实验8虚拟局域网讲解

实验8 虚拟局域网8.1实验目的1、了解虚拟局域网的概念和作用。

2、掌握在一台交换机上划分VLAN的方法和跨交换机VLAN的配置方法。

3、掌握VLAN数据帧的格式、添加和删除VLAN标记的过程。

8.2实验内容1、使用二层交换机进行组网，按拓扑图上的设备信息及地址信息对设备做基本的配置。

在一台交换机上划分VLAN，用Ping命令测试在同一VLAN和不同VLAN中设备连通情况。

2、配置Trunk端口，用Ping命令测试在同一VLAN和不同VLAN中设备的连通情况。

8.3实验原理1、VLAN概述VLAN（Virtual Local Area Network）又称虚拟局域网，是指在交换局域网的基础上，采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。

一个VLAN组成一个逻辑子网，即一个逻辑广播域，它可以覆盖多个网络设备，允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。

VLAN是一种比较新的技术，工作在OSI参考模型的第2层和第3层，VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。

在此让我们先复习一下广播域的概念。

广播域，指的是广播帧（目标MAC地址全部为1）所能传递到的范围，亦即能够直接通信的范围。

严格地说，并不仅仅是广播帧，多播帧（Multicast Frame）和目标不明的单播帧（Unknown Unicast Frame）也能在同一个广播域中畅行无阻。

本来，二层交换机只能构建单一的广播域，不过使用VLAN功能后，它能够将网络分割成多个广播域。

那么，为什么需要分割广播域呢？那是因为，如果仅有一个广播域，有可能会影响到网络整体的传输性能。

具体原因，请参看如图1加深理解。

A B图1图中，是一个由5台二层交换机（交换机1～5）连接了大量客户机构成的网络。

假设这时，计算机A需要与计算机B通信。

在基于以太网的通信中，必须在数据帧中指定目标MAC 地址才能正常通信，因此计算机A必须先广播“ARP请求（ARP Request）信息”，来尝试获取计算机B的MAC地址。

交换机1收到广播帧（ARP请求）后，会将它转发给除接收端口外的其他所有端口，也就是Flooding了。

接着，交换机2收到广播帧后也会Flooding。

交换机3、4、5也还会Flooding。

最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有客户机上。

请大家注意一下，这个ARP请求原本是为了获得计算机B的MAC地址而发出的。

也就是说：只要计算机B能收到就万事大吉了。

可是事实上，数据帧却传遍整个网络，导致所有的计算机都收到了它。

如此一来，一方面广播信息消耗了网络整体的带宽，另一方面，收到广播信息的计算机还要消耗一部分CPU时间来对它进行处理。

造成了网络带宽和CPU 运算能力的大量无谓消耗。

VLAN的好处主要有三个：(1)端口的分隔。

即便在同一个交换机上，处于不同VLAN的端口也是不能通信的。

这样一个物理的交换机可以当作多个逻辑的交换机使用。

(2)网络的安全。

不同VLAN不能直接通信，杜绝了广播信息的不安全性。

(3)灵活的管理。

更改用户所属的网络不必换端口和连线，只更改软件配置就可以了。

2 、VLAN的划分方法VLAN的划分可以是事先固定的、也可以是根据所连的计算机而动态改变设定。

前者被称为“静态VLAN”、后者自然就是“动态VLAN”了。

（1）静态VLAN静态VLAN又被称为基于端口的VLAN（Port Based VLAN）。

顾名思义，就是明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。

图2由于需要一个个端口地指定，因此当网络中的计算机数目超过一定数字（比如数百台）后，设定操作就会变得烦杂无比。

并且，客户机每次变更所连端口，都必须同时更改该端口所属VLAN的设定——这显然不适合那些需要频繁改变拓补结构的网络。

我们现在所实现的VLAN配置都是基于端口的配置，因为我们只是支持二层交换，端口数目有限一般为4和8个端口，并且只是对于一台交换机的配置，手动配置换算较为方便。

（2）动态VLAN另一方面，动态VLAN则是根据每个端口所连的计算机，随时改变端口所属的VLAN。

这就可以避免上述的更改设定之类的操作。

动态VLAN可以大致分为3类： 基于MAC地址的VLAN（MAC Based VLAN）基于子网的VLAN（Subnet Based VLAN）基于用户的VLAN（User Based VLAN）其间的差异，主要在于根据OSI参照模型哪一层的信息决定端口所属的VLAN。

基于MAC地址的VLAN，就是通过查询并记录端口所连计算机上网卡的MAC地址来决定端口的所属。

假定有一个MAC地址“A”被交换机设定为属于VLAN“10”，那么不论MAC地址为“A”的这台计算机连在交换机哪个端口，该端口都会被划分到VLAN10中去。

计算机连在端口1时，端口1属于VLAN10；而计算机连在端口2时，则是端口2属于VLAN10。

由于是基于MAC地址决定所属VLAN的，因此可以理解为这是一种在OSI的第二层设定访问链接的办法。

但是，基于MAC地址的VLAN，在设定时必须调查所连接的所有计算机的MAC地址并加以登录。

而且如果计算机交换了网卡，还是需要更改设定。

图3基于子网的VLAN，则是通过所连计算机的IP地址，来决定端口所属VLAN的。

不像基于MAC 地址的VLAN，即使计算机因为交换了网卡或是其他原因导致MAC地址改变，只要它的IP地址不变，就仍可以加入原先设定的VLAN。

图4因此，与基于MAC地址的VLAN相比，能够更为简便地改变网络结构。

IP地址是OSI参照模型中第三层的信息，所以我们可以理解为基于子网的VLAN是一种在OSI的第三层设定访问链接的方法。

一般路由器与三层交换机都使用基于子网的方法划分VLAN。

基于用户的VLAN，则是根据交换机各端口所连的计算机上当前登录的用户，来决定该端口属于哪个VLAN。

这里的用户识别信息，一般是计算机操作系统登录的用户，比如可以是Windows域中使用的用户名。

这些用户名信息，属于OSI第四层以上的信息。

总的来说，决定端口所属VLAN时利用的信息在OSI中的层面越高，就越适于构建灵活多变的网络。

3、VLAN帧结构在交换机的汇聚链接上，可以通过对数据帧附加VLAN信息，构建跨越多台交换机的VLAN。

附加VLAN信息的方法，最具有代表性的有：●IEEE802.1Q● ISL现在就让我们看看这两种协议分别如何对数据帧附加VLAN信息。

（1）IEEE802.1QIEEE802.1Q，俗称“Dot One Q”，是经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议。

在此，请大家先回忆一下以太网数据帧的标准格式。

IEEE802.1Q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（TypeField）”之间。

具体内容为2字节的TPID和2字节的TCI，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。

基于IEEE802.1Q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）”。

图51. TPID (Tag Protocol Identifier，也就是EtherType)是IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的帧。

TPID包含了一个固定的值0x8100。

2. TCI (Tag Control Information)包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器(Canonical Format Indicator)和VLAN ID。

①User Priority：该字段为3-bit，用于定义用户优先级，总共有8个(2的3次方)优先级别。

IEEE 802.1P 为3比特的用户优先级位定义了操作。

最高优先级为7，应用于关键性网络流量，如路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径优先（OSPF）协议的路由表更新。

优先级6和5主要用于延迟敏感（delay-sensitive）应用程序，如交互式视频和语音。

优先级4到1主要用于受控负载（controlled-load）应用程序，如流式多媒体（streaming multimedia）和关键性业务流量（business-critical traffic）－例如，SAP 数据－以及“loss eligible”流量。

优先级0是缺省值，并在没有设置其它优先级值的情况下自动启用。

②CFI：CFI值为0说明是规范格式，1为非规范格式。

它被用在令牌环/源路由FDDI介质访问方法中来指示封装帧中所带地址的比特次序信息。

③VID：该字段为12-bit，VLAN ID 是对VLAN 的识别字段，在标准802.1Q 中常被使用。

支持4096(2的12次方) VLAN 的识别。

在4096可能的VID 中，VID＝0 用于识别帧优先级。

4095(FFF)作为预留值，所以VLAN 配置的最大可能值为4094。

所以有效的VLAN ID范围一般为1-4094。

（2）ISL（Inter Switch Link）ISL，是Cisco产品支持的一种与IEEE802.1Q类似的、用于在汇聚链路上附加VLAN信息的协议。

使用ISL后，每个数据帧头部都会被附加26字节的“ISL包头（ISL Header）”，并且在帧尾带上通过对包括ISL包头在内的整个数据帧进行计算后得到的4字节CRC值。

换而言之，就是总共增加了30字节的信息。

在使用ISL的环境下，当数据帧离开汇聚链路时，只要简单地去除ISL包头和新CRC就可以了。

由于原先的数据帧及其CRC都被完整保留，因此无需重新计算图6∙DA ― 40位组播目的地址。

包括一个广播地址0X01000C0000或者是0X03000C0000。

∙Type ― 各种封装帧（Ethernet (0000)、T oken Ring (0001)、FDDI (0010) 和ATM (0011)）的4位描述符。

∙User ― Type 字段使用的4位描述符扩展或定义Ethernet 优先级。

该二进制值从最低优先级开始0到最高优先级3。

∙SA ― 传输Catalyst 交换机中使用的48位源MAC 地址。

∙LEN ― 16位帧长描述符减去DA、type、user、SA、LEN 和CRC 字段。

∙AAAA03 ― 标准SNAP 802.2 LLC 头。

∙HAS ― SA 的前3字节（厂商的ID 或组织唯一ID）。

∙VLAN ― 15位VLAN ID。

低10位用于1024 VLAN。

∙BPDU ― 1位描述符，识别帧是否是生成树网桥协议数据单元（BPDU）。