1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 集線器與交換機(jī)的對(duì)比實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)日期 2016/4/22 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1了解集線器和交換機(jī)的如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。1.2理解沖突域和廣播域的概念。1.3對(duì)比單播以太網(wǎng)幀和廣播以太網(wǎng)幀的目標(biāo)MAC地址。二 實(shí)驗(yàn)原理2.1沖突域與廣播域沖突域：在該域內(nèi)某一時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)引起沖突，則這兩個(gè)站點(diǎn)處于同一個(gè)沖突域內(nèi)。廣播域：在以太網(wǎng)中，能夠接收到任意站點(diǎn)發(fā)送的廣播幀的所有站點(diǎn)的集合稱為一個(gè)廣播域。2.2集線器和交換機(jī) 集線器和交換機(jī)都是為了擴(kuò)大以太網(wǎng)覆蓋范圍而使用的連接設(shè)備，但二者的工作原理存在很大差異。集線器工作

2、在OSI體系結(jié)構(gòu)的物理層。集線器的主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)發(fā)，從而擴(kuò)展以太網(wǎng)的覆蓋范圍。由于物理層傳輸?shù)男盘?hào)是無結(jié)構(gòu)的，因此集線器無法識(shí)別接收方，只能將從一個(gè)端口接收到信號(hào)放大后復(fù)制到所有其他端口，即向與該集線器連接的所有站點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。交換機(jī)工作在OSI參考模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層。交換機(jī)使用以太網(wǎng)幀中的MAC地址進(jìn)行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)，從而有效地過濾數(shù)據(jù)幀。交換機(jī)可以在多個(gè)端口對(duì)之間同時(shí)建立多條并發(fā)連接，使得與不同端口連接站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，各連接線路彼此互不影響。三 實(shí)驗(yàn)要求3.1拓?fù)鋱D該實(shí)驗(yàn)用到4個(gè)拓?fù)鋱D。其中拓?fù)鋱D1和拓?fù)鋱D2是以集線器為中心的共享式以太網(wǎng)；拓?fù)鋱D3和拓?fù)鋱D4是以交換機(jī)為

3、中心的交換式以太網(wǎng)。其中拓?fù)鋱D1和拓?fù)鋱D2主要用于觀察集線器的運(yùn)行及理解沖突域的概念；拓?fù)鋱D3和拓?fù)鋱D4主要用于觀察交換機(jī)的運(yùn)行及理解交換機(jī)隔離沖突域但不隔離廣播域的特性。在對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟中，我們需要將拓?fù)鋱D1和拓?fù)鋱D2使用交叉雙絞線連接起來，將拓?fù)鋱D3和拓?fù)鋱D4使用交叉雙絞線連接起來，從而觀察使用集線器和交換機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)擴(kuò)展時(shí)對(duì)沖突域和廣播域的影響，從而理解兩類設(shè)備在擴(kuò)展以太網(wǎng)時(shí)的作用和局限性。3.2 IP地址配置PCIP地址子網(wǎng)掩碼PC0192.168.1.1255.255.255.0PC1192.168.1.2255.255.255.0PC2192.168.1.3255.255.255.

4、0PC3192.168.1.4255.255.255.0PC4192.168.1.5255.255.255.0PC5192.168.1.6255.255.255.0PC6192.168.1.1255.255.255.0PC7192.168.1.2255.255.255.0PC8192.168.1.3255.255.255.0PC9192.168.1.4255.255.255.0PC10192.168.1.5255.255.255.0PC11192.168.1.6255.255.255.0四 實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果（程序+注釋+截圖）及分析4.1觀察集線器和交換機(jī)的運(yùn)行4.1.1準(zhǔn)備工作打開軟件，添加設(shè)

5、備進(jìn)行連接，按照實(shí)驗(yàn)要求配置PC的IP地址。若此時(shí)交換機(jī)端口指示燈呈橙色，則單擊主窗口右下角Realtime（實(shí)時(shí)） Simulation（模擬）模式切換按鈕數(shù)次，直至交換機(jī)指示燈呈綠色。此步驟可加速完成交換機(jī)的初始化。4.1.2觀察集線器對(duì)單播包的處理進(jìn)入Simulation（模擬）模式。設(shè)置Event List Filters（事件列表過濾器）只顯示ICMP事件。單擊Add Simple PDU(添加簡單PDU)按鈕，在拓?fù)鋱D中添加PC0向PC2發(fā)送的數(shù)據(jù)包。單擊Auto Capture/Play(自動(dòng)捕獲/執(zhí)行)按鈕，捕獲數(shù)據(jù)包。現(xiàn)象：PC0發(fā)送單播包到集線器1，通過集線器發(fā)給PC1、P

6、C2、PC3，但只有PC2成功接收，PC2通過集線器發(fā)單播包PC0、PC1、PC3，只有PC0接收。4.1.3觀察交換機(jī)對(duì)單播包的處理進(jìn)入Simulation（模擬）模式。設(shè)置Event List Filters（事件列表過濾器）只顯示ICMP事件。單擊Add Simple PDU(添加簡單PDU)按鈕，在拓?fù)鋱D中添加PC6向PC8發(fā)送的數(shù)據(jù)包。單擊Auto Capture/Play(自動(dòng)捕獲/執(zhí)行)按鈕，捕獲數(shù)據(jù)包。現(xiàn)象：PC6發(fā)送單播包到交換機(jī)1，交換機(jī)將其發(fā)送給PC8，PC8接收單播包，然后PC8經(jīng)交換機(jī)單播包返回PC6，結(jié)束執(zhí)行。經(jīng)過步驟3,4現(xiàn)象的對(duì)比，得出集線器工作在物理層，接收到

7、單播包時(shí)向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)；交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，依據(jù)目標(biāo)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，所以接收到單播包時(shí)僅向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所連接的端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。4.1.4觀察集線器對(duì)廣播包的處理單擊窗口下方Delete按鈕，刪除任務(wù)一產(chǎn)生的場景。單擊Add Complex PDU（添加復(fù)雜PDU）按鈕，單擊PC0，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)：（如下圖）。然后單擊該對(duì)話框下方的Create PDU按鈕，創(chuàng)建數(shù)據(jù)包。單擊（捕獲/執(zhí)行）按鈕，數(shù)據(jù)包到達(dá)集線器，再次單擊（捕獲/執(zhí)行），集線器向與源站點(diǎn)PC0在同一廣播域的所有站點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。現(xiàn)象：PC0經(jīng)集線器發(fā)送廣播包到PC1、PC2、PC3，多站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生沖突，通信失

8、敗。4.1.5觀察交換機(jī)對(duì)廣播包的處理單擊窗口下方Delete按鈕，刪除場景。如上一步驟的方法，在PC6上添加一個(gè)復(fù)雜的PDU，參數(shù)設(shè)置與之前相同。單擊Capture/Forward按鈕，數(shù)據(jù)包到達(dá)交換機(jī)，再次點(diǎn)擊，交換機(jī)向與源站點(diǎn)PC6在同一廣播域的所有站點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。現(xiàn)象：PC6發(fā)送廣播包給交換機(jī)，交換機(jī)接受然后轉(zhuǎn)發(fā)給PC9、PC7、PC8；它們同時(shí)發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)將其發(fā)送給PC6，通信成功完成。4.2分別觀察以集線器和以交換機(jī)為中心的以太網(wǎng)中，多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)情況。4.2.1觀察以集線器為中心的以太網(wǎng)中多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況單擊窗口下方Delete按鈕，刪除場景。添加簡單PD

9、U，PC0向PC2發(fā)送的數(shù)據(jù)包；PC1向PC3發(fā)送數(shù)據(jù)包。單擊 Auto Capture/Play，觀察數(shù)據(jù)包各個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況、集線器及主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理。現(xiàn)象：數(shù)據(jù)包到達(dá)集線器發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，集線器發(fā)送數(shù)據(jù)包到各個(gè)主機(jī)，發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，PC2丟棄數(shù)據(jù)包。4.2.2觀察以交換機(jī)為中心的以太網(wǎng)中多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況單擊窗口下方Delete按鈕，刪除場景。添加簡單PDU，PC6向PC8發(fā)送的數(shù)據(jù)包；PC7向PC9發(fā)送數(shù)據(jù)包。單擊 Auto Capture/Play，觀察數(shù)據(jù)包各個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況、交換機(jī)及主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理。現(xiàn)象: PC6, PC7向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，交換機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)給PC6、PC7、PC

10、8、PC9，PC6發(fā)送的PC8接收，其他PC丟棄；PC7發(fā)送的PC9接收，其他PC丟棄；之后返回?cái)?shù)據(jù)包，PC6、PC7通信成功。4.3觀察集線器和交換機(jī)在擴(kuò)展以太網(wǎng)覆蓋范圍同時(shí)，對(duì)沖突域和廣播域范圍影響4.3.1觀察集線器擴(kuò)展以太網(wǎng)時(shí)對(duì)沖突域范圍的影響擴(kuò)展集線器，用交叉線連接拓?fù)鋱D1、2中的兩臺(tái)集線器，添加簡單PDU，PC0向PC2發(fā)送數(shù)據(jù)包，PC4向PC5發(fā)送數(shù)據(jù)包。單擊Capture/Forward，直至此次通信結(jié)束。現(xiàn)象：在這一過程中，由于延遲的存在，在PC4發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)集線器1沖突之前，PC0發(fā)送的數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)PC2，而在PC2發(fā)送應(yīng)答包時(shí)，與到達(dá)集線器1的數(shù)據(jù)沖突。間隔一定時(shí)間后

11、，PC2重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，最終數(shù)據(jù)到達(dá)PC0。PC4與PC5的情況類似。4.3.2觀察集線器擴(kuò)展以太網(wǎng)時(shí)對(duì)廣播域范圍的影響 刪除之前場景，使PC0向其所在廣播域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播包，依次點(diǎn)擊Capture/Forward，觀察廣播包的發(fā)送范圍。 現(xiàn)象：PC0發(fā)送廣播包到達(dá)集線器1 ，集線器1將其發(fā)送給PC1、 PC2、 PC3、集線器2；PC2應(yīng)答包在集線器1發(fā)生沖突，此時(shí)集線器2發(fā)送數(shù)據(jù)到PC4、PC5；之后發(fā)送的應(yīng)答包發(fā)送沖突；PC4丟棄數(shù)據(jù)包，PC1、PC3丟棄數(shù)據(jù)包，PC5丟棄數(shù)據(jù)包，通信結(jié)束。由以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得出，集線器在擴(kuò)大以太網(wǎng)規(guī)模的同時(shí)，也擴(kuò)大了沖突域。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，站點(diǎn)數(shù)量增加

12、時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生沖突的可能性也將增加，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。4.3.3觀察交換機(jī)擴(kuò)展以太網(wǎng)時(shí)對(duì)沖突域及廣播域的影響 依照前邊的實(shí)驗(yàn)交換機(jī)擴(kuò)展以太網(wǎng)，添加一個(gè)簡單PDU，PC6發(fā)送數(shù)據(jù)包到PC8，PC10發(fā)送數(shù)據(jù)包到PC11。現(xiàn)象：PC6，PC10分別發(fā)送數(shù)據(jù)包到交換機(jī)1、2，再經(jīng)其發(fā)送給PC8、PC11，PC8、PC11發(fā)送應(yīng)答包，PC6、PC10成功接收，通信結(jié)束。刪除之前場景，使PC0向其所在廣播域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播包，依次點(diǎn)擊Capture/Forward，觀察廣播包的發(fā)送范圍。現(xiàn)象：PC6發(fā)送數(shù)據(jù)包到交換機(jī)，再經(jīng)其發(fā)送給PC7、PC8、PC9、交換機(jī)2；交換機(jī)2發(fā)送給PC10、PC11；

13、PC發(fā)送應(yīng)答包，PC6通信成功。由此上實(shí)驗(yàn)得知，雖然使用交換機(jī)解決了沖突域的問題，但是交換機(jī)并不隔離廣播域，使用交換機(jī)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的同時(shí)也擴(kuò)大了廣播域。這將使以太網(wǎng)中廣播包的數(shù)量增加，當(dāng)廣播包的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能下降。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 交換機(jī)工作原理 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1理解交換機(jī)通過逆向自學(xué)習(xí)算法建立地址轉(zhuǎn)發(fā)表的過程1.2理解交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的規(guī)則1.3理解交換機(jī)的工作原理二 實(shí)驗(yàn)原理2.1逆向自學(xué)習(xí)算法建立地址轉(zhuǎn)發(fā)表逆向自學(xué)習(xí)算法的基本思想是：如果交換機(jī)通過端口N接收站點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，那么相反地，交換機(jī)也可以通過端口N把數(shù)據(jù)幀傳送給站點(diǎn)A。因此交換機(jī)建立轉(zhuǎn)發(fā)表的過程是根據(jù)其接收到的數(shù)據(jù)

14、幀中的源MAC地址與接口端口之間的映射關(guān)系建立起來的。當(dāng)交換機(jī)接收到某站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時(shí)，就會(huì)將其源MAC地址與該幀進(jìn)入交換機(jī)的端口寫入轉(zhuǎn)發(fā)表。2.2交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的規(guī)則 若轉(zhuǎn)發(fā)表中無目標(biāo)MAC地址對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，則交換機(jī)采用洪泛轉(zhuǎn)發(fā)，即向所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀； 若轉(zhuǎn)發(fā)表中有目標(biāo)MAC地址對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，則該表項(xiàng)中記錄的轉(zhuǎn)發(fā)端口與該數(shù)據(jù)幀進(jìn)入交換機(jī)的端口相同，則丟棄該數(shù)據(jù)幀；若轉(zhuǎn)發(fā)表中有目標(biāo)MAC地址對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，則該表項(xiàng)中記錄的轉(zhuǎn)發(fā)端口與該數(shù)據(jù)幀進(jìn)入交換機(jī)的端口不同，則向轉(zhuǎn)發(fā)端口傳送該數(shù)據(jù)幀。三 實(shí)驗(yàn)要求3.1拓?fù)鋱D3.2IP地址配置PCIP地址子網(wǎng)掩碼PC0192.168.1.1255.255

15、.255.0PC1192.168.1.2255.255.255.0PC2192.168.1.3255.255.255.0四 實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果（程序+注釋+截圖）及分析4.1觀察單播以太網(wǎng)幀的封裝4.1.1步驟一：準(zhǔn)備工作打開軟件，添加設(shè)備按照拓?fù)鋱D進(jìn)行連接，按照實(shí)驗(yàn)要求配置PC的IP地址。4.1.1步驟二：刪除交換機(jī)MAC地址表刪除Switch0、 Switch1、Switch2的地址轉(zhuǎn)換表。4.2觀察交換機(jī)的工作原理4.2.1步驟一：查看并記錄PC0和PC2的Mac地址 鼠標(biāo)左鍵單擊PC0PC1PC2，在彈出窗口中選擇Config選項(xiàng)卡，選擇FastEthernet0，查看并記錄MAC地址。P

16、C000E0.F966.5625PC100D0.BA0E.6EC7PC200D0.BCE9.C0B84.2.2步驟二：添加PC0到PC2的數(shù)據(jù)包 添加簡單數(shù)據(jù)包，PC0到PC2。4.2.3步驟三：分別查看三臺(tái)交換機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前的地址轉(zhuǎn)發(fā)表 選中拓?fù)涔ぷ鲄^(qū)工作條上的Inspect工具，單擊Switch0，在彈出菜單中選擇MAC Table菜單項(xiàng)，彈出窗口中顯示當(dāng)前的地址轉(zhuǎn)發(fā)表。 由圖可知，記錄源主機(jī)PC0和目標(biāo)主機(jī)PC2的MAC地址不存在于三個(gè)交換機(jī)中。4.2.4步驟四：查看Switch0的學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)過程單擊Capture/Forward一次,在Switch0的圖標(biāo)上出現(xiàn)信封圖標(biāo)后，查看Switch0的地址轉(zhuǎn)換表，與步驟三的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出地址轉(zhuǎn)換表增加了一條：00E0.F966.5625 F0/1。單擊Capture/Forward一次，Switch0轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給Switch1，向除接收端口之外的所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)，即洪泛轉(zhuǎn)發(fā)。4.2.5步驟五：觀察Switch1和Switch2的學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)過程按照步驟四觀察Switch1和Switch2在接收到數(shù)據(jù)包前和接收到數(shù)據(jù)包后地址轉(zhuǎn)發(fā)表的變換情況，以及觀察其對(duì)觀察其對(duì)數(shù)據(jù)包的處理方式。由上可知，Switch1，Switch2地址轉(zhuǎn)發(fā)表都添加了項(xiàng)，向除接收端口之外