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1、M E D I C A L P R E S E N T A T I O N路由交换 技 术汇报人：千图网第四章VLAN及其应用CONTENT目录V L A N 的 概 念1V L A N 中 的 继 协 议2生 成 树 协 议3动 态 主 机 配 置 协 议 D H C P4本章要点本章介绍VLAN的概念，VLAN的管理与使用、交换机端口的工作模式、Cisco设备实现VLAN信息传递的专用技术VTP、生成树协议STP和MSTP，最后对网络中主机获取地址的DHCP协议进行了介绍。通过对本章的学习，应该掌握VLAN的基本配置，VLAN间通信的几种实现方法，VTP配置，STP配置，以及主机通过DHC
2、P技术获取地址的几种实现方法。4.1 VLAN的基本原理VLAN本质上是一个逻辑上独立的IP子网，VLAN之间进行通信也需要通过路由设备。在交换机上划分VLAN以后，属于不同VLAN的设备不能直接通信，类似于划分成了不同的物理子网。也就是说，连接在同一个交换机上，但处于不同VLAN的设备，就像处于不同物理子网的设备一样，彼此之间的通信必须通过具有路由功能的第三层设备实现。4.1.1 VLAN概述VLAN技术的优点主要体主要体现在以下几个方面：在以下几个方面：（1）增加了网络部署的灵活性。（2）限制广播域的范围，抑制广播风暴。（3）增强网络通信的安全性。4.1.2 VLAN概述VLAN在交换机上
3、的实现方法，可以大致分为3类1基于端口基于端口这种划分VLAN的方法是根据以太网交换机的端口来划分的，例如交换机的端口14为VLAN 10，端口517为VLAN 20，端口1824为VLAN 30。基于端口的VLAN可以跨越多台交换机。2基于基于MAC地址址这种划分VLAN的方法是根据每个主机的MAC地址来划分的，即对每个MAC地址的主机都配置它属于哪个组。3基于IP地址这种划分VLAN的方法是根据每台主机的网络层地址或协议类型（如果支持多协议）来划分的，虽然这种划分方法根据网络地址（如IP地址）划分，但它不是路由，与网络层的路由没有关系。常用的VLAN划分方法是基于端口和基于IP地址相结合的
4、方法，某几个端口为一个VLAN，并为该VLAN配置IP地址，与这些端口相连接的计算机就以这个地址为网关。图4-1 一台交换机中可以使用多个VLAN根据IP地址来划分VLAN实际上就是划分子网的过程，根据实际应用环境，可以采用定长或不定长子网掩码来进行划分。按照定长子网掩码划分的子网，每个子网的大小是相等的，子网掩码也是相等的，表4-1所示是一个C类地址的定长划分示例。表4-1 C类地址的子网划分情况（使用固定长度子网）子网号的位数子网掩码子 网 数每个子网可用IP数1255.255.255.1282126=128-22255.255.255.192462=64-23255.255.255.22
5、4830=32-24255.255.255.2401614=16-25255.255.255.248326=8-26255.255.255.252642=4-2例4.1 假设现有1个C类地址，地址段为192.168.10.0/24，划分为8个子网，各子网的主机数分别为5、5、13、26、25、28、52、58，请给出子网划分过程。表4-2 不定长子网划分示例子 网IP地址需求可使用的IP数量子网地址掩 码156192.168.10.0255.255.255.248256192.168.10.8255.255.255.24831314192.168.10.16255.255.255.240426
6、30192.168.10.32255.255.255.22452530192.168.10.64255.255.255.22462830192.168.10.96255.255.255.22475262192.168.10.128255.255.255.19285862192.168.10.192255.255.255.1924.1.3 VLAN的创建与删除1.Cisco交换机的VLAN规则Cisco交换机出厂时已经存在一个VLAN，即VLAN 1，是Cisco默认的VLAN，用户可以不使用，但不能删除。VLAN 10021005用于FDDI和令牌环，不能删除。用户创建的VLAN其编号只能介于
7、21001之间。4.1.3 VLAN的创建与删除2.Cisco交换机创建VLAN的方法（1）进入VLAN数据库创建VLANSwitch#vlan databaseSwitch(vlan)#vlan 编号 name 名称创建VLAN时必须为其分配唯一的编号，VLAN名称可以省略。（2）在全局配置）在全局配置模式下创建VLANSwitch(config)#vlan 编号4.1.3 VLAN的创建与删除3.Cisco交换机删除VLAN的方法（1）进入VLAN数据库删除VLANSwitch#vlan databaseSwitch(vlan)#no vlan 编号创建VLAN时必须为其分配唯一的编号，V
8、LAN名称可以省略。（2）在全局配置模式下删除VLANSwitch(config)#no vlan 编号4.1.4 交换机端口工作模式（1）access模式如果某端口连接的是计算机，则将该端口设置为access模式。Switch(config)#interface 端口 /进入端口配置Switch(config-if)#switchport mode access /设置端口为access模式Switch(config-if)#switchport access vlan 编号 /配置端口可以存取的vlan（2）trunk模式（干道模式）如果某端口连接的是另一台交换机或者路由器，且该端口允许多
9、个VLAN通过，则将该端口设置为trunk模式。三层交换机端口要设置成trunk模式，需要先封装 802.1q协议，简写为dot1qSwitch(config)#interface 端口Switch(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q /协议封装Switch(config-if)#switchport mode trunk /配置端口为trunk模式Switch(config-if)#switchport trunk allowed vlan 编号 /配置允许通过的vlanSwitch(config-if)#switchport tr
10、unk allowed vlan add 50 /增加允许通过的vlan如果允许多个VLAN通过，编号之间需用“，”隔开。如果允许所有的VLAN都可以通过，则只使用switchport mode trunk即可。4.1.5 使用VLAN的流程一般来一般来说，要，要在交换机中使用VLAN，有以下三个步三个步骤：第一步，创建VLAN，创建VLAN的方法如上所述。第二步，给VLAN配置IP地址，方法如下：Switch(config)#interface vlan 10 /以vlan 10为例Switch(config-if)#ip address 192.168.10.254 255.255.255
11、.0这里给VLAN接口配置的地址应该是该网段内的一个可用地址，以网段192.168.10.0/24为例，该网段的可用地址是192.168.10.1192.168.10.254。在给VLAN接口配置IP地址时，配置可用地址中的任何一个都可以。另外，配置给VLAN的地址将作为用户计算机的默认网关。第三步，把VLAN与交换机端口关联起来：Switch(config)#interface f0/0Switch(config-if)#switchport access vlan 104.1.6 VLAN间通信1.单臂路由VLAN之间不能直接进行通信，必须通过路由器或者三层交换机实现通信。配置单臂路由的方
12、法：在路由器上设置多个逻辑子接口，每个子接口对应于一个VLAN，并分配IP地址作为该VLAN的网关。由于物理路由接口只有一个，各子接口的数据在物理链路上传递要进行协议封装。Cisco设备支持ISL和802.1q协议，华为设备只支持802.1q。例4.2 单臂路由的配置示例（本示例在Cisco PT环境下实现）。（1）交）交换机的配置：机的配置：Switch#vlan database Switch(vlan)#vlan 10Switch(vlan)#vlan 20Switch(vlan)#exitSwitch#configure terminal Switch(config)#inter f0
13、/1Switch(config-if)#switchport mode access Switch(config-if)#switchport access vlan 10Switch(config-if)#inter f0/2Switch(config-if)#switchport access vlan 20Switch(config-if)#inter f0/24Switch(config-if)#switchport mode trunk Switch(config-if)#exit（2）路由器的配置：）路由器的配置：Router#configure terminalRouter(co
14、nfig)#inter f0/0Router(config-if)#no shutdownRouter(config-if)#inter f0/0.1Router(config-subif)#encapsulation dot1q 10Router(config-subif)#ip add 192.168.10.254 255.255.255.0Router(config-subif)#inter f0/0.2Router(config-subif)#encapsulation dot1q 20Router(config-subif)#ip add 192.168.20.254 255.255
15、.255.0Router(config-subif)#exit2三层交换机实现VLAN间的通信由于三层交换机拥有路由模块，所以很容易实现VLAN间的通信，只要在三层交换机上开启路由功能即可。例4.3 利用三层交换机实现VLAN间通信的配置示例（本示例在Cisco PT环境下实现），网络拓扑如图所示。（1）三三层交换机S0的配置Switch#vlan databaseSwitch(vlan)#vlan 10Switch(vlan)#vlan 20Switch(vlan)#exitSwitch#configure terminalSwitch(config)#inter vlan 10Switch
16、(config-if)#ip add 192.168.10.254 255.255.255.0Switch(config-if)#inter vlan 20Switch(config-if)#ip add 192.168.20.254 255.255.255.0Switch(config-if)#inter f0/1Switch(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1qSwitch(config-if)#switchport mode trunkSwitch(config-if)#switchport trunk allowed vlan
17、10Switch(config-if)#inter f0/2Switch(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1qSwitch(config-if)#switchport mode trunkSwitch(config-if)#switchport trunk allowed vlan 20Switch(config-if)#exitSwitch(config)#ip routing /开启三层路由（2）二二层交换机S1的配置Switch#vlan databaseSwitch(vlan)#vlan 10Switch(vlan)#exitS
18、witch#configure terminalSwitch(config)#inter f0/24Switch(config-if)#switchport mode trunkSwitch(config-if)#inter f0/1Switch(config-if)#switchport access vlan 10Switch(config-if)#exit交换机S2的配置与S1类似。4.2 VLAN中继协议在二层交换机上使用的VLAN虽然在三层交换机上已经创建过，但在二层交换机上还要创建一次，当VLAN和交换机较多时，工作量大，且容易出错。为避免在二层交换机上再次创建VLAN，可使用VT
19、P协议，在一个管理域内，把一台交换机配置成VTP server，其余交换机配置成VTP client，这样client可以自动学习到server 上的VLAN 信息。VTP配置命令如下：Switch#vlan databaseSwitch(vlan)#vtp domain 域的名称 /创建VTP域Switch(vlan)#vtp client|server /设置VTP模式，交换机默认server模式Switch(vlan)#vtp password /设置VTP密码例4.4 VTP示例（本示例在Cisco PT环境下实现）。网络结构拓扑图如图所示，VLAN和地址配置与例4.3中的相同。（1）
20、三层交换机S0的主要配置Switch#vlan databaseSwitch(vlan)#vlan 10Switch(vlan)#vlan 20Switch(vlan)#vtp domain abc /创建域名为abc的VTP域Switch(vlan)#vtp server /设置为server模式Switch(vlan)#vtp password 123456 /设置VTP密码为123456（2）二层交换机S1的配置Switch#vlan databaseSwitch(vlan)#vtp domain abc /使用与S0相同的域Switch(vlan)#vtp client /设置为cli
21、ent模式Switch(vlan)#vtp password 123456/VTP密码应与S0设置的密码保持一致交换机S2的配置与S1类似。4.3 生成树协议1STP生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是一个数据链路层管理协议，目的是在二层物理网 络上通过阻塞一个或多个冗余端口，维护一个无回路的网络。本节所指的网桥就是交换机。1）STP术语为了理解STP的工作原理，首先介绍一些STP术语。网桥协议数据单元（Bridge Protocol Data Unit，BPDU）：BPDU分为“配置BPDU”和“拓扑变 更通告BPDU”两种类型。交换机每隔2秒会向网络发送配置
22、BPDU报文，根据这些报文，交换机可 以判断自己的位置并设置端口的工作状态。拓扑变更通告BPDU用于通知所有交换机快速老化其转发 表并重新计算生成树。4.3.1 STP/RSTP基础4.3.1 STP/RSTP基础网桥号（Bridge ID，BID）：BID用于标识网络中的交换机。BID包括两部分：第一部分是优先级，范围是 065535，默认值是32768；第二部分是交换机MAC地址。根网桥（Root Bridge）：具有最小网桥号的交换机将成为根网桥。整个网络中只能有一个根网桥，其他网 桥称为非根网桥。指定网桥（Designated Bridge）：网络中的每个网段要选出一个指定网桥，负责收
23、发本网段的数据包。指 定网桥到根网桥的累计路径代价最小。根端口（Root Port）：非根网桥需要选择一个端口作为根端口。端口代价最小的成为根端口；端口代价相 同，Port ID最小的端口成为根端口。指定端口（Designated Port）：非根网桥还要为连接的每个网段选出一个指定端口，一个网段的指定端口 是指该网段到根网桥累计路径代价最小的端口。对于根网桥来说，每个端口都是指定端口。一个网段的指定 端口所在的交换机就是该网段的指定网桥。4.3.1 STP/RSTP基础非指定端口（Non Designated Port）：除根端口和指定端口外的所有其他端口都是非指定端口。这 些端口处于阻塞状
24、态，不允许转发任何用户数据。2）端口开销（代价）IEEE 802.1D规定各种类型的端口开销如表所示。端 口 类 型开 销 值10Gbit/s21Gbit/s4100Mbit/s1910Mbit/s1003）STP工作过程当交换机发现网络中存在环路时，它通过逻辑方法将一个或者几个端口阻塞来断开环路，使得任何两台 交换机之间只有一条唯一的通路，达到既冗余又无环的目的（1）选举根网根网桥具有最小网桥号的交换机将成为网络中的根网桥。在进行BID比较时，先比较网桥的优先级，优先级值较小的交换机成为根网桥；当优先级的值相等时，再比较交换机的MAC地址，MAC地址小的为根网桥。（2）选举根端口在每个非根网
25、桥上都要选举一个端口作为该网桥的根端口。选举的依据是该网桥上所有端口接收根网桥发出的BPDU的累计开销大小，其中开销最小的端口成为该网桥的根端口。如果开销相等，则比较端口ID（Port ID），端口ID最小的端口成为根端口。（3）选举指定端口每个物理网段都要选举一个指定端口，以交换机发出的BPDU到达根网桥的累计开销最小的端口作为指定端口。同时802.1D规定，根网桥上的所有端口都是指定端口，根端口不参加指定端口的选举，每个物理网段只需要选举一个指定端口即可。例4.5 以下图为例，分析根网桥、根端口、指定端口的选举过程。各交换机之间全部使用100Mbps以太网接口连接。（1）选举根网桥交换机S
26、1成为根网桥。（2）选举根端口 S2上根端口的选举：S2的f 0/1端口成为根端口 S3上根端口的选举：S3的f 0/3端口成为根端口 S4上根端口的选举：S4的f 0/2端口成为根端口（3）选举指定端口 S3的f 0/1端口成为所在网段的指定端口 S3的f 0/2端口成为所在网段的指定端口经过端口选举以后，交换机S2的f 0/2端口和S4的f 0/1端口属于阻塞端口，形成了一棵无环的生成树，如图所示（4）端口的状态交换机上的端口可处于下列五种状态之一：阻塞、侦听、学习、转发和禁用。（5）重新计算生成树由于设备或链路故障导致网络拓扑结构变化后，需要重新计算网络的生成树。（6）STP存在的主要问
27、题STP协议在网络拓扑结构发生变化时，会导致较长的收敛时间。4.3 生成树协议2RSTP1）RSTP对STP的改进措施（1）为根端口和指定端口分别定义了替换端口和备用端口两种角色，以实现端口状态的快速切换。当根端口失效时，替换端口立即成为新的根端口，并立即进入转发状态（无时延）；同样地，当指定端口失效时，备用端口立即成为新的指定端口，并无时延地立即进入转发状态。（2）在直连式点对点链路中，指定端口只需要与对端网桥进行一次握手就立即进入转发状态。（3）直接与终端连接的端口被定义为边缘端口，边缘端口可以直接进入转发状态，不需要时延。4.3.1 STP/RSTP基础4.3 生成树协议2RSTP2）R
28、STP存在的问题通过上述改进以后，新的RSTP协议确实可以加快网络的收敛速度，并且RSTP兼容STP，可以 混合组网。但RSTP的基础是STP，其自身的缺陷是无法克服的。（1）由于RSTP和STP都是单生成树协议，整个网络只有一棵生成树，因此，当网络较大时，仍然会有较长的收敛时间。（2）当网络结构不对称时，会影响网络的连通性。（3）被阻塞的链路不承载任何用户数据流量，这些链路基本上处于闲置状态，会造成链路的 浪费。4.3.1 STP/RSTP基础4.3.2 PVST/PVST+为了解决STP和RSTP存在的问题，Cisco提出了PVST和PVST+两种生成树协议。1PVSTPVST（Per V
29、LAN Spanning Tree），意为每个VLAN一棵生成树，以保证每个VLAN在网络中都不存在环路。2PVST+PVST（Per VLAN Spanning Tree），意为每个VLAN一棵生成树，以保证每个VLAN在网络中都不存在环路。3PVST/PVST+存在的问题（1）由于每个VLAN一棵生成树，因此整个网络中BPDU的通信量会很大。（2）当VLAN较多时，交换机在计算生成树时会使得CPU承担很大的工作量。（3）PVST和PVST+都是Cisco的私有协议，其他厂商不支持。4.3.3 MSTP1MSTP的基本原理的基本原理MSTP把整个网络划分为若干区域，每个区域可以有若干实例，每
30、个实例关联多个VLAN。也就是说，MSTP将多个VLAN捆绑进一个实例，每个实例创建一棵生成树。STP/RSTP是基于网络的，整个网络一棵生成树。PVST/PVST+是基于VLAN的，每个VLAN一棵生成树。MSTP是基于实例的，每个实例包含多个VLAN，每个实例一棵生成树。2MSTP的优点（1）由于VLAN被捆绑进实例中，而生成树又是基于实例的，因此MSTP在消除VLAN环路的同时，具有负载均衡的能力。（2）由于多个VLAN被捆绑进实例中，减少了BPDU的通信量。（3）兼容STP/RSTP，可以实现混合组网。（4）是IEEE的标准协议，所有厂家都支持。4.3.3 MSTP3MSTP的基本配置
31、命令（1）开启生成树协议：spanning-tree（2）切换到MSTP工作模式：spanning-tree mode mstp（3）设置某个实例在当前交换机中的优先级：spanning-tree mst 实例号 priority 优先级的值其中，“实例号”是网络中规划的实例编号，是一个整数。“优先级的值”是为某个实例在本交换机中设定的优先级，以4096为单位。（4）进入MST配置模式，并配置MST的相关参数：spanning-tree mst configuration instance 实例号 vlan 编号1，编号k /将若干vlan捆绑进当前实例 name 区域名称 revision
32、修订号修订号的取值范围是065535，默认值为0。在MSTP的配置中，同一区域中的所有交换机应保证以下三方面的一致性，它们共同 确定交换机所属的MST域：区域名称的一致性；实例及实例关联的VLAN的一致性；修订号的一致性。4.3.3 MSTP例4.6 假设由4台交换机构成的带冗余链路的网络如图所示，整个网络有vlan 10，vlan 20，vlan 30和vlan 40，共4个VLAN。现要求全网只有1个区域area1，包含2个实例。实例1包含vlan 10和vlan 30，实例2包含vlan 20和vlan 40。4.MSTP配置实例4.3.3 MSTP交换机S1作为实例1的根，交换机S2作
33、为实例2的根。该案例只能在真实设备上实现交换机S1的主要配置：配置：S1(config)#spanning-treeS1(config)#spanning-tree mode mstpS1(config)#spanning-tree mst 1 priority 4096 /S1为实例1的根S1(config)#spanning-tree mst configurationS1(config-mst)#name area1S1(config-mst)#instance 1 vlan 10,30S1(config-mst)#instance 2 vlan 20,40S1(config-mst)#
34、revision 1交交换机机S3的主要配置：的主要配置：S3(config)#spanning-treeS3(config)#spanning-tree mode mstpS3(config)#spanning-tree mst configurationS3(config-mst)#name area1S3(config-mst)#instance 1 vlan 10,30S3(config-mst)#instance 2 vlan 20,40S3(config-mst)#revision 1S2的配置与S1类似，S4的配置与S3类似在大、中型网络环境下，手工分配IP地址会导致工作量巨大，
35、且容易出错。为此，引入了一种高效的IP地址分配方法，即动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP），为客户机动态分配IP地址和提供其它配置参数。4.4 动态主机配置协议DHCP4.4.1 BGP路由基础4.4.1 BGP路由基础1.DHCP客户机和DHCP服务器（1）DHCP客户机DHCP客户机就是网络中普通用户使用的计算机，其IP地址由DHCP服务器进行动态分配。（2）DHCP服务器DHCP服务器在网络中用于集中管理IP地址，完成用户IP地址的分配和回收。在一个网络中有一台或多台这样的服务器。4.4.1 BGP路由基础2.DHCP协议的
36、工作流程DHCP协议工作时包括DHCP发现、服务器提供地址租约、客户机选择地址租约、IP地址租用确认4个阶段，如图所示。4.4.2 用计算机服务器提供DHCP服务2.DHCP协议的工作流程在网络中提供DHCP服务的设备可以 是计算机服务器，也可以是三层交换机。例4.7 使用计算机服务器提供DHCP 服务功能。4.4.3 三层交换机用作DHCP服务器直接利用三层交换机作为DHCP服 务器，使得网络结构更简单，同 时还可以节约资金。例4.8 三层交换机用作DHCP服务器的配置实例。（1）三层交换机S0的主要配置：Switch(config)#ip dhcp pool v10 /创建v10地址池Sw
37、itch(dhcp-config)#network 192.168.10.0 255.255.255.0 /设置地址段Switch(dhcp-config)#default-router 192.168.10.254/设置网关Switch(dhcp-config)#dns-server 61.128.114.166 /设置DNS服务器Switch(dhcp-config)#exitSwitch(config)#ip dhcp pool v20Switch(dhcp-config)#network 192.168.20.0 255.255.255.0Switch(dhcp-config)#def
38、ault-router 192.168.20.254Switch(dhcp-config)#dns-server 61.128.114.166Switch(dhcp-config)#exitDHCP客户机通过发送广播消息来获得DHCP服务器的响应，从而得到IP地址。但广播消息是不能跨越子网的，当DHCP客户机和服务器在不同的网段时，DHCP客户机就无法正常获取IP地址，可以通过DHCP中继代理来解决。4.4.4 DHCP中继Cisco交换机中继代理命令：ip helper-address 服务器地址 /DHCP服务器的IP地址该命令需要配置在用户所使用的VLAN里面，用来告知该VLAN下的用户
39、从哪台服务器获取IP地址。例4.9 DHCP中继代理的配置示例（本示例在Cisco PT环境下实现）。在本例中，利用计算机服务器来提供DHCP服务，服务器的IP地址段是192.168.100.0/24，PC1和PC2使用的IP地址段分别是192.168.10.0/24和192.168.20.0/24，因此服务器与用户计算机PC1和PC2处于不同的网段。（1）对计算机服务器的配置给计算机服务器手工配置IP地址192.168.100.1，子网掩码为255.255.255.0，网关为192.168.100.254。同时，在计算机服务器上创建地址池V10（默认网关为192.168.10.254，开始地
40、址为192.168.10.1，子网掩码为255.255.255.0）和V20（默认网关为192.168.20.254，开始地址为192.168.20.1，子网掩码为255.255.255.0），如图所示。4.4.4 DHCP中继图4-18 DHCP网段配置（2）三层交换机S0的配置：Switch#vlan databaseSwitch(vlan)#vlan 100Switch(vlan)#vlan 10Switch(vlan)#vlan 20Switch(vlan)#exitSwitch#conf tSwitch(config)#inter vlan 10Switch(config-if)#i
41、p add 192.168.10.254 255.255.255.0Switch(config-if)#ip helper-address 192.168.100.1/为vlan 10配置中继代理Switch(config-if)#inter vlan 20Switch(config-if)#ip add 192.168.20.254 255.255.255.0Switch(config-if)#ip helper-address 192.168.100.1/为vlan 20配置中继代理Switch(config-if)#inter vlan 100Switch(config-if)#ip add 192.168.100.254 255.255.255.0sSwitch(config-if)#inter f0/1Switch(config-if)#switchport access vlan 10Switch(config-if)#inter f0/2Switch(config-if)#switchport access vlan 20Switch(config-if)#inter f0/24Switch(config-if)#switchport access vlan 100Switch(config-if)#exit