VLAN中tag技術(shù)的研究課程設(shè)計(jì)說明書

1 西南石油大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 完成日期 2010年 6 月 25 日 課 程 網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ) 題 目 VLAN 中 tag 技術(shù)的研究 院 系 電子信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 成 績 2 目 錄 摘 要 .3 Abstract 3 第一章 緒論 1.1 交換機(jī)二 層轉(zhuǎn)發(fā)原理 .4 1.1.1 MAC 地址介紹 .4 1.1.2 交換機(jī)二層轉(zhuǎn)發(fā)介紹 .4 1.2 VLAN 概述 4 1.3 Tag 技術(shù)介紹 .7 第二章 設(shè)計(jì)簡介及設(shè)計(jì)方案論述 . . . . .7 2.1 三次不同 VLAN 通信 .7 2.2 二層不同 VLAN 通信 7 第三章 詳細(xì)設(shè)計(jì) . .7 3.1 單臂路由實(shí)驗(yàn) .7 3.1 二層 VLAN 實(shí)驗(yàn) .9 第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 .9 4.1 單臂路由實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .9 4.2 二層 VLAN 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .12 總 結(jié) 15 參考文獻(xiàn) 15 3 摘 要 VLAN（ Virtual Local Area Network）即虛擬局域網(wǎng)，是一種通過將局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備邏輯地而不是物理地劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的新興技術(shù)。 IEEE 于 1999 年頒布了用以標(biāo)準(zhǔn)化 VLAN 實(shí)現(xiàn)方案的 802.1Q 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)草案。VLAN 技術(shù)允許網(wǎng)絡(luò)管理者將一個(gè)物理的 LAN 邏 輯地劃分成不同， 由于它是邏輯地而不是物理地劃分，所以同一個(gè) VLAN 內(nèi)的各個(gè)工作站無須被放置在同一個(gè)物理空間里，即這些工作站不一定屬于同一個(gè)物理 LAN 網(wǎng)段。 VLAN 是為解決以太網(wǎng)的廣播問題和安全性而提出的一種協(xié)議，它在以太網(wǎng)幀的基礎(chǔ)上增加了 VLAN頭， 即對不同 VLAN 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行打標(biāo)簽， 用 VLAN ID 把用戶劃分為更小的工作組，限制不同工作組間的用戶二層互訪 ，每個(gè)工作組就是一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。 VLAN 可以分離廣播域 現(xiàn)隔離廣播 ,能通過劃 VLAN 實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的隔離！要 實(shí)現(xiàn) 不同 VLAN 間通信 就需要 連 上 路由器（三 層交換機(jī)）來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，但能不能直接在二層交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)不同 VLAN 間通信呢 ？ 關(guān)鍵詞： VLAN ； 廣播域 ；路由器；打標(biāo)簽 Abstract Vlan （ virtual local area network ） the virtual lans, is a through the lan in physics and is not logically divided into segments in virtual one of the new technology. in 1999 to the ieee a vlan achieve standardization of 802. 1q standard of the draft protocol. vlan technology permits network managers will be a physical lan logically divided into different broadcast domains （ or a lan, vlan ） ， A vlan contains a set of requirements has the same computer workstations, and the physical a lan as a property. but as it is logical and physical, and not divide, therefore, the same vlan the station in the need to be placed in the same physical space, and the workstation does not necessarily belong to the same lan segment. the physical. Vlan is to solve the problem of the ethernet and security to an agreement, it is on the basis of the ethernet frame increased vlan, vlan to different transmission of data in a label, a vlan the user id divided into smaller groups, different groups of users during the second floor, each team is a virtual lans. Vlan to separate broadcast domains are isolated from the radio, you can pass through the implementation of separate vlan different! to achieve different vlan communication is needed between even on a router （ three layers of switches ） to forward packets to, but i can directly in the second floor of its exchanges between different vlan communications? Keywords ： vlan ； broadcast domains ； routers ； a label 4 第一章 緒論 1.1 交換機(jī)二層轉(zhuǎn)發(fā)原理 1.1.1 MAC 地址介紹 MAC 地址是 48 bit 二進(jìn)制的地址，如： 00-e0-fc-00-00-06。 可以分為單播地址、多播地址和廣播地址。 單播地址：第一字節(jié)最低位為 0，如： 00-e0-fc-00-00-06 多播地址：第一字節(jié)最低位為 1，如： 01-e0-fc-00-00-06 廣播地址： 48 位全 1，如： ff-ff-ff-ff-ff-ff 注意 ： 1）普通設(shè)備網(wǎng)卡或者路由器設(shè)備路由接口的 MAC 地址一定是單播的 MAC 地址才能保證其與其它設(shè)備的互通。 2） MAC 地址是一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是鏈路層功能實(shí)現(xiàn)的立足點(diǎn) 1.1.2 交換機(jī) 二層 轉(zhuǎn)發(fā)介紹 交換機(jī)二層的轉(zhuǎn)發(fā)特性，符合 802.1D 網(wǎng)橋協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 交換機(jī)的二層轉(zhuǎn)發(fā)涉及到兩個(gè)關(guān)鍵的線程 ：地址學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)； 學(xué)習(xí)線程如下： 1）交換機(jī)接收網(wǎng)段上的所有數(shù)據(jù)幀，利用接收數(shù)據(jù)幀中的源 MAC 地址來建立 MAC地址表； 2）端口移動(dòng)機(jī)制：交換機(jī)如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)包文的入端口和報(bào)文中源 MAC 地址的所在端口不同，就產(chǎn)生端口移動(dòng)，將 MAC 地址重新學(xué)習(xí)到新的端口； 3）地址老化機(jī)制： 如果交換機(jī)在很長一段時(shí)間之內(nèi)沒有收到某臺(tái)主機(jī)發(fā)出的報(bào)文，在該主機(jī)對應(yīng)的 MAC 地址就會(huì)被刪除，等下次報(bào)文來的時(shí)候會(huì)重新學(xué)習(xí)。 注意 ： 老化也是根據(jù)源 MAC 地址進(jìn)行老化。 數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā) : 1）交換機(jī)在 MAC 地址表中查找數(shù)據(jù)幀中的目的 MAC 地址，如果找到，就將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送到相應(yīng)的端口，如果找不到，就向所有的端口發(fā)送； 2）如果交換機(jī)收到的報(bào)文中源 MAC 地址和目的 MAC 地址所在的端口相同，則丟棄該報(bào)文； 3）交換機(jī)向入端口以外的其它所有端口轉(zhuǎn)發(fā)廣播報(bào)文 1.2 VLAN 概述 以太網(wǎng)是一種基于 CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，載波偵聽多路訪問 /沖突檢測）的共享通訊介質(zhì)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，當(dāng)主機(jī)數(shù)目較多時(shí)會(huì)導(dǎo)致沖突嚴(yán)重、廣播泛濫、性能顯著下降甚至使網(wǎng)絡(luò)不可用等問題。通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn) LAN互聯(lián)雖然可以解決沖突（ Collision）嚴(yán)重的問題，但仍然不能隔離廣播報(bào)文。在這種情況下出現(xiàn)了 VLAN 5 （ Virtual Local Area Network）技術(shù)，這種技術(shù)可以把一個(gè) LAN劃分成多個(gè)邏輯的LAN VLAN，每個(gè) VLAN是一個(gè)廣播域， VLAN內(nèi)的主機(jī)間通信就和在一個(gè) LAN內(nèi)一樣，而 VLAN間則不能直接互通，這樣 ，廣播報(bào)文被限制在一個(gè) VLAN內(nèi)，如圖 1所示。 圖 1 VLAN示意圖 VLAN的劃分不受物理位置的限制：不在同一物理位置范圍的主機(jī)可以屬于同一個(gè) VLAN；一個(gè) VLAN包含的用戶可以連接在同一個(gè)交換機(jī)上，也可以跨越交換機(jī)，甚至可以跨越路由器。 VLAN的優(yōu)點(diǎn)如下： 限制廣播域。廣播域被限制在一個(gè) VLAN內(nèi)，節(jié)省了帶寬，提高了網(wǎng)絡(luò)處理能力。 增強(qiáng)局域網(wǎng)的安全性。 VLAN間的二層報(bào)文是相互隔離的，即一個(gè) VLAN內(nèi)的用戶不能和其它 VLAN內(nèi)的用戶直接通信，如果不同 VLAN要進(jìn)行通信，則需 通過路由器或三層交換機(jī)等三層設(shè)備。 靈活構(gòu)建虛擬工作組。用 VLAN可以劃分不同的用戶到不同的工作組，同一工作組的用戶也不必局限于某一固定的物理范圍，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護(hù)更方便靈活。 6 VLAN原理 要使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠分辨不同 VLAN的報(bào)文，需要在報(bào)文中添加標(biāo)識(shí) VLAN的字段。由于普通交換機(jī)工作在第二層，只能對報(bào)文的數(shù)據(jù)鏈路層封裝進(jìn)行識(shí)別。因此，如果添加識(shí)別字段，也需要添加到數(shù)據(jù)鏈路層封裝中。 IEEE于 1999年頒布了用以標(biāo)準(zhǔn)化 VLAN實(shí)現(xiàn)方案的 IEEE 802.1Q協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)草案，對帶有 VLAN標(biāo) 識(shí)的報(bào)文結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定。 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀在目的 MAC地址和源 MAC地址之后封裝的是上層協(xié)議的類型字段，如圖 2所示。 圖 2 傳統(tǒng)以太網(wǎng)幀封裝格式 其中 DA表示目的 MAC地址， SA表示源 MAC地址， Type表示報(bào)文所屬協(xié)議類型。 IEEE 802.1Q協(xié)議規(guī)定在目的 MAC地址和源 MAC地址之后封裝 4個(gè)字節(jié)的 VLAN Tag，用以標(biāo)識(shí) VLAN的相關(guān)信息。 圖 3 VLAN Tag的組成字段 如圖 3所示， VLAN Tag包含四個(gè)字段，分別是 TPID、 Priority、 CFI和 VLAN ID。 TPID用來標(biāo)識(shí)本數(shù)據(jù)幀是帶有 VLAN Tag的數(shù)據(jù)，長度為 16bit，取值為 0x8100。 Priority表示報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，長度為 3bit， CFI字段標(biāo)識(shí) MAC地址在不同的傳輸介質(zhì)中是否以標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行封裝，在本章中不進(jìn)行具體描述，長度為 1bit。 VLAN ID標(biāo)識(shí)該報(bào)文所屬 VLAN的編號(hào)，長度為 12bit，取值范圍為 0 4095。由于 0和 4095為協(xié)議保留取值，所以 VLAN ID的取值范圍為 1 4094。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用 VLAN ID來識(shí)別報(bào)文所屬的 VLAN，根據(jù)報(bào)文是否攜帶 VLAN Tag以及攜帶的 VLAN Tag值，來對報(bào)文進(jìn)行處理。 7 1.3 Tag 技術(shù) 介紹 如果交換機(jī)支持劃分 VLAN，那么根據(jù) 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，在以太網(wǎng)幀首部中的源 MAC和類型字段之間再加上四字節(jié)的 VLAN識(shí)別信息，位于數(shù)據(jù)幀中 “發(fā)送源 MAC地址 ”與 “類別域（ Type Field） ”之間。具體內(nèi)容為 2字節(jié)的 TPID和 2字節(jié)的 TCI，共計(jì) 4字節(jié)。 在數(shù)據(jù)幀中添加了 4字節(jié)的內(nèi)容，那么 CRC值自然也會(huì)有所變化。這時(shí)數(shù)據(jù)幀上的 CRC是插入 TPID、 TCI后，對包括它們在內(nèi)的整個(gè)數(shù)據(jù)幀重新計(jì)算后所得的值。 而當(dāng)數(shù)據(jù)幀離開匯聚鏈路時(shí)， TPID和 TCI會(huì)被去除，這時(shí)還會(huì)進(jìn)行一次 CRC的重新計(jì)算。 TPID的值，固定為 0x8100。交換機(jī)通過 TPID，來確定數(shù)據(jù)幀內(nèi)附加了基于IEEE802.1Q的 VLAN信息。而實(shí)質(zhì)上的 VLAN ID，是 TCI中的 12位元。由于總共有 12位，因此最多可供識(shí)別 4096個(gè) VLAN。 基于 IEEE802.1Q附加的 VLAN信息，就像在傳遞物品時(shí)附加的標(biāo)簽。因此，它也被稱作 “標(biāo)簽型 VLAN（ Tagging VLAN） ”。 從上面可知道交 換機(jī)最多支持 4096個(gè) VLAN，實(shí)際使用的只有 4094個(gè)，范圍值為 1-4094， 0和 4096不被使用是保留的另作它用。 從問題上看，提問題的人應(yīng)該是考你 VLAN的個(gè)數(shù)，其實(shí)就是考你對加入以太網(wǎng)首部中那四個(gè)字節(jié) VLAN標(biāo)識(shí)信息的知識(shí)，如果你不熟悉，就有可能不知道代表VLAN值的位數(shù)是多少，自然也就不知道交換機(jī)可支持的 VLAN最大個(gè)數(shù)，知道個(gè)數(shù)后，并且還得知道實(shí)際交換機(jī)中可使用的 VLAN個(gè)數(shù)及其 VLAN取值范圍。 不同的交換機(jī)所支持的應(yīng)該是不同的，很早前的低端產(chǎn)品一般支持滿配 VLAN的不多，因?yàn)槠湫酒幚砟芰Q 定了很多東西，這和硬件也是有很大關(guān)聯(lián)的?，F(xiàn)在的交換機(jī)一般都能支持最大的 VLAN個(gè)數(shù)，現(xiàn)在也沒廠商去作那種太低端的了。況且現(xiàn)在芯片處理能力也不像以前，已經(jīng)強(qiáng)大多了。 第二章 設(shè)計(jì)簡介及設(shè)計(jì)方案論述 2.1 三層不同 VLAN 通信 實(shí) 驗(yàn) 利用 packet tracer 模擬器 來模擬單臂路由的實(shí)驗(yàn)來完成不同 VLAN 間通信的實(shí)驗(yàn)，通過對抓包來觀察和分析交換機(jī)的 Tag 技術(shù)。 2.2 二層不同 VLAN 通信實(shí)驗(yàn) 利用 packet tracer 模擬器來模擬 是否 只用二層交換機(jī) 能完成不同 VLAN 間的通信， 也通過抓包技術(shù)來觀測和分析 Tag 技術(shù)，觀察和分析試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。 第 三 章 詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.1 單臂路由實(shí)驗(yàn) 3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 8 需要設(shè)備：一個(gè)路由器，兩個(gè)交換機(jī)，雙絞線， 4 個(gè) PC 3.1.2 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D 圖 3-1 3.1.3 實(shí)驗(yàn)配置 介紹 1： 路由器的 fa0/0 口配置兩個(gè)子接口 ，分別為 192.168.20.1 和192.168.30.1 ,并且封裝成 dot1q。 2： switch0 劃分兩個(gè) VLAN，分為為 vlan20 和 vlan30，其中 fa0/1 屬于vlan20， fa0/3 屬于 vlan30； fa0/3 接口配置成 trunk 鏈路； 3： switch1 也劃分兩個(gè) VLAN，分為為 vlan20 和 vlan30，其中 fa0/1 屬于 vlan20， fa0/3 屬于 vlan30； fa0/3 接口配置成 trunk 鏈路； 4： PC0 配置如下： ip 地址為 192.168.20.100 網(wǎng)關(guān)為 192.168.20.1； PC1 配置如下： ip 地址為 192.168.30.100 網(wǎng)關(guān)為 192.168.30.1 PC2 配置如下： ip 地址為 192.168.20.101 網(wǎng)關(guān)為 192.168.20.1 PC4 配置如下： ip 地址為 192.168.30.101 網(wǎng)關(guān)為 192.168.30.1 注：圖 3-1 中 switch0 和 switch1 的 fa0/3 都配置為 trunk，并且兩個(gè)接口都屬于 vlan1 。 3 1.4 實(shí)驗(yàn)步驟 1：利用 packet tracer 模擬器按照圖 3-1 連接好各個(gè)設(shè)備； 2：按照設(shè)備配置配置好各個(gè)設(shè)備； 3：用 PC2pingPC3，觀 察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析，得出結(jié)論； 4： PC0pingPC3，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析，得出結(jié)論； 9 3.2 二層 VLAN 實(shí)驗(yàn) 3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 二個(gè) 2950 交換機(jī)，兩個(gè) PC，雙絞線 3.2.2 實(shí)驗(yàn)拓?fù)?圖 3-2 3.2.3 實(shí)驗(yàn)配置介紹 1： Switch2 的 fa0/1 接口 屬于 vlan10， vlan10 的 ip 地址為 192.168.1.1 掩碼 255.255.2555.0 ； 2： Switch3 的 fa0/1、 fa0/2、 fa0/3 都屬于 vlan1； 3： PC4 和 PC5 的 ip 地址分 別為： 192.168.1.2 和 192.168.1.3； 注： switch2 和 switch3 所有接口都是 access 接口，沒配置 trunk。 3.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟 1: 利用 packet tracer 模擬器 按照圖 3-2 連接好，參照實(shí)驗(yàn)配置配置好各個(gè)設(shè)備； 2：使用 PC4pingPC5，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論； 3： 使用 PC4ping switch2 的 vlan10 的 ip 地址 192.168.1.1，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在分析，得出結(jié)論； 3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 兩個(gè) 2950 交換機(jī) 、 4 個(gè) PC、雙絞線： 3.3.2 實(shí)驗(yàn)拓?fù)?10 圖 3-3 3.3.3 實(shí)驗(yàn)配置介紹 1： 交換機(jī) 0 的 fa0/0 接口 屬于 vlan10：交換機(jī) 1 的 fa0/0 屬于 vlan20； 2： 主機(jī) 0 的 ip 地址為 192.168.1.2 掩碼為 255.255.255.0 ，屬于 vlan10；主機(jī) 1 的 ip 地址為 192.168.1.3 掩碼為 255.255.255.0 ，屬于 vlan20；主機(jī) 2 的 ip 地址為 192.168.1.4 掩碼為 255.255.255.0 ，屬于 vlan10；主機(jī) 3 的 ip 地址為 192.168.1.5 掩 碼為 255.255.255.0 ，屬于 vlan20； 注： 交換機(jī) 0 和交換 1 所有接口都屬于 access，沒配置 trunk 接口 ； 11 第 四 章 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 3.1 單臂路由實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1: PC2pingPC3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為 圖 4-1 圖 4-1 通過抓包得到 圖 4-2 中陰影部分抓包得到圖 4-3； 圖 4-2 圖 4-3 該實(shí)驗(yàn) 分析及結(jié)論：由圖 4-1 得出 PC2 能夠 ping 同 PC3。因?yàn)?PC2 和 PC3 分別屬于 VLAN20 和 VLAN30，他們處于兩個(gè)不同的 VLAN 就在不 同的廣播域里，因?yàn)榻粨Q機(jī)屬于數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，數(shù)據(jù)包不能穿透廣播域，要實(shí)驗(yàn)通信就必須依靠路 12 由。 由圖 4-3可以看出在幀中目的 MAC和 TYPE類型之間添加了 TPID和 TCI,TPID的值為 0x8100.TCI 為 0x14， 交換機(jī)通過 TPID，來確定數(shù)據(jù)幀內(nèi)附加了基于IEEE802.1Q 的 VLAN 信息。而實(shí)質(zhì)上的 VLAN ID，是 TCI 中的 12 位元。這時(shí)數(shù)據(jù)幀上的 CRC 是插入 TPID、 TCI 后，對包括它們在內(nèi)的整個(gè)數(shù)據(jù)幀重新計(jì)算后所得的值。而當(dāng)數(shù)據(jù)幀離開匯聚鏈路時(shí)， TPID 和 TCI 會(huì)被去除，這時(shí)還會(huì)進(jìn)行一次 CRC 的 重新計(jì)算。 因?yàn)橹挥?trunk 鏈路才能傳遞 VLAN 信息， access 接口不能傳遞 VLAN 信息。所以在所有轉(zhuǎn)包里 只有 trunk 里傳送的數(shù)據(jù)幀里才有 VLAN 信息。 3.2 二層 VLAN 實(shí)驗(yàn) 3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 1： PC4pingPC5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4-4 圖 4-4 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論： 圖 4-4 顯示 PC4 能 pingPC5， 因?yàn)?PC4 和 PC5 都屬于 VLAN1，他們之間能相互 ping 通。 2： PC4ping192.168.1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4-5 13 圖 4-5 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論： PC4 居然 ping 通了 192.168.1.1 ! PC4 屬于 VLAN 1 而 switch1 的 fa0/1 接口屬于 VLAN 10 ，不同的 VLAN 在沒使用三層設(shè)備應(yīng)該是 ping 不通的，這是怎么回事呢？隨后我做了 3.3 實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步來研究。 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 1： 主機(jī) 0ping 主機(jī) 1 得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4-6 圖 4-6 2： 主機(jī) 0 ping 主機(jī)