基于Packet Tracer的VLAN仿真實驗的設計與實現

陳濱

摘要：為了深入的學習虛擬局域網（VLAN）的原理和配置，設計了一套由淺入深、貼近實際需求的VLAN技術實驗，并通過Packet Tracer進行模擬仿真。在仿真的過程使用了Packet Tracer的仿真模式來比較VLAN劃分前后網絡廣播數據包傳輸的差異以形象化的說明VLAN的優點。此外，還詳細地介紹了VTP協議及其配置，并對實際運行結果進行對比來說明VTP三種模式的特點與區別。

關鍵詞：Packet Tracer;VLAN;VTP;交換機;實驗

中圖分類號：TP393.1? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）02-0212-04

The Design and Implementation of VLAN Simulation Experiment Base on Packet Tracer

CHEN Bin

（School of Management， North Sichuan Medical College， Nanchong 637100， China）

Abstract： In order to study the principle and configuration of VLAN in depth， an experiment which is closed to actual environment is designed from easy step to difficult and simulated in Packet Tracer. The simulation mode of Packet Tracer is used to compare the difference of network broadcast packet transmission before and after VLAN adopted so as to illustrate the advantage of VLAN visually. In addition， the protocol and configuration of VTP are introduced in detail， and the actual operation results are compared to explain the characteristics and differences of three VTP modes.

Key words： Packet Tracer; VLAN; VTP; Switch; Experiment

計算機網絡是信息管理與信息系統和網絡工程等專業重要的基礎課程，也是一門典型的理論和實踐并重的課程。因而為了鞏固理論知識的學習效果，針對主要知識點配套相應的實驗是課程設計的重要部分[1]。然而通常對于普通高校而言，特別是醫學類院校，實驗室都比較缺乏相應的網絡硬件設備，即使擁有部分實驗環境，但由于設備更新快、維護成本高、易出故障等問題，也容易出現實驗環境的不穩定，導致實驗的失敗，使得實驗課難以進行有效地組織。由于由思科公司研發的Packet Tracer模擬器具有許多的優點，因而得到了比較廣泛的使用，許多高校基于該軟件來構建網絡實踐課程，取得了較好的學習效果[2-4]。另一方面，VLAN作為使用最為廣泛的網絡設備之一的交換機的基本技術，為了充分說明其原理與配置，本文設計了一個基于Packet Tracer的仿真實驗，該實驗結合現實的業務場景，充分利用了Packet Tracer的特點，特別是使用Packet Tracer的仿真模式來觀測網絡數據包的實際傳輸，形象化地展示了VLAN的原理及優點，充分地體現Packet Tracer較真實網絡設備的優勢。還詳細的介紹在實際VLAN配置中運用非常廣泛的VTP協議，演示了VTP詳細的配置，并對實際運行結果進行對比來說明VTP三種模式的特點與區別。

1 實驗的平臺和原理

1.1 Packet Tracer模擬器介紹

Packet Tracer是由思科公司專門針對思科網絡技術學院發布的一個輔助學習工具，是一個功能強大的網絡仿真程序。網絡學習者可以使用它來模擬由各種網絡設備，從而進行諸如從網絡拓撲結構設計、網絡設備配置到網絡故障排除等一系列實踐操作，就像在真實網絡環境中操作一樣[5]。該模擬器具有便捷的網絡拓撲繪制功能、支持多種網絡協議和設備的仿真、對網絡數據包的傳輸進行實時展示等優點，因而在工程實踐和課堂教學中都得到了廣泛的使用[6]。

1.2 VLAN技術基礎

1.2.1 VLAN的概念及優點

和集線器相比，交換機能夠分割沖突域不能分割廣播域。隨著交換機端口數量的增多以及網絡中廣播包增多，網絡的效率會急劇的下降。為了解決這一問題，VLAN應運而生。VLAN是一組邏輯上的設備和用戶，這些設備和用戶并不受物理位置的限制，可以根據功能、部門及應用等因素將它們組織起來，它們相互之間的通信就好像在同一個網段中。VLAN在現實的網絡環境中使用的非常廣泛，具有諸多優點，比如控制廣播風暴，控制網絡流量;提高網絡安全性;實現虛擬工作組，簡化網絡管理;提高網絡管理靈活度等[7-8]。

1.2.2 VLAN的劃分與VTP協議

通常情況下，在劃分VLAN的時候，網絡管理員需要在每臺交換機上都做類似的配置工作，這樣的工作煩瑣且易錯，特別是多臺交換機的企業網的配置中，很多偶發的錯誤難以避免，而且此類錯誤通常也非常難以排查。因而思科引入了 VTP（VLAN Trunking Protocol）協議[9]。VTP支持三種模式：服務器模式（Server），客戶端模式（Client）、透明模式（Transparent）。VTP可以將一臺交換機配置成VTP服務器，將其余的交換機配置成VTP客戶機，那么作為VTP客戶機的交換機會自動同步VTP 服務器交換機上面配置的VLAN信息，這樣就不需要在每一臺交換機上配置相同的VLAN信息，對VTP服務器上VLAN的添加和刪除重命名等操作會自動同步到VTP客戶機，確保了整個網絡配置的一致性[10-11]。

2 VLAN仿真實驗的設計

2.1 VLAN仿真實驗的實驗目標

為了鞏固交換機的基本配置，深入理解VLAN的原理及VTP三種模式的特點。通過本實驗的要達到學習目標主要有：

1）掌握交換機的原理及基本配置命令

2）熟悉Packet Tracer仿真模式的使用方法

3）掌握VLAN的原理及配置命令

4）掌握接入（Access）端口和干道（Trunk）端口的區別

5）掌握VTP三種模式及在交換機上面的配置命令

2.2 VLAN仿真實驗拓撲的設計

為了使實驗更加貼近現實，下面設計了一個基本的業務場景。某單位有三個主要部門：技術部（R&D）、銷售部（Sales）以及財務部（Finance），這些部門的員工分別分散在辦公室的各個地方。同時，三個部門中的電腦都處于公司的內部網絡，都使用私有地址進行通信，但是為了隔離各部門之間的廣播流量，需要按部門來進行VLAN的劃分。針對這樣的一種業務場景，本實驗采用了三層網絡結構（接入層、匯聚層和核心層）的設計，利用Packet Tracer設計出如圖1所示的網絡拓撲結構圖。在該拓撲圖中，采用思科3560三層交換機作為核心層交換機，而采用思科2960作為匯聚層和接入層的交換機。

2.3 VLAN仿真實驗的實驗步驟

為了培養學生根據具體的需求進行網絡設計與配置的能力，使整個實驗有針對性和可操作性，實驗的過程通常應該是一個遞進的關系，難易度應該由淺入深。依據這一原則，經過精心的設計，本實驗的主要步驟和要求如下：

1）根據實驗要求在Packet Tracer中畫出網絡拓撲圖。

2）為各個PC設備配置IP地址和掩碼，各設備的IP地址分配如表1所示。

3）對各交換機做基本的配置。

4）通過Packet Tracer的仿真模式查看未劃分VLAN之前的廣播數據包的傳輸情況。

5）按實驗要求在各交換機上劃分并配置VLAN，交換機各端口對應的VLAN如表2所示。

6）通過Packet Tracer的仿真模式查看劃分VLAN之后的廣播數據包的傳輸情況，并和步驟4）的觀察結果進行對比。

7）按實驗要求對各交換機配置好VTP模式，并進行測試。具體的VTP模式參考表3所示。

3 VLAN仿真實驗的詳細配置過程

下面依據實驗設計好的步驟，詳細說明每一步的操作過程。

1）依照圖1中的網絡拓撲圖，從Packet Tracer的網絡組件區中選擇對應的網絡設備拖到邏輯工作區中，并用對應的網絡線纜進行連接。

2）通過IP Configuration來為各PC分配IP地址和掩碼，依照表1中的分配，為PC0分配地址如圖2所示，PC1～PC5依照PC0的配置方式進行。

3）對交換機進行基本的配置，按照圖1網絡拓撲圖所示配置各交換機的名字，配置特權模式口令為admin，將控制臺和vty連接口令配置為hello等。以下為核心層交換機的基本配置，其他交換機的配置類似。

Switch（config）#hostname S0 //設置名字

S0（config）#no ip domain-lookup //禁用DNS查找

S0（config）#enable secret admin //配置特權模式口令

S0（config）#line console 0 //配置控制臺口令

S0（config-line）#password hello

S0（config-line）#login

S0（config-line）#line vty 0 15 //配置VTY口令

S0（config-line）#password hello

S0（config-line）#login

4）為了說明在劃分VLAN之前廣播數據包的傳輸情況，本實驗通過Packet Tracer的仿真模式來進行形象的演示。首先點擊邏輯工作區的右下角的仿真（Simulation）按鈕，進入仿真模式;其次在右側的仿真面板（Simulation Panel）中的事件列表過濾器（Event List Filters）中只選擇ICMP;再次，點擊仿真面板中的自動捕獲/播放（Auto Capture/Play）按鈕;最后在PC0中運行ping 192.168.10.255命令來發送ICMP廣播數據包。這時ICMP數據包的傳輸過程如圖3所示，從整個傳輸過程中，我們可以看出當廣播數據包傳輸到交換機S3時，S3會向所有端口廣播該數據包，這也充分說明在沒有劃分VLAN之前，交換機不能夠隔離廣播域。

5）按照實驗需求在交換機上面創建VLAN。對交換機S0的配置如下，其他交換機可以做同樣的配置。

S0（config）#vlan 10 //創建VLAN 10

S0（config-vlan）#name R&D //指定VLAN名字

S0（config-vlan）#vlan 20

S0（config-vlan）#name Sales

S0（config-vlan）#vlan 30

S0（config-vlan）#name Finance

然后依據表2把相應的端口分配到對應的VLAN中。

S0（config）#interface range Fa0/1-8

S0（config-if-range）#switchport access vlan 10

S0（config-if-range）#interface range Fa0/9-16

S0（config-if-range）#switchport access vlan 20

S0（config-if-range）#interface range Fa0/17-24

S0（config-if-range）#switchport access vlan 30

這時我們可以如圖4所示，使用show vlan brief命令來檢驗VLAN是否創建成功并且端口是否分配正確。

此時采用ping來驗證VLAN內部的PC的連通性，比如在PC0運行ping 192.168.10.11來檢測PC0和PC3是否可以通信。結果顯示它們不能互相通信，這是因為還需要把連接多個VLAN的交換機端口配置為Trunk端口，而只連接一個VLAN的端口配置為Access端口（默認模式）。針對S0的配置如下，其他的交換機類似。

S0（config）#interface range Gig 0/1-2

S0（config-if-range）#switchport mode trunk

當配置完成后，VLAN內部之間的PC就可以相互通信了。

6）為了查看劃分VLAN之后的廣播數據包的傳輸情況，再次切換到仿真模式，通過再次在PC0上執行ping 192.168.10.255，然后查看數據包的傳輸過程，如下圖5所示。從傳輸過程中，我們可以看出，廣播數據包只會在VLAN內部之間進行廣播，這正是VLAN的優勢所在。

7）通過show vtp status命令查看交換機當前的VTP設置，可以發現它們都處于服務器模式（如圖6），這是大多數Catalyst交換機的默認VTP模式。

按照表3的VTP模式分配，我們在各交換機上配置設置VTP域名以及模式，下面以交換機S0、S1、S3配置為例進行說明。注意VTP 客戶機的域名必須和VTP 服務器一樣，不同域中的交換機不會交換VLAN信息。交換機S0、S1、S2的配置分別如下：

S0（config）#vtp mode server

S0（config）#vtp domain vtp_test

S1（config）#vtp mode client

S1（config）#vtp domain vtp_test

S2（config）#vtp mode transparent

S2（config）#vtp domain vtp_test

然后，在VTP服務器上創建一個新的VLAN，比如vlan 40。這時候通過在交換機S1和S2上運行命令show vlan brief，可以發現，S1上有了vlan 40，而S2沒有。說明VTP服務器已將其配置發送給所有VTP客戶機。

在交換機S1上創建一個VLAN，會被提示不能在VTP客戶機上進行VTP配置（圖7所示），而如果在S2上面做同樣的操作卻可以成功。實驗結果也符合VTP這樣的特性：VTP客戶端不能夠創建、更改或刪除VTP，而VTP透明交換機只是轉發VTP通告（advertisements），在透明交換機上進行VLAN操作僅對本交換機有效。

通過這樣的實際測試，VTP相對于手工配置的優點及VTP三種模式的特點就很容易理解了。

4 結論

本文通過對VLAN實驗進行設計，并在Packet Tracer中進行仿真實驗，詳細地介紹了交換機的基本配置和VLAN的特性，還用實際的運行情況驗證了VTP三種模式的特性。通過該實驗，學生對相關理論知識的理解得到了加深，同時動手能力也得到極大的加強。這也說明在計算機網絡實驗課中，通過設計合理的實驗流程和步驟，并利用Packet Tracer進行仿真實驗，不僅可以增強學生對理論知識的理解能力，還能降低硬件設備的投資成本，提高實驗的效率。

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