基于Packet Tracer數據鏈路層幀結構仿真實現

唐燈平

（蘇州大學a.文正學院b.計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006）

0 引 言

數據鏈路層屬于計算機網絡的低層，該層使用的信道主要有點對點信道和廣播信道兩種，點對點信道使用一對一的點對點通信方式，最常用的協議是點對點協議（Point-to-Point Protocol，PPP），PPP 常用于計算機和互聯網服務提供者（Internet Service Provider，ISP）進行通信時使用的數據鏈路層協議。廣播信道使用一對多的廣播通信方式，傳統以太網的數據鏈路層采用的就是廣播通信方式，它使用載波監聽多點接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）解決沖突問題。數據鏈路層傳送的協議數據單元稱為幀，數據鏈路層常見的幀有：PPP、以太網以及帶有VLAN信息的802.1Q幀等。這3 種幀的組成格式各不相同，通過理論分析這幾種數據鏈路層幀格式的同時，利用Packet tracer 仿真軟件仿真實現這3 種幀的結構，對于理解數據鏈路層幀結構乃至計算機網絡原理至關重要［1］。

1 DIX V2 以太網幀、PPP 幀以及插入VLAN標記的802.1Q幀結構分析［1］

1.1 DIX V2 以太網幀結構

常見的以太網MAC 幀格式有兩種標準，一種是DIX Ethernet V2 標準，其幀為Ethernet II幀，另一種是IEEE 802.3 標準，其幀為802.3 幀，其中使用較多的是以太網V2 的MAC 幀，假設網絡層使用的是IP 協議，則該幀的格式如圖1 所示。該幀由5 個字段組成，前兩個字段分別是6 Byte的目的地址和6 Byte的源地址。第3 個字段是2 Byte 的類型字段，用來標志上一層使用的協議類型，該值為0x0800 表示上層使用IP數據報，該值為0x8137 表示該幀是由Novell IPX發來的。第4 個字段是數據字段，其長度為46 ～1 500 Byte之間。最后一個字段為4 Byte 的幀檢驗序列（FCS：Frame Check Sequence）。實際傳送的要比MAC 幀還多8 Byte，目的是為了使適配器時鐘與到達的bit流達成同步。這8 Byte 由兩個字段組成，前一字段由7 Byte的前同步碼，實現“bit 同步”，后一個字段是幀開始定界符，幀開始定界符的最后兩個連續“1”告訴接收端適配器“MAC幀即將到來，請注意接收”。在使用SONET/SDH進行同步傳輸時不需要前同步碼。因為在同步傳輸時收發雙方的同步總是一直保持著。

圖1 DIX V2以太網幀結構

1.2 PPP幀結構分析

PPP幀結構如圖2 所示，PPP 幀的首部和尾部分別由4 個字段和2 個字段組成。

圖2 PPP幀結構

首部由1 Byte 的標志字段F、1 Byte 的地址字段A、1 Byte的控制字段C以及2 Byte 的協議字段組成。其中標志字段的值為0x7E，表示幀的開始；地址字段值為0xFF；控制字段值為0x03；協議字段值為0x0021時表明PPP幀的信息字段為IP數據報，協議字段值為0xC021 時表明PPP幀的信息為鏈路控制協議LCP 數據，協議字段的值為0x8021 時表明PPP幀的信息為網絡層控制數據。PPP 幀結構信息部分的長度是可變的，其值不超過1 500 Byte。PPP 幀結構的尾部由2 Byte使用循環冗余檢驗CRC（CRC：Cyclic Redundancy Check）的幀檢驗序列以及1 Byte 的標志字段F組成。F字段的值為0x7E，表示一個幀的結束。

1.3 插入VLAN標記的802.1Q幀結構分析

插入VLAN標記的802.1Q幀結構如圖3 所示，它是在DIX V2 以太網幀的源地址字段和類型字段之間插入4 Byte的VLAN標記字段。VLAN 標記字段前2 Byte值為0x8100，稱為802.1Q標記類型，后2 Byte為標記控制信息，其前3 bit是用戶優先級字段，接著的1 bit 是規范格式指示符CFI（Canonical Format Indicator），最后的12 bit 是該虛擬局域網VLAN 標識符VID（VLAN ID）。

圖3 插入VLAN標記的802.1Q幀結構

2 DIX V2以太網幀以及PPP幀結構仿真實現［2-6］

2.1 仿真環境結構設計及地址規劃

構建如圖4 所示的網絡結構圖，在該網絡環境中可以同時實現以太網幀以及PPP 幀，在該網絡結構中，主機PC1 和路由器R1 的f 0/0 接口之間傳輸以太網幀，路由器R1 的s0/0/0 接口和路由器R2 的s0/0/0 接口之間傳輸PPP幀，路由器R2 的接口f 0/0 和主機PC2 之間傳輸以太網幀。路由器實現了異構網絡的互聯。該網絡地址規劃如表1 所示。

圖4 DIX V2以太網幀以及PPP幀仿真結構圖

表1 網絡地址規劃

2.2 配置網絡實現網絡互聯互通［7-9］

該網絡結構由3 個網段組成，主機PC1 和路由器R1 之間傳輸以太網幀，網絡地址為192.168.1.0；路由器R1 與R2 之間數據鏈路層使用串口相連封裝PPP的廣域網，傳輸PPP 幀，網絡地址為192.168.2.0；路由器R2 和主機PC2 之間傳輸以太網幀，網絡地址為192.168.3.0。利用路由器實現異構網絡的互聯，若要網絡互聯互通，需要配置接口的IP 地址，將路由器的串口封裝PPP，最后在路由器上執行動態路由器協議，具體配置如下：

按照同樣的步驟對路由器R2 做相應的配置，配置路由器R2 接口的IP地址，開啟路由器動態路由協議RIP，將路由器s0/0/0 接口封裝成PPP，主要配置如下：

最后按照表1 所示配置主機相關網絡參數。配置完成后，整個網絡就互聯互通了。

2.3 仿真實現以太網幀和PPP幀

首先仿真實現以太網幀，為了抓取數據包，需要有數據的傳輸，將Packet Tracer 仿真模式從“Realtime mode”切換成“simulation mode”，從主機PC1 發一個ping 包給主機PC2，連續點擊“play controls”下的“capture /Forward”按鈕，得到如圖5 所示的仿真結果。PC1 和路由器R1 之間傳輸的協議數據單元（Protocol Data Unite，PDU）為以太網幀，通過展開PC1 到R1 的“PDU Information at Device R1”，在“Inbound PDU Details”中得到DIX V2 以太網幀結構仿真圖，如圖5所示，該圖中DIX V2 幀格式與圖1 所示幀格式相符。其中源地址為主機PC1 的MAC 地址，目的地址為路由器R1 左邊接口f0/0 的MAC 地址。類型字段值為0x0800，說明上層使用IP 數據報。幀的前面插入7 Byte的前同步碼以及1 Byte的幀開始定界符。

其次仿真實現PPP 幀。路由器R1 與路由器R2之間傳輸數據鏈路層協議數據單元為PPP 幀，通過展開R1 到R2 的“PDU Information at Device R2”在“Inbound PDU Details”中得到PPP 幀結構如圖6 所示，其格式與圖2 所示幀格式相符。首部為：1 Byte 值為0x7E 標志字段FLG，1 Byte 值為0xFF 地址字段ADR、1 Byte值為0x03 控制字段CTR以及2 Byte值為0x0021 協議字段組成，該值表明信息字段為IP 數據報。尾部由FCS和FLG組成。

3 插入VLAN 標記的802. 1Q 幀結構仿真實現［10-12］

3.1 仿真環境結構設計及地址規劃Z

圖7 為使用4 個交換機的網絡結構，有10 臺計算機分配在3 個樓層中，構成了3 個局域網，即LAN1（A1，A2，B1，C1），LAN2（A3，B2，C2）以及LAN3（A4，B3，C3），將10 個用戶劃分3 個虛擬局域網，即VLAN10：（A1，A2，A3，A4），VLAN20：（B1，B2，B3）以及VLAN30：（C1，C2，C3）。

圖5 DIX V2以太網幀結構仿真圖

圖6 PPP幀結構仿真圖

圖7 3個虛擬局域網VLAN10、VLAN20和VLAN30的構成

將該網絡結構仿真實現，如圖8 所示。

3.2 網絡環境配置如下

為3 臺交換機分別創建VLAN10、VLAN20 以及VLAN30，將計算機A1、A2、A3 以及A4 劃分到VLAN10，將計算機B1、B2 以及B3 劃分到VLAN20，將計算機C1、C2 以及C3 劃分到VLAN30。同時將3 臺交換機Switch1、Switch2 以及Switch3，它們與交換機Switch 4兩兩相連的接口配置成Trunk模式。具體配置過程如下：

圖8 插入VLAN標記的802.1Q幀網絡結構圖

同樣配置交換機Switch2 和Switch3。交換機Switch4 配置如下：

最后配置主機A1 和A4 的網絡參數，將主機A1的地址配置為：192.168.1.10，子網掩碼配置為255.255.255.0。主機A4 的IP 地址配置為：192.168.1.40，子網掩碼配置為255.255.255.0。

3.3 仿真實現插入VLAN標記的802.1Q幀［13-15］

交換機Switch4 與交換機Switch1、Switch2 以及Switch3 之間傳輸的協議數據單元是802.1Q 幀，從主機A1 發1 個ping包給主機A4，傳輸VLAN10 數據信息，連續點擊“play controls”下的“capture /Forward”按鈕，得到如圖8 所示的仿真結果。通過展開Switch1 ～Switch4 之間的“PDU Information at Device Switch4”，在“Inbound PDU Details”中得到如圖9 所示802.1Q 以太網幀結構仿真結構圖，該圖中所示幀格式與圖3 相符。圖中VLAN標記由4 Byte 兩部分組成，前2 Byte為802.1Q標記類型，其值為“0x8100”。后2 Byte 標記控制信息（Tag Control Information，TCI）的值為“0xa”其二進制為：“0000000000001010”，前3 bit是用戶優先級字段，接著的1 bit 是規范格式指示符（Canonical Format Indicator，CFI），最后的12 bit“000000001010”是該虛擬局域網VLAN 標識符VID（VLAN ID），其值為10，與傳輸VLAN 10 信息相符。

圖9 插入VLAN標記的802.1Q幀結構仿真圖

4 結 語

數據鏈路層位于網絡的低層，不同的網絡類型其數據鏈路層幀結構不相同，掌握數據鏈路層各種幀結構對于理解計算機網絡原理至關重要。通過Packet tracer仿真軟件構建網絡結構，配置網絡環境，最終實現幀結構，對于理解數據鏈路層幀結構起到事半功倍的效果。