1、虚拟局域网建设毕业论文摘 要:本文主要从以太网的工作原理出发,由 CSMA/CD冲突监测的载波侦听的工作机制引出传统使用集线器和二层交换机组网所产生的冲突域和广播域问题，为了解决这些问题，进而引出了三层交换机和 VLAN（虚拟局域网）的概念。接着，对 VLAN的各种特性分别进行了阐述，并结合实例说明了如何运用三层交换机创建 VLAN的具体配置过程。从而可以得出 VLAN技术是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术，是局域交换网的灵魂。关键词：以太网、CSMA/CD 冲突监测的载波侦听、冲突域、广播域、三层交换机、VLAN（虚拟局域网）目 录一、
2、引言1二、 VLAN的发展过程12.1、以太网的工作原理及三层交换的产生12.2、VLAN 的产生22.2.1、VLAN 的定义22.2.2、VLAN 的优点32.2.3、VLAN 的划分32.2.4、VLAN 的标准52.2.5、VLAN 的配置52.2.6、三层交换的配置6三、VLAN 的实际运用63.1、VLAN 的实现63.2、如何配置三层交换机创建 VLAN73.2.1、设置 VTP DOMAIN73.2.2、配置中继83.2.3、创建 VLAN93.2.4、将交换机端口划入 VLAN103.2.5、配置三层交换11四、结束语12五、参考文献13一、引言随着我国综合国力的不断加强，我
3、国信息产业的发展力度不断的提高，各类信息技术突飞猛进，计算机网络技术的迅猛发展更是令人叹为观止。计算机网络技术的发展犹如戏剧舞台，你方唱罢我登台。各类数据网络技术是竞相争艳，当然以太网技术也不例外。从传统的以太网(10Mb/s)发展到快速以太网(100Mb/s)和千兆以太网(1000Mb/s)也不过几年的时间，其迅猛的势头实在令人吃惊。而现在中大型规模网络建设中，以千兆三层交换机为核心的所谓“千兆主干跑、百兆到桌面”的主流网络模型已不胜枚举。本文将结合丽水本地的一些实际情况，分别对以太网的原理、VLAN 的发展、三层交换的定义、VLAN 的定义、VLAN 的优点、VLAN 的划分、VLAN 的
4、配置（结合实例）等内容加以阐述。二、VLAN 的发展过程2.1、以太网的工作原理及三层交换的产生以太网的工作原理是利用二进制位形成的一个个字节组合成一帧帧的数据(其实是一些电脉冲)在导线中进行传播。首先，以太网网段上需要进行数据传送的节点对导线进行监听，这个过程称为 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection带有冲突监测的载波侦听多址访问)的载波侦听。这个机制的工作原理就是每台机器在总线上发送数据之前要侦听是否有其他数据在总线上传送，如果有就等待，否则就会发出准备传送数据的信息，其它机器侦听到这个信息就会暂停自己
5、的数据传送。可以说所有在这个总线上的机器在一个冲突域内，因为他们是互相争夺总线带宽的，是共享机制，因此又叫做带宽域。集线器（HUB）所有的端口都在一个冲突域，所有的机器都可以侦听到其它机器是否在发送数据，也可以接受到其它机器发出的数据，所以说 HUB是共享带宽的，在满载的情况下是不能保证所有机器都能得到端口的标称带宽的，而且利用其可以接收到其它机器发送的数据的特点，我们可以用 sniffer等软件监控网络中的数据。也就是说在 CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。而转发以太网数据帧的联网设备是集线器,它是一层设备，传输效率比较低。 冲突的产生降低了以太网的带宽，
6、而且这种情况又是不可避免的。交换机的好处在于其可以隔离冲突域，每个端口就是一个冲突域，因此在一个端口单独接计算机的时候，该计算机是不会与其它计算机产生冲突的，也就是带宽是独享的，交换机能做到这一点关键在于其内部的总线带宽是足够大的，可以满足所有端口的全双工状态下的带宽需求，并且通过类似电话交换机的机制保护不同的数据包能够到达目的地，可以把 HUB和交换机比喻成单排街道与高速公路。HUB 和交换机都工作于 OSI的第二层。二层交换机是基于目标 MAC(介质访问控制)地址做出转发决定的，它们是二层设备。我们已经知道了以太网的缺点及物理网段中冲突的影响，现在，我们来看看另外一种导致网络降低运行速度的
7、原因：广播。广播存在于所有的网络上，如果不对它们进行适当的控制，它们便会充斥于整个网络，产生大量的网络通信。广播不仅消耗了带宽，而且也降低了用户工作站的处理效率。IP 广播是属于 OSI的第三层，是基于 TCP/IP协议的。TCP/IP 使用广播从 IP地址中解析 MAC地址，还使用广播通过 RIP和 IGRP协议进行宣告。交换机是无法隔离广播的，就像 HUB无法隔离冲突域一样，因为其是工作在 OSI第二层的，无法分析 IP包，但我们可以使用路由器来隔离广播域，路由器的每个端口可以看成是一个广播域，一个端口的广播无法传到另外一个端口（特殊设置除外），因此在规模较大，机器较多的情况下我们可以使用
8、路由器来隔离广播。在这里，我们就容易理解三层交换技术了，通俗地讲，就是将路由与交换合二为一的技术。路由器在对第一个数据流进行路由后，将会产生一个 MAC地址与 IP地址的映射表，当同样的数据流再次通过时，将根据此映射表直接从二层进行交换而不是再次路由，提供线速性能，从而消除了路由器进行路由选择而造成网络的延迟，提高了数据包转发的效率，消除了路由器可能产生的网络瓶颈问题。采用此技术的交换机我们常称为三层交换机。2.2、VLAN 的产生通常，只有通过划分子网才可以隔离广播，但是 VLAN的出现打破了这个定律，用二层的东西解决三层的问题很是奇怪，但是的确做到了。它的作用就是将物理上互连的网络在逻辑上
9、划分为多个互不相干的网络，这些网络之间是无法通讯的，就好像互相之间没有连接一样，因此广播也就隔离开了。2.2.1、VLAN 的定义VLAN是英文 Virtual Local Area Network的缩写，即虚拟局域网。是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。VLAN 可以不考虑用户的物理位置，而根据功能、应用等因素将用户从逻辑上划分为一个个功能相对独立的工作组，每个用户主机都连接在一个支持 VLAN的交换机端口上并属于一个 VLAN。同一个 VLAN中的成员都共享广播，形成一个广播域，而不同 VLAN之间广播信息是相互隔离的。这样，将整个网络
10、分割成多个不同的广播域(VLAN)。IEEE 于 1999年颁布了用以标准化 VLAN实现方案的 802.1Q协议标准草案。一方面，VLAN 建立在局域网交换机的基础之上；另一方面，VLAN 是局域交换网的灵魂。这是因为通过 VLAN用户能方便地在网络中移动和快捷地组建宽带网络，而无需改变任何硬件和通信线路。这样，网络管理员就能从逻辑上对用户和网络资源进行分配，而无需考虑物理连接方式。VLAN 充分体现了现代网络技术的重要特征：高速、灵活、管理简便和扩展容易。是否具有 VLAN功能是衡量局域网交换机的一项重要指标。网络的虚拟化是未来网络发展的潮流。2.2.2、VLAN 的优点VLAN是为解决以
11、太网的广播问题和安全性而提出的，它在以太网帧的基础上增加了 VLAN头，用 VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。一个 VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他 VLAN中，即使是两台计算机有着同样的网段，但是它们却没有相同的 VLAN号，它们各自的广播流也不会相互转发,从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。 VLAN具有以下优点： （1）、控制网络的广播风暴 采用 VLAN技术，可将某个交换端口划到某个 VLAN中，而一个 VLAN的广播风暴不会影响其它 VLAN的性能。 （2）、确保网络安全 共
12、享式局域网之所以很难保证网络的安全性，是因为只要用户插入一个活动端口，就能访问网络。而 VLAN能限制个别用户的访问，控制广播组的大小和位置，甚至能锁定某台设备的 MAC地址，因此 VLAN能确保网络的安全性。 （3）、简化网络管理 网络管理员能借助于 VLAN技术轻松管理整个网络。例如需要为完成某个项目建立一个工作组网络，其成员可能遍及全国或全世界，此时，网络管理员只需设置几条命令，就能在几分钟内建立该项目的 VLAN网络，其成员使用 VLAN网络，就像在本地使用局域网一样2.2.3、VLAN 的划分使用 VLAN的目的不仅仅是隔离广播，还有安全和管理等方面的应用，例如将重要部门与其它部门通
13、过 VLAN隔离，即使同在一个网络也可以保证他们不能互相通讯，确保重要部门的数据安全；也可以按照不同的部门、人员，位置划分 VLAN，分别赋给不同的权限来进行管理。VLAN的划分有很多种，我们可以按照 IP地址来划分，按照端口来划分、按照 MAC地址划分或者按照协议来划分，常用的划分方法是将端口和 IP地址结合来划分 VLAN，某几个端口为一个 VLAN，并为该 VLAN配置 IP地址，那么该 VLAN中的计算机就以这个地址为网关，其它 VLAN则不能与该 VLAN处于同一子网。我们本地常常采用几种方法相结合进行 VLAN的划分。VLAN的划分 （1）、根据端口来划分 VLAN 许多 VLAN
14、厂商都利用交换机的端口来划分 VLAN成员。被设定的端口都在同一个广播域中。例如，一个交换机的 1，2，3，4，5 端口被定义为虚拟网 AAA，同一交换机的 6，7，8 端口组成虚拟网 BBB。这样做允许各端口之间的通讯，并允许共享型网络的升级。但是，这种划分模式将虚拟网限制在了一台交换机上。第二代端口 VLAN技术允许跨越多个交换机的多个不同端口划分 VLAN，不同交换机上的若干个端口可以组成同一个虚拟网。 以交换机端口来划分网络成员，其配置过程简单明了。因此，从目前来看，这种根据端口来划分 VLAN的方式仍然是最常用的一种方式。 （2）、根据 MAC地址划分 VLAN 这种划分 VLAN的
15、方法是根据每个主机的 MAC地址来划分，即对每个 MAC地址的主机都配置它属于哪个组。这种划分 VLAN方法的最大优点就是当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN 不用重新配置，所以，可以认为这种根据 MAC地址的划分方法是基于用户的 VLAN，这种方法的缺点是初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户的话，配置是非常累的。而且这种划分的方法也导致了交换机执行效率的降低，因为在每一个交换机的端口都可能存在很多个 VLAN组的成员，这样就无法限制广播包了。另外，对于使用笔记本电脑的用户来说，他们的网卡可能经常更换，这样，VLAN 就必须不停地配置。（3
16、）、根据网络层划分 VLAN 这种划分 VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型(如果支持多协议)划分的，虽然这种划分方法是根据网络地址，比如 IP地址，但它不是路由，与网络层的路由毫无关系。 这种方法的优点是用户的物理位置改变了，不需要重新配置所属的 VLAN，而且可以根据协议类型来划分 VLAN，这对网络管理者来说很重要，还有，这种方法不需要附加的帧标签来识别 VLAN，这样可以减少网络的通信量。这种方法的缺点是效率低，因为检查每一个数据包的网络层地址是需要消耗处理时间的(相对于前面两种方法)，一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网帧头，但要让芯片能检查 IP帧头，需
17、要更高的技术，同时也更费时。当然，这与各个厂商的实现方法有关。（4）、根据 IP组播划分 VLAN IP 组播实际上也是一种 VLAN的定义，即认为一个组播组就是一个 VLAN，这种划分的方法将 VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，当然这种方法不适合局域网，主要是效率不高。2.2.4、VLAN 的标准对 VLAN的标准，我们只是介绍两种比较通用的标准，当然也有一些公司具有自己的标准，比如 Cisco公司的 ISL标准，虽然不是一种大众化的标准，但是由于 Cisco Catalyst交换机的大量使用，ISL 也成为一种不是标准的标准了。（1）、8
18、02.10VLAN 标准 在 1995年，Cisco 公司提倡使用 IEEE802.10协议。在此之前，IEEE802.10曾经在全球范围内作为 VLAN安全性的同一规范。Cisco 公司试图采用优化后的 802.10帧格式在网络上传输 FrameTagging模式中所必须的 VLAN标签。然而，大多数 802委员会的成员都反对推广 802.10。因为，该协议是基于 FrameTagging方式的。（2）、802.1Q 标准在 1996年 3月，IEEE802.1Internetworking 委员会结束了对 VLAN初期标准的修订工作。新出台的标准进一步完善了 VLAN的体系结构，统一了 F
19、ram-eTagging方式中不同厂商的标签格式，并制定了 VLAN标准在未来一段时间内的发展方向，形成的 802.1Q的标准在业界获得了广泛的推广。它成为 VLAN史上的一块里程碑。802.1Q 的出现打破了虚拟网依赖于单一厂商的僵局，从一个侧面推动了 VLAN的迅速发展。另外，来自市场的压力使各大网络厂商立刻将新标准融合到他们各自的产品中。2.2.5、VLAN 的配置（1）、VLAN 的工作模式： 静态 VLAN：管理员针对交换机端口指定 VLAN。 动态 VLAN：通过设置 VMPS（VLAN Membership Policy Server），包含了一个 MAC地址与 VLAN号的映射
20、表，当数据帧到达交换机后，交换机会查询 VMPS获得相应 MAC地址的 VLAN ID。 （2）、ISL 标签：ISL（InterSwitch Link）是一个在交换机之间、交换机与路由器之间及交换机与服务器之间传递多个 VLAN信息及 VLAN数据流的协议，通过在交换机直接相连的端口配置 ISL封装，即可跨越交换机进行整个网络的 VLAN分配和进行配置。VLAN 封装的国际标准为 IEEE 802.1Q。（3）、VTP（VLAN Trunking Protocol）：它是一个在交换机之间同步及传递 VLAN配置信息的协议。一个 VTP Server上的配置将会传递给网络中的所有交换机，VTP
21、 通过减少手工配置而支持较大规模的网络。VTP 有三种模式： Server模式：允许创建、修改、删除 VLAN及其他一些对整个 VTP域的配置参数，同步本 VTP域中其他交换机传递来的最新的 VLAN信息。 Client模式：在 Client模式下，一台交换机不能创建、删除、修改 VLAN配置，也不能在 NVRAM中存储 VLAN配置，但可以同步由本 VTP域中其他交换机传递来的 VLAN信息。 Transparent模式：可以进行创建、修改、删除，也可以传递本 VTP域中其他交换机送来的 VTP广播信息，但并不参与本 VTP域的同步和分配，也不将自己的 VLAN配置传递给本 VTP域中的其他
22、交换机，它的 VLAN配置只影响到它自己。 交换机在默认情况下为 Server模式。 （4）、创建 VLAN，默认情况下交换机只有 VLAN 1,可以通过命令增加所需的 VLAN。 （5）、将 VLAN指定给交换机的各个端口。默认情况下交换机所有端口均属于 VLAN 1，可以通过全局命令修改交换机各端口的 VLAN ID，但交换机每个端口只能属于一个 VLAN。 2.2.6、三层交换的配置 （1）、配置 MLSP协议，使 RP与 SE之间可以交换信息。 （2）、配置管理端口，MLSP 通过这个端口收发 RP与 SE之间的通信。 （3）、针对不同的 VLAN分配不同的 VLAN网关地址。 （4）
23、、启动路由器的路由功能。 根据需要，可以定义 VLAN 虚网间的访问策略，可通过定义访问列表来实现。三、VLAN 的实际运用3.1、VLAN 的实现VLAN 的实现原理非常简单，通过交换机的控制，某一 VLAN 成员发出的数据包交换机只发个同一 VLAN 的其它成员，而不会发给该 VLAN 成员以外的计算机。3.2、如何配置三层交换机创建 VLAN以下的介绍都是基于 Cisco交换机的 VLAN。Cisco 的 VLAN实现通常是以端口为中心的。与节点相连的端口将确定它所驻留的 VLAN。将端口分配给 VLAN的方式有两种，分别是静态的和动态的.形成静态 VLAN的过程是将端口强制性地分配给
24、VLAN的过程。即我们先在 VTP (VLAN Trunking Protocol)Server上建立 VLAN，然后将每个端口分配给相应的 VLAN的过程。这是我们创建 VLAN最常用的方法。 动态 VLAN形成很简单，由端口决定自己属于哪个 VLAN。即我们先建立一个 VMPS(VLAN Membership Policy Server)VLAN管理策略服务器，里面包含一个文本文件，文件中存有与 VLAN映射的 MAC地址表。交换机根据这个映射表决定将端口分配给何种 VLAN。这种方法有很大的优势，但是创建数据库是一项非常艰苦而且非常繁琐的工作。 下面以实例说明如何在一个典型的快速以太局域
25、网中实现 VLAN。所谓典型的局域网就是指由一台具备三层交换功能的核心交换机接几台分支交换机(不一定具备三层交换能力)。我们假设核心交换机名称为：COM；分支交换机分别为：PAR1、PAR2、PAR3，分别通过 Port1的光线模块与核心交换机相连；并且假设 VLAN名称分别为 COUNTER、MARKET、MANAGING。 3.2.1、设置 VTP DOMAIN VTP DOMAIN 称为管理域。交换 VTP更新信息的所有交换机必须配置为相同的管理域。如果所有的交换机都以中继线相连，那么只要在核心交换机上设置一个管理域，网络上所有的交换机都加入该域，这样管理域里所有的交换机就能够了解彼此的
26、 VLAN列表。 COM#vlan database 进入 VLAN 配置模式 COM(vlan)#vtp domain COM 设置 VTP 管理域名称 COM COM(vlan)#vtp server 设置交换机为服务器模式 PAR1#vlan database 进入 VLAN 配置模式 PAR1(vlan)#vtp domain COM 设置 VTP 管理域名称 COM PAR1(vlan)#vtp Client 设置交换机为客户端模式 PAR2#vlan database 进入 VLAN 配置模式 PAR2(vlan)#vtp domain COM 设置 VTP 管理域名称 COM P
27、AR2(vlan)#vtp Client 设置交换机为客户端模式 PAR3#vlan database 进入 VLAN配置模式 PAR3(vlan)#vtp domain COM 设置 VTP管理域名称 COM PAR3(vlan)#vtp Client 设置交换机为客户端模式 注意：这里设置交换机为 Server模式是指允许在本交换机上创建、修改、删除 VLAN及其他一些对整个 VTP域的配置参数，同步本 VTP域中其他交换机传递来的最新的 VLAN信息；Client 模式是指本交换机不能创建、删除、修改 VLAN配置，也不能在 NVRAM中存储 VLAN配置，但可以同步由本 VTP域中其他
28、交换机传递来的 VLAN信息。 3.2.2、配置中继 为了保证管理域能够覆盖所有的分支交换机，必须配置中继。Cisco 交换机能够支持任何介质作为中继线，为了实现中继可使用其特有的 ISL标签。ISL(Inter-Switch Link)是一个在交换机之间、交换机与路由器之间及交换机与服务器之间传递多个 VLAN信息及 VLAN数据流的协议，通过在交换机直接相连的端口配置 ISL封装，即可跨越交换机进行整个网络的 VLAN分配和进行配置。VLAN封装的国际标准为 IEEE 802.1Q。所以 isl可以由 dot1q（802.1q）代替在核心交换机端配置如下： COM(config)#inte
29、rface gigabitEthernet 2/1 COM(config-if)#switchport COM(config-if)#switchport trunk encapsulation isl（dot1q） COM(config-if)#switchport mode trunk COM(config)#interface gigabitEthernet 2/2 COM(config-if)#switchport COM(config-if)#switchport trunk encapsulation isl （dot1q） COM(config-if)#switchport mo
30、de trunk COM(config)#interface gigabitEthernet 2/3 COM(config-if)#switchport COM(config-if)#switchport trunk encapsulation isl （dot1q） COM(config-if)#switchport mode trunk 在分支交换机端配置如下： PAR1(config)#interface gigabitEthernet 0/1 PAR1(config-if)#switchport mode trunk PAR2(config)#interface gigabitEthe
31、rnet 0/1 PAR2(config-if)#switchport mode trunk PAR3(config)#interface gigabitEthernet 0/1 PAR3(config-if)#switchport mode trunk 此时，管理域算是设置完毕了。 3.2.3、创建 VLAN 一旦建立了管理域，就可以创建 VLAN了。 COM(vlan)#Vlan 10 name COUNTER 创建了一个编号为 10名字为 COUNTER的 VLAN COM(vlan)#Vlan 11 name MARKET 创建了一个编号为 11名字为 MARKET的 VLAN COM
32、(vlan)#Vlan 12 name MANAGING 创建了一个编号为 12名字为 MANAGING的 VLAN 注意，这里的 VLAN是在核心交换机上建立的，其实，只要是在管理域中的任何一台 VTP属性为 Server的交换机上建立 VLAN，它就会通过 VTP通告整个管理域中的所有的交换机。但是如果要将交换机的端口划入某个 VLAN，就必须在该端口所属的交换机上进行设置。 3.2.4、将交换机端口划入 VLAN 例如，要将 PAR1、PAR2、PAR3分支交换机的端口 1划入 COUNTER VLAN，端口 2划入 MARKET VLAN，端口 3划入 MANAGING VLAN PA
33、R1(config)#interface fastEthernet 0/1 配置端口 1 PAR1(config-if)#switchport access vlan 10 归属 COUNTER VLAN PAR1(config)#interface fastEthernet 0/2 配置端口 2 PAR1(config-if)#switchport access vlan 11 归属 MARKET VLAN PAR1(config)#interface fastEthernet 0/3 配置端口 3 PAR1(config-if)#switchport access vlan 12 归属 M
34、ANAGING VLAN PAR2(config)#interface fastEthernet 0/1 配置端口 1 PAR2(config-if)#switchport access vlan 10 归属 COUNTER VLAN PAR2(config)#interface fastEthernet 0/2 配置端口 2 PAR2(config-if)#switchport access vlan 11 归属 MARKET VLAN PAR2(config)#interface fastEthernet 0/3 配置端口 3 PAR2(config-if)#switchport acce
35、ss vlan 12 归属 MANAGING VLAN PAR3(config)#interface fastEthernet 0/1 配置端口 1 PAR3(config-if)#switchport access vlan 10 归属 COUNTER VLAN PAR3(config)#interface fastEthernet 0/2 配置端口 2 PAR3(config-if)#switchport access vlan 11 归属 MARKET VLAN PAR3(config)#interface fastEthernet 0/3 配置端口 3 PAR3(config-if)#
36、switchport access vlan 12 归属 MANAGING VLAN 3.2.5、配置三层交换 到这里，VLAN 已经基本划分完毕。但是，VLAN 间如何实现三层(网络层)交换呢？这时就要给各 VLAN分配网络(IP)地址了。给 VLAN分配 IP地址分两种情况，其一，给 VLAN所有的节点分配静态 IP地址；其二，给 VLAN所有的节点分配动态 IP地址。下面就这两种情况分别介绍。 我们假设给 VLAN COUNTER分配的接口 Ip地址为 172.16.58.1/24，网络地址为：172.16.58.0，VLAN MARKET 分配的接口 Ip地址为 172.16.59.1
37、/24，网络地址为 172.16.59.0，VLAN MANAGING 分配的接口 Ip地址为 172.16.60.1/24，网络地址为 172.16.60.0。如果动态分配 IP地址，则设网络上的 DHCP服务器 IP地址为 172.16.1.11。 (1)给 VLAN所有的节点分配静态 IP地址 首先在核心交换机上分别设置各 VLAN的接口 IP地址，如下所示： COM(config)#interface vlan 10 COM(config-if)#ip address 172.16.58.1 255.255.255.0 VLAN10 接口 IP COM(config)#interface vlan 11 COM(config-if)#ip address 172.16.59.1 255.255.255.0 VLAN11 接口 IP COM(config)#interface vlan 12 COM(config-if)#ip address 172.16.60.1 255.255.255.0 VLAN12 接口 IP
