数据链路层和网络层协议分析.ppt

北航计算机网络实验 实验二 数据链路层 网络层实验 2011.3 北航计算机网络实验 数据链路层实验 北航计算机网络实验 3 实验内容 uVALN配置和分析实验 u实验原理 u实验步骤 u设计型实验（选做） uPPP协议实验 PAP身份验证，画状态图 CHAP身份验证，画状态图 u帧中继协议实验（选做） 北航计算机网络实验 4 实验原理数据链路层概述 位于OSI参考模型的第二层，在物理层基 础上为网络层提供服务 为物理链路上提供可靠的数据传输 局域网的数据链路层协议有以太网、令牌 环网等 广域网的数据链路层协议有PPP、HDLC、 Frame Relay等 北航计算机网络实验 5 实验原理数据链路层功能 n 帧同步功能 n 差错控制功能 n 流量控制功能 n 链路管理功能 1物 理 层 2数据链路层 4传 输 层 3网 络 层 5会 话 层 7应 用 层 6表 示 层 北航计算机网络实验 6 实验原理以太网交换机工作原理 uCSMA/CD:传输之前先侦听，传输过程中 检测，冲突之后的重传 北航计算机网络实验 7 实验原理以太网交换机工作原理 u中继器:是一种信号放大设备 北航计算机网络实验 8 实验原理以太网交换机工作原理 uHub: 单个Hub连接的设备共享一个冲突域和一 个广播域 HUB A向B发送时， C向D不能发送， 否则产生冲突 A B C D 北航计算机网络实验 9 实验原理以太网交换机工作原理 uHUB级连:Hub限制的网络的可扩展性 HUB HUBHUB 不能发送 A向B发送时， E向D不能发送 同 一 冲 突 域 A FED CB 北航计算机网络实验 10 u以太网交换机把冲突域限制于交换机一 个端口上 100M HUB 一个冲突域 10M交换机B 10M 100M 100M 10M 10M 100M 10M 10M 100M交换机A 10M 一个冲突域 一个冲突域 一个冲突域 一个冲突域 实验原理以太网交换机工作原理 北航计算机网络实验 11 实验原理以太网交换机工作原理 u交换机内部有一张MAC地址表 E0/3E0/5E0/7E0/16 MAC：M1MAC：M2MAC：M3 MAC：M4 目的MAC地址发送端口号 M1E0/3 M2E0/5 M3E0/7 M4E0/16 PC1PC2 PC4PC3 北航计算机网络实验 12 实验原理以太网交换机工作原理 u最初交换机的MAC地址表为空 MAC：M1 MAC：M2 MAC：M3MAC：M4 目的MAC地址发送端口号 E0/3 E0/5 E0/7 E0/16 PC2PC1 PC3 PC4 北航计算机网络实验 13 实验原理MAC地址学习（1） uMAC地址表没有记录，数据帧从其它所 有端口转发出去 u识别数据帧的源MAC地址，学习MAC地 址和端口对应关系 MAC：M1MAC：M2 MAC：M3MAC：M4 目的MAC地址发送端口号 E0/3 E0/5 E0/7 E0/16 M1E0/3 PC2 PC1 PC4PC3 北航计算机网络实验 14 u通过MAC地址表实现数据帧的单点转发 uMAC地址表的维护 MAC：M1MAC：M2MAC：M3MAC：M4 E0/3 E0/5 E0/7 E0/16 目的MAC地址发送端口号 M1E0/3 M2E0/5 M3E0/7 M4E0/16 PC1 PC4 PC3PC2 实验原理MAC地址学习（2） 北航计算机网络实验 15 实验原理虚拟局域网技术（VLAN） 广播广播 uVLAN的产生广播 北航计算机网络实验 16 uVLAN可划分广播域和子网 广播域1 VLAN 10 广播域2 VLAN 20 广播域3 VLAN 30 市场部 工程部财务部 实验原理虚拟局域网技术（VLAN） 北航计算机网络实验 17 基于端口的VLAN 基于MAC地址的VLAN 基于协议的VLAN 基于子网的VLAN 实验原理虚拟局域网技术（VLAN ） uVLAN的类型 北航计算机网络实验 18 实验原理VLAN的帧格式 IEEE802.1Q 描述了VLAN的框架、VLAN 提供的服务和VLAN涉及的协议和算法 DASA TypeDataCRC 标准以太网帧 DASA TypeDataCRCtag TPIDPriority CFI VLAN ID TCI 带有IEEE802.1Q标记的以太网帧 北航计算机网络实验 19 实验原理帧在网络通信中的变化 VLAN 2VLAN 2VLAN 1VLAN 1 VLAN 1VLAN 1VLAN 2VLAN 2 带有带有VLAN 1VLAN 1标签的以太网帧标签的以太网帧 带有带有VLAN 2VLAN 2标签的以太网帧标签的以太网帧 不带不带VLANVLAN标签的标签的 以太网帧以太网帧 北航计算机网络实验 20 实验原理Trunk和Access VLAN 1VLAN 1 VLAN 2VLAN 2VLAN 1VLAN 1VLAN 3VLAN 3VLAN 2VLAN 2 VLAN 1VLAN 1 VLAN 5VLAN 5VLAN 5VLAN 5VLAN 2VLAN 2 VLAN 5VLAN 5 广播广播 TrunkTrunk AccessAccess 北航计算机网络实验 21 实验原理VLAN端口分类 uAccess（Untagged）端口：只能属于1个VLAN，从 该端口出去的数据包不带TAG，一般接主机或路由器 ； utrunk端口：可以属于多个VLAN，可以接收和发送 带多种VLAN标签的报文，一般用于交换机之间连接 的端口； uhybrid端口：可以属于多个VLAN，可以接收和发 送多个VLAN的报文，可以用于交换机之间连接，也 可以用于接用户的计算机。属于Access和trunk的混 合模式。 uHybrid端口和trunk端口的不同之处在于hybrid端 口可以允许多个VLAN的报文不打标签，而trunk端口 只允许缺省VLAN的报文不打标签。 北航计算机网络实验 22 缺省VLAN（pvid） n缺省VLAN是指每个端口都有的一个VLAN 属性，其值为pvid，可以人为设置。 n当交换机从某端口收到一个不带VLAN标签 的数据帧时，在交换机内部将该数据帧视为带 缺省VLAN（pvid）标签的数据帧。 nH3C交换机初始化时，一般将所有端口都属 于VLAN1，并且VLAN1是每个端口的缺省 VLAN（pvid1）， VLAN1是untag的。 北航计算机网络实验 23 Tagged和Untagged n端口的一个属性，用于确定从该端口发出的数据帧 是否带VLAN标签 nUntagged pAccess端口都是Untagged pTrunk端口只有缺省VLAN才是Untagged pHybrid端口可以设置针对某些VLAN是 Untagged nTagged pTrunk端口除缺省VLAN外所有VLAN都是 Tagged pHybrid端口可以设置针对某些VLAN是Tagged 北航计算机网络实验 24 以太网交换机转发流程 n接收过程 p确定数据帧的VLAN ID n无VLAN标签的数据帧，将该端口缺省VLAN ID（ pvid）作为其VLAN ID p进行源地址学习（结合VLAN ID ） n转发过程 p根据数据包的目的MAC和VLAN ID进行转发 n发送过程 p根据端口的类型（ Tagged和Untagged ） 来决定是否将VLAN TAG去掉，然后发送数据 帧。 北航计算机网络实验 25 实验原理Hybrid端口 u设置以太网端口的工作模式 port link-type access | hybrid | trunk 例如：port link-type hybrid Undo port link-type u设置Hybrid端口的缺省 ID port hybrid pvid vlan vlan_id 例如：port hybrid pvid vlan 30 undo port hybrid pvid u将Hybrid端口加入到指定的已经存在的VLAN，并标记为tagged或 untagged port hybrid vlan vlan_id_list tagged|untagged 例如：port hybrid vlan 30 40 untagged undo port hybrid vlan vlan_id_list 北航计算机网络实验 26 实验内容 uVALN配置和分析实验 u实验原理 u实验步骤 u设计型实验（选做） uPPP协议实验 PAP身份验证，画状态图 CHAP身份验证，画状态图 u帧中继协议实验（选做） 北航计算机网络实验 27 VLAN的基本配置和验证 北航计算机网络实验 28 Trunk端口配置实验 E0/24E0/1E0/1E0/24 E0/13E0/13 PAPBPCPD Ip:192.168.2.10/24 Ip:192.168.3.10/24 Ip:192.168.2.11/24Ip:192.168.3.11/24 S1S2 Vlan2Vlan2Vlan3Vlan3 注：S1中vlan2包括端口e0/1 到e0/5,vlan3包括端口e0/20到e 0/24; S2中vlan2包括端口e0/1 到e0/4,vlan3包括端口e0/21到e 0/24; VLAN2VLAN2 VLAN2VLAN2 北航计算机网络实验 29 Hybrid端口配置实验 E0/24E0/1E0/1E0/24 E0/13E0/13 PAPBPCPD IP:192.168.2.10/24 IP:192.168.3.10/24 IP:192.168.2.11/24IP:192.168.3.11/24 S1S2 Vlan2Vlan2Vlan3Vlan3 注：S1中vlan2包括端口e0/1 到e0/5,vlan3包括端口e0/20到e 0/24; S2中vlan2包括端口e0/1 到e0/4,vlan3包括端口e0/21到e 0/24; VLAN2 TaggedVLAN2 Tagged VLAN3 UntaggedVLAN3 Untagged PvidPvid：1 1 VLAN2 TaggedVLAN2 Tagged VLAN3 UntaggedVLAN3 Untagged PvidPvid：1 1 VLAN2VLAN2 VLAN2VLAN2 北航计算机网络实验 30 Hybrid端口配置实验 E0/24E0/1E0/1E0/24 E0/13E0/13 PAPBPCPD Ip:192.168.2.10/24 Ip:192.168.3.10/24 Ip:192.168.2.11/24Ip:192.168.3.11/24 S1S2 Vlan2Vlan2Vlan3Vlan3 注：S1中vlan2包括端口e0/1 到e0/5,vlan3包括端口e0/20到e 0/24; S2中vlan2包括端口e0/1 到e0/4,vlan3包括端口e0/21到e 0/24; VLAN2 TaggedVLAN2 Tagged VLAN3 UntaggedVLAN3 Untagged PvidPvid：1 1 VLAN2 TaggedVLAN2 Tagged VLAN3 UntaggedVLAN3 Untagged PvidPvid：1 1 VLAN3VLAN3 VLAN1VLAN1 北航计算机网络实验 31 Hybrid端口配置实验 E0/24E0/1E0/1E0/24 E0/13E0/13 PAPBPCPD Ip:192.168.2.10/24 Ip:192.168.3.10/24 Ip:192.168.2.11/24Ip:192.168.3.11/24 S1S2 Vlan2Vlan2Vlan3Vlan3 注：S1中vlan2包括端口e0/1 到e0/5,vlan3包括端口e0/20到e 0/24; S2中vlan2包括端口e0/1 到e0/4,vlan3包括端口e0/21到e 0/24; VLAN2 TaggedVLAN2 Tagged VLAN3 UntaggedVLAN3 Untagged PvidPvid：3 3 VLAN2 TaggedVLAN2 Tagged VLAN3 UntaggedVLAN3 Untagged PvidPvid：3 3 VLAN3VLAN3 VLAN3VLAN3 北航计算机网络实验 32 设计型实验（选作） n一个公司需要组建局域网，公司主要有财 务、人事、工程、研发、市场等部门，每个 部门人数都不超过20人，另外公司还有一些 公共服务器。请给出设计方案，并提供实验 验证。要求满足： p所有部门不能互相访问； p每个部门都可以访问公共服务器。 北航计算机网络实验 33 实验内容 uVALN配置和分析实验 u设计型实验（选做） uPPP协议实验 u实验原理 u实验步骤 u帧中继协议实验（选做） 北航计算机网络实验 34 实验原理广域网数据链路层 北航计算机网络实验 35 实验原理广域网的数据传输方式 北航计算机网络实验 36 实验原理广域网的数据传输方式 点到点方式 分组交换方式 广域网 交换机 北航计算机网络实验 37 实验原理广域网协议：PPP PPP协议是在SLIP的基础上发展起来的 PPP协议提供点到点链路传输 物理层可以是同步电路或异步电路 接入服务器 PPP 封装 北航计算机网络实验 38 实验原理PPP协议组成 PPP协议主要由链路控制协议（LCP）、 网络控制协议族（NCPs）和用于网络安全 方面的验证协议族（PAP和CHAP）组成。 北航计算机网络实验 39 实验原理PPP协议栈 物理介质（同步 / 异步） 验证；其他选项 LCP IPCP IPXCP 其他 NCP 网络控制协议 IP IPX 其他网络协议 物 理 层 数据链路层 网 络 层 北航计算机网络实验 40 实验原理PPP协商流程 PPP链路的建立需要通过链路层特性的协商 北航计算机网络实验 41 实验原理PPP身份验证方式：PAP PAP是两次握手验证协议，口令以明文传 送，被验证方首先发起验证请求。 被验证方主验证方 用户名密码 通过 / 拒绝 北航计算机网络实验 42 实验原理PPP身份验证方式：CHAP CHAP是三次握手验证协议，不发送口令， 主验证方首先发起验证请求，安全性比PAP高 。 被验证方主验证方 主机名加密后报文 通过 / 拒绝 主机名随机报文 北航计算机网络实验 43 实验内容 uVALN配置和分析实验 u设计型实验（选做） uPPP协议实验 u实验原理 u实验步骤 u帧中继协议实验（选做） 北航计算机网络实验 44 PPP协议实验组网图 R1R2 S0/0S0/0 IP:192.0.0.1/24IP:192.0.0.2/24 注:1.PPP身份验证方式:PAP和CHAP都为必做 2.帧中继实验组网图同PPP实验 3.实验步骤见教材 北航计算机网络实验 45 PPP协议实验 uPPP认证配置注意事项 如果执行如下命令 R1local-user RTB 不能进入视图 R1-user-RTB 则使用如下配置命令配置用户列表、服务类型和用户密码 R1local-user RTB service-type ppp R1local-user RTB password simple aaa u认证成功标志 若配置认证成功，验证方和被验证方之间可相互ping通 显示接口信息，若配置成功，显示IPCP opened信息; 否则，显示IPCP initial信息。 北航计算机网络实验 46 用DEBUG命令分析PPP协商流程 nR1-Serial0/0quit nR1quit ndebugging ppp pap all nterminal debugging n% Current terminal debugging is on n先将S0/0接口shutdown，然后再将其 undo shutdown。查看debug显示，分析 PPP协商流程，画出状态转移图。 北航计算机网络实验 47 实验内容 uVALN配置和分析实验 u设计型实验（选做） uPPP协议实验 u帧中继协议实验（选做） u实验原理 u实验步骤 北航计算机网络实验 48 实验原理广域网协议：帧中继 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层 会话层 表示层 物理层 帧中继 l 帧中继协议是在X.25分组交换技术的基础上发展 起来的一种快速分组交换技术 l 帧中继协议栈 北航计算机网络实验 49 实验原理帧中继协议的特点 1. 以帧的形式传递数据信息 2. 传送数据基于虚电路 3. 采用物理层和链路层两级结构 4. 在链路层完成统计复用、帧透明传输和错误 检测，但不提供发现错误后的重传操作 5. 预约的最大帧长度至少要达到1600字节/ 帧，适合封装局域网的数据单元 6. 提供一套合理的带宽管理和防止拥塞的机制 7. 采用面向连接的交换技术 北航计算机网络实验 50 实验原理帧中继网络 u用户网络接口（UNI）：指DTE和DCE间 的接口 uNNI：指网络和网络间接口 u数据链路连接标识（DLCI）：用来区分帧 中继虚电路 uLMI：用于建立和维护DTE和DCE之间的连接 FR DLCI DLCI DCE DTE DTE 北航计算机网络实验 51 实验原理数据链路连接标识DLCI DLCI：数据链路连接标识 DLCI只具有本地意义 帧中继UNI接口最多可支持1024条虚电路 DLCI 21 DLCI 22 DLCI 23 DLCI 32 DLCI 33 DLCI 31 Frame Relay switch 172.16.11.2 172.16.11.3 DLCI 21 Network Address 172.16.11.3 北航计算机网络实验 52 实验原理用于网络发现的Inverse ARP Inverse ARP 自动发现目的路由器的网络地址 ，从而简化了帧中继的配置 Switch 通知 DLCI 48 Switch 通知 DLCI 66 Router B 向DCLI 66 通知 IP 172.16.11.2 Router A向DLCI 48通知 IP 172.16.11.3 FR DCEDCE 172.16.11.2 DLCI 48 DLCI 66 172.16.11.3 Router BRouter A 北航计算机网络实验 网络层实验 北航计算机网络实验 54 实验内容 uVLAN间通信实验 u实验原理 u实验步骤 u独臂路由实验 u设计型实验 设计型实验1 设计型实验2 独臂路由实验 北航计算机网络实验 55 网络层概述网络层功能 u将数据从源端发送到目的端 PC A PC B l包转发 IP地址 l路由选择路由协议 北航计算机网络实验 56 IP地址 u唯一标识网络设备，用于IP协议 例如：202.112.138.5 u网络号和主机号 主机号网络号 3232位二进制数位二进制数,4,4个个8 8位组位组 北航计算机网络实验 57 IP地址地址分类 uA，B，C，D，E类IP地址 北航计算机网络实验 58 IP地址特殊地址 u网络地址 202.112.138.0 u广播地址 202.112.138.255 u回环地址 127.*.*.* 北航计算机网络实验 59 IP地址子网划分 u为什么？ A、B、C类地址范围缺陷 u组成 全0全1子网掩码 IP地址 子网掩码的简写 用网络号位数来表示 主机号网络号子网号 北航计算机网络实验 60 网络层实验原理网络层协议 应用层 传输层 网络层 物理层 数据链路层 Internet Protocol (IP) Internet Control Message Protocol (ICMP) Address Resolution Protocol (ARP) Reverse Address Resolution Protocol (RARP) Internet Group Management Protocol (IGRP) 北航计算机网络实验 61 网络层实验原理IP协议概述 u网络层的基础协议 u报文结构 北航计算机网络实验 62 网络层实验原理ARP协议概述（1） u ARP Address Resolution Protocol， 地址解析协议 u为什么需要ARP协议 在实际通讯中，物理网络使用的是物理地 址，IP地址不能被物理网络所识别。 uARP协议的功能 将目的IP地址解析成MAC地址。 北航计算机网络实验 63 网络层实验原理ARP协议概述（2） uARP Cache 存放最近的IP地址与硬件地址的对应关系 ； 当发送报文时，首先去缓存中查找相应的 项； ARP缓存信息在一定时间内有效，然后就 会被删除。 北航计算机网络实验 64 网络层实验原理ARP协议概述（3） 主机A 1.1.1.1/24 主机B 1.1.1.2/24 我需要1.1.1.2 的物理地址 IP:1.1.1.2 1.1.1.2是我的 IP地址 MAC: 00e0.1234.5678 同一网段的ARP解析实例 北航计算机网络实验 65 网络层实验原理ARP协议概述（4） 不同网段间的ARP解析实例 局域网 局域网 主机 B 1.1.2.10 /24 1 2 1.1.1.1/241.1.1.1/241.1.2.1/241.1.2.1/24 主机 A 1.1.1.10 /24 北航计算机网络实验 66 网络层实验原理ICMP协议概述 uICMP Internet Control Message Protocol ，网络控制信息协议 uICMP被视为网络层协议，但是ICMP报文利用 IP数据报文进行封装。 u常见应用 ping tracert 北航计算机网络实验 67 PING的过程 北航计算机网络实验 68 Tracert的过程 北航计算机网络实验 69 实验原理VLAN间路由（1） u产生背景：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，不同VLAN的用户不能互相通信。 VLAN 100VLAN 200 VLAN 300 北航计算机网络实验 70 实验原理VLAN间路由（2） u使用路由器：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。 VLAN 100VLAN 100VLAN 200VLAN 200 VLAN 300VLAN 300 北航计算机网络实验 71 实验原理VLAN间路由（3） u交换和路由的集成：三层交换机，三层交 换机在功能上实现了VLAN的划分、VLAN内 部的二层交换和VLAN间路由的功能。 VLAN 100VLAN 100 VLAN 200VLAN 200 VLAN 300VLAN 300 VLAN 100VLAN 100 VLAN 200VLAN 200 VLAN 300VLAN 300 北航计算机网络实验 72 实验原理三层交换机功能模型 10.110.0.113/2410.110.0.113/24 G:10.110.0.254G:10.110.0.254 10.110.1.69/2410.110.1.69/24 G:10.110.1.254G:10.110.1.254 10.110.1.88/2410.110.1.88/24 G:10.110.1.254G:10.110.1.254 10.110.2.200/2410.110.2.200/24 G:10.110.2.254G:10.110.2.254 ETH0:10.110.0.254/24ETH0:10.110.0.254/24 ETH1:10.110.1.254/24ETH1:10.110.1.254/24 ETH2:10.110.2.254/24ETH2:10.110.2.254/24 北航计算机网络实验 73 实验原理三层交换机中的路由和二层交换 u二层交换引擎：实现同一网段内的快速二层转发 u三层路由引擎：实现跨网段的三层路由转发 北航计算机网络实验 74 实验内容 uVLAN间通信实验 u实验原理 u实验步骤 u独臂路由实验 u设计型实验 设计型实验1 设计型实验2（网络管理实验做） 独臂路由实验 北航计算机网络实验 75 VLAN间通信实验组网图 E0/24E0/1E0/1E0/24 E0/13E0/13 PCAPCBPCCPCD IP:192.168.2.10/24 网关： 192.168.2.1 IP:192.168.3.10/24 网关： 192.168.3.1 S1 Vlan2Vlan3 S2 IP:192.168.2.11/24 网关： 192.168.2.1 IP:192.168.3.11/24 网关： 192.168.3.1 VLAN2: 192.168.2.1/24 VLAN3: 192.168.3.1/24 ARP Request 清空交换机MAC地址表：undo mac-address 清空交换机ARP缓存：reset arp 清空计算机ARP缓存：arp -d 北航计算机网络实验 76 实验内容 uVLAN间通信实验 u实验原理 u实验步骤 u独臂路由实验 u设计型实验 设计型实验1 设计型实验2 （网络管理实验做） 独臂路由实验 北航计算机网络实验 77 独臂路由实验组网图 PCAPCBPCCPCD R1 S1 E0 E0/13 E0/2 E0/1 E0/23 E0/24 VLAN 2 VLAN 3 IP:192.168.10.10/24 网关:192.168.10.1 IP:192.168.10.11/24 网关:192.168.10.1 IP:192.168.20.10/24 网关:192.168.20.1 IP:192.168.20.11/24 网关:192.168.20.1 10.0.0.1/24 要求:PCA能够ping通PCC,PCB能ping通PCD 北航计算机网络实验 78 独臂路由实验实验步骤(1) Step1:按上图所示进行组网,并设置好各个计算机的 IP地址和默认网关; Step2:配置路由器R1的接口和子接口 R1interface e0 R1-Ethernet0ip add 10.0.0.1 24 /定义子接口e0.2 R1-Ethernet0int e0.2 R1-Ethernet0.2ip add 192.168.10.1 24 /指定以太网子接口属于VLAN2 R1-Et