网络协议实验三 VLAN 802.1Q 帧格式分析实验

实验三 VLAN 802.1Q 帧格式分析实验

1．IEEE802.1Q 介绍
我们知道VLAN具有控制网络广播、提高网络性能；分隔网段、确保网络安全；简化网络管理、提高组网灵活性的功能。VLAN 划分的方法有很多种，其中基于端口的静态VLAN 是划分虚拟局域网最简单也是最有效的方法。
基于端口的VLAN（Port VLAN ）将交换机按照端口的VLAN ID指定实现了逻辑划分， 广播域被限定在相同VLAN的端口集合中，不同VLAN间不能直接通信。当使用多台交换 机分别配置VLAN 后，可以使用Trunk（干道）方式实现跨交换机的VLAN内部连通，交换机的Trunk 端口不隶属于某个VLAN，而是可以承载所有VLAN 的帧。这种实现跨交换机的 VLAN 技术在早期使用帧过滤，而目前的国际标准规定采用帧标记。跨交换机的VLAN 实现使得网络管理的逻辑结构可以完全不受实际物理连接的限制，极大地提高了组网的灵活性。
1996年3月，IEEE80 2.1 Internet Working 委员会结束了对VLAN 初期标准的修订工作，统一了Frame-Tagging （帧标记）方式中不同厂商的标签格式，制定IEEE802.1Q VLAN 标准，进一步完善了VLAN 的体系结构。
如图16 所示，IEEE802.1Q 使用4Byte 的标记头来定义Tag （标记）。Tag 头中包括2Byte的VPID （VLAN Protocol Identifier ）和2Byte 的VCI （VLAN Control Information ）。

                           图16 802.1Q 帧格式 
其中： 
* VPID 为0X8100，标识该数据帧承载IEEE802.1Q 的Tag 信息； 
* VCI 包含组件： 
    * 3 bits 用户优先级； 
    * 1 bits CFT  （Canonical Format Indicator），默认值为0 （表示以太网）； 
    * 12 bits 的VID （VLAN Identifier ），VLAN 标识符； 
注意：交换机可以配置的VLAN 数量因设备而异，实验室的S2126/S3550/S3760 最多支持 250 个VLAN （VLAN ID：1 ～4094 ），其中VLAN1 是不可删除的默认VLAN （设备管理）。 
图16 比较了以太网帧格式和802.1Q 帧格式，注意802.1Q 帧中的FCS 为加入 802.1Q 帧标记后重新利用CRC 校验后的检测序列。 
IEEE802.1Q 协议使跨交换机的相同VLAN 端口间通信成为可能。基于802.1Q Tag VLAN 用 VID 来划分不同 VLAN，当数据帧通过交换机的时候，交换机根据帧中Tag 头的 VID 信息来识别它们所在的VLAN  （若帧中无Tag 头，则应用帧所通过端口的默认VID 来识别它们所在的VLAN 。这使得所有属于该VLAN 的数据帧，不管是单播帧、组播帧还是广播帧，都将被限制在该逻辑VLAN 中传输。 

                          图1  Tag VLAN 内通信 
如图17 所示，两台 S2126交换机分别划分出VLAN1和VLAN2，分别设置级联口为Trunk模式。PC1 和PC3 属于VLAN1，PC2 和PC4 属于VLAN2。PC2 和PC4 通信必须跨两台交换机。当PC2 发出数据时，在没有进入交换机端口之间，数据帧头部并没有被加入Tag 标识，是标准的以太帧格式；当数据帧进入交换机端口后，数据头部首先被加入该端口所属 的VID，这时交换机就按照目的地址转发，在VID=2 的广播域中传送该帧。但第一台交换机并没有直接连接PC4，因此数据只能发往通向潜在PC4 连接的级联端口，该口是Taged  口， 当数据从Taged端口转发时，即加入Tag标识 （VID＝2），使用 802.1Q 的封装格式；第二台交换机在由级联口接收时可以根据 Tag 标识而将该帧在 VLAN2 上广播出去，根据MAC 地 址连接PC4 的端口就会收到该数据帧；该端口将去掉Tag 标识后，转发数据帧至PC4。由此 就实现了跨交换机的VLAN  内通信，同理，PC1 和PC3 之间也可以实现数据通信。 

2．镜像
在图17中，IEEE802.1Q帧在交换机的Taged 端口之间，PC 机使用以太帧，在PC 机 上运行的Ethereal 是无法捕获IEEE802.1Q 数据帧的。为了抓到和分析IEEE802.1Q 数据帧， 我们在实验中可以通过镜像的手段来捕获IEEE802.1Q 数据帧。
在网络维护和故障排除的过程中，我们首先会根据已有的网络现象进行故障分析和判断，但如果掌握的信息不足，或者是网络需要进一步监控时，镜像就成为一种重要的数据监控方法。镜像分为两种：一种是端口镜像，另一种是流镜像。端口镜像是指将某些指定端口（出或入方向）的数据流量映射到监控端口，以便集中使用数据捕获软件进行数据分析。流镜像则是指按照一定的数据流分类规则对数据进行镜像，然后将属于指定流的所有数据映射到监控端口，以便进行数据分析。
在锐捷S2126/S3550 交换机上配置镜像的命令为：monitor session 。 monitor session 用于创建一个 SPAN 会话并指定目的端口（监控口）和源端口（被监控口）。使用该命令的no 选项删除会话或者单独删除源端口或目的端口。其格式如下：
monitor session session_number {source interface interface-id [ , | - ] [both | rx | tx] | destination interface interface-id }
no monitor session session_number [source interface interface-id [ , | - ] [both | rx | tx] | destination interface interface-id ]
有关格式要求参见表2 所示。
表2 monitor session 的语法描述

下面这个例子说明了如何创建一个 SPAN 会话：会话 1。如果原先已经设置过该会话， 请首先将当前会话 1 的配置清除掉，然后设置端口1 的帧映射到端口8。 
Switch(config)# no monitor session 1 
Switch(config)# monitor session 1 source interface fastEthernet 1/1 both 
Switch(config)# monitor session 1 destination interface fastEthernet 1/8 

3．实验环境与说明
（1）实验目的
了解IEEE802.1Q 标准规定的帧结构，了解VLAN 帧标记的方法。
（2）实验设备和连接
实验设备和连接图如图18 所示，一台锐捷 S2126G 交换机连接一台 S3550，S2126 同 时连接了2 台PC 机，分别命名为PC1、PC2。

图18 802.1Q 帧格式分析实验连接图
（3）实验分组
每四名同学为一组，其中每两人一小组，每小组各自独立完成实验。
4．实验步骤
步骤1：按照如图18 所示连接好设备；
步骤2：完成交换机 S3550 和 S2126 的相关配置，要求如下：
* 在S2126 和 S3550 上创建VLAN 10 和VLAN 20；
* 将S2126 的F0/1 指定为VLAN 10，F0/2 指定为VLAN 20；
* 通过三层交换机S3550 实现PC1 和PC2 的连通；
* 通过端口镜像，使得PC3 可以监控 S2126 的F0/4。
关于交换机VLAN 和 SVI 的配置由于在第三章实验中已经做过，这里不再重复。为保证实验的顺利，同学可以参考下面的配置：
① S2126 的配置的配置：：
Switch(config)#hostname S2126 ！配置设备名为S2126
S2126(config)#vlan 10 ！启用Vlan 10
S2126(config-vlan)#name Test10
S2126(config-vlan)#exit
S2126(config)#vlan 20 ! 启用Vlan 20
S2126(config-vlan)#name Test20
S2126(config-vlan)#exit
S2126(config)#interface fastEthernet 0/1
S2126(config-if)#switchport access vlan 10 ！指定F0/1 端口为Vlan 10
S2126(config-if)#interface fastEthernet 0/2
S2126(config-if)#switchport access vlan 20 ！指定F0/2 端口为Vlan 10
S2126(config-if)#interface fastEthernet 0/4
S2126(config-if)#switchport mode trunk ！配置F0/4 为Tagged 端口
S2126(config-if)#exit
S2126(config)#end
② S3550 的配置的配置：：
Switch(config)#hostname S3550 ！配置设备名为S3550
S3550(config)#vlan 10 ！启用Vlan 10
S3550(config-vlan)#name Test10
S3550(config-vlan)#exit
S3550(config)#vlan 20 ！启用Vlan 20
S3550(config-vlan)#name Test20
S3550(config-vlan)#exit
S3550(config)#interface fastEthernet 0/4
S3550(config-if)#switchport mode trunk ！配置F0/4 为Tagged 端口
S3550(config-if)#exit
S3550(config)#interface vlan 10 ！配置SVI 端口
S3550(config-if)#ip address 172.16.10.1 255.255.255.0
S3550(config-if)#no shutdown
S3550(config-if)#exit
S3550(config)#interface vlan 20 ！配置SVI 端口
S3550(config-if)#ip address 172.16.20.1 255.255.255.0
S3550(config-if)#no shutdown
S3550(config-if)#end
③PC1 和PC2 的配置的配置：：
按照下表要求配置PC1 和PC2。

                         表3 PC1 和PC2 的TCP/IP 属性
                  PC1	PC2

IP 地址 172.16.10.30 IP 地址 172.16.20.40
子网掩码 255.255.255.0 子网掩码 255.255.255.0
网关 172.16.10.1 网关 172.16.20.1

步骤3：在PC3 上运行Ethereal 截获报文；
步骤4：在PC1 的“运行”对话框中输入命令 “Ping 172.16.20.40”，单击 “确定”按钮；
步骤5：停止截获报文，将结果保存并对截获的报文进行分析：

                           图19 IEEE802.1Q 抓包结果 

图19显示了通过PC3监控到的交换机Trunk口的数据流量，分析这些数据包并回答下列问题：

1）观察捕获的ICMP数据报，你会发现每组4个，共有4组。为什么会这样？

icmp协议是采用请求答复方式，每次在请求时，都发送后，回应答复；然后确认后，再回应答复

2）选择其中一组ICMP 数据报，分析并完成下表。

                              表4  报文分析

ICMP Echo （ping ）Request 1
源IP 目的IP 源MAC 目的MAC VLAN ID
192.168.10.2 192.168.20.2 0010.1152.2181 00D0.5859.D02A 0xd
ICMP Echo （ping ）Request 2
源IP 目的IP 源MAC 目的MAC VLAN ID
192.168.20.2 192.168.10.2 0001.42B3.8315 0010.1152.2181 0xd
ICMP Echo （ping ）Reply 1
源IP 目的IP 源MAC 目的MAC VLAN ID
192.168.20.2 192.168.10.2 0001.42B3.8315 0010.1152.2181 0xc
ICMP Echo （ping ）Reply 2
源IP 目的IP 源MAC 目的MAC VLAN ID
192.168.20.2 192.168.10.2 0001.42B3.8315 0010.1152.2181 0xc

3）请就表4 的内容说明上述报文的执行过程。

首先pc1发送一个请求到交换机，然后检查网关，之后到达三层交换机，三层14交换机进行解析后发现是自己的VLAN网关后重新封装转发给交换机，然后去vlan到达pc2，然后pc2收到了pc1的请求后，发送了一个确认报文，经过同样的步骤，经过二层交换机再到三层交换机，进行分析转发，最后到达pc1