在仿真環(huán)境下虛擬局域網(wǎng)的劃分與通信

王文龍

(喀什大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 喀什 844008)

0　引　言

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷延伸和擴(kuò)展，根據(jù)用途、工作組、應(yīng)用等來邏輯劃分，與站點(diǎn)所在的物理位置無關(guān)，可以從邏輯上隔離或劃分廣播域的、具有很強(qiáng)的靈活性的虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network，VLAN)，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。在很多的文獻(xiàn)中對(duì)VLAN的作用、劃分、通信、配置等已有較為詳細(xì)的分析[1-16]，然而對(duì)于VLAN與物理網(wǎng)段的關(guān)系、VLAN間的通信等問題的分析尚不夠深入、全面。為更深入、全面的理解VLAN，掌握VLAN的配置和使用，本文在仿真環(huán)境下，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)和抓包分析，對(duì)VLAN與物理網(wǎng)段的關(guān)系、VLAN間通信進(jìn)行深入、全面的分析研究，以期加深對(duì)VLAN技術(shù)的理解和掌握，并在網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐中更好的配置使用VLAN。

1　VLAN與物理網(wǎng)段

在學(xué)習(xí)和使用VLAN時(shí)，常會(huì)混淆通過IP地址劃分的物理網(wǎng)段和邏輯上劃分的VLAN之間的關(guān)系，認(rèn)為VLAN與物理網(wǎng)段沒有什么關(guān)系，是另外一種劃分網(wǎng)段的方法，甚至認(rèn)為劃分到同一個(gè)VLAN的站點(diǎn)就屬于同一個(gè)網(wǎng)段，就可以直接通信，與站點(diǎn)是不是屬于同一個(gè)物理網(wǎng)段無關(guān)，理由是邏輯上屬于同一個(gè)網(wǎng)段，而同一個(gè)網(wǎng)段是可以通信的。

下面通過兩個(gè)例子對(duì)物理網(wǎng)段和VLAN的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，以便對(duì)VLAN的本質(zhì)有更清晰的認(rèn)識(shí)。

在Cisco Packet Tracer下，按圖1進(jìn)行配置，由于PC1和PC2在物理上屬于同一個(gè)網(wǎng)段，則PC1可以ping通PC2。此時(shí)對(duì)S1的端口進(jìn)行VLAN配置，f0/1配置為VLAN10，f0/2配置為VLAN20，以f0/1端口為例，配置如下：

S1(config)#vlan 10

S1(config)#vlan 20

S1(config)#interface f0/1

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

圖1　同一物理網(wǎng)段劃分不同VLAN拓?fù)鋱D

此時(shí)再由PC1 ping PC2已無法ping通，抓包發(fā)現(xiàn)PC1無法組裝封裝ICMP包的幀，而僅僅是發(fā)送了ARP廣播幀到S1后就結(jié)束了。這是由于PC1和PC2在物理上屬于同一個(gè)網(wǎng)段，則PC1可以向本網(wǎng)段發(fā)送ARP廣播幀，詢問PC2的MAC地址，該幀可以發(fā)送到S1的f0/1端口，但由于S1的f0/1和f0/2端口配置為不同的VLAN，則S1無法將該ARP廣播幀通過f0/2端口轉(zhuǎn)發(fā)到PC2，則PC1無法獲得PC2的MAC地址，也就無法組裝幀。此時(shí)通過劃分VLAN達(dá)到了將同一物理網(wǎng)段從邏輯上隔離的目的，也即對(duì)物理網(wǎng)段從邏輯上進(jìn)行了子網(wǎng)劃分。

考慮圖2的情況，由于PC1和PC2在物理上不屬于同一個(gè)網(wǎng)段，則PC1無法ping通PC2。此時(shí)對(duì)S1的端口進(jìn)行VLAN配置，為更好的進(jìn)行分析，將f0/1和f0/2均配置為VLAN10。此時(shí)由PC1 ping PC2，盡管PC1和PC2屬于同一個(gè)VLAN，仍然無法ping通。抓包發(fā)現(xiàn)PC1既無法生成封裝ICMP包的幀，也未生成ARP廣播幀。這是因?yàn)镻C1和PC2在物理上不屬于同一個(gè)網(wǎng)段，則PC1需要知道網(wǎng)關(guān)的IP地址和MAC地址，而本例中無三層設(shè)備，也即沒有網(wǎng)關(guān)，則PC1無法獲得網(wǎng)關(guān)的地址，則無法生成幀。

圖2　不同物理網(wǎng)段劃分同一VLAN拓?fù)鋱D

通過上面的分析不難看出，對(duì)同一個(gè)物理網(wǎng)段進(jìn)行VLAN的劃分，其本質(zhì)是將物理網(wǎng)段從邏輯上劃分虛擬子網(wǎng)，通過虛擬子網(wǎng)達(dá)到邏輯上的子網(wǎng)隔離。而所謂的VLAN的隔離作用，必須是在同一個(gè)物理網(wǎng)段中劃分不同VLAN才有的，而在不同物理網(wǎng)段中劃分不同VLAN而達(dá)到的所謂隔離作用，其實(shí)是不同物理網(wǎng)段本身的隔離作用，與劃不劃分VLAN無關(guān)。而如圖2，將不同物理網(wǎng)段中的站點(diǎn)劃分到同一個(gè)VLAN，站點(diǎn)間是無法通信的，這種劃分也沒有任何意義，這說明，劃分到同一個(gè)VLAN中的站點(diǎn)必須在物理上是屬于同一個(gè)網(wǎng)段的。

2　VLAN間通信

在實(shí)際使用VLAN的隔離作用時(shí)，也常需要VLAN間能夠互相通信，而通過上面對(duì)VLAN本質(zhì)的分析可以知道，有意義的VLAN劃分有兩種情況，一種是在同一物理網(wǎng)段上劃分不同VLAN；一種是在不同物理網(wǎng)段上劃分不同VLAN。

為更好的理解VLAN間的通信，需了解交換機(jī)在配置VLAN時(shí)的端口工作模式。端口的模式有3種：access(不打VLAN標(biāo)簽)，trunk(必須打VLAN標(biāo)簽)，dynamic(可以在access和trunk模式間選擇)。有關(guān)端口工作模式和VLAN標(biāo)簽的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。

下面通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?duì)如何完成不同VLAN間的通信進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1　同一物理網(wǎng)段下不同VLAN間的通信

要完成在同一物理網(wǎng)段劃分的VLAN間的通信，可以考慮使用二層交換機(jī)或者三層設(shè)備(三層交換機(jī)和路由器)。

若考慮使用三層設(shè)備，存在兩個(gè)問題，一是三層設(shè)備需要配置VLAN的IP地址，也即網(wǎng)關(guān)，由于VLAN是在同一物理網(wǎng)段上劃分的，則在同一物理網(wǎng)段下劃分的不同VLAN的網(wǎng)關(guān)是相同的，無法把同一個(gè)IP地址分配給不同的VLAN作為網(wǎng)關(guān)；二是路由器通常要求不同端口或子端口連接的是不同的物理網(wǎng)段，而同一個(gè)物理網(wǎng)段是無法連接到路由器不同端口或子端口的。這兩個(gè)問題是使用三層交換機(jī)和路由器無法解決的，因此要完成在同一物理網(wǎng)段劃分的VLAN間的通信，則必須使用二層交換機(jī)。

在Cisco Packet Tracer下，按圖3進(jìn)行配置，PC1和PC2在物理上屬于同一個(gè)網(wǎng)段，S1的f0/1配置為VLAN10，f0/2配置為VLAN10，S2的f0/1配置為VLAN20，f0/2配置為VLAN20，端口工作模式均配置為access。以S1為例，配置如下：

S1(config)#vlan 10

S1(config)#interface f0/1

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

S1(config)#interface f0/2

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

此時(shí)由PC1 ping PC2，可以ping通，從而實(shí)現(xiàn)了VLAN10與VLAN20間的通信。抓包發(fā)現(xiàn)PC1、S1、 S2、PC2在組裝封裝ICMP包的幀時(shí)，均未在幀中打

圖3　同一物理網(wǎng)段不同VLAN間通信拓?fù)鋱D

VLAN標(biāo)簽。這是因?yàn)閍ccess模式的端口無需打VLAN標(biāo)簽，但從另一方面看，所有的幀均不打VLAN標(biāo)簽，就好像沒有劃分VLAN，而PC1和PC2在物理上是屬于同一個(gè)網(wǎng)段，因此PC1是可以ping通PC2的。

若將S1的f0/2端口和S2的f0/2端口均配置為dynamic模式，以S1為例，配置如下：

S1(config)#interface f0/2

S1(config-if)#switchport mode dynamic auto

此時(shí)由PC1 ping PC2，可以ping通，也實(shí)現(xiàn)了VLAN10與VLAN20間的通信。查看S1的f0/2端口和S2的f0/2端口的工作模式，發(fā)現(xiàn)均為access，也即兩個(gè)端口在配置為dynamic模式時(shí)，實(shí)際上都選擇了access模式。

若將S1的f0/2端口和S2的f0/2端口均配置為trunk模式，以S1為例，配置如下：

S1(config)#interface f0/2

S1(config-if)#switchport mode trunk

此時(shí)由PC1 ping PC2，無法ping通，VLAN10與VLAN20間無法進(jìn)行通信。抓包發(fā)現(xiàn)PC1封裝ICMP包的幀發(fā)送到S1，由于S1的f0/1端口工作模式為access，故該幀未打VLAN10的標(biāo)簽(見圖4)。隨后S1將幀發(fā)送到S2，由于S1的f0/2端口工作模式為trunk，故該幀打上了VLAN10的標(biāo)簽(見圖5，VLAN標(biāo)簽：TPID:0X810，表示使用IEEE802.1Q協(xié)議；TCI:0Xa，表示VLAN號(hào)10)。而S2接收到幀后停止了發(fā)送，這是因?yàn)镾1發(fā)來的幀打上了VLAN10的標(biāo)簽，而S2的f0/1端口已配置為VLAN20，S2不能把VLAN10的幀發(fā)送到VLAN20的端口f0/1。

圖4未打VLAN標(biāo)簽的Eehernet II幀

圖5打VLAN標(biāo)簽的Ethernet 802.1q幀

從上看出，S1和S2連接的端口若配置為access或dynamic(選擇access)工作模式，則由于在幀中不打VLAN標(biāo)簽，實(shí)際上就如同沒有劃分VLAN，只要PC1和PC2在同一個(gè)物理網(wǎng)段，就可以實(shí)現(xiàn)二者間的通信。若端口配置為trunk工作，則由于在幀中必須打VLAN標(biāo)簽，就算PC1和PC2在同一個(gè)物理網(wǎng)段，而由于屬于不同的VLAN，則二者之間無法進(jìn)行通信。

2.2　不同物理網(wǎng)段下不同VLAN間的通信

在不同的物理網(wǎng)段劃分不同的VLAN，若要完成VLAN間的通信，必須使用三層設(shè)備才可以完成。根據(jù)使用三層設(shè)備的單個(gè)端口還是多個(gè)端口完成VLAN間的通信，可以分為兩類，一類是單臂路由，另一類是多端口路由。

2.2.1單臂路由

使用開啟路由功能的三層交換機(jī)和路由器的單端口均可以完成不同物理網(wǎng)段下不同VLAN間的通信。下面通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?duì)這兩種情況完成VLAN間的通信進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1) 使用三層交換機(jī)。在Cisco Packet Tracer下，按圖6進(jìn)行配置，S1的f0/1配置為VLAN10，f0/2配置為VLAN10，工作模式為access，f0/24工作模式為trunk，S2的f0/1工作模式為trunk，封裝802.1q協(xié)議，并開啟路由，VLAN10的IP為192.168.1.254，VLAN20的IP為192.168.2.254，PC1的網(wǎng)關(guān)為192.168.1.254，PC2的網(wǎng)關(guān)為192.168.2.254。

圖6　三層交換機(jī)單臂路由拓?fù)鋱D

具體配置如下：

S2(config)#vlan 10

S2(config)#vlan 20

S2(config)#interface vlan 10

S2(config-if)#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0

S2(config)#interface vlan 20

S2(config-if)#ip address 192.168.2.254 255.255.255.0

S2(config)#interface f0/1

S2(config-if)#switchport mode trunk

S2(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q

S2(config)#ip routing

S1(config)#vlan 10

S1(config)#vlan 20

S1(config)#interface f0/1

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

S1(config)#interface f0/2

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 20

此時(shí)由PC1 ping PC2，可以ping通，從而完成了VLAN10和VLAN20間的通信。抓包發(fā)現(xiàn)PC1發(fā)出的ICMP包依次到達(dá)S1、S2、S1、PC2，其中PC1發(fā)到S1和S1發(fā)到PC2的幀未打VLAN標(biāo)簽，S1發(fā)到S2的幀打了VLAN10的標(biāo)簽，S2發(fā)到S1的幀打了VLAN20的標(biāo)簽；而PC2的響應(yīng)ICMP包依次到達(dá)S1、S2、S1、PC1，其中PC2發(fā)到S1和S1發(fā)到PC1的幀未打VLAN標(biāo)簽，S1發(fā)到S2的幀打了VLAN20的標(biāo)簽，S2發(fā)到S1的幀打了VLAN10的標(biāo)簽。

(2) 使用路由器。在Cisco Packet Tracer下，按圖7進(jìn)行配置，S1的f0/1配置為VLAN10，f0/2配置為VLAN10，工作模式為access，f0/24工作模式為trunk，R1的f0/0端口劃分f0/0.1和f0/0.2兩個(gè)子端口，f0/0.1子端口封裝802.1q協(xié)議，并允許VLAN10通過，f0/0.2子端口封裝802.1q協(xié)議，并允許VLAN20通過，VLAN10的IP為192.168.1.254，VLAN20的IP為192.168.2.254，PC1的網(wǎng)關(guān)為192.168.1.254，PC2的網(wǎng)關(guān)為192.168.2.254。

圖7　路由器單臂路由拓?fù)鋱D

具體配置如下：

S1(config)#vlan 10

S1(config)#vlan 20

S1(config)#interface f0/1

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

S1(config)#interface f0/2

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 20

S1(config)#interface f0/24

S1(config-if)#switchport mode trunk

R1(config)#interface f0/0.1

R1(config-subif)#encapsulation dot1Q 10

R1(config-subif)#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0

R1(config)#interface f0/0.2

R1(config-subif)#encapsulation dot1q 20

R1(config-subif)#ip address 192.168.2.254 255.255.255.0

查看R1的路由表：

R1#show ip route

C 192.168.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0.1

C 192.168.2.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0.2

此時(shí)R1的子端口直連路由已建立，再由PC1 ping PC2，可以ping通，從而完成了VLAN10和VLAN20間的通信。抓包情況與三層交換機(jī)單臂路由類似。

2.2.2多端口路由

使用開啟路由功能的三層交換機(jī)和路由器的多端口亦可以完成不同物理網(wǎng)段下不同VLAN間的通信。下面通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?duì)這兩種情況完成VLAN間的通信進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1) 使用三層交換機(jī)。在Cisco Packet Tracer下，按圖8進(jìn)行配置，S1的f0/1配置為VLAN10，S2的f0/1配置為VLAN20，工作模式均為access，S1和S2的f0/24工作模式均為trunk，S3的f0/1、f0/2工作模式為trunk，封裝802.1q協(xié)議，并開啟路由，VLAN10的IP為192.168.1.254，VLAN20的IP為192.168.2.254，PC1的網(wǎng)關(guān)為192.168.1.254，PC2的網(wǎng)關(guān)為192.168.2.254。

圖8　交換機(jī)多端口路由拓?fù)鋱D

具體配置如下：

S1(config)#vlan 10

S1(config)#interface f0/1

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

S1(config)#interface f0/24

S1(config-if)#switchport mode trunk

S2(config)#vlan 20

S2(config)#interface f0/1

S2(config-if)#switchport mode access

S2(config-if)#switchport access vlan 20

S2(config)#interface f0/24

S2(config-if)#switchport mode trunk

S3(config)#vlan 10

S3(config)#vlan 20

S3(config)#interface vlan 10

S3(config-if)#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0

S3(config)#interface vlan 20

S3(config-if)#ip address 192.168.2.254 255.255.255.0

S3(config)#interface f0/1

S3(config-if)#switchport mode trunk

S3(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q

S3(config)#interface f0/2

S3(config-if)#switchport mode trunk

S3(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q

S3(config)#ip routing

此時(shí)由PC1 ping PC2，可以ping通，從而完成了VLAN10和VLAN20間的通信。抓包情況與單臂路由類似。

(2) 使用路由器。在Cisco Packet Tracer下，按圖9進(jìn)行配置，S1的f0/1配置為VLAN10，S2的f0/1配置為VLAN20，工作模式均為access，S1和S2的f0/24工作模式為trunk，R1的f0/0.1子端口封裝802.1q協(xié)議，并允許VLAN10通過，R1的f0/1.1子端口封裝802.1q協(xié)議，并允許VLAN20通過，VLAN10的IP為192.168.1.254，VLAN20的IP為192.168.2.254，PC1的網(wǎng)關(guān)為192.168.1.254，PC2的網(wǎng)關(guān)為192.168.2.254。

圖9　路由器多端口路由拓?fù)鋱D

具體配置如下：

S1(config)#vlan 10

S1(config)#interface f0/1

S1(config-if)#switchport mode access

S1(config-if)#switchport access vlan 10

S1(config)#interface f0/24

S1(config-if)#switchport mode trunk

S2(config)#vlan 20

S2(config)#interface f0/1

S2(config-if)#switchport mode access

S2(config-if)#switchport access vlan 20

S2(config)#interface f0/24

S2(config-if)#switchport mode trunk

R1(config)#interface f0/0.1

R1(config-subif)#encapsulation dot1q 10

R1(config-subif)#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0

R1(config)#interface f0/1.1

R1(config-subif)#encapsulation dot1q 20

R1(config-subif)#ip address 192.168.2.254 255.255.255.0

查看R1的路由表：

R1#show ip route

C 192.168.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0.1

C 192.168.2.0/24 is directly connected, FastEthernet0/1.1

此時(shí)R1的子端口直連路由已建立，再由PC1 ping PC2，可以ping通，從而完成了VLAN10和VLAN20間的通信。抓包情況與單臂路由類似。

3　結(jié)　語

本文在Cisco Packet Tracer仿真環(huán)境下，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并進(jìn)行抓包分析，對(duì)VLAN與物理網(wǎng)段的關(guān)系、VLAN間通信進(jìn)行深入、全面的分析研究，形成了明確的分析結(jié)論。這些分析結(jié)論既可以作為學(xué)習(xí)VLAN的參考，加深對(duì)VLAN技術(shù)的理解和掌握，也可以運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐中去，更好地配置和使用VLAN。

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