以太網(wǎng)基礎(chǔ)：為什么要為節(jié)點分配VLAN呢？

以太網(wǎng)的開發(fā)中，有時需要為節(jié)點分配VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)）。但是，為什么要為節(jié)點分配VLAN呢？本文針對這個話題展開討論。除此之外，文末給出Lwip（Light weight IP）+TC3xx VLAN實現(xiàn)的源碼及注意事項。

劃分VLAN場景

事物的出現(xiàn)，總有其合理性（即：存在即合理），所以，VLAN也有其出現(xiàn)的原因。先看這樣一個工程場景：某個控制器（eg：ECU1）啟動時，向交換機（Switch）發(fā)送ARP Broadcast，以便于獲取目標節(jié)點MAC（Media Access Control）地址。由于是廣播幀，交換機收到該幀后，轉(zhuǎn)發(fā)給所有Port（不包括接收Port），也就是我們常說的泛洪（Flooding），如下所示：

如果網(wǎng)絡(luò)范圍進一步擴大，即：多個Switch連接時，該幀ARP傳播的范圍會進一步擴大，如下所示：

節(jié)點發(fā)送ARP的目的是為了獲取目標節(jié)點的MAC地址，以便于通信。但是，這樣的動作卻要把信息傳遍整個網(wǎng)絡(luò)，如此，將增加網(wǎng)絡(luò)負擔。如上，只是討論ARP廣播的例子，實際工程中，類似場景還有很多：SOME/IP中的服務發(fā)現(xiàn)、未知單播幀的轉(zhuǎn)發(fā)等。

所以，面對這些工程場景，應該如何降低網(wǎng)絡(luò)帶寬負載呢？答：可以通過VLAN技術(shù)，分割廣播域，將信息的傳播限定到一定范圍。

VLAN劃分原理

（一）VLAN格式

相比沒有VLAN的以太網(wǎng)幀，包含VLAN的以太網(wǎng)幀多4 Byte（VLAN Tag），具體位置如下所示：

VLAN Tag包含TPID（Tag Protocol Identifier，標簽協(xié)議標識符）和TCI（Tag Control Information，數(shù)據(jù)幀控制信息）兩個部分，如下所示：

各參數(shù)解釋如下：

TPID：表示數(shù)據(jù)幀類型，0x8100 表示 IEEE 802.1Q 幀（C-VLAN），0x88A8表示S-VLAN；

PCP：Priority Code Point（3 bits），表示數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級，數(shù)值越大，優(yōu)先級越高；

DEI：Drop eligible indicator（1 bit），丟棄資格標識符，表示 MAC 地址封裝是否符合規(guī)范格式；

CFI：Canonical Format Indicator（1 bit），標準格式標識符；

VID：VLAN identifier（12 bits），表示幀所屬的VLAN。取值范圍：0~4095。

（二）VLAN分割廣播域原理

根據(jù)項目的實際情況，可以劃分不同ECU組，之后，為每組ECU分配一個VID。比如：ECU1、ECU2劃分到VID = 0x0A組，ECU2、ECU3劃分到VID = 0x0B組，如下所示：

當某個節(jié)點（eg：ECU1）發(fā)送ARP Broadcast報文時，該廣播幀只能在相同VID（eg：VID=0x0A）的域內(nèi)傳播，非相關(guān)的VID組則不受影響，如下所示：

如此，即限定了消息傳播的范圍，同時，也降低了總線帶寬的消耗。

VLAN分組方式有多種：基于端口（Port）劃分、基于協(xié)議（Protocol）劃分、基于MAC地址劃分、基于IP地址劃分等。

Lwip+TC3xx的VLAN實現(xiàn)細節(jié)

開源的Lwip雖然是不錯的Ethernet學習資料，但是，這并不意味著使用Lwip會一帆風順。利用Lwip實現(xiàn)VLAN過程中，需要注意以下幾點：

（一）netif.c修改

在netif.c的ifx_netif_input()接口中，需要添加ETHTYPE_VLAN，即：接收含有VLAN的以太網(wǎng)幀，修改如下所示：

err_t ifx_netif_input(netif_t *netif)
{
    ......


    switch (htons(ethhdr->type))
    {
    /* IP or ARP packet? */
    case ETHTYPE_IP:
    case ETHTYPE_ARP:
    case ETHTYPE_VLAN:
    ......

（二）發(fā)送VLAN設(shè)置

IfxGeth_Eth.c中，本文在接口IfxGeth_Eth_configureMacCore()中添加如下代碼，設(shè)置VID=0x0A，如下所示：

void IfxGeth_Eth_configureMacCore(IfxGeth_Eth *geth, IfxGeth_Eth_MacConfig *macConfig)
{
   ...
    /* Set Send Vlan */
IfxGeth_mac_writeQueueVlanTag(geth->gethSFR,IfxGeth_MtlQueue_0,0x0A);
   ...
}

IfxGeth_Eth_configureMacCore()接口的具體實現(xiàn)如下所示：

boolean IfxGeth_mac_writeQueueVlanTag(Ifx_GETH *gethSFR, IfxGeth_MtlQueue queueId, uint16 vLanTag)
{
    Ifx_GETH_MAC_VLAN_INCL vlan_incl;


    if (gethSFR->MAC_VLAN_INCL.B.BUSY)
    {
        return FALSE;
    }
    /* VLAN Tag Control in Transmit Packets */
    vlan_incl.B.VLC          = 2;


    vlan_incl.B.RDWR         = 1;
    vlan_incl.B.CSVL         = 0;
    vlan_incl.B.VLT          = vLanTag;
    vlan_incl.B.ADDR         = queueId;


    gethSFR->MAC_VLAN_INCL.U = vlan_incl.U;


    // Wait until operation is finished
    while (gethSFR->MAC_VLAN_INCL.B.BUSY)
    {}


    return TRUE;
}

（三）含VLAN通信數(shù)據(jù)流

包含VLAN（VID = 0x0A）的通信數(shù)據(jù)流如下所示：

審核編輯：劉清