实质上的VLAN ID，是TCI中的12位元。由于总共有12位，因此最多可供识别4096个VLAN。

基于IEEE 802.1Q附加的VLAN信息，就像在传递物品时附加的标签。因此，它也被称作“标签型VLAN”(Tagging VLAN)。

PVID和VID

交换机中的VID(VLAN ID)很好理解，它是用于标记VLAN的，VID相同的端口属于同一个VLAN，可以相互通信。

PVID(Port VLAN ID)的作用就是当一个不带tag的包进来，交换机就将PVID作为VLAN ID来标记此数据包，然后转发到对应的端口上去。

Access和Trunk

Access(访问口)通常用于连接普通客户端的，只属于一个VLAN，且仅向该VLAN转发数据帧。

Trunk(汇聚口)通常用于交换机之间的连接，它同时属于交换机上所有的VLAN,能够转发所有VLAN的数据包。

注： 这里有一片文章对VLAN做了详细介绍：VLAN原理详解

VLAN在Linux中的实现

和网桥一样，Linux中的VLAN是一种虚拟设备。他需要绑定一个真实网卡才能完成实际的数据发送和接收。

我们知道上层协议通过调用ndo_start_xmit函数接口来调用网卡驱动发送数据，所以上层协议首先调用VLAN虚拟设备的ndo_start_xmit函数接口，

然后在VLAN虚拟设备中将数据包打上tag。随后调用绑定的真实设备来完成数据包的实际发送。一个真实的物理网卡可以承载多个VLAN虚拟设备，

此时这个真实网卡就是trunk端口了。

VLAN设备的创建

Linux中可以使用vconfig命令来添加VLAN设备，当创建一个新的VLAN设备时通过vlan_ioctl_handler调用register_vlan_device函数来完成VLAN设备的创建(net/8021q/vlan.c)：

在register_vlan_device函数中首先检查要需要绑定的物理网卡是否支持VLAN，然后设置VLAN虚拟网卡的名字(例如：eth0.5 表示绑定的物理设备是eth0，VLAN ID是5)

接着初始化VLAN虚拟设备的struct net_device结构体，最后将VLAN虚拟设备注册进内核，使之可以被内核协议栈识别。

static int register_vlan_device(struct net_device *real_dev, u16 vlan_id)
{
struct net_device *new_dev;
struct net *net = dev_net(real_dev);
struct vlan_net *vn = net_generic(net, vlan_net_id);
char name[IFNAMSIZ];
int err;
if (vlan_id >= VLAN_VID_MASK)
return -ERANGE;
/* 检查物理网卡是否支持VLAN操作 */
err = vlan_check_real_dev(real_dev, vlan_id);
if (err < 0)
return err;
/* Gotta set up the fields for the device.
* 设置VLAN虚拟设备的名字
*/
switch (vn->name_type) {
case VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID:
/* name will look like: eth1.0005 */
snprintf(name, IFNAMSIZ, "%s.%.4i", real_dev->name, vlan_id);
break;
case VLAN_NAME_TYPE_PLUS_VID_NO_PAD:
/* Put our vlan.VID in the name.
* Name will look like: vlan5
*/
snprintf(name, IFNAMSIZ, "vlan%i", vlan_id);
break;
case VLAN_NAME_TYPE_RAW_PLUS_VID_NO_PAD:
/* Put our vlan.VID in the name.
* Name will look like: eth0.5
*/
snprintf(name, IFNAMSIZ, "%s.%i", real_dev->name, vlan_id);
break;
case VLAN_NAME_TYPE_PLUS_VID:
/* Put our vlan.VID in the name.
* Name will look like: vlan0005
*/
default:
snprintf(name, IFNAMSIZ, "vlan%.4i", vlan_id);
}
/* 分配并初始化VLAN虚拟设备的struct net_device结构体 */
new_dev = alloc_netdev_mq(sizeof(struct vlan_dev_info), name,
vlan_setup, real_dev->num_tx_queues);
if (new_dev == NULL)
return -ENOBUFS;
new_dev->real_num_tx_queues = real_dev->real_num_tx_queues;
dev_net_set(new_dev, net);
/* need 4 bytes for extra VLAN header info,
* hope the underlying device can handle it.
*/
new_dev->mtu = real_dev->mtu;
vlan_dev_info(new_dev)->vlan_id = vlan_id;
vlan_dev_info(new_dev)->real_dev = real_dev;
vlan_dev_info(new_dev)->dent = NULL;
vlan_dev_info(new_dev)->flags = VLAN_FLAG_REORDER_HDR;
new_dev->rtnl_link_ops = &vlan_link_ops;
/* 将VLAN虚拟设备注册进内核 */
err = register_vlan_dev(new_dev);
if (err < 0)
goto out_free_newdev;
return 0;
out_free_newdev:
free_netdev(new_dev);
return err;
}
VLAN的数据发送
当有数据需要通过VLAN虚拟设备发送时，上层协议通过调用ndo_start_xmit函数接口进入到VLAN虚拟设备的vlan_dev_hard_start_xmit函数中去，
VLAN虚拟设备的net_device_ops结构体定义在net/8021q/vlan_dev.c文件中，在vlan_setup函数中赋值给新添加的VLAN虚拟设备。
vlan_dev_hard_start_xmit函数的功能非常简单，首先判断数据包是否需要打上tag，如果需要则将数据包添加上tag。
然后将数据包发送设备设置为物理设备，最后再次将数据包加入到发送队列中去。
static netdev_tx_t vlan_dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb,
struct net_device *dev)
{
int i = skb_get_queue_mapping(skb);
struct netdev_queue *txq = netdev_get_tx_queue(dev, i);
struct vlan_ethhdr *veth = (struct vlan_ethhdr *)(skb->data);
unsigned int len;
int ret;
/* Handle non-VLAN frames if they are sent to us, for example by DHCP.
* 判断数据包是否需要打上tag，如果需要则将数据包添加上tag
* NOTE: THIS ASSUMES DIX ETHERNET, SPECIFICALLY NOT SUPPORTING
* OTHER THINGS LIKE FDDI/TokenRing/802.3 SNAPs...
*/
if (veth->h_vlan_proto != htons(ETH_P_8021Q) ||
vlan_dev_info(dev)->flags & VLAN_FLAG_REORDER_HDR) {
unsigned int orig_headroom = skb_headroom(skb);
u16 vlan_tci;
vlan_dev_info(dev)->cnt_encap_on_xmit++;
vlan_tci = vlan_dev_info(dev)->vlan_id;
vlan_tci |= vlan_dev_get_egress_qos_mask(dev, skb);
skb = __vlan_put_tag(skb, vlan_tci);
if (!skb) {
txq->tx_dropped++;
return NETDEV_TX_OK;
}
if (orig_headroom < VLAN_HLEN)
vlan_dev_info(dev)->cnt_inc_headroom_on_tx++;
}
/* 将数据包发送设备设置为物理设备 */
skb_set_dev(skb, vlan_dev_info(dev)->real_dev);
len = skb->len;
/* 再次将数据包加入到发送队列中去 */
ret = dev_queue_xmit(skb);
if (likely(ret == NET_XMIT_SUCCESS || ret == NET_XMIT_CN)) {
txq->tx_packets++;
txq->tx_bytes += len;
} else
txq->tx_dropped++;
return ret;
}
VLAN的数据接收
内核协议栈对于VLAN数据包的处理和其他协议一样，VLAN模块首先向内核注册了一个和IP协议同等的ETH_P_8021Q(0x8100)协议(net/8021q/vlan.c)：
static struct packet_type vlan_packet_type __read_mostly = {
.type = cpu_to_be16(ETH_P_8021Q),
.func = vlan_skb_recv, /* VLAN receive method */
};
所以在__netif_receive_skb函数中VLAN协议的处理和其他协议一样：首先识别协议号，然后根据协议号找到对应的协议处理函数。
如果是VLAN协议则会调用vlan_skb_recv函数。此函数的主要作用是数据包统计，然后去除tag最后将数据包重新放入数据包接收队列中。
int vlan_skb_recv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,
struct packet_type *ptype, struct net_device *orig_dev)
{
struct vlan_hdr *vhdr;
struct vlan_rx_stats *rx_stats;
struct net_device *vlan_dev;
u16 vlan_id;
u16 vlan_tci;
skb = skb_share_check(skb, GFP_ATOMIC);
if (skb == NULL)
goto err_free;
if (unlikely(!pskb_may_pull(skb, VLAN_HLEN)))
goto err_free;
vhdr = (struct vlan_hdr *)skb->data;
vlan_tci = ntohs(vhdr->h_vlan_TCI);
vlan_id = vlan_tci & VLAN_VID_MASK;
rcu_read_lock();
vlan_dev = __find_vlan_dev(dev, vlan_id);
/* If the VLAN device is defined, we use it.
* If not, and the VID is 0, it is a 802.1p packet (not
* really a VLAN), so we will just netif_rx it later to the
* original interface, but with the skb->proto set to the
* wrapped proto: we do nothing here.
* 数据包数量统计
*/
if (!vlan_dev) {
if (vlan_id) {
pr_debug("%s: ERROR: No net_device for VID: %u on dev: %s\n",
__func__, vlan_id, dev->name);
goto err_unlock;
}
rx_stats = NULL;
} else {
skb->dev = vlan_dev;
rx_stats = per_cpu_ptr(vlan_dev_info(skb->dev)->vlan_rx_stats,
smp_processor_id());
u64_stats_update_begin(&rx_stats->syncp);
rx_stats->rx_packets++;
rx_stats->rx_bytes += skb->len;
skb->priority = vlan_get_ingress_priority(skb->dev, vlan_tci);
pr_debug("%s: priority: %u for TCI: %hu\n",
__func__, skb->priority, vlan_tci);
switch (skb->pkt_type) {
case PACKET_BROADCAST:
/* Yeah, stats collect these together.. */
/* stats->broadcast ++; // no such counter :-( */
break;
case PACKET_MULTICAST:
rx_stats->rx_multicast++;
break;
case PACKET_OTHERHOST:
/* Our lower layer thinks this is not local, let's make
* sure.
* This allows the VLAN to have a different MAC than the
* underlying device, and still route correctly.
*/
if (!compare_ether_addr(eth_hdr(skb)->h_dest,
skb->dev->dev_addr))
skb->pkt_type = PACKET_HOST;
break;
default:
break;
}
u64_stats_update_end(&rx_stats->syncp);
}
/* 重新计算数据包的 checksum 值 */
skb_pull_rcsum(skb, VLAN_HLEN);
vlan_set_encap_proto(skb, vhdr);
if (vlan_dev) {
/* 取出VLAN tag */
skb = vlan_check_reorder_header(skb);
if (!skb) {
rx_stats->rx_errors++;
goto err_unlock;
}
}
/* 将数据包重新放入数据包接收队列中 */
netif_rx(skb);
rcu_read_unlock();
return NET_RX_SUCCESS;
err_unlock:
rcu_read_unlock();
err_free:
kfree_skb(skb);
return NET_RX_DROP;
}

参考

基于Linux-2.6.36内核分析