网络设备硬核技术内幕 交换机篇 6 从冲灵剑法到思过崖

上回说到，令狐冲通过设计CLOS架构的交换机，把交换机的端口扩展能力大大增加，最高可以支撑数百个接口。

CLOS架构的名字来源于发明这种网络交换方式的科学家Clarles Clos。CLOS交换网的示意图如下：

每个线卡的上行流量均匀分配到多个交换网，任意两个线卡之间的流量，都要通过所有交换网进行转发。

CLOS交换也有包交换与信元交换的区别，这个是后话了。

我们很容易可以得出，如果每个交换网Fabric具有M条Higig总线的无阻塞交换能力，而线卡具有N条上行Higig总线，那么，整网最多可以支持通过N个交换网板支持M张线卡，总交换容量为M x N x Higig速率。

当然，基于成本考虑，截止到2019年初，市场上公开销售的最大容量的交换机单机具有16张线卡，768个100G接口。这是哪一款呢？

话说，令狐冲设计出的正交CLOS架构交换机大大提升了交换机的扩展能力，但很快，大家发现，网络的工作效率并没有因此大幅度提升。

这是为什么呢？

让我们复习一下交换机工作的三条基本规则——

1. 交换机从一个接口收到数据报文的时候，根据目的MAC地址，匹配转发表项，找到目的接口并发送，同时，将数据包的源地址和入接口记录在转发表项数据库中；

2. 交换机如果找不到目的MAC地址所在的转发表项，(未知单播)则向除了入接口以外的每个接口复制一份这个数据包并发送(泛洪)；

3. 对于广播数据包和组播数据包，交换机也向除了入接口以外的每个接口复制一份这个数据包并发送(泛洪)。

我们发现了什么？

如果交换机构建的二层网络过大，如终端数到达1000个时，假设每个终端每秒钟发送1个需要泛洪的数据包，整网中每秒钟出现的泛洪数据包将达到999 x 999 = 998001个。

我们在开篇就学过，千兆网络每秒钟最多只能处理1488095个数据包。也就是说，当二层以太网足够大的时候，网络中大部分流量是泛洪数据包。这是大家无法接受的。

这是因为，交换机只隔离了冲突域(大家共享的线路)，而没有隔离广播域。广播域是BUM（广播 Broadcast &未知单播 Unknown-unicast & 组播 Multicast）包的泛洪范围，所有的BUM包均会在广播域内被复制到所有的接口，这会使得以太网通讯效率显著下降。

华山派考虑到二层交换机的这一缺陷，集合五岳剑派商议，终于制定出了在局域网标准上的一个补丁——802.1q，用以实现隔离广播域。

802.1q在二层数据包的二层包头和数据包净载荷之间插入了一个4字节的标签，被称为VLAN标签。如下图：

图中，0x8100是大家熟知的VLAN标志，紧随后面的是PRI优先级，CFI标准格式标志以及VLAN ID。VLAN ID的编号可以从1到4095。

在这里也请大家思考一个冷门问题，VLAN ID=0的数据包代表什么？它是在什么协议中用到？

VLAN这个词是Virtual LAN的缩写。有的同学问，为什么不是 Virtual Ethernet呢？

原来，VLAN不仅可以用于以太网，还可以用于WLAN(802.11)，令牌环(802.5)等其他局域网技术。

有了VLAN，实现了广播域隔离，可以将不同的用户组划分进不同的VLAN。交换机上最常见的VLAN划分是基于接口的，把不同接口分到不同VLAN。

华山派由于弟子众多，就将整个山寨划分为多个VLAN，多个VLAN之间通过一个路由器进行互通，一时VLAN内部通信效率大为提高，而由于华山地域甚广，不同VLAN之间往来不多，因此路由器也并不繁忙。

好景不长。林平之暗恋岳灵珊已久，对令狐冲心有嫉妒，找了个机会向岳不群进了谗言，岳不群将令狐冲派去思过崖。

令狐冲到了思过崖，发现思过崖与小师妹岳灵珊被分到了不同的VLAN，二人只能通过路由器传书。在路由器早晚繁忙时，情书往往被丢包。

而此时，林平之却与岳灵珊在同一个VLAN内无阻塞交换。

令狐冲不由悲从中来。

一日，令狐冲无心练剑，在思过崖前闷头发呆。突然，一位仙风道骨的老者见令狐冲魂不守舍，便走过去，问：

少侠为何沉思？

令狐冲倾诉了自己与小师妹之间被VLAN隔离之苦。

老者微微一笑：少侠，今夜三更，到思过崖后山洞见我！

欲知后事如何，请看下回分解。