基于Packet Tracer數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)仿真實現(xiàn)

唐燈平

（蘇州大學(xué)a.文正學(xué)院b.計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006）

0 引 言

數(shù)據(jù)鏈路層屬于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(xié)議是點對點協(xié)議（Point-to-Point Protocol，PPP），PPP 常用于計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供者（Internet Service Provider，ISP）進(jìn)行通信時使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。廣播信道使用一對多的廣播通信方式，傳統(tǒng)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層采用的就是廣播通信方式，它使用載波監(jiān)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(shù)據(jù)鏈路層傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為幀，數(shù)據(jù)鏈路層常見的幀有：PPP、以太網(wǎng)以及帶有VLAN 信息的802.1Q 幀等［1］。這3 種幀的組成格式各不相同，通過理論分析這幾種數(shù)據(jù)鏈路層幀格式的同時，利用Packet tracer 仿真軟件仿真實現(xiàn)這3 種幀的結(jié)構(gòu)，對于理解數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)乃至計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理至關(guān)重要。

1 DIX V2 以太網(wǎng)幀、PPP 幀以及插入VLAN標(biāo)記的802.1Q幀結(jié)構(gòu)分析

1.1 DIX V2 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)分析

常見的以太網(wǎng)MAC 幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一種是DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)，其幀為Ethernet II幀，另一種是IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，其幀為802.3 幀，其中使用較多的是以太網(wǎng)V2 的MAC 幀，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)層使用的是IP 協(xié)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(biāo)志上一層使用的協(xié)議類型，該值為0x0800 表示上層使用IP數(shù)據(jù)報，該值為0x8137 表示該幀是由Novell IPX發(fā)來的。第4 個字段是數(shù)據(jù)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(dá)的bit流達(dá)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(xiàn)“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(xù)“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(jìn)行同步傳輸時不需要前同步碼。因為在同步傳輸時收發(fā)雙方的同步總是一直保持著［1］。

圖1 DIX V2以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

1.2 PPP幀結(jié)構(gòu)分析

PPP幀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

首部由1 Byte 的標(biāo)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(xié)議字段組成。其中標(biāo)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(xié)議字段值為0x0021時表明PPP幀的信息字段為IP數(shù)據(jù)報，協(xié)議字段值為0xC021 時表明PPP幀的信息為鏈路控制協(xié)議LCP 數(shù)據(jù)，協(xié)議字段的值為0x8021 時表明PPP幀的信息為網(wǎng)絡(luò)層控制數(shù)據(jù)。PPP 幀結(jié)構(gòu)信息部分的長度是可變的，其值不超過1 500 Byte。PPP 幀結(jié)構(gòu)的尾部由2 Byte使用循環(huán)冗余檢驗CRC（CRC：Cyclic Redundancy Check）的幀檢驗序列以及1 Byte 的標(biāo)志字段F組成。F字段的值為0x7E，表示一個幀的結(jié)束。

1.3 插入VLAN標(biāo)記的802.1Q幀結(jié)構(gòu)分析

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

圖3 插入VLAN標(biāo)記的802.1Q幀結(jié)構(gòu)

2 DIX V2以太網(wǎng)幀以及PPP幀結(jié)構(gòu)仿真實現(xiàn)

2.1 仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計及地址規(guī)劃

構(gòu)建如圖4 所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可以同時實現(xiàn)以太網(wǎng)幀以及PPP 幀，在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，主機(jī)PC1 和路由器R1 的f 0 / 0 接口之間傳輸以太網(wǎng)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(jī)PC2 之間傳輸以太網(wǎng)幀［2］。路由器實現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。該網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃如表1 所示。

圖4 DIX V2以太網(wǎng)幀以及PPP幀仿真結(jié)構(gòu)圖

表1 網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃

2.2 配置網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由3 個網(wǎng)段組成，主機(jī)PC1 和路由器R1之間傳輸以太網(wǎng)幀，網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.0；路由器R1與R2之間數(shù)據(jù)鏈路層使用串口相連封裝PPP的廣域網(wǎng)，傳輸PPP幀，網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.2.0［3］；路由器R2 和主機(jī)PC2 之間傳輸以太網(wǎng)幀，網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.3.0。利用路由器實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，若要網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)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(zhí)行動態(tài)路由器協(xié)議［4］，具體配置如下：

首先配置路由器R1

R1（config）#interface serial 0 / 0 / 0

/ /進(jìn)入路由器R1的s0 / 0 / 0口

R1（config-if）#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0 / /為接口配置IP地址

R1（config-if）#clock rate 64000

/ /為接口配置時鐘頻率

R1（config-if）#encapsulation ppp

/ /配置接口封裝PPP協(xié)議

R1（config-if）#no shu

/ /激活接口

R1（config-if）#exit

/ /退出

R1（config）#interface fastEthernet 0 / 0

/ /進(jìn)入路由器fa0 / 0接口

R1（config-if）#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 / /為接口配置IP地址

R1（config-if）#no shu / /激活接口

R1（config-if）#exit / /退出

R1（config）#route rip

/ /路由器執(zhí)行RIP路由協(xié)議

R1（config-router）#network 192.168.1.0

/ /宣告網(wǎng)段

R1（config-router）#network 192.168.2.0

/ /宣告網(wǎng)段［5］

按照同樣的步驟對路由器R2 做相應(yīng)的配置，配置路由器R2 接口的IP地址，開啟路由器動態(tài)路由協(xié)議RIP，將路由器s0 / 0 / 0 接口封裝成PPP 協(xié)議［6］，主要配置如下：

R2（config）#route rip

/ /路由器執(zhí)行路由協(xié)議RIP

R2（config-router）#network 192.168.2.0

/ /宣告網(wǎng)段

R2（config-router）#network 192.168.3.0

/ /宣告網(wǎng)段

R2（config-router）#exit

/ /退出

R2（config）#interface serial 0 / 0 / 0

/ /進(jìn)入路由器接口s0 / 0 / 0

R2（config-if）#encapsulation ppp

/ /配置接口封裝PPP

最后按照表1 所示配置主機(jī)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。配置完成后，整個網(wǎng)絡(luò)就互聯(lián)互通了。

2.3 仿真實現(xiàn)以太網(wǎng)幀和PPP幀

首先仿真實現(xiàn)以太網(wǎng)幀，為了抓取數(shù)據(jù)包，需要有數(shù)據(jù)的傳輸，將Packet Tracer 仿真模式從“Realtime mode”切換成“simulation mode”，從主機(jī)PC1 發(fā)一個ping 包給主機(jī)PC2，連續(xù)點擊“play controls” 下的“capture / Forward”按鈕，得到如圖5 所示的仿真結(jié)果［7］。PC1 和路由器R1 之間傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unite，PDU）為以太網(wǎng)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(wǎng)幀結(jié)構(gòu)仿真圖（見圖5），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(jī)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(shù)據(jù)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(xiàn)PPP 幀。路由器R1 與R2 之間傳輸數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(biāo)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(xié)議字段組成，該值表明信息字段為IP數(shù)據(jù)報。尾部由FCS和FLG組成［8］。

3 插入VLAN 標(biāo)記的802.1Q 幀結(jié)構(gòu)仿真實現(xiàn)

3.1 仿真環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計及地址規(guī)劃

圖7 為使用4 個交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有10 臺計算機(jī)分配在3 個樓層中，構(gòu)成了3 個局域網(wǎng)，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(wǎng)，即VLAN10：（A1，A2，A3，A4），VLAN20：（B1，B2，B3）以及VLAN30：（C1，C2，C3）。

圖5 DIX V2以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)仿真圖

圖6 PPP幀結(jié)構(gòu)仿真圖

圖7 3個虛擬局域網(wǎng)VLAN10、VLAN20和VLAN30的構(gòu)成

將該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真實現(xiàn)，如圖8 所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置如下

為3 臺交換機(jī)分別創(chuàng)建VLAN10、VLAN20 以及VLAN30，將計算機(jī)A1、A2、A3 以及A4 劃分到VLAN10，將計算機(jī)B1、B2 以及B3 劃分到VLAN20，將計算機(jī)C1、C2 以及C3 劃分到VLAN30。同時將3 臺交換機(jī)Switch1、Switch2 以及Switch3，它們與交換機(jī)Switch 4兩兩相連的接口配置成Trunk模式［9］。具體

圖8 插入VLAN標(biāo)記的802.1Q幀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

配置過程如下：

首先配置交換機(jī)Switch1

Switch1（config）#vlan 10 / /為交換機(jī)創(chuàng)建VLAN10

Switch1（config-vlan）#vlan 20 / /為交換機(jī)創(chuàng)建VLAN20

Switch1（config-vlan）#vlan 30 / /為交換機(jī)創(chuàng)建VLAN30

Switch1（config-vlan）#exit / /退出

Switch1（config）#interface range fastEthernet 0 / 1-8

/ /進(jìn)入交換機(jī)端口

Switch1（config-if-range）#switchport access vlan 10

/ /接口劃分到VLAN10

Switch1（config-if-range）#exit / /退出

Switch1（config）#interface range fastEthernet 0 / 9-16

/ /進(jìn)入交換機(jī)端口

Switch1（config-if-range）#switchport access vlan 20

/ /接口劃分到VLAN20

Switch1（config-if-range）#exit / /退出

Switch 1（config-if-range）#interface range fastEthernet 0 / 17-

23 / /進(jìn)入端口Switch 1（config-if-range）#switchport access vlan 30 / /接口劃分到VLAN30［10-11］

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

Switch4（config）#vlan 10

/ /創(chuàng)建VLAN10 Switch4（config-vlan）#vlan 20

/ /創(chuàng)建VLAN20 Switch4（config-vlan）#vlan 30

/ /創(chuàng)建VLAN30 Switch4（config-vlan）#exit

/ /退出

Switch 4（config）#interface range gigabitEthernet 0 / 1-2 / /

進(jìn)入接口g0 / 1-2

Switch 4（config-if-range）#switchport mode trunk / /將接口配置成trunk模式

Switch 4（config）#interface fastEthernet 0 / 24 / /進(jìn)入接口f0 / 24

Switch 4（config-if）#switchport mode trunk / /將接口配置成Trunk模式

最后配置主機(jī)A1 和A4 的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，將主機(jī)A1的地址配置為：192.168.1.10，子網(wǎng)掩碼配置為255.255.255.0。主機(jī)A4 的IP 地址配置為：192.168.1.40，子網(wǎng)掩碼配置為255.255.255.0。

3.3 仿真實現(xiàn)插入VLAN標(biāo)記的802.1Q幀［13-15］

交換機(jī)Switch4 與交換機(jī)Switch1、Switch2 以及Switch3 之間傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元是802.1Q 幀，從主機(jī)A1 發(fā)1 個ping包給主機(jī)A4，傳輸VLAN10 數(shù)據(jù)信息，連續(xù)點擊“play controls”下的“capture / Forward”按鈕，得到如圖8 所示的仿真結(jié)果［12-13］。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(wǎng)幀結(jié)構(gòu)仿真結(jié)構(gòu)圖，該圖中所示幀格式與圖3 相符。圖中VLAN 標(biāo)記由4 Byte 兩部分組成，前2 Byte為802.1Q標(biāo)記類型，其值為“0x8100”。后2 Byte標(biāo)記控制信息（Tag Control Information，TCI）的值為“0xa”其二進(jìn)制為：“0000000000001010”，前3 bit是用戶優(yōu)先級字段，接著的1 bit 是規(guī)范格式指示符（Canonical Format Indicator，CFI），最后的12 bit“000000001010”是該虛擬局域網(wǎng)VLAN 標(biāo)識符VID（VLAN ID），其值為10，與傳輸VLAN 10 信息相符［14-15］。

圖9 插入VLAN標(biāo)記的802.1Q幀結(jié)構(gòu)仿真圖

4 結(jié) 語

數(shù)據(jù)鏈路層位于網(wǎng)絡(luò)的低層，不同的網(wǎng)絡(luò)類型其數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)不相同，掌握數(shù)據(jù)鏈路層各種幀結(jié)構(gòu)對于理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理至關(guān)重要。通過Packet tracer仿真軟件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，最終實現(xiàn)幀結(jié)構(gòu)，對于理解數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)起到事半功倍的效果。