如图所示,Linux 里 802.1.q VLAN 设备是以母子关系成对出现的,母设备相当于现实世界中的交换机 TRUNK 口,用于连接上级网络,子设备相当于普通接口用于连接下级网络。当数据在母子设备间传递时,内核将会根据 802.1.q VLAN Tag 进行对应操作。母子设备之间是一对多的关系,一个母设备可以有多个子设备,一个子设备只有一个母设备。
当一个子设备有一包数据需要发送时,数据将被加入 VLAN Tag 然后从母设备发送出去。当母设备收到一包数据时,它将会分析其中的 VLAN Tag,如果有对应的子设备存在,则把数据转发到那个子设备上并根据设置移除 VLAN Tag,否则丢弃该数据。在某些设置下,VLAN Tag 可以不被移除以满足某些监听程序的需要,如 DHCP 服务程序。
举例说明如下:eth0 作为母设备创建一个 ID 为 100 的子设备 eth0.100。此时如果有程序要求从 eth0.100 发送一包数据,数据将被打上 VLAN 100 的 Tag 从 eth0 发送出去。如果 eth0 收到一包数据,VLAN Tag 是 100,数据将被转发到 eth0.100 上,并根据设置决定是否移除 VLAN Tag。如果 eth0 收到一包包含 VLAN Tag 101 的数据,其将被丢弃。
上述过程隐含以下事实:对于寄主 Linux 系统来说,母设备只能用来收数据,子设备只能用来发送数据。和 Bridge 一样,母子设备的数据也是有方向的,子设备收到的数据不会进入母设备,同样母设备上请求发送的数据不会被转到子设备上。可以把 VLAN 母子设备作为一个整体想象为现实世界中的 802.1.q 交换机,下级接口通过子设备连接到寄主 Linux 系统网络里,上级接口同过主设备连接到上级网络,当母设备是物理网卡时上级网络是外界真实网络,当母设备是另外一个 Linux 虚拟网络设备时上级网络仍然是寄主 Linux 系统网络。
需要注意的是母子 VLAN 设备拥有相同的 MAC 地址,可以把它当成现实世界中 802.1.q 交换机的 MAC,因此多个 VLAN 设备会共享一个 MAC。当一个母设备拥有多个 VLAN 子设备时,子设备之间是隔离的,不存在 Bridge 那样的交换转发关系,原因如下:802.1.q VLAN 协议的主要目的是从逻辑上隔离子网。
现实世界中的 802.1.q 交换机存在多个 VLAN,每个 VLAN 拥有多个端口,同一 VLAN 端口之间可以交换转发,不同 VLAN 端口之间隔离,所以其包含两层功能:交换与隔离。Linux VLAN device 实现的是隔离功能,没有交换功能。一个 VLAN 母设备不可能拥有两个相同 ID 的 VLAN 子设备,因此也就不可能出现数据交换情况。如果想让一个 VLAN 里接多个设备,就需要交换功能。在 Linux 里 Bridge 专门实现交换功能,因此将 VLAN 子设备 attach 到一个 Bridge 上就能完成后续的交换功能。总结起来,Bridge 加 VLAN device 能在功能层面完整模拟现实世界里的 802.1.q 交换机。
Linux 支持 VLAN 硬件加速,在安装有特定硬件情况下,图中所述内核处理过程可以被放到物理设备上完成
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