基础通信学习之四

1. 数据链路层技术
2. 移动承载网络中的数据链路层技术

   作为承载无线基站业务的承载网络，首先要考虑的是基站业务的连通性，要保证基站的数据能够上送到核心网服务器，上网数据能够去往因特网（Internet ）；然后，需要考虑的是基站业务的可靠性，在网络中的链路节点等出现故障或者性能出现劣化的情况下，具备业务自我恢复的能力。

   在移动承载网络的部署中用到了多种协议和保护技术，不同的方案使用的技术稍有区别，综合而言，工作于数据链路层的技术基本上在以下几种技术范围中。

   虚拟局域网技术：虚拟局域网（Virtual Local Area Networks VLAN）技术可用于基站之间或者专线用户之间的业务隔离。每个基站或者每个业务属于一个独立的局域网。

   链路聚合技术：链路聚合（LAG）技术可以将多条链路进行捆绑，当一条链路出现问题的时候，其余链路能够继续工作，保证业务的正常转发，实现链路的保护。

   虚拟路由器冗余技术：虚拟路由器冗余(VRRP)技术用于基站网关的备份保护，基站的网关节点出现故障的时候，可以使用原先的备用节点进行替换工作，保证业务正常。

   生成树协议(STP)主要用于二层网络中的环路防范，在二层网络中，可以使用STP构建无环路的二层拓扑，实现业务的正常转发。

    

    

3. VLAN技术

   传统的以太网交换机在转发数据时，采用基于源MAC地址的学习方式，自动学习各个端口连接的主机MAC地址，形成转发表，然后依据此表进行以太网帧的转发．整个转发的过程自动完成，所有端口都可以互访，维护人员无法控制端口之间的转发。例如，要控制B主机不能访问A主机，这在传统的以太网交换机中无法实现。这也导致了传统的以太网络存在以下缺陷。

   1.网络的安全性差。由于各个端口之间可以直接互访，增加了网络攻击的可能性。

   2.网络效率低。用户可能收到大量不需要的报文，这些报文同时消耗网络带宽资源和客户主机 CPU资源，例如不必要的广播报文。

   3.业务扩展能力差。网络设备平等地对待每台主机的报文，无法实现有差别的服务。例如，无法优先转发用于网络管理的以太网帧。

   鉴于这些缺陷，在以太网中引入了VLAN技术来解决这些问题。

    

4. VLAN简介

   虚拟局域网VLAN技术把用户划分为成多个逻辑的网络，每个逻辑网络内的用户形成一个组。组内可以通信，组间不允许通信。二层转发的单播，多播，广播报文只能在组内转发，并且很容易实现组成员的添加或删除。

   VLAN技术提供了一种管理手段，能够控制终端之间的互通。如图所示，将不同的终端分别加入不同的VLAN中，不同VLAN之间的用户无法通过二层实现通信，实现了组和组之间的隔离。

    

   为了实现转发控制， VLAN技术在待转发的以太网帧中添加了VLAN标签，然后设定交换机端口对该标签和帧的处理方式。处理方式包括丢弃帧、转发帧、添加标签、移除标签。

   转发帧时，通过检查以太网报文中携带的 VLAN标签是否为该端口允许通过的标签，可判断出该以太网帧是否能够从端口转发。如图所示，通过VLAN技术将A发出的所有以太网帧都加上了标签VLAN5,此后查询二层转发表，根据目的MAC地址将该帧转发到8连接的端口。由于将该端口配置为仅允许VLAN通过，所以A发出的帧将被丢弃。

   

   支持VLAN技术的交换机，转发以太网时不再仅仅依据目的MAC地址，同时还要考虑该端口的VLAN配置情况，从而实现了对二层转发的控制。

    

   1. VLAN帧格式

   在以太帧中添加的VLAN标签长度为32位（ bit ），将其直接添加在以太网帧头中，IEEE802.1q文档对VLAN标签做出了说明。

   VLAN标签由TPID和TCI两部分构成，其中TCI中包含了3个字段：PRI、 CFI、 VLAN ID.下面列出具体说明。

   

   1. 标签协议标识（Tag Protocol ldentifier，TPI) : 16位，固定取值， Ox8100，是IEEE定义的新类型，表明这是一个携带802.10标签的帧。
   2. 优先级（ Priority) : 3位.指示以太网帧的优先级。一共有8种优先级,0~7，用于提供有差别的转发服务。
   3. 标准格式指示（ Canonical Format Indicator, CFI ) : 1位，用于令牌环／源路由FDDI介质访问中指示地址信息的位次序信息，即先传送的是低位还是高位。
   4. VLAN标识（VLAN Identifier, VLAN ID ) : 12 位，取值为O～4095，就是VLAN标签。结合交换机端口的VLAN配置，能够控制以太网帧的转发。

    

   VLAN技术的出现，使得现在的交换网络环境中存在两种报文：没有加上VLAN标记的标准以太网帧 ( Untagged frame ）和有VLAN标记的以太网帧（Tagged f rame）。

    

   1. VLAN的划分方式

   所有以太网帧在交换机内都是以Tagged frame 的形式流动的，即某端口从本交换机其他端口收到的帧一定是Tagged的。注意是交换机内部，某端口从对端设备收到的帧，可能是Untagged或者是Tagged的。如果收到的是 Tagged frame，则进入转发过程；如果该端口收到的是Untaggedframe，则必须加上标签。

    

   给数据帧加上标签可以通过以下五种方法。

   1. 基于端口port。网络管理员给交换机的每个端口配置端口默认VLAN（port VLAN ID,PVID）,如果收到的是untagged帧，则VLAN ID的取值为PVID。
   2. 基于MAC地址。网络管理员配置好MAC地址和VLAN ID的映射关系表，如果收到untagged帧，则依据该表添加VLAN ID。
   3. 基于协议。网络管理员配置好以太网中的协议域和VLAN ID的映射关系表。如果收到的是untagged帧，则依据该表添加VLAN ID。
   4. 基于子网。根据报文中的IP地址信息，确定添加的VLAN ID。
   5. 基于策略。安全性高，可基于MAC地址+IP,MAC地址+IP+接口，成功划分VLAN后，可以达到禁止用户改变IP地址或MAC地址的目的。

    

   设备在同时支持多种方式时，一般情况下，会按照优先级顺序选择给数据帧添加VLAN的方式：基于策略→基于MAC地址→基于子网→基于协议→基于端口。

   基于端口划分VLAN的优先级最低，但却是最常用的VLAN划分方式。如下图：

   

    

   1. VLAN的基础概念

   VLAN技术的出现使得交换网络中存在了带VLAN的以太网帧和不带VLAN的以太间帧a 因此，相应地也对链路做了区分，分为接入链路和干道链路。

   1. 接入链路access link，连接用户主机和交换机的链路为接入链路。接入链路上通过的帧为不带Tag的以太网帧。
   2. 干道链路trunk link，连接交换机和交换机的链路，干道上的通过的帧一般为带tag的VLAN帧，也允许通过不带Tag的以太网帧。

    

   同样的，基于对VLAN标签不同的处理方式，也对以太网交换机的端口做了区分，分为以下三类。

   1. 接入端口Access Port，此端口是交换机上用来连接用户的主机的端口，只能连接接入链路，在同一时刻，access端口只能归属于一个VLAN，即只能允许一个VLAN的帧通过。access口接收到的都是untagged帧，接收帧时，给帧打上tag，发送时，将帧中的tag去掉。
   2. 干道端口Trunk Port，此端口是交换机与交换机连接的端口，允许多个VLAN的帧通过。

      在接收帧时，如果没有Tag，则标记上该端口的默认VLAN ID；如果有Tag，则判断该干道端口是否允许该VLAN帧进入，如果不允许进入，则丢弃该帧。

      在发送帧时，如果VLANID跟默认VLANID相同，则剥离VLAN；如果跟默认VLANID不同，则直接发送。

   3. 混合端口（Hybrid Port）。混合端口是交换机上既可以连接主机又可以连接其它交换机的端口。既可以连接接入链路又可以连接干道链路。混合端口允许多个VLAN帧通过。

      在接收帧时，如果没有Tag，则标记上混合端口的默认VLAN ID；如果有Tag，则判断该混合端口是否允许该VLAN帧进入，允许则进行下一步处理，否则丢弃帧。

      在发送帧时，交换机会判断VLAN在本端口的属性是Untag还是Tag。注意是本端口的属性，如果是Untag，则先剥离帧的 VLAN Tag，再发送；如果是Tag，直接发送帧。

    

   4默认VLAN

   在交换机上，每个端口都可以配置一个默认VLAN。

   1. 接入端口只允许一个VLAN的帧通过，该VLAN即为接入端口的默认VLAN。
   2. 干道端口允许多个VLAN 通过，可以指定其中一个VLAN 作为默认VLAN，如果接收到了不带VLAN的数据帧，则给数据帧加上默认VLAN标签。在往外发送时，如果VLANID 和默认VLANID相同，则剥离标签。
   3. 混合端口也允许多个VLAN通过，指定其中一个VLAN作为默认VLAN，在接收到不带VLAN的数据帧时，给数据帧加上默认VLAN标签。对外发送时，根据端口的 Untag/tag 方式进行判断处理。
5. VLAN内通信

   以太网帧中的标签，结合交换机端口的VLAN配置，实现对报文转发的控制。从某端口A收到以太网帧，如果转发表显示目的MAC地址存在于B端口下，则该以太网帧从B端口转发出去。但在引入VLAN后，该帧是否能从B端口转发出去。有以下两个关键点。

   1. 该帧携带的VLAN ID是否被交换机创建？
   2. 目的端口是否允许携带该VLAN ID的帧通过？

   转发过程中，标签操作类型有以下两种。

   1. 添加标签：对 Untagged frame 添加PVID，在端口收到对端设备的帧后进行。
   2. 移除标签：删除帧中的VLAN信息，以 Untagged frame 的形式发送给对端设备。

   注意，正常情况下，交换机不会更改 Tagged frame 中的VLANID的值（某些设备支持的特殊业务，可能提供更改VLANID的功能）。交换机对于VLAN的常规处理流程如图所示。

   

   在多个交换机组成的网络中，如何实现VLAN内的数据互通，主要依据的就是交换机对于VLAN的处理如下图所示，为了让交换机SWA和SWB之间的链路既支持VLAN2内的用户通信，又支持VLAN3 内的用户通信，需要配置连接端口同时属于两个VLAN。即应配置SWA的以太网端口GE0/0/2和SWB的以太网端口GE0/0/1既属于VLAN2 又属于VLAN3。

   当用户主机 Host A发送数据给用户主机 Host B 时，数据帧的发送过程有以下 6 步。

    

   1. 数据帧首先到达SWA的端口GE0/0/4。
   2. 端口GE0/0/4给数据帧加上Tag,Tag的VID字段填入该端口所属的VLAN的编号2。
   3. SWA查找MAC地址表，将该帧转发到相应的出端口GE0/0/2（如果是广播报文，则将数据帧发送到本交换机上除GE0/0/4外的所有属于VLAN2的端口）。
   4. 端口GE0/0/2将帧向外转发，一直发送到SWB。
   5. SWB收到帧后，会根据帧中的Tag识别出该帧属于VLAN2，查找MAC地址表，将该帧转发到相应的出接口（如果是广播报文，则将该帧发给本交换机上除GE0/0/1外所有属于VLAN2的端口）。
   6. 端口GE0/0/3将数据帧发送给主机Host B。

   VLAN3 内的主机通信同理。

   

    

    

    

    

6. VLAN间通信

   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，分属于不同VLAN的用户不能互相通信。

   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。

   如图所示VLAN100的主机和VLAN200的主机分别属于网关192.168.100.0/24 和 192.168.200.0／24，主机之间不能直接通过交换机进行通信。VLAN200的主机会将数据转发给网关192.168.200.1，网关路由器进行三层路由查找，将数据从VLAN100的网关接口Ethernet1发出。VLAN100的网关再将数据转发给VLAN100的主机。

   

   解决VLAN间互通的方法有如下三种：

   1. 为每个VLAN分配一个单独的路由器接口

   在二层交换机上配置VLAN，每一个VLAN使用一条独占的物理连接，连接到路由器的一个接口上，如下图所示，VLAN100接入路由器的接口Ethernet2,VLAN200接入路由器的接口Ethernet1 , VLAN300 接入路由器的接口EthernetO。不同VLAN之间的数据通信，都通过路由器进行三层的路由转发，从而实现VLAN之间相互通信。

   

   但是，随着每个交换机上VLAN数量的增加，这样做必然需要大量的路由器接口。出于成本的考虑，一般不用这种方案来解决VLAN间路由选择问题。此外，某些VLAN之间可能不需要经常进行通信，这样导致路由器的接口没被充分利用。

   2.多个VLAN共用一条物理链路。

   二层交换机上和路由器上配置它们之间相连的端口使用VLAN Trunking，使多个VLAN共享同一条物理连接到路由器，如图所示，路由器仅仅提供一个以太网接口，而在该接口下提供三个子接口，分别作为三个VLAN用户的默认网关。当VALN100的用户需要与其他VLAN的用户进行通信时，该用户只需将数据包发送给默认网关，默认网关修改数据帧的VLAN标签后再发送至目的主机所在VLAN，即完成了VLAN间的通信。

   

   这种方式也称为独臂路由或者单臂路由，它只需要一个以太网接口，通过创建子接口可以承担所有 VLAN的网关．从而在不同的VLAN间转发数据。

   3.三层交换机

   三层交换机集成了路由器和交换机的功能，融合了路由器和交换机各自的优势，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。

   三层交换机中的路由软件模块具有路由器的功能，能实现三层路由转发；二层交换模块则具有交换机的功能，实现VLAN内的二层快速转发。其用户设置的默认网关就是三层交换机中虚拟VLAN接口的IP地址。

   

   相较于前两种方案，对于三层交换机的应用，可以不用在部署中增加路由器，简化了整个网络的结构。

7. VLAN故障案例

   案例1: VLAN接口不能互通的故障。

   两台交换机SWA和SWB互联。将SwitchA的GE0/0/1接口配置为接入链路类型，配置端口的默认VLAN为2。将SwitchB的GE0/0/1接口配置为干道链路类型，允许端口透传VLAN 2，但干道接口的默认VLAN使用默认值VLAN1。交换机A和交换机B上分别配置VLAN2的IP地址10.1.1.1/24和10.1.1.2/24。

   从Switch A上ping Switch B的VLAN接口IP 地址，报文不通。

   

   故障原因分析：

   Switch A的端口GE0/0/1被设置为接入模式，根据接入接口的工作原理，在发送时会将数据帧上携带的VLAN剥离，因此从SwitchA的GE0/0/1端口出来的数据帧是一个Untagged帧，不携带VLAN信息。

   当数据帧到达Switch B时，因为Switch B的接口GE0/0/1被设置成了干道接口，根据干道接口的工作原理，对于不带VLAN的数据帧，会给数据帧打上一个标签，但这个标签是干道接口的默认 VLAN。在本例中， Switch B的GE0/0/1接口的默认VLAN是VLAN1，并不是VLAN2。因此，从SwitchA出来的数据帧，在进入Switch B时，被打上的是VLAN1的标签。

   因此， SwitchA的VLAN2的数据并不能被Switch B的VLAN2接收．而是被Switch B上的VLAN1接收了，双方无法ping通。

   故障解决方法：

   1. 将switch A的接口VALN改成VLAN1
   2. 将switch B的接口的VLAN2设置为PVID.

    

   案例2: VLAN透传错误造成环路

   两台交换机的GE0/0/10端口互联，并透传VLAN1000。在两台交换机上分别配置VLAN1000的三层地址作为交换机的网管地址。把交换机的GE0/0/11端口互联，作为两台交换机的数据交换接口，并透传所有VLAN（除了VLAN1）。

   

   GE0/0/11端口互联之前，网管能够正常工作，当连接GE0/0/11端口并透传VLAN后，网管数据经常丢包，管理界面响应缓慢。

   故障原因分析：

   在上述的组网配置中，GE0/0/10端口允许VLAN1000通过；同样的，GE0/0/11端口也允许VLAN1000通过。

   假设此时， Switch A发送一个VLAN1000的ARP广播帧，请求某个IP 的MAC地址。根据交换机对于广播帧的处理方式， SwitchA 会将该广播帧分别从端口GE0/0/10和GE0/0/11发出。

   Switch B收到GE0/0/10的广播帧后，依据广播帧处理原则，会将该广播帧从其余允许VLAN 1000通过的端口广播出去，如会从GE0/0/11端口发出。同样的，SwitchB从GE0/0/11端口接收的广播帧也会从GE0/0/10端口发出。

   经过SwitchB的处理，SwitchA发出的广播帧又回到了SwitchA，整个数据转发形成了一个二层的环路。这就导致了网络中的二层广播数据越来越多，从而挤占链路的带宽资源，导致正常的业务数据的转发越来越慢，甚至最终导致链路带宽被全部占用，无法进行业务数据的正常转发。

   故障解决方法：

   1.在SwitchA和SwitchB的GE0/0/11接口上禁止VLAN1000通过。

   2.部署STP等防环协议。