【導讀】計算機工程系網(wǎng)絡技術教研室

　　

【正文】 址）。 b. 計算這個子網(wǎng)的最后一個地址可在這個地址上加 31（每一個子網(wǎng)的地址數(shù)是 32，但我們只能加 31）。最后一個地址是 。 （ 9） 現(xiàn)在我們找出第二個子網(wǎng)的地址范圍： a. 這個子網(wǎng)第一個地址是 （在第一個子網(wǎng)最后一個地址的后面）。 b. 計算這個子網(wǎng)最后一個地址可在第一個地址上加 31。得出 。 （ 10） 在剩下的子網(wǎng)中地址的范圍可用類似的方法求出。 12 習 題 1． 簡述幾種網(wǎng)絡分類方法，以及主要的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。 2． 簡述 IP 地址的作用及其分類方法 3． 簡述子網(wǎng)劃分的方法 4． 若主機地址是 ，而網(wǎng)絡掩碼是 ，試求子網(wǎng)地址和廣播地址。 5． 某個公司分到的地址是 （ C 類 ） 。這個公司需要 6 個子網(wǎng)。試設計這個子網(wǎng)。 13 第 2章 園區(qū)網(wǎng)中的廣播流量控制 VLAN 概述 什么是 VLAN？ VLAN（ Virtual LAN），翻譯成中文是“虛擬局域網(wǎng)”。 LAN 可以是由少數(shù)幾臺家用計算機構(gòu)成的網(wǎng)絡，也可以是數(shù)以百計的計算機構(gòu)成的企業(yè)網(wǎng)絡。 VLAN 所指的 LAN 特指使用路由器分割的網(wǎng)絡 也就是廣播域。 在此讓我們先復習一下廣播域的概念。廣播域，指的是廣播幀（目標 MAC 地址全部為 1）所能傳遞到的范圍，亦即能夠直接通信的范圍。嚴格 地說，并不僅僅是廣播幀，多播幀（ Multicast Frame）和目標不明的單播幀（ Unknown Unicast Frame）也能在同一個廣播域中暢行無阻。 本來，二層交換機只能構(gòu)建單一的廣播域，不過使用 VLAN 功能后，它能夠?qū)⒕W(wǎng)絡分割成多個廣播域。 那么，為什么需要分割廣播域呢？那是因為，如果僅有一個廣播域，有可能會影響到網(wǎng)絡整體的傳輸性能。具體原因，以圖 11 為例來加深理解。 圖 21 中，是一個由 5 臺二層交換機（交換機 1～ 5）連接了大量客戶機構(gòu)成的網(wǎng)絡。假設，計算機 A 需要與計算機 B 通信。在基于以太網(wǎng)的 通信中，必須在數(shù)據(jù)幀中指定目標 MAC 地址才能正常通信，因此計算機 A 必須先廣播“ ARP 請求（ ARP Request）信息”，來嘗試獲取計算機 B的 MAC 地址。 圖 21 廣播域 如圖 22 所示，交換機 1 收到廣播幀（ ARP 請求）后，會將它轉(zhuǎn)發(fā)給除接收端口 外的其他所有端口，也就是 Flooding 了。接著，交換機 2 收到廣播幀后也會 Flooding。交換機 5A B 14 也還會 Flooding。最終 ARP 請求會被轉(zhuǎn)發(fā)到同一網(wǎng)絡中的所有客戶機上。 圖 22 ARP 請求 在這里要注意，這 個 ARP 請求原本是為了獲得計算機 B 的 MAC 地址而發(fā)出的。也就是說：只要計算機 B 能收到就可以了。但是事實上，數(shù)據(jù)幀卻傳遍整個網(wǎng)絡，導致所有的計算機都收到了它。如此一來，一方面廣播信息消耗了網(wǎng)絡整體的帶寬，另一方面，收到廣播信息的計算機還要消耗一部分 CPU 時間來對它進行處理。造成了網(wǎng)絡帶寬和 CPU 運算能力的大量無謂消耗。 也許人們會有這樣的問題：廣播信息是這樣經(jīng)常發(fā)出的嗎？廣播信息真是那么頻繁出現(xiàn)的嗎？ 答案是：是的！實際上，廣播幀會非常頻繁地出現(xiàn)。利用 TCP/IP 協(xié)議棧通信時，除了前面出現(xiàn)的 ARP 外，還有可能 需要發(fā)出 DHCP、 RIP 等很多其他類型的廣播信息。 ARP 廣播，是在需要與其他主機通信時發(fā)出的。當客戶機請求 DHCP 服務器分配 IP 地址時，就必須發(fā)出 DHCP 的廣播。而使用 RIP 作為路由協(xié)議時，每隔 30 秒路由器都會對鄰近的其他路由器廣播一次路由信息。 RIP 以外的其他路由協(xié)議使用多播傳輸路由信息，這也會被交換機轉(zhuǎn)發(fā)（ Flooding）。除了 TCP/IP 以外， NetBEUI、 IPX 和 Apple Talk 等協(xié)議也經(jīng)常需要用到廣播。例如在 Windows 下雙擊打開“網(wǎng)絡計算機”時就會發(fā)出廣播（多播）信息。（ Windows XP 除外） 總之，廣播就在我們身邊。下面列出的就是一些常見的廣播通信： ? ARP 請求：建立 IP 地址和 MAC 地址的映射關系。 ? RIP：一種路由協(xié)議。 ? DHCP：用于自動設定 IP 地址的協(xié)議。 A B 15 ? NetBEUI： Windows 下使用的網(wǎng)絡協(xié)議。 ? IPX： Novell Netware 使用的網(wǎng)絡協(xié)議。 ? Apple Talk：蘋果公司的 Macintosh 計算機使用的網(wǎng)絡協(xié)議。 如果整個網(wǎng)絡只有一個廣播域，那么一旦發(fā)出廣播信息，就會傳遍整個網(wǎng)絡，并且對網(wǎng)絡中的主機帶來額外的負擔。因此，在設計 LAN 時，需要注意如何才能有效 地分割廣播域。 廣播域的分割與 VLAN 的必要性 分割廣播域時，一般都必須使用到路由器。使用路由器后，可以以路由器上的網(wǎng)絡接口（ LAN Interface）為單位分割廣播域。 但是，通常情況下路由器上不會有太多的網(wǎng)絡接口，其數(shù)目多在 1～ 4 個左右。隨著寬帶連接的普及，寬帶路由器（或者叫 IP 共享器）變得較為常見，但是需要注意的是，它們上面雖然帶著多個（一般為 4 個左右）連接 LAN 一側(cè)的網(wǎng)絡接口，但那實際上是路由器內(nèi)置的交換機，并不能分割廣播域。 況且使用路由器分割廣播域的話，所能分割的個數(shù)完全取決于路由器的網(wǎng) 絡接口個數(shù)，使得用戶無法自由地根據(jù)實際需要分割廣播域。 與路由器相比，二層交換機一般帶有多個網(wǎng)絡接口。因此如果能使用它分割廣播域，那么無疑運用上的靈活性會大大提高。 用于在二層交換機上分割廣播域的技術，就是 VLAN。通過利用 VLAN，我們可以自由設計廣播域的構(gòu)成，提高網(wǎng)絡設計的自由度。 交換機的端口 交換機的端口，可以分為以下兩種： 1）訪問鏈接（ Access Link） 2）匯聚鏈接（ Trunk Link） 接下來就讓我們來依次學習這兩種不同端口的特征。 訪問鏈接 訪問鏈接，指的是“只屬于一個 VLAN，且 僅向該 VLAN 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀”的端口。在大多數(shù)情況下，訪問鏈接所連的是客戶機。 通常設置 VLAN 的順序是： 1）生成 VLAN； 2）設定訪問鏈接（決定各端口屬于哪一個 VLAN）。 設定訪問鏈接的方法，可以是事先固定的、也可以是根據(jù)所連的計算機而動態(tài)改變設定。前者被稱為“靜態(tài) VLAN”、后者自然就是“動態(tài) VLAN”了。 靜態(tài) VLAN 靜態(tài) VLAN 又被稱為基于端口的 VLAN（ Port Based VLAN）。顧名思義，就是明確指定各端口屬于哪個 VLAN 的設定方法，如圖 23 所示。 16 圖 23 基于端口的靜態(tài) VLAN 由于需要一個個端口地指定，因此當網(wǎng)絡中的計算機數(shù)目超過一定數(shù)字（比如數(shù)百臺）后，設定操作就會變得非常煩雜。并且，客戶機每次變更所連端口，都必須同時更改該端口所屬 VLAN的設定，這顯然不適合那些需要頻繁改變拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡。 動態(tài) VLAN 另一方 面，動態(tài) VLAN 則是根據(jù)每個端口所連的計算機，隨時改變端口所屬的 VLAN。這就可以避免上述的更改設定之類的操作。動態(tài) VLAN 可以大致分為 3 類： 1）基于 MAC 地址的 VLAN（ MAC Based VLAN） 2）基于子網(wǎng)的 VLAN（ Sub Based VLAN） 3）基于用戶的 VLAN（ User Based VLAN） 其間的差異，主要在于根據(jù) OSI 參照模型哪一層的信息決定端口所屬的 VLAN。 基于 MAC 地址的 VLAN，就是通過查詢并記錄端口所連計算機上網(wǎng)卡的 MAC 地址來決定端口的所屬。假定有一 個 MAC 地址“ A”被交換機設定為屬于 VLAN“ 10”，那么不論 MAC 地址為“ A”的這臺計算機連在交換機哪個端口，該端口都會被劃分到 VLAN10 中去。計算機連在端口 1 時，端口 1 屬于 VLAN10；而計算機連在端口 2 時，則是端口 2 屬于 VLAN10。 如圖 24 所示。 17 圖 24 基于 MAC 地址的動態(tài) VLAN 由于是基于 MAC 地址決定所屬 VLAN 的，因此可以理解為這是一種在 OSI 的第二層設定訪問鏈接的方法。 但是，基于 MAC 地址的 VLAN，在設定時必須調(diào)查所連接的所有計算機的 MAC 地址并加以登錄。而且如果計算機更換了網(wǎng)卡，還是需要更改設定。 基于子網(wǎng)的 VLAN，則是通過所連計算機的 IP地址，來決定端口所屬 VLAN 的。不像基于 MAC地址的 VLAN，即使計算機因為交換了網(wǎng)卡或是其他原因?qū)е?MAC 地址改變，只要它的 IP 地址不變，就仍可以加入原先設定的 VLAN。如圖 25 所示。 圖 25 基于 IP 地址的動態(tài) VLAN 18 因此，與基于 MAC 地址的 VLAN 相比，能夠更為簡便地改變網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。 IP 地址是 OSI 參照模型中第三層的信息，所以我們可以理解為基于子網(wǎng)的 VLAN 是一種在 OSI 的第三層設定訪問鏈接的方法。 基于用戶 的 VLAN，則是根據(jù)交換機各端口所連的計算機上當前登錄的用戶，來決定該端口屬于哪個 VLAN。這里的用戶識別信息，一般是計算機操作系統(tǒng)登錄的用戶，比如可以是 Windows域中使用的用戶名。這些用戶名信息，屬于 OSI 第四層以上的信息。 總的來說，決定端口所屬 VLAN 時利用的信息在 OSI 中的層面越高，就越適于構(gòu)建靈活多變的網(wǎng)絡。 訪問鏈接 的總結(jié) 綜上所述，設定訪問鏈接的方法有靜態(tài) VLAN 和動態(tài) VLAN 兩種，其中動態(tài) VLAN 又可以繼續(xù)細分成幾個小類。 基于子網(wǎng)的 VLAN 和基于用戶的 VLAN 有可能是網(wǎng)絡設備廠 商使用獨有的協(xié)議實現(xiàn)的，不同廠商的設備之間互聯(lián)有可能出現(xiàn)兼容性問題，因此在選擇交換機時，一定要注意事先確認。 下面總結(jié)了靜態(tài) VLAN 和動態(tài) VLAN 的相關信息。 種類 說明 靜態(tài) VLAN（基于端口的 VLAN） 將交換機的各端口固定指派給 VLAN 基于 MAC 地址的動態(tài) VLAN 根據(jù)各端口所連計算機的 MAC 地址設定 基于子網(wǎng)的動態(tài) VLAN 根據(jù)各端口所連計算 機的 IP 地址設定 基于用戶的動態(tài) VLAN 根據(jù)端口所連計算機上登錄用戶設定 實現(xiàn) VLAN 的機制 在理解了“為什么需要 VLAN”之后，接下來讓我們來了解一下交換機是如何使用 VLAN 分割廣播域的。 首先，在一臺未設置任何 VLAN 的二層交換機上，任何廣播幀都會被轉(zhuǎn)發(fā)給除接收端口外的所有其他端口（ Flooding）。例如，計算機 A 發(fā)送廣播信息后，會被轉(zhuǎn)發(fā)給端口 4。 這時，如果在交換機上生成紅、藍兩個 VLAN，同時設置端口 2 屬于紅色 VLAN、端口 4 屬于藍色 VLAN。再從 A 發(fā)出廣播幀的話，交換機就只會把它轉(zhuǎn)發(fā)給同屬于一個 VLAN 的其他端口，也就是同屬于紅色 VLAN 的端口 2，而不會再轉(zhuǎn)發(fā)給屬于藍色 VLAN 的端口。 同樣， C 發(fā)送廣播信息時，只會被轉(zhuǎn)發(fā)給其他屬于藍色 VLAN 的端口 4，而不會被轉(zhuǎn)發(fā)給屬于紅色 VLAN 的端口。如圖 26 所示。 19 圖 26 設置 VLAN 就這樣， VLAN 通過限制廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)的范圍分割了廣播域。上圖中為了便于說明，以紅、藍兩色識別不同的 VLAN，在實際使用中則是用“ VLAN ID”來區(qū)分的，這里的 ID 用于標識不同的VLAN，其范圍是 1 至 4094。 直觀地描述 VLAN 如果要更為直觀地描述 VLAN 的話，我們可以把它理解為將一臺交換機在邏輯上分割成了數(shù)臺交換機。在一臺交換機上生成紅、藍兩個 VLAN，也可以看作是將一臺交換機換做一紅一藍兩臺虛擬的交換機。如圖 27 所示。 圖 27 將一個交換機分成兩個虛擬的交換機 20 在紅、藍兩個 VLAN 之外生成新的 VLAN 時，可以想象成又添加了新的交換機。 但是， VLAN 生成的邏輯上的交換機是互不相通的。因此，在交換機上設置 VLAN 后，如果未做其他處理， VLAN 間是無法通信的。 明明接在同一臺交換機上，但卻偏偏無法通信，這個事實也許讓人難以接受。但它既是 VLAN方便易用的特征，又是使 VLAN 令人難以理解的原因。 需要 VLAN 間通信時怎么辦 那么，當我們需要在不同的 VLAN 間通信時又該如何處理呢？ 請讀者再次回憶一下： VLAN 是廣播域 ， 而通常兩個廣播域之間由路由器連接，廣播域之間來往的數(shù)據(jù)包都是由路由器中繼的。因此， VLAN 間的通