一．实验目的

1、区别LAN、VLAN、IP网段

2、掌握基于端口的VLAN划分方法

3、明确VLAN中继作用

4、熟悉VLAN标记帧的结构

5、熟悉路由器子接口创建方法

6、掌握VLAN路由配置方法

二．实验环境

1. 头歌基于Linux的虚拟机桌面系统
2. 组网仿真工具GNS3
3. 网络报文分析工具 wireshark

三．相关原理或知识点

1、广泛存在的LAN

   我们日常接触的机房内的网络、整个部门的网络、整个单位（单一园区）的网络大多数都是LAN。用户众多、单一地域的校园网、企业网等，可以称之为大中型园区网络。

2、交换式网络

   单个交换机的端口数是有限的，常见有16口、24口。

   交换机之间用网线连接起来，称之为“级联”，通过级联可以扩充整个LAN的端口，以接纳更多的用户主机。

   全部由交换机作为互联设备互联而成的网络，我们称之为交换式网络。

   目前大多数LAN，大多数的园区网络的主体部分，都设计成交换式网络。

   网络中的交换机分核心层、汇聚层、接入层三个层次。汇聚层交换机属于部门级交换机；接入层交换机的作用是连接用户主机，一般是二层交换机。核心层、汇聚层交换机必须是三层交换机。

3、较大的LAN在设计时必须划分成若干VLAN

主要目的是限制广播域。 每个VLAN都要定义一个ID，用来标识和区别不同的VLAN，这个ID取值范围是1-4095。 

4、从技术的角度看，VLAN划分方法

（1）按端口划分 （2）按MAC地址划分 （3）按IP地址划分 （4）按协议划分

本次实验采用的是第一种方法，也是最常用的方法。

5、从用途角度看，VLAN划分方法

（1）根据用户业务 （2）根据网络管理 （3）根据互联需要

本次实验采用的是第一种方法，也是最常用的方法。

6、交换机端口与VLAN相关的属性

（1） Type(类型)

主要分Access（接入）、Trunk（中继）类型，其中Trunk根据所支持的通信协议，右进一步分成Dot1q、Qinq两种。

Access类型端口只支持以太网帧的发送或接收，不支持VLAN协议帧。

Trunk类型端口既支持以太网帧的发送或接收，又支持VLAN协议帧。

标准的VLAN协议的标准号是IEEE802.1Q，协议名称简称为Dot1q。

Qinq协议是含有两层Dot1q报头的隧道协议。

（2） VLAN(VLAN ID)

VLAN编号，数值类型。当当前端口是Access类型时，表示该端口是对应的VLAN的成员端口；当当前端口是Trunk(Dot1q或Qinq)类型时，表示所有进出该端口的不含Dot1q或Qinq协议的以太网帧，都隶属于对应的VLAN。

以太网交换机针对VLAN的出厂默认设置是，全部的端口都是ACCESS类型，都是VLAN ID为1的vlan成员。

7、VLAN中继

连接两个交换机的链路叫级联链路，两端的端口叫级联口。可以把这两端的端口类型更改为Trunk(Dot1q或Qinq)类型，这时端口就变成VLAN中继端口，链路就变成了VLAN中继链路。VLAN中继端口或中继链路允许不同VLAN的报文通过，这些报文（并非全部）中自动嵌入一个Dot1q或Qinq协议头（含4个字段，其中1个记录的是对应的VLAN ID）。

8、VLAN数据帧格式

要使交换机能够分辨不同VLAN的报文，需要在报文中添加标识VLAN信息的字段。IEEE 802.1Q协议规定，在以太网数据帧的目的MAC地址和源MAC地址字段之后、协议类型字段之前加入4个字节的VLAN标签（又称VLAN Tag，简称Tag），用于标识数据帧所属的VLAN。VLAN标签在VLAN数据帧中的位置如图所示：

在一个VLAN交换网络中，以太网帧主要有以下两种形式：

（1）有标记帧（Tagged帧）：加入了4字节VLAN标签的帧。

（2）无标记帧（Untagged帧）：原始的、未加入4字节VLAN标签的帧。

以太网链路包括接入链路（Access Link）和干道链路（Trunk Link）。接入链路用于连接交换机和用户终端（如用户主机、服务器、傻瓜交换机等），只可以承载1个VLAN的数据帧。干道链路用于交换机间互连或连接交换机与路由器，可以承载多个不同VLAN的数据帧。在接入链路上传输的帧都是Untagged帧，在干道链路上传输的数据帧都是Tagged帧。

交换机内部处理的数据帧一律都是Tagged帧。从用户终端接收无标记帧后，交换机会为无标记帧添加VLAN标签，重新计算帧校验序列(FCS)，然后通过干道链路发送帧；向用户终端发送帧前，交换机会去除VLAN标签，并通过接入链路向终端发送无标记帧。

VLAN标签包含4个字段，各字段含义如下表所示：

字段	长度	含义	取值
TPID	2Byte	Tag Protocol Identifier（标签协议标识符），表示数据帧类型。	取值为0x8100时表示IEEE 802.1Q的VLAN数据帧。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。 各设备厂商可以自定义该字段的值。当邻居设备将TPID值配置为非0x8100时， 为了能够识别这样的报文，实现互通，必须在本设备上修改TPID值，确保和邻居设备的TPID值配置一致。
PRI	3bit	Priority，表示数据帧的802.1p优先级。	取值范围为0～7，值越大优先级越高。当网络阻塞时，交换机优先发送优先级高的数据帧。
CFI	1bit	Canonical Format Indicator（标准格式指示位），表示MAC地址在不同的传输介质中是否以标准格式进行封装，用于兼容以太网和令牌环网。	CFI取值为0表示MAC地址以标准格式进行封装，为1表示以非标准格式封装。在以太网中，CFI的值为0。
VID	12bit	VLAN ID，表示该数据帧所属VLAN的编号。	VLAN ID取值范围是0～4095。由于0和4095为协议保留取值，所以VLAN ID的有效取值范围是1～4094。

因为IEEE 802.1Q中定义的VLAN Tag域只有12个比特，仅能表示4096个VLAN，无法满足城域以太网中标识大量用户的需求，于是产生了QinQ技术，拓展VLAN的数量空间。QinQ在原有的802.1Q报文的基础上增加一层802.1Q标签，使得VLAN数量增加到4094×4094。

9、VLAN路由

VLAN是建立在物理网络基础上的一种逻辑子网，因此建立VLAN需要相应的支持VLAN技术的网络设备。不同VLAN间的节点在链路层是彼此隔离不能直接通信的，当网络中的不同VLAN间需要相互通信时，就得必须采用具有路由功能的互联设备在网络层进行互联。有两种互联设备支持VLAN之间的路由：

1. 路由器
2. 三层交换机

10、路由器的子接口与单臂路由技术

依托路由器的一个物理接口，可以创建若干个子接口，每个子接口都可以独立作为一个网关。这样在形式上借助一个物理路由接口可以实现对多个IP网段进行路由，这在组网上称之为单臂路由技术。这些子接口都是逻辑接口，可以创建可以删除。CISCO（思科）路由器的子接口，需要先配置封装协议后，才允许配置IP地址。路由器的子接口的命名方法是：对应的物理接口名，加‘.’，再加一个编号（数值），例如：子接口f0/0.10。

四．实验任务

编辑如下网络拓扑

结合网络拓扑图和下表，分析该网络的vlan划分和IP规划的思路，并写在实验报告中。

通信 节点	VLAN ID	所连 交换机	所连 端口	IP/MASK	网关IP
PC1	10	S1	1	10.1.1.1/24	10.1.1.254/24
PC2	20	S1	2	10.1.2.1/24	10.1.2.254/24
PC3	20	S1	3	10.1.2.2/24	10.1.2.254/24
PC4	10	S2	1	10.1.1.2/24	10.1.1.254/24
PC5	20	S2	2	10.1.2.3/24	10.1.2.254/24
F0/0.1	10	S1	0	10.1.1.254/24
F0/0.2	20	S1	0	10.1.2.254/24

1. 为各主机节点设置IP地址、子网掩码、网关IP
2. 在交换机S1上，进行划分VLAN，设置e1、e2、e3三个端口相关属性。
3. 在交换机S2上，进行划分VLAN，设置e1、e2两个端口相关属性。
4. 使用Ping命令测试pc2、pc3之间的连通性；使用Ping命令测试pc2、pc5之间的连通性。
5. 配置VLAN中继。
6. 使用Ping命令测试pc2、pc5之间的连通性。
7. 在路由器R1上配置单臂路由。
8. 保存配置、查看配置代码、查看路由表。
9. 进行路由测试，使用wireshark跟踪通信过程，并进行分析。

五．网络规划与设计

      1、网络拓扑

      2、网络的vlan划分和IP规划

通信 节点	VLAN ID	所连 交换机	所连 端口	IP/MASK	网关IP
PC1	10	S1	1	10.1.1.1/24	10.1.1.254/24
PC2	20	S1	2	10.1.2.1/24	10.1.2.254/24
PC3	20	S1	3	10.1.2.2/24	10.1.2.254/24
PC4	10	S2	1	10.1.1.2/24	10.1.1.254/24
PC5	20	S2	2	10.1.2.3/24	10.1.2.254/24
F0/0.1	10	S1	0	10.1.1.254/24
F0/0.2	20	S1	0	10.1.2.254/24

六．LAN划分与VLAN中继

1、PC 配置

在PC1命令行窗口中输入：ip 10.1.1.1/24 10.1.1.254/24

IP 地址设置为10.1.1.1，子网掩码设置为 24，网关设置为 10.1.1.254

在PC2命令行窗口中输入：ip 10.1.2.1/24 10.1.2.254/24

IP 地址设置为10.1.2.1，子网掩码设置为24，网关设置为10.1.2.254

在PC3命令行窗口中输入：ip 10.1.2.2/24 10.1.2.254/24

IP 地址设置为10.1.2.2，子网掩码设置为24，网关设置为10.1.2.254

在PC4命令行窗口中输入：ip 10.1.1.2/24 10.1.1.254/24

IP 地址设置为10.1.1.2，子网掩码设置为24，网关设置为10.1.1.254

在PC5命令行窗口中输入：ip 10.1.2.3/24 10.1.2.254/24

IP 地址设置为10.1.2.3，子网掩码设置为24，网关设置为10.1.2.254

2、交换机VLAN 划分

在交换机S1上，进行划分VLAN，设置e1端口VLAN ID为10，e2、e3端口VLAN ID为20

在交换机S2上，进行划分VLAN，设置e1端口VLAN ID为10，e2端口VLAN ID为20

使用Ping命令测试PC2、PC3之间的连通性

在PC2命令行窗口中输入：ping 10.1.2.2

结果显示PC2与PC3之间是连通的

VLAN ID为20的不同设备之间可以相互通信

使用Ping命令测试PC2、PC5之间的连通性

在PC2命令行窗口中输入：ping 10.1.2.3

结果显示PC2与PC5之间是不通的

VLAN ID为10的节点不能与VLAN ID为20的节点相互通信

3、配置VLAN中继

在S1交换机上将e0、e4端口设置成中继接口

在S2交换机上将e0端口设置成中继接口

使用Ping命令测试PC2、PC5之间的连通性

在PC2命令行窗口中输入：ping 10.1.2.3

结果显示，在配置完VLAN中继后，PC2与PC5之间是连通的

VLAN ID为10的节点可以与VLAN ID为20的节点相互通信

七．VLAN路由

1、在路由器R1上配置单臂路由

启动路由器R1后，打开命令行窗口

在“R1#”提示符下（特权模式）：

进入终端配置模式：config  t

创建子接口：interface FastEthernet0/0.1

对当前子接口指定封装协议Dot1q,指定所属VLAN:

                 encapsulation dot1Q 10

对当前子接口设置IP地址、子网掩码：

                 ip address 10.1.1.254 255.255.255.0

创建子接口：interface FastEthernet0/0.2

对当前子接口指定封装协议Dot1q,指定所属VLAN:

                 encapsulation dot1Q 20

对当前子接口设置IP地址、子网掩码：

                 ip address 10.1.2.254 255.255.255.0

激活对应的物理接口

                 Interface f0/0

                 no shutdown        

保存配置、查看配置代码、查看路由表

1. 返回到特权模式：end
2. 保存配置:write
3. 查看配置代码:show run

查看路由表:show ip route

2、路由测试

使用wireshark跟踪通信过程，并进行分析

选择PC1、PC5

在路由接口f0/0在的链路上，启动wireshark抓取报文

移动鼠标指针指向路由接口f0/0所在的链路上（变成红色），单击鼠标右键，在弹出菜单中选择菜单项“start capture”

在主机PC1的命令窗口中输入：ping 10.1.2.3

在wireshark窗口中，单击停止按钮

选择其中一个ICMP报文，在对应的解码窗口中，将ethernet II、802.1q、IP协议头部字段分别展开，然后截图放到实验报告中进行验证分析。

八．拓展实验（选做）

1、网络拓扑

2、网络的VLAN划分和IP规划

通信 节点	VLAN ID	所连 交换机	所连 端口	IP/MASK	网关IP
PC1	10	S1	1	10.0.1.1/24	10.0.1.254/24
PC2	10	S1	2	10.0.1.2/24	10.0.1.254/24
PC3	10	S1	3	10.0.1.3/24	10.0.1.254/24
PC4	20	S2	1	10.0.2.1/24	10.0.2.254/24
PC5	20	S2	2	10.0.2.2/24	10.0.2.254/24
PC6	30	S3	1	10.0.3.1/24	10.0.3.254/24
F0/0.1	10	S0	0	10.0.1.254/24
F0/0.2	20	S0	0	10.0.2.254/24
F0/0.3	30	S0	0	10.0.3.254/24

3、PC 配置

在PC1命令行窗口中输入：ip 10.0.1.1/24 10.0.1.254/24

IP 地址设置为10.0.1.1，子网掩码设置为24，网关设置为10.0.1.254

在PC2命令行窗口中输入：ip 10.0.1.2/24 10.0.1.254/24

IP 地址设置为10.0.1.2，子网掩码设置为24，网关设置为10.0.1.254

在PC3命令行窗口中输入：ip 10.0.1.3/24 10.0.1.254/24

IP 地址设置为10.0.1.3，子网掩码设置为24，网关设置为10.0.1.254

在PC4命令行窗口中输入：ip 10.0.2.1/24 10.0.2.254/24

IP 地址设置为10.0.2.1，子网掩码设置为24，网关设置为10.0.2.254

在PC5命令行窗口中输入：ip 10.0.2.2/24 10.0.2.254/24

IP 地址设置为10.0.2.2，子网掩码设置为24，网关设置为10.0.2.254

在PC6命令行窗口中输入：ip 10.0.3.1/24 10.0.3.254/24

IP 地址设置为10.0.3.1，子网掩码设置为24，网关设置为10.0.3.254

4、交换机VLAN 划分和VLAN中继

在S0交换机上将e0、e1、e2、e3端口设置成中继接口

在S1交换机上进行划分VLAN，设置e1、e2、e3端口VLAN ID为10

将e0端口设置成中继接口

在S2交换机上进行划分VLAN，设置e1、e2端口VLAN ID为20

将e0端口设置成中继接口

在S3交换机上进行划分VLAN，设置e1端口VLAN ID为30

将e0端口设置成中继接口

5、VLAN路由

在路由器R1上配置单臂路由

启动路由器R1后，打开命令行窗口

在“R1#”提示符下（特权模式）：

进入终端配置模式：config  t

创建子接口：interface FastEthernet0/0.1

对当前子接口指定封装协议Dot1q,指定所属VLAN:

                 encapsulation dot1Q 10

对当前子接口设置IP地址、子网掩码：

                 ip address 10.0.1.254 255.255.255.0

创建子接口：interface FastEthernet0/0.2

对当前子接口指定封装协议Dot1q,指定所属VLAN:

                 encapsulation dot1Q 20

对当前子接口设置IP地址、子网掩码：

                 ip address 10.0.2.254 255.255.255.0

创建子接口：interface FastEthernet0/0.3

对当前子接口指定封装协议Dot1q,指定所属VLAN:

encapsulation dot1Q 30

对当前子接口设置IP地址、子网掩码：

ip address 10.0.3.254 255.255.255.0

激活对应的物理接口

Interface f0/0

no shutdown      

保存配置、查看配置代码、查看路由表

1. 返回到特权模式：end
2. 保存配置:write
3. 查看配置代码:show run

查看路由表:show ip route

6、网络连通测试

使用Ping命令测试PC1、PC4之间的连通性

在PC1命令行窗口中输入：ping 10.0.2.1

结果显示PC1与PC4之间是连通的，VLAN ID为10的节点可以与VLAN ID为20的节点相互通信

使用Ping命令测试PC1、PC6之间的连通性

在PC1命令行窗口中输入：ping 10.0.3.1

结果显示PC1与PC6之间是连通的，VLAN ID为10的节点可以与VLAN ID为30的节点相互通信

使用Ping命令测试PC4、PC6之间的连通性

在PC4命令行窗口中输入：ping 10.0.3.1

结果显示PC4与PC6之间是连通的，VLAN ID为20的节点可以与VLAN ID为30的节点相互通信

九．实验总结

在本次计算机网络实验中，我们致力于深入了解和实践虚拟局域网（VLAN）的划分、路由配置以及相关概念。以下是实验的重点内容和取得的成果总结：

1. 区别LAN、VLAN、IP网段

在实验开始之初，我们首先对局域网（LAN）、虚拟局域网（VLAN）和IP网段进行了明确的区分。LAN是指物理连接的局域网络，而VLAN是在逻辑上划分出的虚拟网络，通过交换机等设备实现。每个VLAN可以拥有独立的IP网段，使得不同VLAN间的通信需要经过路由器进行。

2. 基于端口的VLAN划分方法

我们深入了解了基于端口的VLAN划分方法，通过交换机配置实现了将不同端口划分到不同的VLAN中。这有助于实现物理上相连的设备在逻辑上的隔离，提高网络的灵活性和安全性。

3. VLAN中继作用

我们配置了VLAN中继，确保不同交换机之间的VLAN信息传递。VLAN中继的作用在于实现VLAN信息的跨交换机传递，使得整个网络中的VLAN配置能够同步，从而确保通信的正常进行。

4. VLAN标记帧的结构

在深入学习了VLAN标记帧的结构后，我们理解了如何通过在数据帧中添加VLAN标签来实现对不同VLAN的区分。这是实现VLAN隔离的重要机制，确保数据在网络中正确地被路由到相应的VLAN。

5. 路由器子接口创建方法

为了实现不同VLAN间的通信，我们学习并成功配置了路由器子接口。通过为每个VLAN创建独立的子接口，路由器能够正确地转发数据包，实现了不同VLAN之间的网络互通。

6. VLAN路由配置方法

我们掌握了VLAN路由的配置方法，确保在路由器上正确配置了VLAN间的路由规则。这使得不同VLAN内的设备能够通过路由器进行通信，实现了逻辑上的隔离和物理上的互通。

通过本次实验，我们成功实现了在链路层上彼此隔离的不同VLAN间的节点相互通信。我们深刻理解了VLAN的概念、划分方法以及与路由器的结合应用，提高了对计算机网络中复杂概念的理解和应用能力。此外，我们对网络连通性进行了全面的测试，验证了实验的有效性和可行性。

总体而言，这次实验不仅丰富了我们在计算机网络领域的实际操作经验，也为我们理解和掌握更高级网络配置打下了坚实基础。我们对于VLAN的应用和路由配置有了更深刻的理解，这对于今后的网络工程和管理工作将具有重要的指导意义。