单臂路由工作原理及简单单臂路由实验

• 1 引言
• 2 单臂路由
• • 2.1 路由器子接口
  • 2.2 工作原理
• 3 拓展
• 4 单臂路由实验—基于Cisco Packet Tracer
• 5 归纳
• 参考文章

1 引言

在前两节课的学习中，我们了解了VLAN及Trunk的作用，vlan的作用是控制广播域，不管是广播还是单播，不同的vlan间无法通信。为了便于管理，一个vlan规划为一个网段。以后看到某个网段或vlan，就知道属于哪个部门。
不同VLAN之间虽没有广播需求但仍有单播通信需求。对数据传输过程中分析发现，阻止不同VLAN之间通信的是交换机里的VLAN表，本节课程主要是分析如何实现不同VLAN之间的通信。

2 单臂路由

2.1 路由器子接口

（1）性质：

• 1） 子接口功能与物理接口一致，仅稳定性不如物理接口，当一个接口分化出子接口后，父接口自身无法再被使用，只是相当于通道。
• 2） 属于3层接口，具备2层接口功能。
• 3）是虚拟的，属于逻辑端口

（2）工作层级：工作于OSI模型第3层。
（3）不同子接口的MAC地址与父接口相同。
（4）路由器接口关于trunk及vlan的功能：路由器接口属于3层设备，默认不能配置trunk，但是具备2层设备接口识别VLAN标签、封装和解封装VLAN标签的能力，一个三层接口能够识别且只能识别一种标签，而且需要定义，若不定义三层接口是识别不了标签的。
（5）例子：如下图，当路由器F0/0接口设置为两个子接口f0/0.1及f0/0.2时，其本身不再发挥网关作用，由子接口各自承担各自网段的网关功能，绑定各自网段的网关IP。对于子接口f0/0.1，需要能封装与解封装VLAN10的标签，其他标签则丢弃，对于子接口f0/0.2同理。

tips:
1）对于交换机的access接口，会接收不同vlan的数据，不过接收后是否转发需要判断数据的vlan标签是否与自己所属vlan相同。而对于路由器接口，定义了vlan后才能识别vlan标签，而且不接收来自其他vlan的数据帧。
2）有多少个vlan相当于有多少个网段；有多少个vlan，路由器就创建多少个子接口。

2.2 工作原理

必须一个vlan一个网段。不同vlan间通信是靠路由来实现的。
（1）当CEO部门的员工A要对IT部门员工B通信时，PC首先判读目标IP地址与自身IP地址是否处于同一网段，发现不在同一网段时，需要找网关，（查看ARP缓存或发送ARP广播请求得到f0/0.1的MAC地址）将“网关MAC、自身MAC、类型；IP包头；数据……”等封装成数据帧，发送到交换机f0/1接口。
（2）交换机从f0/1接口收到数据帧后，f0/1接口根据vlan表为数据帧封装上相应的vlan标签，再送到交换机内部。
（3）交换机通过学习源MAC地址来更新MAC地址表，
（4）交换机再检查目标MAC地址，并匹配MAC地址表，将数据帧送到相应接口，发送给f0/24接口。
（5）交换机f0/24是Trunk接口，允许带各种VLAN标签的数据帧通过，发出时继续保留VLAN标签。
（6）路由器的两个子接口均只允许带有自己能识别的vlan标签的数据帧通过，因此只有f0/0.1子接口接收该数据帧。子接口接收后将vlan标签去除，组装成原装的数据帧。
（7）路由器子接口f0/0.1判断目标mac地址是不是自己的，发现是，将帧头帧尾解封装，并将IP包发送入路由器内部。
（8）路由器检查IP包头中的目标IP，并匹配路由表，检查路由表中是否有数据帧中的目标IP所在网段，有则路由到该接口，即子接口f0/0.2。
（9）子接口f0/0.2接受到数据帧，打上VLAN20标签（子接口f0/0.2只能识别、封装和解封装vlan20的标签），（查看ARP缓存或发送ARP广播请求得到B的MAC地址）将“B的MAC、自身MAC、类型；IP包头；数据……”等封装成数据帧，发送到交换机f0/24接口。
（10）交换机f0/24接口收到数据帧，由于是Trunk接口，允许带各种VLAN标签的数据帧通过，发送到交换机内部，发出时继续保留VLAN标签；
（11）交换机学习源MAC地址来更新MAC地址表，再检查目标MAC地址，并匹配MAC地址表，将数据帧送到相应接口，发送给f0/2接口，
（12）f0/2接口根据vlan表检查VLAN标签是否与自己同属于一个vlan，检查发现该接口同属于VLAN20，将VLAN标签去掉后发送数据帧。
（13）B收到数据帧，发现目标MAC及目标IP均是自己，解封装上传至OSI上层。
（14）至此，完成了不同vlan间的互相通信，网络间所有成员都能互相通信，但相比于未设置VLAN的网络，其最大的意义在于广播被控制在VLAN内部。

3 拓展

4 单臂路由实验—基于Cisco Packet Tracer

按下述网络拓补图进行实验，

（1）PC端IP配置：手动配置IP地址、子网掩码、网关。

（2）对交换机进行设置，对交换机接口进行VLAN及Trunk设置

'''对交换机1进行设置'''
#对交换机接口进行VLAN及Trunk设置
en
conf t
ho SW1
vlan 10
exit
vlan 20
exit
int f0/1
switchport access vlan 10	#将接口f0/1划分至VLAN10。
exit
int f0/2
switchport access vlan 20	#将接口f0/2划分至VLAN20。
do show vlan brief			#查看vlan表配置结果
int f0/3
Switchport mode trunk		#设置该接口为Tunck
exit
int f0/10
Switchport mode trunk		#设置该接口为Tunck
exit
do show vlan brief			#查看vlan表配置结果
do write
'''对交换机2进行设置'''
#对交换机接口进行VLAN及Trunk设置
en
conf t
ho SW1
vlan 10
exit
vlan 20
exit
int f0/1
switchport access vlan 10	#将接口f0/1划分至VLAN10。
exit
int f0/2
switchport access vlan 20	#将接口f0/2划分至VLAN20。
exit
do show vlan brief			#查看vlan表配置结果
int f0/3
Switchport mode trunk		#设置该接口为Tunck
exit
do show vlan brief			#查看vlan表配置结果
do write

(3）对路由器进行设置

'''对路由器进行设置'''
en
conf t
int f0/0							
no shut								#总接口开启后，其下子接口才能开启
exit
int f0/0.1							#对f0/0创建第1个子接口，回车进入该子接口配置模式
encapsulation dot1q 10				#封装与解封装VLAN10
ip add 10.1.1.254 255.255.255.0 	#与实际接口类似，该子接口是10.1.1.0网段的虚拟网关
no shut								#开启子接口
exit
int f0/0.2							#对f0/0创建第2个子接口
encapsulation dot1q 20				#封装与解封装VLAN20，注意，需要先封装vlan标签再配ip，否则ip配不成功
ip add 20.1.1.254 255.255.255.0 	#与实际接口类似，该子接口是20.1.1.0网段的虚拟网关
no shut
exit
#功能检查
do show ip int b					#查看接口列表信息
do show run                        # 查看配置参数
do show ip route 					#查看路由表，该实验仅有两个网段以直连路由形式出现，故无需手动配置。

（4）验证：vlan1尝试ping vlan2，可以ping通。

tips:
在实验中，遇到两个地方需要注意下：
①在交换机1中，将f0/10设置为trunk接口时，并没有显示成功，vlan表中的vlan1中仍有f0/10，当将路由器配置完成后，交换机1中的f0/10才成功设置为trunk接口；
②在给路由器的子接口配IP时，先配的IP并开启后，再封装vlan标签。配置完成后查看路由器配置时，发现子接口的IP并没有配置成功，又重新将IP配置一遍。因此需要注意，接口需要定义vlan标签时，需要先定义再配IP。不知道是由于原理的问题，还是由于是软件的问题

5 归纳

（1）了解单臂路由的作用。
（2）掌握理解单臂路由的工作原理，重点理解整个通信过程中交换机、路由器的工作原理。
（3）掌握实验的逻辑过程以及熟悉相关命令。

参考文章

[1] 《单臂路由工作原理及简单实验》
[2] 视频传送门