📖 前言：数据链路层是 OSI 模型中的第二层，位于物理层之上，是通信网络中的重要组成部分之一。数据链路层协议负责将网络层传输的数据分组封装成帧，传输到物理层，并通过物理介质进行传输。同时，数据链路层协议还需要提供错误检测和纠正、流控等功能，以确保数据的可靠传输。本文将全面介绍数据链路层协议的相关知识，包括其定义、分类、协议运作原理、常用技术以及实际应用等方面。
目录
- 🕒 1. 概述
- 🕒 2. PPP协议分析
- 🕘 2.1 概述
- 🕘 2.2 工作流程
- 🕘 2.3 帧格式
- 🕒 3. LCP协议
- 🕘 3.1 概述
- 🕘 3.2 报文格式
- 🕘 3.3 报文种类
- 🕤 3.3.1 链路配置报文
- 🕤 3.3.2 链路终止报文
- 🕤 3.3.3 链路维护报文
- 🕘 3.4 工作过程
- 🕤 3.4.1 链路建立和配置流程
- 🕤 3.4.2 链路终止流程
- 🕤 3.4.3 链路维护流程
- 🕒 4. NCP协议
- 🕘 4.1 概述
- 🕘 4.2 IPCP协议
- 🕤 4.2.1 概述
- 🕤 4.2.2 报文的格式
- 🕤 4.2.3 配置选项
- 🕒 5. PPP协议的认证
- 🕘 5.1 PAP协议
- 🕤 5.1.1 概述
- 🕤 5.1.2 认证流程
- 🕤 5.1.3 报文格式
- 🕘 5.2 CHAP协议
- 🕤 5.2.1 概述
- 🕤 5.2.2 认证流程
- 🕤 5.2.3 报文格式
- 🕘 5.3 实验
- 🕒 6. VLAN技术
- 🕘 6.1 简介
- 🕤 6.1.1 目标
- 🕤 6.1.2 帧格式
- 🕤 6.1.3 划分方式
- 🕤 6.1.4 链路
- 🕤 6.1.5 端口模式
- 🕞 6.1.5.1 接入端口
- 🕞 6.1.5.2 干道端口
- 🕞 6.1.5.3 混合端口（仅华为交换机有）
- 🕘 6.2 VLAN内通信
- 🕘 6.3 VLAN间通信
- 🕤 6.3.1 概述
- 🕤 6.3.2 解决VLAN间互通的方法
- 🕘 6.4 实验：利用单臂路由实现VLAN间通信
- 🕒 7. STP技术
- 🕘 7.1 工作原理
- 🕘 7.2 BPDU报文
- 🕤 7.2.1 配置BPDU
- 🕤 7.2.2 TCN BPDU
🕒 1. 概述
- 成帧（Framing）
- 差错检测（Error Detection）
- 可靠交付（Reliable Delivery）
- 媒体访问（Medium Access）
- 流量控制（Flow Control）
🕒 2. PPP协议分析
🕘 2.1 概述
现在全世界使用得最多的数据链路层协议是PPP（Point to Point Protocol，点到点协议） 。
PPP为点对点连接上传输多种协议的数据包提供了一种标准的方法，其最初的设计目的，是为两个对等结点之间的IP传输提供一种封装协议，除了IP以外，PPP还可以封装其它协议，包括Novell的IPX协议（Internetwork Packet Exchange，网间分组交换）等。
🕘 2.2 工作流程
在建立、保持和终止PPP链路的过程中，PPP链路需要经过5个阶段，除认证阶段外，其它4个阶段都是必要过程。 5个阶段如下：
- 链路不可用阶段（Dead）
- 链路建立阶段（Establish）
- 认证阶段（Authenticate）
- 网络层协议阶段（Network）
- 链路终止阶段（Terminate）
🕘 2.3 帧格式
- Flag字段为帧定界标志，用来标识PPP帧的开始与结束，长度为1字节，取值固定为
0x7E。 - Address字段为地址字段，用来标识接收方的地址，长度为1字节，由于点到点链路的接收方是唯一的，故此字段取值固定为
0xFF，表示只有对端才能接受到数据。 - Control字段为控制字段，长度为1字节，取值固定为
0x03，表示无序号信息（Unnumbered Information）。 - Protocol字段为协议字段，用来标识PPP帧封装的协议数据类型，长度为2字节。此字段使PPP得以封装不同的协议。
| 字段值 | 协 议 |
|---|---|
| 0x0021 | IP(Internet Protocol) |
| 0x0029 | Appletalk |
| 0x8021 | IPCP(Internet Protocol Control Protocol) |
| 0xC021 | LCP(Link Control Protocol) |
| 0xC023 | PAP(Password Authentication Protocol) |
| 0xC025 | LQR(Link Quality Report) |
| 0xC223 | CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol) |
- Information字段为信息字段，该字段长度不固定，最大长度等于MRU（Maximum Receive Unit）值，默认为1500字节。此字段存放承载的协议数据，包括LCP、NCP等。
- FCS（Frame Checksum）字段为帧校验和字段，用来检测PPP帧的完整性，长度为2字节。
🕒 3. LCP协议
🕘 3.1 概述
LCP（Link Control Protocol，链路控制协议）：用于建立、配置、维护和终止PPP链路
LCP负责PPP的链路管理，和上层（网络层）协议无关。
🕘 3.2 报文格式
当PPP帧中Protocol字段为0xC021时，表示Information 字段数据为LCP报文。
- Code为代码字段（也称类型字段），长度为1字节，用来标识LCP中链路控制报文的类型。
- Identifier为标识符字段，长度为1字节，是报文的唯一标识。
- Identifier字段用于匹配请求和回复。
- Length为长度字段，长度为2字节，Length字段指出该报文的长度，包括Code，Identifier，Length和Data。
- Data为数据字段，长度是零或多个八位字节，由Length字段声明。
- Data字段的格式由Code字段决定。
🕘 3.3 报文种类
| 类型 | 功能 | 报文类型 | 报文代码 |
|---|---|---|---|
| 链路配置 | 建立和配置链路 | Configure-Request | 1 |
| Configure-Ack | 2 | ||
| Configure-Nak | 3 | ||
| Configure-Reject | 4 | ||
| 链路终止 | 终止链路 | Terminate-Request | 5 |
| Terminate-Ack | 6 | ||
| 链路维护 | 管理和调试链路 | Code-Reject | 7 |
| Protocol-Reject | 8 | ||
| Echo-Request | 9 | ||
| Echo-Reply | 10 | ||
| Discard-Request | 11 |
🕤 3.3.1 链路配置报文
Configure-Request（配置请求）的Code字段值为0x01，Data字段值为一到多个选项（Options）列表，选项列表中的参数可同时协商。
- Type为类型字段，用于区分协商不同参数。
| Type值 | 对应参数 | 功能 |
|---|---|---|
| 0x00 | Reserved | 保留 |
| 0x01 | Maximum Receive Unit | 最大接收单元 |
| 0x02 | Asynchronous Control Character Map | 异步控制字符映射 |
| 0x03 | Authentication Protocol | 认证协议 |
| 0x04 | Quality Protocol | 质量协议 |
| 0x05 | Magic Number | 幻数 |
| 0x07 | Protocol Field Compression | 协议域压缩 |
| 0x08 | Address and Control Field Compression | 地址及控制域压缩 |
- Length为长度字段，Length字段指出该配置选项（包括Type、Length和Data字段）的长度。
- Data为数据字段，Data字段为零或者多个字节，其中包含配置选项的特定详细信息。
Configure-Request（配置请求）报文示例：
若接收的Configure-Request中的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文，回送的Configure-Ack中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。此外，Configure-Ack中的配置选项必须完全匹配最后接收的Configure-Request。
若收到的每个配置选项都可以识别，但是配置选项的值不能接受，接收方必须回送Configure-Nak（配置否认）。配置选项部分仅用不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure-Nak中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。
若收到的部分配置选项是不可识别或不能接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝确认）。配置选项部分仅用不可识别或不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure- Reject中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。
上述报文除Code字段值不同，配置选项的格式与Configure-Request均相同。
🕤 3.3.2 链路终止报文
🕤 3.3.3 链路维护报文
Code-Reject（代码拒绝）报文表示无法识别报文的Code字段
若收到该类错误，应立即终止链路，该报文的格式如图，其中“被拒绝的报文”字段包含了无法识别的LCP报文。
Protocol-Reject（协议拒绝）报文表示无法识别报文的Protocol字段
若收到该类错误，应停止发送该类型的协议报文，该报文的格式如图所示，其中“被拒绝的协议”字段包含了被拒绝的PPP帧的数据区。
Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）用于链路质量和性能测试，其格式如图所示。
Discard-Request（丢弃请求）是一个辅助的错误调试和实验报文，无实质用途。
这种报文收到即会丢弃。
🕘 3.4 工作过程
🕤 3.4.1 链路建立和配置流程
- 当需要建立逻辑链路时，发起方发送Configure-Request（配置请求）报文，用于协商参数；
- 若接收方收到的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文；
- 若收到的配置选项是可以识别，但部分配置选项参数不能接受，则回送Configure-Nak（配置否认）报文，并标示出需要重新协商的配置选项；
- 若配置选项不可识别或不可接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝）报文。
🕤 3.4.2 链路终止流程
- Terminate-Request（终止请求）报文
- Terminate-Ack（终止应答）报文
🕤 3.4.3 链路维护流程
- Code-Reject（代码拒绝）
- Protocol-Reject（协议拒绝）
- Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）
- Discard-Request（丢弃请求）
🕒 4. NCP协议
🕘 4.1 概述
NCP（Network Control Protocol，网络控制协议）用于建立、配置网络层协议，进行参数协商。
不同的网络层协议会使用不同的NCP协议。
- IP协议使用IPCP（Internet Protocol Control Protocol，IP控制协议）；
- Appletalk协议使用Appletalk NCP进行协商；
- Novell的 IPX协议使用IPE（Internet Packet Exchange，互连网包交换协议）进行协商。
🕘 4.2 IPCP协议
🕤 4.2.1 概述
若PPP帧中Protocol字段取值0x8021，表示PPP帧正在使用IPCP协商相关通信参数。
IPCP会完成协商IP地址等工作，其后在该PPP链路上传送IP数据报；
若IP数据报传送完毕，若要关闭IP协议，仍需通过IPCP协商终止；
若要释放链路，则需借助LCP协议。
🕤 4.2.2 报文的格式
| 类型 | 功能 | 报文类型 | 报文代码 |
|---|---|---|---|
| 链路配置 | 建立和配置链路 | Configure-Request | 1 |
| Configure-Ack | 2 | ||
| Configure-Nak | 3 | ||
| Configure-Reject | 4 | ||
| 链路终止 | 终止链路 | Terminate-Request | 5 |
| Terminate-Ack | 6 | ||
| 链路维护 | 管理和调试链路 | Code-Reject | 7 |
与LCP报文格式几乎一样
🕤 4.2.3 配置选项
IPCP协议中，通信双方可协商的配置选项包括3个：
- 多个IP地址（IP-Addresses）
- 多个IP地址很难全部协商成功
- 本选项很少使用
- IP压缩协议（IP Compression Protocol）
- 用于协商使用的压缩协议
- IPCP中仅规定了“Van Jacobson”一个压缩协议，编号为0x002D，Type字段取值为0x02。
- 该选项默认值为不进行压缩。
- IP地址（IP Address）
- 若发起方请求对端分配一个IP地址，接收方应会返回一个合法的IP地址。此时，发起方发送configure-request，type为0x03，length为0x06，其后4字节全为0x00，指明由对端提供IP地址。
IPCP Configure-Request报文示例：
🕒 5. PPP协议的认证
🕘 5.1 PAP协议
🕤 5.1.1 概述
PAP（Password Authentication Protocol，口令认证协议）
优点：PAP的整个认证流程非常简单
缺点：认证只能在链路建立阶段进行，身份和口令是以明文进行传输，安全性低
目前PPP协议的认证阶段多使用CHAP认证协议。
🕤 5.1.2 认证流程
🕤 5.1.3 报文格式
PAP协议的报文共有三种：
- Authenticate-Request（认证请求）
- Authenticate-Ack（认证确认）
- Authenticate-Nak（认证否认）
若PPP帧中Protocol字段取值为0xC023时，表示Information字段承载的是PAP报文。
🕘 5.2 CHAP协议
🕤 5.2.1 概述
CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol，基于挑战的握手认证协议）
CHAP为三次握手协议，可以在链路建立和数据通信阶段多次使用，进行认证，同时安全性较高
认证过程中需配合事先协商好的算法，确认被认证方的身份，通常使用MD5（Message Digest Algorithm 5）作为其默认算法。只在网络上传输用户名，而不传输用户口令。
目前PPP协议的认证阶段多使用CHAP认证协议
🕤 5.2.2 认证流程
🕤 5.2.3 报文格式
CHAP协议的报文共有四种：
- Challenge
- Response
- Success
- Failure
若PPP帧中Protocol字段取值为0xC223时，表示Information字段承载的是CHAP报文。
🕘 5.3 实验
题目：本实验模拟企业网络环境。R1为分支机构接入网关设备，PC-1为企业分支机构终端。R2为企业总部接入终端网关设备，PC-2为企业总部终端，网络管理员在分支机构访问总部时部署PPP认证 ，R1和R2互为认证路由器和被认证路由器。只有认证通过才能建立PPP连接进行正常访问。
步骤：开启GNS3虚拟机，新建拓扑文件，在工作区添加两台路由器（c3745）和两台PC，按下图连接路由器、PC，开启设备。并按照下图和下表，在R1和R2之间配置PPP协议，并开启CHAP认证（此时s0/0口关闭），将路由器的配置指令截图如下：
| 设备 | 接口 | IP地址 | 地址掩码 | 默认网关 |
|---|---|---|---|---|
| R1 | S0/0 | 10.1.1.1 | 255.255.255.0 | - |
| F0/1 | 192.168.3.1 | 255.255.255.0 | - | |
| R2 | S0/0 | 10.1.1.2 | 255.255.255.0 | - |
| F0/1 | 192.168.4.1 | 255.255.255.0 | - | |
| PC-1 | E0 | 192.168.3.2 | 255.255.255.0 | 192.168.3.1 |
| PC-2 | E0 | 192.168.4.2 | 255.255.255.0 | 192.168.4.1 |
配置R1：
# 进入全局模式
R1#configure terminal
# 创建本地用户名和密码，为CHAP认证做准备，用户名为对方hostname
R1#username R2 password 1234
# 进入接口模式，对f0/1口进行配置
R1(config)#interface f0/1
R1(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0
# 进入接口模式，对s0/0口进行配置
R1(config)#interface s0/0
# 配置s0/0口的IP地址
R1(config-if)#ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
# 设置s0/0口作为DCE设备，为DTE设备提供时钟以便同步，时钟速率为128000（bit/s）
R1(config-if)#clock rate 128000
# 在s0/0口封装ppp协议
R1(config-if)#encapsulation ppp
# 设置ppp协议的认证方式为chap
R1(config-if)#ppp authentication chap
# 停用s0/0口
R1(config-if)shutdown
配置R2：
# 进入全局模式
R2#configure terminal
# 创建本地用户名和密码，为CHAP认证做准备，用户名为对方hostname
R2#username R1 password 1234
# 进入接口模式，对f0/1口进行配置
R1(config)#interface f0/1
R1(config-if)#ip address 192.168.4.1 255.255.255.0
# 进入接口模式，对s0/0口进行配置
R2(config)#interface s0/0
# 配置s0/0口的IP地址
R2(config-if)#ip address 10.1.1.2 255.255.255.0
# 在s0/0口封装ppp协议
R2(config-if)#encapsulation ppp
# 设置ppp协议的认证方式为chap
R2(config-if)#ppp authentication chap
# 停用s0/0口
R2(config-if)shutdown
Q：DCE设备和DTE设备是什么？为什么R1要设置时钟而R2不用？
A：DCE 和 DTE 分别代表数据通信设备和数据端点设备。
DCE (Data Circuit-terminating Equipment) 通常指在数据传输中终止数字电路的设备，负责将数字信号转换为模拟信号，以便在通信设备之间传输。例如，MODEM 设备通过电话线将数字信号转换为模拟信号，然后通过电话线进行传输，以连接到互联网。
DTE (Data Terminal Equipment)指的是终端设备，例如电脑、终端、打印机等。在通信中，DTE 既可以接收数据，也可以发送数据，但必须通过通信线路与 DCE 进行连接。
在数据通信中，DCE 和 DTE 通常通过串行通信线（例如 RS-232、V.35 或 X.21）进行连接，DCE 端常常为对方提供时钟同步信号。一些常见的 DCE 设备包括调制解调器、CSU (Channel Service Unit)、DSU (Data Service Unit) 等。
需要注意的是，相同的设备可能在不同情况下被视为 DTE 或 DCE。例如，一个串口可以连接到一个调制解调器作为 DTE，也可以连接到一个计算机作为 DCE。在本次实验中，R1为分支机构接入网关设备（DCE），R2为企业总部接入终端网关设备（DTE），clock rate 128000命令仅在 DCE 设备上使用，表示 DCE 设备要发送或接收数据的速率。在这里，另一端是一个 DTE 设备，无需使用 clock rate 命令。
配置PC-1和PC-2：
PC-1> ip 192.168.3.2/24 192.168.3.1
PC-2> ip 192.168.4.2/24 192.168.4.1
抓包分析：
在R1和R2的链路上右键start capture
# 开启R1的链路
R1(config)#interface s0/0
R1(config-if)#no shutdown
# 开启R2的链路
R2(config)#interface s0/0
R2(config-if)#no shutdown
🕒 6. VLAN技术
🕘 6.1 简介
🕤 6.1.1 目标
VLAN技术把用户划分成多组逻辑的网络，组内可以通信，组间不允许通信。
二层转发的单播、组播、广播报文只能在组内转发。
为了实现转发控制，在待转发的以太网帧中添加 VLAN标签 ，然后设定交换机端口对该标签和帧的处理方式。
方式包括丢弃帧、转发帧、添加标签、移除标签。
🕤 6.1.2 帧格式
- 标签协议标识TPID：固定取值为
0x8100，表明这是一个携带802.1Q标签的帧 - 优先级PRI：指明帧的优先级。0-7，表示8种优先级，提供有差别的转发服务。
- 标准格式指示CFI：在以太网环境中，这个字段始终为0。
- VLAN标识：它唯一地标志了以太网帧属于哪一个VLAN
- VID的取值范围是0~ 4095 （0 ~ 212-1）
- 0和4095都不用来表示VLAN，因此用于表示VLAN的VID的有效取值范围是1 ~ 4094。
802.1Q帧是由交换机来处理的，而不是用户主机来处理的
- 当交换机收到普通的以太网帧时，会将其插入4字节的VLAN标记转变为802.1Q帧，简称“打标签”。
- 当交换机转发802.1Q帧时，可能会删除其4字节VLAN标记转变为普通以太网帧，简称“去标签”。
端口上接收时总希望能够打上标签，发送出去时候总希望能去除标签
🕤 6.1.3 划分方式
-
基于端口（常用）
-
基于MAC地址
-
基于协议
-
基于子网
-
基于策略（安全性很高）
🕤 6.1.4 链路
VLAN 技术的出现，使得交换网络中存在了带VLAN 的以太网帧和不带VLAN 的以太网帧。因此，相应地也对链路做了区分：
（1）接入链路（Access Link）：连接用户主机和交换机的链路。通过的帧为不带Tag 的以太网帧。
（2）干道链路（Trunk Link）：连接交换机和交换机的链路。通过的帧一般为带Tag 的VLAN 帧，也允许通过不带Tag 的以太网帧。
🕤 6.1.5 端口模式
交换机的端口类型有以下三种：Access、Trunk、Hybrid
交换机各端口的缺省VLAN ID
- 在思科交换机上称为Native VLAN，即本征VLAN。
- 在华为交换机上称为Port VLAN ID，即端口VLAN ID，简记为PVID。每个端口有且只有一个PVID，默认情况下端口的PVID都为
1（即端口属于VLAN 1）
🕞 6.1.5.1 接入端口
- 接入端口（Access Port）：一般用于终端设备与交换机之间
注意：交换机与路由器连接的接口也需要使用接入接口。这是因为路由器中的消息也不带VLAN标签，就像终端一样，保证路由器的数据能够进入交换机领域，数据由路由器进入交换机是会被打上默认标签，接着猜按照交换机间VLAN的规则行走。简单理解就是把路由器当作终端。
-
接入端口只能属于一个
VLAN -
接入端口的
PVID值与端口所属VLAN的ID相同（默认为1） -
接入端口接收处理方法：一般只接收"未打标签"的普通以太网MAC帧。根据接收帧的端口
PVID值给帧"打标签"，即插入4字节的VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口PVID取值相等 -
接入端口发送处理方法：若帧中的
VID与端口的PVID相等，则"去标签"并转发该帧；否则不转发
🕞 6.1.5.2 干道端口
- 干道端口（Trunk Port）：一般用于交换机之间或交换机与路由器之间的互连
- 干道端口可以属于多个
VLAN - 用户可以设置干道端口的
PVID值，默认情况下，干道端口PVID值为1 - 干道端口发送处理方法：
- 对
VID等于PVID的帧，“去标签，再转发” - 对
VID不等于PVID的帧，直接转发
- 对
- 干道端口接收处理方法：
- 接收"未打标签"的帧。根据接收帧的端口的
PVID给帧"打标签"，即插入4字节的VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相等 - 如该端口允许进入，则直接接收"已打标签的帧"，否则丢弃
- 接收"未打标签"的帧。根据接收帧的端口的
🕞 6.1.5.3 混合端口（仅华为交换机有）
- 混合端口（Hybrid Port）：既可以用于交换机之间或交换机与路由器之间的互连（同干道端口），也可用于交换机与用户计算机之间的互连（同接入端口）
- 混合端口可以属于多个VLAN（同干道端口）
- 用户可以设置混合端口的
PVID值。默认情况下，混合端口的PVID值为1（同干道端口） - 混合端口发送处理方法（与干道端口不同）：
- 查看帧的VID是否在端口的"去标签"列表中
- 若存在（untag），则"去标签"后转发
- 若不存在（tag），则直接转发
- 混合端口接收处理方法（同干道端口）：
- 接收"未打标签"的帧。根据接收帧的端口的
PVID给帧"打标签"，即插入4字节的VLAN标记字段，字段中的VID取值与端口的PVID取值相等 - 如该端口允许进入，则直接接收"已打标签的帧"，否则丢弃
- 接收"未打标签"的帧。根据接收帧的端口的
🕘 6.2 VLAN内通信
（1）数据帧首先到达SWA 的端口GE0/0/4。
（2）端口GE0/0/4 给数据帧加上Tag，Tag 的VID 字段填入该端口所属的VLAN 的编号2。
（3）SWA 查找VLAN2的MAC 地址表，将该帧转发到相应的出端口GE0/0/2，到SWB。
（4）SWB 收到帧后，会根据帧中的Tag 识别出该帧属于VLAN2，查找MAC 地址表，将该帧转发到相应的出接口
（5）端口GE0/0/3 将数据帧发送给主机Host B。
🕘 6.3 VLAN间通信
🕤 6.3.1 概述
VLAN隔离了二层广播域，也就严格地隔离了各个VLAN之间的任何流量，分属于不同VLAN的用户不能互相通信。
不同VLAN 之间的流量不能直接跨越VLAN 的边界，需要使用路由，通过路由将报文从一个VLAN 转发到另外一个VLAN。
在主机设置默认网关，对于非本地的通信，主机会自动寻找默认网关，并把报文交给默认网关转发而不是直接发给目的主机。
🕤 6.3.2 解决VLAN间互通的方法
为每个VLAN 分配一个单独的路由接口：
- 在二层交换机上配置VLAN，每一个VLAN使用一条独占的物理连接连接到路由器的一个接口上。
- 随着每个交换机上VLAN数量的增加，这样做必然需要大量的路由器接口，出于成本考虑一般不采用。
多个VLAN公用一条物理连接：
- 二层交换机上和路由器上配置他们之间相连的端口使用VLAN Trunking，使多个VLAN共享同一条物理连接到路由器
- 这种方式也称为独臂路由或者单臂路由，它只需要一个以太网接口，通过创建子接口可以承担所有VLAN 的网关，从而在不同的VLAN 间转发数据。
路由器仅仅提供一个以太网接口，而在该接口下提供三个子接口分别作为3个VLAN用户的缺省网关，当VLAN100的用户需要与其它VLAN的用户进行通信时，该用户只需将数据包发送给缺省网关，缺省网关修改数据帧的VLAN标签后再发送至目的主机所在VLAN，即完成了VLAN间的通信。
三层交换机：
- 既具备二层交换机的交换功能，又具备路由器的路由功能。
- 主机设置默认网关就是三层交换机中虚拟VLAN接口的IP地址。
🕘 6.4 实验：利用单臂路由实现VLAN间通信
🔎 【GNS3】Window10 下 GNS3 配置 IOU 模拟环境
题目：开启GNS3虚拟机，新建拓扑文件，在工作区添加一台二层交换机(IOU)、一台路由器和两台PC，按下图连接路由器、交换机和PC，开启设备。设备的vlan 配置和IP地址配置按下表进行。PC1属于VLAN30，PC2属于VLAN40，现需要在路由器R1上配置单臂路由使得VLAN30和40连通。将路由器和交换机的配置指令截图如下：
| 设备 | 接口 | IP地址 | 地址掩码 | 默认网关 |
|---|---|---|---|---|
| R1 | F0/0.1 | 10.0.1.1 | 255.255.255.0 | - |
| F0/0.2 | 10.0.2.1 | 255.255.255.0 | - | |
| PC-1 | E0 | 10.0.1.2 | 255.255.255.0 | 10.0.1.1 |
| PC-2 | E0 | 10.0.2.2 | 255.255.255.0 | 10.0.2.1 |
| 设备 | 接口 | 接口类型 | 所属VLAN | 允许通过的VLAN |
|---|---|---|---|---|
| IOU1 | E0/0 | trunk | - | 30、40 |
| E0/1 | access | 30 | - | |
| E0/2 | access | 40 | - |
配置R1：
# 打开接口
R1#conf t
R1(config)#int f0/0
R1(config-if)#no shutdown
# 配置子接口IP
R1(config)#int f0/0.1
R1(config-subif)#encapsulation dot1q 30
*Mar 1 00:04:36.471: %LINK-3-UPDOWN: Interface FastEthernet0/0, changed state to up
R1(config-subif)#ip address 10.0.1.1 255.255.255.0
R1(config-subif)#exit
*Mar 1 00:04:54.855: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
R1(config)#int f0/0.2
R1(config-subif)#encapsulation dot1q 40
R1(config-subif)#ip address 10.0.2.1 255.255.255.0
*Mar 1 00:05:52.107: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
# 在R1上查看路由表
R1#show ip route
配置PC-1与PC-2：
PC-1> ip 10.0.1.2/24 10.0.1.1
Checking for duplicate address...
PC1 : 10.0.1.2 255.255.255.0 gateway 10.0.1.1
PC-1> save
Saving startup configuration to startup.vpc
. done
PC-2> ip 10.0.2.2/24 10.0.2.1
Checking for duplicate address...
PC2 : 10.0.2.2 255.255.255.0 gateway 10.0.2.1
PC-2> save
Saving startup configuration to startup.vpc
. done
配置IOU1：
IOU1#conf t
Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z.
# 创建VLAN
IOU1(config)#vlan 30
IOU1(config)#vlan 40
# 配置设备端口为 Access 类型
IOU1(config)#int e0/1
IOU1(config-if)#switchport access vlan 30
*May 17 05:46:42.170: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
IOU1(config-if)#exit
IOU1(config)#int e0/2
IOU1(config-if)#switchport access vlan 40
*May 17 05:47:16.330: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
IOU1(config-if)#exit
# 配置设备端口为 Trunk 类型
IOU1(config)#int e0/0
IOU1(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q
*May 17 05:48:51.668: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Ethernet0/0, ch
IOU1(config-if)#switchport mode trunk
*May 17 05:49:10.903: %LINEPROTO-5-UPDOWN: Line protocol on Interface Ethernet0/0, ch
IOU1(config-if)#switchport trunk allowed vlan 30,40
*May 17 05:49:47.394: %SYS-5-CONFIG_I: Configured from console by console
# 在IOU1上查看VLAN
IOU1#show vlan
IOU1#show interface e0/0 switchport
配置完记得write保存！
在PC1上ping PC2：
🕒 7. STP技术
🕘 7.1 工作原理
以太网交换机使用生成树协议STP（Spanning Tree Protocol），可以在提高网络可靠性的同时又避免环路带来的各种问题。
生成树算法STA（Spanning Tree Algorithm）是生成树协议STP的核心。它的实现目标是：在包含有物理环路的网络中，构建出一个能够连通全网各节点的树型无环逻辑拓扑。
STP协议由IEEE 802.1D 定义，描述时使用的是“网桥”，由于“交换机”的本质是“多端口网桥”，接下来都使用“网桥”来描述。
生成树算法的三个步骤：
- “选举”根交换机
- “选举”根端口
- “选举”指定端口并阻塞备用端口
注：这里所谓的“选举”，是通过网络中各交换机相互发送生成树协议专用的数据帧来实现的，这些交换信息的报文称为网桥协议数据单元，简称BPDU。
选举根交换机：
- 根交换机的选举条件：网桥ID（BID）最小者当选。
- 网桥ID（BID）由以下两部分构成：
- 优先级（2字节）
- 范围：0 - 61440（也有说法是65535）
- 步长：4096
- 默认值：32768
- 交换机的基本MAC地址（6字节）
- 优先级（2字节）
- 网桥ID （BID）的比较方法：
- 优先级取值越小，则网桥ID（BID）就越小。
- 若优先级相同，则比较MAC地址，从MAC地址的左侧开始依次比较，数值小的，则网桥ID（BID）就小。
选举根端口：
- 在每一个非根交换机上选出一个根端口RP（Root Port），并且只能是一个。
- 根端口RP用于接收根交换机发来的BPDU，也用来转发普通流量。
- 根端口RP的选举条件：
- BPDU接收端口到根交换机的路径成本（端口开销）最小。
链路带宽 成本值 4 M b / s 250 10 M b / s 100 16 M b / s 62 100 M b / s 19 1 G b / s 4 10 G b / s 2 \begin{array}{|c|c|} \hline {\text { 链路带宽 }} & \text { 成本值 } \\ \hline 4 Mb/s & 250 \\ \hline 10 Mb/s & 100 \\ \hline 16 Mb/s & 62 \\ \hline 100 Mb/s & 19 \\ \hline 1 Gb/s & 4 \\ \hline 10 Gb/s & 2 \\ \hline \end{array} 链路带宽 4Mb/s10Mb/s16Mb/s100Mb/s1Gb/s10Gb/s 成本值 250100621942 - 对端的网桥ID（BID）最小。
- 对端的端口ID（PID）最小。
- 优先级范围（1 - 4bit）
- 范围：0 - 240
- 步长：16
- 默认值：128
- 端口号（5 - 16bit）
- 优先级范围（1 - 4bit）
- BPDU接收端口到根交换机的路径成本（端口开销）最小。
选举指定端口（Designated Port）并阻塞备用端口（预备端口）：
- 在每一个网段上选出一个指定端口DP ( Designated Port）并且只能是一个。
- 指定端口DP用于转发根交换机发来的BPDU，也用来转发普通流量。
- 指定端口DP的选举条件：
- 根交换机的所有端都是指定端口DP。
- 根端口的对端端口一定是指定端口DP。
- BPDU转发端口到根交换机的路径成本最小。
- 本端的网桥ID（BID）最小。
- 本端的端口ID（PID）最小。
- 剩余端口成为备用端口AP（Alternate Port），将它们阻塞。
端口状态描述：
| 端口状态 | 描 述 |
|---|---|
| Disabled（端口没有启用） | 此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，不参与生成树计算。 |
| Listening（侦听状态） | 此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，只参与生成树计算，接收并发送BPDU。 |
| Blocking（阻塞状态） | 此状态下端口不转发数据帧，不学习MAC地址表，此状态下端口接收并处理BPDU，但是不向外发送BPDU。 |
| Learning（学习状态） | 此状态下端口不转发数据帧，但是学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。 |
| Forwarding（转发状态） | 此状态下端口正常转发数据帧，学习MAC地址表，参与计算生成树，接收并发送BPDU。 |
- 当端口正常启用之后，端口首先进入Listening状态，开始生成树的计算过程。
- 如果经过计算，端口角色需要设置为预备端口（Alternate Port），则端口状态立即进入Blocking；
- 如果经过计算，端口角色需要设置为根端口（Root Port）或指定端口（Designated Port），则端口状态在等待Forward Delay之后从Listening状态进入Learning状态，然后继续等待Forward Delay之后，从Learning状态进入Forwarding状态，正常转发数据帧。
🕘 7.2 BPDU报文
STP生成树的计算，根端口、指定端口的选举，都是借助BPDU（Configuration Bridge Protocol Data Unit）报文进行信息的传递和交换的。
BPDU报文有两类：配置BPDU和TCN BPDU
🕤 7.2.1 配置BPDU
- 配置BPDU使用标准LLC格式封装在以太网数据帧中。
- 配置BPDU只在指定端口（Designated Port）上发送。
DMAC：目的MAC地址。发送配置BPDU的数据帧使用保留的组MAC地址01-80-C2-00-00-00，此地址标识所有交换机，但是不能被交换机转发，也即只在本地链路有效。LLC Header：目的服务访问点（Destination Service Access Point, DSAP）和源服务访问点（Source Service Access Point, SSAP）的值都设为二进制01000010。Ctrl字段的值设为3。
- 当STP初始计算选举根交换机时，各个交换机主动生成并发送配置BPDU。
- 选举结束后，只有根交换机才能主动生成并发送配置BPDU
- 非根交换机只有在自己的根端口收到配置BPDU报文才能根据收到的报文生成配置BPDU从指定端口发送。
配置内容：
报文标识：
| 参数 | 比特数 | 描 述 |
|---|---|---|
| Protocol Identifier （协议标识） | 16比特 | 取值0x0000 |
| Protocol Version Identifier （协议版本标识） | 8比特 | 取值0x00 |
| BPDU Type （BPDU类型） | 8比特 | 配置BPDU报文取值0x00 拓扑改变通知BPDU报文取值0x80 |
| Flags （标志） | 8比特 | 配置BPDU报文取值0x00 拓扑改变配置BPDU报文取值0x01 拓扑改变确认配置BPDU报文取值0x80 |
STP计算：
| 参数 | 比特数 | 描 述 |
|---|---|---|
| Root Identifier | 64比特 | 当前根交换机的桥ID |
| Root Path Cost | 32比特 | 发送该BPDU报文的交换机的根路径开销 |
| Bridge Identifier | 64比特 | 发送该BPDU报文的交换机的桥ID |
| Port Identifier | 16比特 | 发送该BPDU报文的端口ID |
时间参数：
| 参数 | 比特数 | 描 述 |
|---|---|---|
| Message Age | 16比特 | 该BPDU报文从根桥发送到当前交换机的总时间，随时间增长而变大，若达到Max Age，则此配置BPDU被认为已经过期 |
| Max Age | 16比特 | BPDU报文的最大生命周期，默认取值20s |
| Hello Time | 16比特 | 交换机发送配置BPDU的报文周期，默认取值2s |
| Forward Delay | 16比特 | 端口Listening和Learning状态的持续时间，默认取值15s |
🕤 7.2.2 TCN BPDU
如果网络拓扑发生了变化，会触发STP 的重新计算，新的生成树拓扑可能会跟原先的网络拓扑存在一定的差异。
在交换机上，指导报文转发的是MAC 地址表，默认的动态表项的生存时间是300 s，此时，数据转发如果仍然按照原有的MAC 地址表，会导致数据转发错误。
为防止拓扑变更情况下的数据发送错误，STP 中定义了拓扑改变消息泛洪机制。
当网络拓扑发生变化的时候，除了在整网泛洪拓扑改变信息外，同时修改MAC 地址表的生存期为一个较短的数值，等拓扑结构稳定之后，再恢复MAC 地址表的生存期。
在向整网泛洪拓扑改变信息的过程中，共涉及三种BPDU：
- 拓扑改变通知BPDU：
TCN（Topology Change Notification） BPDU。用于非根交换机在根端口上向上行交换机通告拓扑改变信息，并且每隔Hello Time（2秒）发送一次，直到收到上行交换机的拓扑改变确认配置BPDU或者拓扑改变配置BPDU。 - 拓扑改变确认配置BPDU：
TCAN（Topology Change Acknowledgment Configuration） BPDU。配置BPDU的一种，和普通配置BPDU不同的是此配置BPDU设置了一个Flag位。用于非根交换机在接收到拓扑改变通知BPDU的指定接口上向下行交换机发送拓扑改变通知的确认信息。 - 拓扑改变配置BPDU：
TCC（Topology Change Configuration） BPDU。此配置BPDU设置了另外一个Flag位。用于从根交换机向整网泛洪拓扑改变信息，所有交换机都在自己所有的指定端口上泛洪此BPDU。
SWA收到SWB发送的拓扑改变通知BPDU之后，每隔2秒向网络中发送拓扑改变配置BPDU（设置了一个Flag位的配置BPDU），使网络中所有的交换机都把MAC地址表的生存期修改为Forward Delay（15秒），经过一段时间（Max Age加上Forward Delay，默认为35秒）之后，SWA（根交换机）在自己发送的配置BPDU中，清除Flag位，表示网络拓扑已经稳定，网络中的交换机恢复MAC地址生存期。
拓扑改变通知BPDU格式：
| 参数 | 字节数 | 内容 |
|---|---|---|
| 2字节 | Protocol Identifier | 0x0000 |
| 1字节 | Protocol Version Identifier | 0x00 |
| 1字节 | BPDU Type | 0x80 |
拓扑改变确认配置BPDU和拓扑改变配置BPDU都是配置BPDU的一种，和普通的配置BPDU不同的是：
- 普通的配置BPDU中Flag字段全部设置为0；
- 拓扑改变确认配置BPDU将Flag字段的第8位设置为1；
- 拓扑改变配置BPDU将Flag字段的第1位设置为1。
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作者：HinsCoder
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