计算机网络 基于Cisco Packet Tracer虚拟局域网VLAN配置实验

1.实验名称与目的

1.1实验名称

虚拟局域网VLAN配置实验——基于Cisco Packet Tracer

1.2实验目的

1. 了解VLAN的概念;
2. 掌握单台、两台交换机基于端口划分VLAN的配置方法;
3. 探索VLAN划分前后的广播域;
4. 验证同一VLAN中的终端能相互通信;
5. 验证不同VLAN中的终端不能通信;
6. 了解和学习IEEE 802.1Q帧格式;
7. 掌握单臂路由器的配置过程;
8. 证通过单臂路由器实现不同VLAN互联;
9. 了解单臂路由器划分VLAN后，VLAN间IP分组的传输过程及数据包结构的变化;
10. 熟练使用Cisco Packet Tracer 软件，模拟练习互联网组网技术。

2.实验相关概念与原理

2.1相关概念

(1)Cisco Packet Tracer: 思科公司开发的一款功能强大的网络仿真实验软件平台,是一款辅助学习工具。软件中集成了包括HTTP、FTP、E-mail、DHCP等多项服务，配置过程容易,实验过程简洁直观、生动形象，与操作真实网络终端设备几乎没有差别。用户可以在实时模式下观察网络实时运行情况等。

(2)VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域网)：VLAN工作在OSI参考模型的第2层和第3层，是一种二层技术。VLAN最大的特性是不受物理位置的限制，可以进行灵活的划分。处于同一VLAN组中的设备与用户，具备了一个物理网段所具备的特性。

(3)局域网中的“广播风暴”:由交换机的工作原理可知，默认情况下一台交换机的所有端口处于同一广播域，当交换机在某一端口收到目的地址为广播地址的MAC数据帧，或者收到目的地址是单播地址但在其MAC表中找不到匹配该单播地址的MAC数据帧时，交换机将向除这一端口以外的所有其他端口转发该MAC数据帧，大量的MAC数据帧被广播到交换式以太网的所有终端。当用交换机作为中继设备扩大网络规模时，通过网线相连的所有交换机的各个端口都会处于同一广播域内，即广播域也随之扩大，广播域内传输的大量广播帧将占用非常多的网络资源，导致网络性能下降，当资源耗尽时，就会导致网络瘫痪，这就是所谓的“广播风暴”。

(4)802.1Q VLAN：802.1Q是IEEE组织批准的一套VLAN协议，它定义了基于端口的VLAN模型，是使用最多最广泛的一种协议，为标识带有VLAN成员信息的以太网帧规定了一种标准方法。它使得处于同一VLAN中的主机间可以直接访问，而对处于不同VLAN中的主机进行隔离。IEEE 802.1Q向标准以太网帧内添加4个字节的802.1Q标签信息，称为VLAN Tag,交换机在进行帧转发时，会同时判断这些“标签”是否匹配，以此确定其互通性，不支持802.1Q协议的主机会因无法“读懂”标签而丢弃该帧。普通PC的网卡仅可以识别不带Tag的普通以太网帧的报文（即标准以太网帧），进而进行通信，而802.1Q帧在标准以太网帧的基础上添加了标签信息，所以，一般来说，普通PC的网卡无法识别。

图1 带有Tag域的以太网帧结构

802.1Q Tag由标签协议标识符(TPID)和标签控制信息(TCI)组成。
· TPID(Tag Protocol Identifier)，占两个字节，用于标识此帧是一个加了802.1Q标签的帧，总是设置为0x8100,称为IEEE 802.1Q标记类型。当数据链路层检测到MAC帧的源地址字段后面的两个字节的值是0x8100时，就知道现在插入了4字节的VLAN标记，于是接着检查后面两个字节的内容。

(5)以太网端口链路类型：Packet Tracer软件中，交换机以太网端口有两种链路类型:Access和Trunk。交换机直接连接终端的端口称为Access(接入)端口，交换机之间互连的端口称为Trunk(主干)端口。
①Trunk类型的端口作为标记端口可以同时分配给多个不同的VLAN,也可以允许多个VLAN传播的数据帧通过。Trunk端口属于多个VLAN,所以需要设置缺省VLAN ID，Trunk端口的缺省VLAN为VLAN 1。

②Access端口只属于1个VLAN,它的缺省VLAN就是它所在的VLAN。

③设置了端口的缺省VLAN ID（Native Vlan ID）后,当端口接收到不带VLAN Tag的数据帧时，会将数据帧转发到缺省VLAN的端口；当端口发送带有VLAN Tag的报文时，若该报文的VLAN ID与端口的缺省VLAN相同，系统将先去掉报文的VLAN Tag，再发送该报文。

2.2实验原理

(1)集线器工作原理：集线器(Hub)属于纯硬件底层网络设备，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点设备集中在以它为中心的节点上。因为物理层以下传输的信号是无结构的，所以集线器无法识别接收方的MAC地址和IP地址，只能把从一个端口接收到的信号放大后复制到所有其他端口(即采用广播方式把信号发送到与该集线器相连的除发送节点外的其他所有节点)。它的所有端口都处于同一个冲突域(所有端口共享整个带宽)，同时也处于同一个广播域。

(2)交换机工作原理：同集线器的工作原理不同，交换机(Switch)并不会把收到的每个数据帧都以广播形式转发给所有端口，它可以根据数据帧中封装的目标MAC地址，查阅自主学习构建的转发表，找出与目的MAC地址相对应的端口，再从该端口把数据帧转发出去，是一种有选择地转发和过滤。交换机中的转发表是将网络中各终端的MAC地址与其接入该交换机的端口编号构成的映射关系表。一台交换机刚接入网络时，其MAC地址表是空的。转发表的自主学习功能指的是，当交换机在某个端口接收到某个终端发送的数据帧时，它会根据收到的数据帧，建立源MAC地址与接收端口的映射关系，并将其写入MAC地址表中。

(3)VLAN的划分：划分VLAN后，同一VLAN内的主机可以相互直接通信，不同VLAN内的主机相互访问必须经三层设备的路由功能转发才能通信。VLAN的划分有基于交换机端口的划分、基于MAC地址的划分等，目前使用较多的是基于交换机端口的划分。
①Port VLAN是基于端口进行VLAN划分的方式之一，在Port VLAN中，交换机的一个端口只能属于一个VLAN。
②Tag VLAN是基于端口划分的另一种方式，Tag VLAN遵循IEEE 802.1Q协议标准，主要用于不同交换机相同VLAN内的主机之间的直接通信，同时对不同VLAN的主机进行隔离。

(4)划分VLAN后，交换机接口出入数据处理过程如下:
①Access端口收报文:收到一个报文，判断是否有VLAN标签信息。如果没有，则打上端口的VLAN ID,并进行交换转发;如果有，则直接丢弃(缺省)。

②Access端口发报文:将报文的VLAN信息剥离，直接发送出去。

③Trunk端口收报文:收到一个报文，判断是否有VLAN信息。如果没有，则打上端口的VLAN ID,并进行交换转发;如果有，则判断该Trunk端口是否允许该VLAN的数据进入，如果可以则转发，否则丢弃。

④Trunk端口发报文:比较端口的VLAN ID和将要发送报文的VLAN信息。如果两者相等，则剥离VLAN信息，再发送:如果不相等，则直接发送。

3.实验设备及环境

3.1实验设备

软件：Cisco Packet Tracer 7.0（汉化版）
硬件：网线若干，PC机若干台，2960交换机若干台，路由器一台

图2 Cisco Packet Tracer 7.0 实时模式下的用户界面

图3 Cisco Packet Tracer 7.0 仿真模式下的用户界面

3.2实验拓扑结构图

图4 单交换机VLAN划分实验拓扑图

图5 两台交换机VLAN划分实验拓扑图

图6 用单臂路由器实现VLAN间通信实验拓扑图

4.实验内容与步骤

4.1实验一：单交换机VLAN划分实验

(1)依据网络拓扑图，搭建实验环境。
启动Packet Tracer软件,如图4所示，在逻辑工作区放置和连接设备。使用设备包括一台2960型交换机和6台PC。用双绞线将交换机与各PC依次连接起来，并按下表所示配置各终端PC的IP地址和子网掩码。
主机IP地址子网掩码交换机端口号PC0192.168.1.1255.255.255.0FastEthernet0/1PC1192.168.1.2255.255.255.0FastEthernet0/2PC2192.168.1.11255.255.255.0FastEthernet0/9PC3192.168.1.12255.255.255.0FastEthernet0/10PC4192.168.1.21255.255.255.0FastEthernet0/17PC5192.168.1.22255.255.255.0FastEthernet0/18
(2)未划分VLAN时，观察广播数据帧的传播范围。
①单击选取右侧工具栏中的Inspect 工具，移动到交换机0 上单击，在弹出的菜单中选择“Port Status Summary Table(交换机的端口状态信息表)”。

②进入仿真工作模式，设置编辑过滤器只显示ICMP类型协议包。

③单击PC0,选择“桌面”中的“流量产生器”,按照图7进行设置，产生一个广播包。

④点击“捕获/前进”，该ICMP包从PC0发送到交换机0。

⑤再点击”捕获/前进”，观察交换机0如何处理数据包。

(3)在交换机0上创建3个VLAN。
在交换机0上创建VLAN 10、VLAN 20 和VLAN 30这三个VLAN，使得PC0和PC1属于VLAN10, PC2和PC3属于VLAN20，PC4 和PC5属于VLAN30。
①单击交换机0，选择“配置”选项卡，单击左端配置列表中的VLAN Database，在右端显示的VLAN Configuration中输入配置：
VLAN Number: 10;
VLAN Name: vlan10。
单击Add，下方VLAN列表区将会新增加一条vlanl0的信息，完成一个VLAN的创建。如图8所示。

②同样的步骤在交换机0上创建vlan20和vlan30，如图9所示。

图7 流量产生器产生广播包设置

图8 vlan10的创建

图9 vlan20和vlan30的创建

用命令行界面在交换机上创建VLAN的代码如下:

Switch>enable
Switch#configure terminal
Switch(config)#vlan 10//创建编号为10的VLANSwitch(config-vlan)#name vlan10    //指定VLAN的名称Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#vlan 20Switch(config-vlan)#name vlan20
Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#vlan 30Switch(config- vlan)#name vlan30
Switch(config-vlan)#end
Switch#show vlan brief            //查看VLAN创建情况

(4)将交换机0的各个端口分配到相应VLAN中。
①根据表2所示的信息，在交换机0 的“配置”选项卡中，单击左端配置列表中的FastEthernet0/1,在右端配置区中，保持端口模式为Access 不变，单击右端的下拉按钮，勾选vlan10，如图10所示。
设备端口号连接主机所属VLANSwitch 0FastEthernet0/1PC010Switch 0FastEthernet0/2PC110Switch 0FastEthernet0/9PC220Switch 0FastEthernet0/10PC320Switch 0FastEthernet0/17PC430Switch 0FastEthernet0/18PC530

图10 将端口划分到响应VLAN

②按同样的步骤，把交换机0上的其他端口划分到相应的VLAN。
用命令行界面在交换机上配置的代码如下:

Switch#configure terminal
Switch(config)#interface FastEthernet0/1Switch(config-if)#switchport access vlan 10//将端口划分到vlan 10，端口链路类型为Access Switch(config-if)#exit
Switch(config')#interface FastEthernet0/2Switch(config-if)#switchport access vlan 10Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface FastEthernet0/8Switch(config--if)#switchport access vlan 20Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface FastEthernet0/9Switch(config-if)#switchport access vlan 20Switch(config-if#exit
Switch(config)#interface FastEthernet0/18Switch(config-if)#switchport access vlan 30Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface FastEthernet0/19Switch(config-if)#switchport access vlan 30Switch(config-if)#exit
Switch#show vlan brief            //查看VLAN创建情况

(5)连通性测试。
①在PC0的命令行窗口,输入ping 192.168.1.11，测试PC0和PC2的连通性。

②在PC0的命令行窗口，输入ping 192.168.1.2, 测试PC0和PC1的连通性。

(6)划分VLAN后,观察广播包的广播范围。
同步骤(2)

4.2实验二：两台交换机VLAN划分实验

(1)依据网络拓扑图，搭建实验环境。
启动Packet Tracer软件,如图5所示，在逻辑工作区放置和连接设备。使用设备包括2台2960型交换机和6台PC机，按表3，用双绞线将各终端PC与所连接交换机的端口对应连接起来，用交叉线将2台交换机连接起来，2台交换机直接进行连接的端口都为Fa0/4，并配置各个终端的IP地址与子网掩码。

表3 各终端 PC IP地址及连接交换机的端口情况
主机IP地址子网掩码交换机端口号PC0192.168.1.1255.255.255.0交换机0：FastEthernet0/1PC1192.168.1.2255.255.255.0交换机0：FastEthernet0/2PC2192.168.1.3255.255.255.0交换机0：FastEthernet0/3PC3192.168.1.4255.255.255.0交换机1：FastEthernet0/10PC4192.168.1.5255.255.255.0交换机1：FastEthernet0/17PC5192.168.1.6255.255.255.0交换机1：FastEthernet0/18
(2)未划分VLAN时，观察广播数据帧的传播范围。
①进入仿真工作模式，设置编辑过滤器只显示ICMP类型协议包。

②单击PCO,选择“桌面”中的流量产生器,按图7进行设置，产生一个广播包。

③单击“捕获/前进”，观察该ICMP包从PCO发送到交换机0。

④再单击“捕获/前进”，观察ICMP包被交换机0广播到何处。

⑤单击“捕获/前进”，观察ICMP包被交换机1广播到何处。

(3)分别在2台交换机上创建VLAN。
使PC0、PC1和PC3属于vlan2, PC2、PC4和PC5属于vlan3,VLAN划分情况如图11所示。

图11 VLAN 划分情况
①单击交换机0,选择”配置”选项卡,点击左端配置列表中的VLANDatabase，在右端将显示VLAN Configuration，输入配置参数:
VLAN Number: 2
VLAN Name: vlan2。
单击Add，在下方会新增加一条vlan2的信息，如图12所示。

②在交换机0上再建vlan3,如图13所示。

图12 增加vlan2

图13 增加vlan3

③按相同步骤在交换机1上，创建vlan2和vlan3。

(4)配置交换机0和交换机1之间的中继端口。
默认情况下，中继端口属于所有VLAN,中继端口配置为Trunk模式。
①在交换机0的“配置”选项卡中，单击左端配置列表中FastEthernet0/4，在右端配置区中，单击左端的下拉按钮，选择Trunk,如图14所示。

②按相同步骤把交换机1上的FastEthernet0/4端口也设置为Trunk。

图14 终极端口配置为Trunk模式

(5)将端口划分到相应VLAN中。
①在交换机0的“配置”选项卡中，单击左端配置列表中的FastEthernet0/l，在右端保持端口模式为Access不变，单击右端的下拉按钮，勾选vlan2，如图15所示。

图15 将端口划分到相应VLAN中

②按相同步骤，根据表4把交换机0和交换机1上的各端口划分到不同的VALN。
设备端口号连接主机所属VLANSwitch0FastEthernet0/1PC02Switch0FastEthernet0/2PC12Switch0FastEthernet0/3PC23Switch1FastEthernet0/1PC32Switch1FastEthernet0/2PC43Switch1FastEthernet0/3PC53
(6)连通性测试。
①在PC0的命令行窗口，输入ping 192.168.1.3,测试PC0和PC2的连通性。

②在PC0的命令行窗口，输入ping 192.168.1.4,测试PC0和PC3的连通性。

(7)划分VLAN后，观察广播帧的传播范围。
同步骤(2)

(8)观察了解802.1Q协议帧格式。
①进入仿真工作模式，设置编辑过滤器只显示ICMP类型协议包。

②单击PC0，选择“桌面”中的命令行窗口,输入ping 192.168.1.4。

③点击“捕获/前进”，观察该ICMP包从PCO发送到交换机0.

④点击事件列表下从PC0发送到交换机0的ICMP包，如图16所示。

图16 事件列表下从PC0发送到Switch0的ICMP包

⑤点击“捕获/前进”，继续观察该帧从交换机0发送到交换机1,点击事件列表下从交换机0发送到交换机l的ICMP包，如图17所示，并査看入端口和出端口的包格式。

图17 事件列表下从Switch0到Switch的ICMP包

命令行界面对交换机端口配置的代码如下：
1.Switch1命令行接口配置过程

Switch>enable
Switchtconfigure terminal
Switch(config)#vlan 2Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#vlan 3Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#interface fastethernet 0/1Switch(config-if)#switch access vlan 2Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface fastethernet 0/2Switch(config-if)#switch access vlan 2Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface fastethernet 0/3Switch(config-if)#switch access vlan 3Switch(config-if)#exit
Swith(config)#interface fastethernet 0/4Switch(config-if)#switch mode trunk
Switch(config-if)#end
Switch#show vlan

2．Switch2命令行接口配置过程

Switch>enable
Switch#configure terminal
Switch(config)#vlan 2Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#vlan 3Switch(config-vlan)#exit
Switch(config)#interface fastethernet 0/1Switch(config)#interface fastethernet 0/2Swith(config-if)#tswitch access vlan 3Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface fastethernet 0/3Switch(config-if)#switch access vlan 3Switch(config-if)#exit
Switch(config)#interface fastethernet 0/4Switch(config-if)#switch mode trunk
Swith(config-if)#tend
Switch#show vlan

4.3实验三：用单臂路由器实现VLAN间通信
(1)依据网络拓扑图，搭建实验环境。
启动PacketTracer软件，如图6所示，在逻辑工作区放置和连接设备。使用设备包括1台2811路由器，3台2960型交换和8台PC机，按表5，用双绞线将各终端PC与交换机对应端口连接，用交叉线将3台交换机连接起来，用双绞线将交换机与路由器连接起来，并配置各个PC终端的IP地址和子网掩码。
设备IP地址默认网关所连交换机端口所属VLANPC0192.1.1.1192.1.1.254Switch0:FastEthernet0/12PC1192.1.1.2192.1.1.254Switch0:FastEthernet0/22PC2192.1.3.1192.1.3.254Switch0:FastEthernet0/34PC3192.1.3.1192.1.3.254Switch1:FastEthernet0/14PC4192.1.2.2192.1.2.254Switch1:FastEthernet0/23PC5192.1.2.3192.1.2.254Switch1:FastEthernet0/33PC6192.1.1.3192.1.1.254Switch2:FastEthernet0/12PC7192.1.2.1192.1.2.254Switch2:FastEthernet0/23
(2)在3个二层交换机上配置好VLAN。
① 在交换机0上配置vlan2和vlan4,将端口FastEthernet0/1和FastEthernet0/2划分给vlan2,将端口FastEthernet0/3划分给vlan4,将端口FastEthernet0/4设置为Trunk模式。配置命令行如下:

Switch>enable
Switch#configure terminal
Switch(config )#hostname switch0
Switch0(config)#vlan 2Switch0(config-vlan)#name vlan2
Switch0(config-vlan)#exit
Switch0(config)#vlan 4Switch0(config-vlan)#name vlan4
Switch0(config-vlan)#exit
Switch0(config)#interface FastEthernet0/1Switch0(config if)#switchport access vlan 2Switch0(config-if)#exit
Switch0(config)#interface FastEthernet0/2Switch0(config-if)#switchport access vlan 2Switch0(config-if)#exit
Switch0(config)#interface FastEthernet0/3Switch0(config-if)#switchport access vlan 4Switch0(config-if)#exit
Switch0(config)#interface FastEthernet0/4Switch0(config-if)#switchport mode trunk
Switch0(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,4

③在交换机1上配置vlan3和vlan4，将端口FastEthernet0/2和FastEthernet0/3划分给vlan3，将端口FastEthernet0/4设置为Trunk模式。配置命令如下：

Switch>enable
Switch#configure terminal
Switch(config)#hostname switch1
Switch1(config)#vlan 3Switch1(config-vlan)#name vlan3
Switch1(config- vlan)#exit
Switch1(config)#vlan 4Switch1(config-vlan)#name vlan4
Switch1(config-vlan)#exit
Switch1(config)#interface FastEthernet0/1Switch1(config-if)#switchport access vlan 4Switch1(config-if)#exit
Switch1(config)#interface FastEthernet0/2Switch1(config-if)#switchport access vlan 3Switch1(config-if)#exit
Switch1(config)#interface FastEthernet0/3Switch1(config-if#switchport access vlan 3Switch1(config-if)#exit
Switch1(config)#interface FastEthernet0/4Switch1(config-if)#switchport mode trunk
Switch1(config-if)#switchport trunk allowed vlan 3,4

④在交换机2上配置vlan2和vlan3,将端口FastEthernet0/1划分给vlan2,将端口FastEthernet0/2划分给vlan3，将端口FastEthernet0/3\FastEthernet0/4和FastEthernet0/5设置为Trunk模式。配置命令行如下:

Switch>enable
Switch#configure terminal
Switch(config,)#hostname switch2
Switch2(config)#vlan 2Switch2(config-vlan)#name vlan2
Switch2(config--vlan)#exit
Switch2(config)#vlan 3Switch2(config-vlan)#name vlan3
Switch2(config-vlan)#exit
Switch2(config)#vlan 4Switch2(config-vlan)#name vlan4
Switch2(config-vlan)#exit
Switch2(config)#interface FastEthernet0/1Switch2(config-if#switchport access vlan 2Switch2(config-if)#exit
Switch2(config)#interface FastEthernet0/2Switch2(config-if#switchport access vlan 3Switch2(config-if)#exit
Switch2(config)#interface FastEthernet0/3Switch2(config-if#switchport mode trunk
Switch2(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,4Switch2(config)#interface FastEthernet0/4Switch2(config-if)#switchport mode trunk
Switch2(config-f#switchport trunk allowed vlan 3,4Switch2(config)#interface FastEthernet0/5Switch2(config-if)#switchport mode trunk
Switch2(config-if)#switchport trunk allowed vlan 2,3,4

(3)配置单臂路由器。
在路由器0的命令行配置界面，给路由器物理接口FastEthernet0/0定义三个逻辑子接口:FastEthernet0/0.1、FastEthernet0/0.2和FastEthernet0/0.3,并将三个逻辑子接口与对应的MAC帧802.1Q封装格式以及VLAN之间进行关联，同时为这三个逻辑子接口分配IP地址和子网掩码。配置命令如下:

Router>enable
Router#configure terminal
Router(config)#interface FastEthernet0/0Router(config-if)#no shutdown
Router(config-if)#exit
Router(config)#interface FastEthernet0/0.1//在路由器FastEthernet0/0端口上定义第1个子接口Router(config-suif)#encapsulation dot1Q 2//封装协议设置为dotlq,允许通过的vlan为2,即将通过该逻辑子接口输入/输出的MAC帧的封装格式指定为VLAN ID=2的802.1Q封装格式，同时建立逻辑子接口FastEthernet0/0.1和VLAN2之间的对应关系Router(config-subif)#ip address 192.1.1.254255.255.255.0//为子接口配置的IP地址为192.1.1.254Router(config-subif)#exit
Router(config)#interface FastEthernet0/0.2//进入路由器FastEthernet0/0端口第2子接口Router(onfig-subif)#encapsulation dot1Q 3//封装协议设置为dotlq,允许通过的vlan为3Router(config-subif)#ipaddress192.1.2.254255.255.255.0//子接口配置IP地址为192.1.2.254Router(config-subif)#exit
Router(config)#interface FastEthernet0/.3//进入路由器FastEthernet0/0端口第3子接口Router(config-subif)#encapsulation dot1Q 4//封装协议设置为dotlq,允许通过的vlan为4Router(config-subif)#ip address 192.1.3.254255.255.255.0//子接口配置IP地址为192.1.3.254Router(config-subif)#exit

(4)配置各终端的默认网关。终端的默认网关就是其所属的VLAN所对应的路由器的逻辑子接口的IP地址。

(5)用ping命令探究不同VLAN终端间的通信情况。

(6)查看数据帧在不同VLAN间传输时的帧内数据内容结构的变化。
①进入仿真工作模式，设置编辑过滤器只显示ICMP类型协议包。

②单击PC0,选择“桌面”中的命令行窗口,输入ping 192.1.2.2。

③点击“捕获/前进”，观察数据包的传输过程