VLAN间可靠通信实验设计与实现
摘要: 为了使学生深入理解实现大型局域网中 VLAN间可靠性通信技术和方法，教学过程中有针对性
地设计了实验，该实验采用 LITO模拟器设计，即给出了三层架构交换机的组网图，并应用链路聚合、
多生成树协议、VLAN、ospf协议等技术进行设备的配置、验证，最终实现了 VLAN间可靠通信。通过该
实验，加深了学生对大型局域网中 VLAN可靠通信相关知识的理解，进一步增强了他们综合运用知识的
能力。 关键词: 大型局域网;LITO模拟器;交换机;VLAN间可靠通信 随着计算机性能的提高及通
信量的剧增，传统局域网已经超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生［1-3］，它最初仅实现
OSI模型最低两层协议，伴随交换技术的发展，又实现了 OSI模型最低三层或多层协议。交换式以太网
技术具有以下 4个突出的优点［4］:①仅需要用交换式交换机改变共享式 HUB，节省用户网络升级的费
用;②可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同;③同时提供多个通道，比传统的共享式集线器
提供更多的带宽;④相对路由器成本低、高带宽、高速度。因此，交换式以太网技术应用到局域网中，
产生了交换式以太网，大大提高了传统局域网的性能。随着交换式以太网技术的广泛应用，基于交换机
的虚拟局域网(VirtualLocalAreaNetwork，VLAN)技术也得到了长足的发展［5］。VLAN是由一些局域
网网段构成的与物理位置无关的逻辑组［6-7］，VLAN技术的优点如下［8］:①有效控制广播域范围，
节省带宽;②不同 VLAN内的报文传输是隔离的，增强了局域网的安全性;VLAN技术可以将不同的用户划
分到不同的工作组，同一工作组的用户不必局限于固定的物理范围，网络构建和维护更灵活;③VLAN 技
术可以将网络故障限制在一个 VLAN中，增强了网络的健壮性。因此，VLAN技术已经成为局域网组网的
一个关键技术［9-12］。目前，在大型局域网组网时，经常用到各种类型二层、三层交换机，如何使用
它们实现 VLAN间可靠通信，是大型局域网的规划与设计过程中需要实现的关键技术，也是网络规划与
设计课程的教学重点，为了使学生更好地在大型局域中应用 VLAN技术和网络可靠性技术，本文使用
LITO1．4．4模拟器设计组网图，运用 VLAN技术、链路聚合［13］和多生成树协议
(MultipleSpanningTreeProtocol，MSTP)［14-16］等网络可靠性技术实现组网配置，在配置过程中，
学生通过动手实践、分析和解决问题，深入理解了大型局域网中 VLAN间可靠通信的关键技术。 1关
键技术分析 1．1VLAN技术分析 1．1．1VLAN标签操作在 VLAN技术中，给以太网帧附加一个标签
标记它能够在哪个 VLAN中传播，因此，交换机在转发数据帧时，不仅要查找 MAC地址来决定转发到哪
个端口，还要检查端口上的标签是否匹配。为了使交换机实现标签匹配，需要手工配置交换机不同端口
的属性。支持 VLAN的交换机的每个端口可以配置为 3种属性之一:Access、Trunk、Hybrid。Access端
口只能属于一个 VLAN，发送的帧不打标签，也不接收打标签的帧，用于连接 PC机;Trunk端口可以属于
多个 VLAN，发送带标签的帧，接收到的帧都带有标签，用于在多个交换机之间传输多个 VLAN帧，实现
多个交换机相同 VLAN的通信;Hybrid端口同时具有 Access端口和 Trunk端口的功能，可以属于多个
VLAN，主要用于组建基于协议的 VLAN。本文设计的实验仅配置了 Access和 Trunk端口。
1．1．2VLAN间路由为了实现不同 VLAN之间的通信，引入了 VLAN间路由技术，该技术有多种实现方式，
如 2层交换机+路由器方式，单臂路由方式，3层交换机方式，相对前两种方式，3层交换机内置 3层转
发引擎硬件，速率高、吞吐量大，避免了外部物理连接带来的延迟和不稳定，转发性能优于路由器实现
的 VLAN间路由，因此，本文应用 3层交换机实现 VLAN间路由。 1．2网络可靠性技术分析网络可靠
性是指网络提供的服务不间断，由于任何一个网络组件都可能出现故障，因此，网络可靠性一般需要通
过一定的冗余来实现，而通信网络中最主要的组件是网络设备和链路，所以，网络的可靠性设计主要是
实现设备和链路的冗余设计。大型网络结构较复杂，通常采用层次化模型设计，即将网络设计分成几个
层次，每个层次重点关注某些特定的功能，从而使一个复杂的大问题转换成多个简单的小问题。3层网
络架构设计的网络有 3个层次:核心层、汇聚层、接入层，具体功能如下:(1)核心层。是网络的高速交
换主干，对整个网络的连通起到至关重要的作用，是网络的枢纽中心，它具有如下特性:可靠性、高效
性、冗余性、容错性、可管理性、适应性、低延时性等。因此，核心层应该采用高带宽的千兆以上交换
机，通常需要利用双机冗余热备份技术、负载均衡技术改善网络性能。(2)汇聚层。是网络接入层和核
心层的中介，即在工作站接入核心层前先做汇聚，以减轻核心层设备的负荷。汇聚层具有实施策略、安
全、工作组接入、虚拟局域网(VLAN)之间的路由、源地址或目的地址过滤等多种功能。因此，汇聚层应
该采用支持三层交换技术和 VLAN的交换机，以达到网络隔离和分段的目的。(3)接入层。向本地网段提
供工作站接入，减少同一网段的工作站数量，能够向工作组提供高速带宽。接入层可以选择不支持
VLAN和三层交换技术的普通交换机。在大型局域网中，一方面合理配置核心交换机，充分发挥它的硬
件性能，调整它在带宽、网络流量处理能力位置结构，会使网络具备良好的扩展性;另一方面依据业务
需求合理划分 VLAN，控制广播范围、抑制广播风暴，可以提高网络的整体性能和安全性。为提高网络
的可靠性，本文在网络的核心层采用链路聚合，核心层和接入层采用 MSTP。 2实验设计与实现 2．1
实验设计本文使用 H3C模拟器 LITO1．4．4，设计组网图，设计的组网图如图 1所示。图 1建立了一个
大型企业网模型，SW1、SW2是接入层交换机，它们是 2层交换机，分别划分了 2个 VLAN和 3个 VLAN，
表示 5个不同的部门，PC1、PC2、PC3、PC4、PC5分别代表这 5个部门的经理用户，它们需要互相通信;
SW3～SW5、SW7是三层交换机，其中，SW3、SW4是汇聚层交换机;SW5、SW7是核心层交换机;ＲT1是连
接外网的路由器。 2．2设备配置 SW3和 SW4之间配置链路聚合，SW1、SW2、SW3、SW4之间配置
MSTP，避免转发环路，同时实现链路和设备备份，保证数据更可靠地传输;SW3、SW4、SW5、SW7、ＲT1
之间配置 ospf协议，自动维护它们之间的路由信息。各设备接口的 IP地址如表 1所示。SW1和
SW2、SW3和 SW4、SW5和 SW7的配置类似，下面以 SW2、SW4、SW7的配置为例说明配置过程。 2．3
验证 2．3．1ospf协议验证 SW3、SW5、ＲT1、SW7、SW4之间配置了 ospf协议，在 SW3上 pingSW4，
如图 2所示，可以看出 SW3可以 ping通 SW4，ospf协议正常工作。 2．3．2SW3和 SW4正常工作，
局域网内互通性验证(1)在 SW1上查看生成树的状态，如图 3所示，e0/4/1为阻塞端口，不能转发流量，
可避免环路。(2)在 SW2上查看生成树的状态，如图 4所示，e0/4/4为阻塞端口，不能转发流量，可以
而避免环路。(3)在 SW3和 SW4是核心交换机，它们之间配置了链路聚合，其生成树的所有端口都为转
发端口，以 SW4为例，查看生成树的状态如图 5所示。(4)如图 6所示，PC3pingPC1，PC3pingPC2，
PC2pingPC3，PC2pingPC4，PC2pingPC5均可 ping通，局域网内主机互通。 2．3．3SW4端口故障，
SW3正常工作，局域网内主机互通性验证关闭 SW3的 e/4/2端口，并查看聚合组摘要信息，如图 7所示，
可知 e/4/2端口为 U状态，即未选择状态，不工作。此时 PC1pingPC5，结果显示如图 8，由图可知，
PC1可以 ping通 PC5，说明链路聚合起了作用，聚合组的一条链路故障，不影响通信。 3结语 在
大型局域网的规划与设计过程，经常用到许多 2层、3层交换机，如何在 2层交换机上划分 VLAN，如何
配置 3层交换机实现 VLAN间可靠通信，是网络规划与设计课程的教学重点和难点之一，也是学生难以
理解、不容易在实际中灵活应用的知识。本文用 LITO模拟器建立实验组网图，分析组网的具体需求，
并在模拟器中实现了各个设备的配置、验证，使学生在实验过程中直观地感受到大型局域网组建中可能
遇到的问题，较好地培养了学生发现问题、分析问题、解决问题、综合应用知识的能力，达到了良好的
教学效果。 参考文献(Ｒeferences): ［1］叶敏．程控数字交换与交换网［M］．北京:北京邮电
大学出版社，2003． ［2］陈本源．基于交换式以太网的实时工业通信相关理论与技术研究
［D］．武汉:武汉理工大学，2010． ［3］卞佳丽．现代交换原理与通信网技术［M］．北京:北京邮
电大学出版社，2005． ［4］王涛．基于交换式以太网的列车通信网络实时性研究［D］．北京:北京
交通大学，2014． ［5］刘向东，李志洁，焉德军，等．IEEE802．1QVLAN原理实验的设计与实现
［J］．实验室研究与探索，2011，30(4):46-48． ［6］IEEE802．1Q-
1998IEEEStandardforLocalandMetropolitanAreaNetworks:VirtualBridgedLocalAreaNetworks
［S］．1998． ［7］GilbertHeld．EthernetNetworks:Design，ImplementationOperation，
Management［M］．England:JohnWiley＆Sons，Ltd．，2003． ［8］杭州华三通信技术有限公
司．路由交换技术第 1卷(下册)［M］．北京:清华大学出版社，2010． ［9］MathiasHein，
DavidGriffiths，
OrnaBerry．Switchingtechnologyinthelocalnetwork:FromLANtoswitchedLANtovirtualLAN
［M］．CincinnatiThomsonExecutivePress，1996． ［10］王廷尧．以太网技术与应用［M］．北京:
人民邮电出版社，2005． ［11］JoseAVentura，
XiaohuaWeng．Anewmethodforconstructingminimalbroadcastnetworks［J］．Networks，1993，
23(5):481-497． ［12］StevenSKing，StephenSaunders．VirtualLANsGetＲeal
［J］．DataCommunications，1995，24(3):87-100． ［13］陆敏飞．链路聚合技术在分布式以太网
交换机上的研究与实现［D］．杭州:浙江工业大学，2012． ［14］袁修春．多生成树协议在组网中
的应用［J］．2010(4):125-126． ［15］张雪敏．多生成树协议 MSTP在实验中的应用［J］．考试
周刊，2012(59):112． ［16］刘海峰，孙敏．论利用生成树协议阻止交换网络环路［J］．现代商贸
工业，2010(24):52． 作者：廉佐政 王海珍 单位：齐齐哈尔大学 计算中心 计算机与控制工程学院
