..電子科技大學實驗報告課程名稱：局域網與城域網學號學生__通信與信息工程學院實驗項目1：CSMA和CSMA/CD協議模擬實驗實驗目的通過對CSMA、CSMA/CD協議的模擬測試,分析并比較這兩個協議的性能。加深對CSMA、CSMA/CD協議的理解。實驗內容各協議的"信道負載——信道效率"測試各協議的"信道負載——成功概率"測試各協議運行相同時間時,發送幀數與成功幀數測試實驗器材PC機1臺,協議模擬程序實驗原理CSMA、CSMA/CD協議是以ALOHA為基礎發展起來的MAC訪問控制協議。CSMA的基本思想：對ALOHA系統發送時"不偵聽信道"進行改進。要求站點發送前先監聽信道,若信道閑,可以啟動傳輸,若信道忙,則必須等待,以避免沖突。等待時間由退避算法決定。常用的退避算法有三種：非堅持〔0堅持、1-堅持、P-堅持。0堅持CSMA：①若信道閑,立即發送②若信道忙,則不再監聽信道,而是等待一個隨機時間后再按①進行。0堅持CSM優點是降低了沖突概率,重負載時,吞吐率較高；缺點是輕負載時,信道上有較多空閑時間,效率低。1-堅持CSMA：①若信道閑,立即發送②若信道忙,則繼續監聽至信道閑,并立即發送。1-堅持CSMA優點是輕負載時,能有效減少信道的空閑時間,提高傳輸效率；缺點是發生再次沖突的可能性大,重負載時沖突嚴重,極限時吞吐量趨于0。P-堅持：①若信道閑,立即啟動發送②若信道忙,則一直監聽直到信道閑,以概率P立即發送,以概率〔1-P不發送,并等待一個隨機時間后再按①進行。P值的選取不能太大。若P太大,使np＞1,表示沖突后有多個站試圖發送,會重復沖突,故一般選np＜1。當然p也不能太小,若p太小,則站點延遲大。對于負載未知的網絡,p值應適當選取,對于固定的p值,網絡的性能會隨站點數量n而變化。P-堅持的優點是可根據不同的負載選取不同的P值,最大程度的提高信道利用率和提高吞吐率；缺點是選取一個合適的P值是一件困難的事情。CSMA/CD的基本思想：對CSMA再作改進。因為基本的CSMA與ALOHA和SlottedALOHA相比,雖然通過發送前偵聽信道,能一定程度減少沖突的可能性,但仍然存在以下問題：即站點一旦發送一幀,就必須將一幀發送完,即使沖突已經產生。而一旦發生沖突后,繼續發送的將是無用信號,會造成信道資源的浪費,同時降低網絡的吞吐率。因此,在CSMA的基礎上,CSMA/CD增加站點沖突檢測的能力。站點不僅發送數據前要先偵聽信道,開始發送后還要一邊發送數據,一邊檢測信道。一旦檢測到沖突,不必等一幀傳完就立即停止受損幀的傳輸,盡早釋放信道,避免資源的浪費。同時,向總線上發一串阻塞信號〔沖突碼,通知各站沖突已發生,以提高信道利用率。如果傳輸過程中檢測到信道無沖突發生,則傳輸成功。CSMA/CD的優點是能及時檢測到沖突,停止發送,減少沖突可能性,同時也能提高信道利用率。實驗步驟1、實驗前準備①安裝并啟動模擬程序：執行文件,直接復制到PC機里,然后啟動。熟悉程序界面：運行程序,出現圖中界面,說明如下：控制控制仿真運行暫停停止運行參數配置顏色配置參數配置節點數：信道負載〔%：協議：堅持概率〔%：幀類型：快慢信道統計運行時間：空閑時間：通信負載：空閑率〔%：負載率〔%：幀統計發送總幀數：成功總幀數：成功總幀長：發送成功概率〔%：信道效率〔%：界面說明：參數配置域：參數配置按鈕可配置協議,節點數等參數〔右上部參數會顯示顏色配置按鈕可選擇成功幀、沖突幀及背景顏色〔中間的運行區控制域：配置好參數后,選擇仿真運行按鈕開始運行,中間暫停按暫停,停止按停止運行。中間區域：幀運行觀察區速度控制域：通過移動中間的"移動條"控制幀發送的快慢信道統計域：運行時間、空閑時間、通信負載在仿真運行中實時顯示的是折算的比特數。負載率為動態值,運行穩定后趨近于設置的信道負載。幀統計域：動態統計并顯示幀的發送情況。成功發送概率=成功總幀數/發送總幀數信道效率=成功總幀數/運行時間〔折算成比特2、實驗操作步驟配置：點擊"參數配置"按鈕,選擇協議：CSMA<1堅持>,節點數：50,信道負載：5%,幀類型：固定,堅持概率：100%點擊"顏色配置"按鈕,根據自己的喜好選擇成功幀、沖突幀以及背景顏色。也可不選,直接采用默認色。用鼠標拖動"移動條",將速度調整到一個合適的位置〔通過觀察中間運行區來改變,為了節省時間,建議調到較快的速度。運行：點擊"仿真運行"按鈕開始運行,并觀察幀的運行和統計值。記錄：當運行穩定且在"運行時間"為2000比特時,按"運行停止",記錄表中所列各項參數〔允許2000～2050比特范圍改變信道負載分別為10%、20%、30%、50%、70%、100%、150%、200%,其他配置保持不變。在上述每一個設置的信道負載時重復②③步。在參數配置中分別改變協議為：CSMA<0.5堅持>、CSMA<0堅持>、CSMA/CD,并對每一種協議按①～④步操作。實驗記錄1、按下圖所示的表格形式,記錄實驗過程中所觀察到的各協議的相關數據。2、根據實驗記錄繪制各協議的"信道負載——信道效率"和"信道負載——成功概率"曲線。CSMA<1堅持>信道負載%信道效率%成功概率%運行2000比特時設置值測試值發送總幀數成功幀數55.245.23100.0021211012.9112.3694.3453502021.2217.5682.7587723034.8829.2783.921431205048.5040.8084.541941647075.3745.8560.84309188100103.8039.2537.74416157150163.9530.3018.60656122200194.3924.8812.78798102CSMA<0.5堅持>信道負載%信道效率%成功概率%運行2000比特時設置值測試值發送總幀數成功幀數54.504.5010018181011.7110.2989.5848432021.4520.2594.1986813032.7528.0586.251311135047.2535.3075.121891427071.0545.0063.15285180100101.3244.9344.47416185150145.8534.2523.46584137200201.3220.009.9282682CSMA<0堅持>信道負載%信道效率%成功概率%運行2000比特時設置值測試值發送總幀數成功幀數54.54.51001919108.258.2510033332020.5018.5090.2482743036.1532.0088.271451285046.2537.0580.541851497070.8543.3061.26284174100100.5039.0539.05402157150144.6534.5524.00579139200186.7533.8018.20747136CSMA/CD<1堅持>信道負載%信道效率%成功概率%運行2000比特時設置值測試值發送總幀數成功幀數53.253.251001313109.058.7585.3641352016.1016.0096.9766643033.7530.8067.751831245076.2048.8026.347441967083.8549.7522.5988119910096.7549.0517.12115119715099.3547.7515.651220191200102.7547.0014.431303188010203040506070809010011012013014015016017018019020075010203040506070809010011012013014015016017018019020075706560555045403530252015105信道效率〔%信道負載〔%信道負載〔%〔測試值成功概率〔%成功概率〔%01020304050607080901001101201301401501601701801902000102030405060708090100110120130140150160170180190200100908070605040302010信道負載〔%信道負載〔%〔測試值實驗分析1、對同一種協議,相同站點數,不同負載率時,發送幀的總數隨負載率的增大而增大,成功概率隨負載的增加而減小,信道利用率隨負載的增大而增大,但當負載增大到一定程度后,信道利用率將隨負載增大而減小。2、在測試的各協議中,在同種測試條件下〔相同站點數,相同負載率、相同幀類型等,CSMA/CD<1堅持>議協信道效率最高,在相同的運行時間內〔折算為相同的比特數,CSMA/CD<1堅持>議協發出的總幀數和成功的幀數都最多,產生這種現象的根本原因是CSMA/CD<1堅持>中帶有沖突檢測機制,能夠有效避免沖突,從而提高了性能。3、在實驗中,你觀察到CSMA/CD協議時的沖突幀的形狀與其他協議有什么不同？試解釋為什么會有這種不同？答：沖突幀的長度明顯比成功發送的數據幀的幀長短。產生這種不同的原因在于CSMA/CD協議引入了沖突檢測機制,一旦有沖突發生,就立即停止發送,并發出沖突強化信號；其他協議在沖突發生的時候不會立即停止發送沖突幀,而是一直發送完當前幀,這樣就造成了信道資源的嚴重浪費。實驗項目2：網橋原理模擬實驗一、實驗目的通過本實驗掌握網橋的工作原理,具體包括三個方面：1、MAC地址的自學習機制。2、MAC幀的轉發。3、MAC地址表的管理。二、實驗器材PC機4臺,網橋模擬軟件。三、實驗分組每組4人。四、實驗原理1、網橋的運行原理網橋是MAC層的轉發設備,最主要、最基本的功能是透明轉發MAC幀。網橋的基本運行包含MAC地址自學習、MAC幀轉發和MAC地址表管理。網橋的每個端口都設置為"雜散"模式,接收所有MAC幀,記錄每一幀的源MAC地址以及該幀到達的端口。網橋將其學習到的內容添加到MAC地址表中,形成動態表項。如果表項已存在,則初始化計時值。網橋根據幀中目的MAC地址轉發幀。轉發策略如下：當目的MAC地址為廣播地址時,從除源端口外的所有端口轉發該幀。當目的MAC地址為單播或組播地址時,網橋先查找MAC地址表,若能找到匹配項且目的MAC地址與源MAC地址在不同端口,則按表中目的MAC地址對應的端口轉發；若能找到匹配項但目的MAC地址與源MAC地址在同一端口,則過濾該幀,不轉發；若找不到匹配項,則從除源端口外的所有端口轉發該幀。每個網橋都有一個MAC地址表,主要表項包括：目的MAC地址、目的端口和狀態。MAC地址表表項分兩類：動態表項和靜態表項。動態表項由網橋自學習MAC地址建立,具有生命期。當生命期到,老化的表項將被刪除。靜態表項由人工設置,不會老化。靜態表項的創建、修改或刪除只能通過人工進行。2、本實驗網橋模擬軟件原理本實驗模擬軟件使用Windows應用程序模擬了網橋基本工作原理,包括幀的轉發、MAC地址表的形成與管理等。同時開發了與之配套的主機端軟件,定義了與實際非常接近的幀結構,并利用IP組播技術,在應用層上構建虛擬的以太網環境,提供可用于模擬網橋工作原理的實驗平臺。只需在主機上安裝模擬軟件,就可以在實際的網絡環境中構建虛擬以太網環境：包括模擬網橋/交換機與主機的互連,網橋/交換機之間的互連與組網。并且只需要根據模擬軟件提供的界面進行配置,就可以任意改變虛擬拓撲而不需改變實際的網絡連接方式,由此可見本實驗構建的虛擬網絡獨立于實際網絡的拓撲。在虛擬網絡中進行實驗感覺與實際一樣,并只需根據應用程序進行配置和簡單的測試,就可真實地模擬網橋的所有工作細節。網橋端模擬軟件目前只實現了網橋的基本功能〔自學習、幀轉發、MAC地址表管理,沒有實現生成樹協議、組播通信、VLAN等功能。〔1模擬軟件的主要功能模擬軟件包括主機端和網橋端。通過在初始界面上選擇"Host"或"Bridge",而進入主機端模擬軟件或網橋模擬軟件。網橋端模擬軟件的功能包括：模擬網橋的接收機制和轉發機制MAC表的管理表項元素：目的地址、發送端口、狀態〔靜態、動態、生命周期。靜態表：用戶可以添加、刪除靜態表項。并保證MAC表中不出現重復項。動態表：通過自學習來更新。計時系統：管理各動態表項的生命周期,用戶可以設置動態表的生命周期初始值。顯示MAC表概況顯示端口的接收緩存和發送緩存主機端模擬軟件的功能包括：幀的封裝與發送。幀的接收與過濾。主機MAC地址的配置。顯示接收緩存和發送緩存。〔2模擬程序中網段的概念實驗中涉及的網段的概念是指模擬網橋的一個端口,即一個沖突域,不同的網段屬于模擬網橋不同的端口,即不同的沖突域。由于實驗室的所有主機物理上是一個LAN,為避免不同組使用相同的網段號帶來混亂,因此要求不同組使用不同的幾個網段號〔可直接利用主機的編號作為本組可使用的網段號。〔3模擬程序的MAC幀格式為了簡化程序,模擬程序沒有采用標準的以太MAC幀格式,而是采用自定義的MAC幀,但這并不影響對網橋基本原理的模擬。模擬MAC幀格式如圖1所示。模擬幀結構包括：目的和源MAC地址字段,長度各為12字節；ID字段,唯一標識一個幀〔供數據鏈路子層重傳機制使用,占2字節；TYPE字段,標識幀類型,占1字節；DATA字段,傳送的數據,任意長。FCS,幀校驗字段占2字節。其中ID和TYPE字段現階段不使用,為默認的0x1111和0x01。設置這兩個字段的目的是為擴展其他協議模擬而用。DSTMACDSTMACSRCMACDATATYPEFCSID12Bytes12Bytes2Bytes1Byte2Bytes圖1模擬MAC幀格式結構〔3模擬軟件的主要運行界面界面采用流行的Windows左圖右表界面。網橋端界面分四部分：菜單和工具條部分,文本顯示框,樹形視圖顯示框和子窗口區。如圖2所示。菜單和工具條部分集中了所有的用戶接口,位于界面的最上方,始終顯示。文本顯示框緊貼在工具條下方,顯示了網橋的基本信息,如總端口數量、連網端口數、過濾表的大小、靜態和動態表項數,生命周期初始值等,始終顯示。樹形視圖更直觀的顯示了網橋各端口的狀態,同時也為訪問這些端口提供了接口。它位于界面的右邊,始終顯示。圖3、圖4是網橋的端口緩沖區和MAC地址表的顯示例子。圖5是主機接收緩存顯示的例子。還有更多的界面,在此不一一列舉。所有的界面都是菜單顯示,操作方便。圖2模擬網橋界面圖3網橋端口緩沖區顯示圖4網橋MAC地址過濾表圖5主機接收緩沖區顯示五、實驗環境通過在PC機上分別運行主機端模擬程序和網橋的模擬程序,通過劃分不同的網段形成不同的共享域,從而在實際的網絡中構建虛擬的以太網實驗環境。PC以太網PC以太網PCPCPCPC圖6實際的網絡環境PCC網段B網段C網段B網段A網段以太網模擬主機B模擬主機D模擬主機A模擬網橋模擬網橋模擬主機C模擬主機A模擬主機D模擬主機B圖7配置說明：模擬網橋設置的端口數大于3,每個端口對應不同的網段,如網段A,網段B,網段C。網段A、B、C分別對應不同的共享域。模擬主機A設置網段A,模擬主機B設置網段B,模擬主機C和D都設置為網段C圖7單網橋模擬組網模擬環境〔a實際網絡〔b模擬網絡模擬主機C3、多網橋組網模擬網絡環境〔a實際網絡〔a實際網絡D網段以太網模擬主機C模擬網橋2模擬網橋1圖8配置說明：模擬網橋1設置的端口數大于3,每個端口對應不同的網段,如網段A,網段B,網段D。模擬網橋2設置的端口數大于2,每個端口對應不同的網段,如網段C,網段網段D。模擬主機A設置網段A,模擬主機B設置網段B,模擬主機C設置網段C圖8多網橋組網模擬環境〔b模擬網絡C網段B網段A網段模擬網橋1模擬主機C模擬主機A模擬主機B模擬網橋2模擬主機B模擬主機A六、實驗步驟與記錄1、建立單網橋組網模擬環境按圖7配置,其中1臺PC機模擬網橋,運行網橋模擬軟件,在配置界面中選擇"Bridge",設置網橋的端口數及每個端口所接的網段并記錄。另外3臺PC機模擬主機A、B、C、D,其中模擬主機A和B在同一臺PC機上模擬。每臺PC機上分別運行主機模擬軟件,在配置界面中選擇"Host",配置各自的MAC地址〔可自己定義,12位,按照圖7配置說明配置各自對應的網段。主機號〔PC的編號MAC地址網段A7373B7474C73253D74253表1模擬網橋設置表2模擬主機設置表1模擬網橋設置表2模擬主機設置模擬網橋端口號所接的網網橋自學習MAC地址測試a、清空網橋MAC地址表。設置MAC表項生存時間為最大〔999秒。b、C主機發送一個單播幀給A主機。觀察網橋的MAC表并作記錄。c、D主機發送一個單播幀給C主機。觀察網橋的MAC表并作記錄。d、A主機發送一個廣播幀。觀察網橋的MAC表并作記錄。e、C主機發送一個單播幀給B主機。觀察網橋的MAC表并作記錄。表3網橋自學習MAC地址測試記錄〔要求填寫此時網橋所有MAC表項測試內容MAC表項、目的MAC地址目的端口死亡時間C主機發送一個單播幀給A主機317:38:52D主機發送一個單播幀給C主機317:38:524317:39:29A主機發送一個廣播幀317:38:524317:39:29117:39:56C主機發送一個單播幀給B主機317:40:49317:39:29117:39:563、網橋轉發MAC幀測試a、清空網橋MAC地址表表項,A主機發送一個單播幀給B主機。觀察網橋所有端口的情況并作記錄。b、C主機發送一個單播幀給A主機。觀察網橋所有端口的接及轉發情況并作記錄。c、D主機發送一個單播幀給C主機觀察網橋所有端口的接收及轉發情況并作記錄。d、D主機機發送一個廣播幀。觀察網橋所有端口的接收及轉發情況并作記錄。表4幀轉發測試記錄〔幀內容要求填寫全部內容測試內容記錄與分析MAC表空,A發單播幀給B接收端口號幀內容轉發端口號1呵呵所有其他端口轉發C發單播幀給A接收端口號目的地址源地址轉發端口號？為什么？31端口,MAC表中已經存在A的信息D發單播幀給C接收端口號幀內容轉發端口號？為什么？3happy不能轉發,C、D位于同一個網段D發廣播幀幀內容轉發端口號目的地址源地址good所有其他端口轉發4、網橋對MAC表的管理測試a、清空MAC表項。設置MAC表項生存時間為一個較短的時間〔如60秒。b、A、C主機各任意發送一幀。立即記錄MAC表,60秒后再觀察MAC表并記錄。c、設置D主機的靜態MAC表項。d、B主機發送一個單播幀給D主機。觀察觀察主機B發送緩存和主機D接收緩存,并把顯示的信息記錄下來。e、改變D主機所在的網段,B主機再發送一個單播幀給D主機。觀察主機B發送緩存和D的接收緩存并記錄。f、D主機發送任意一幀。觀察MAC表并記錄。表5MAC地址管理測試〔幀內容要求填寫全部內容測試內容現象或結果A、C主機各任意發送一幀MAC表項時間目的地址端口號死亡時間60秒前117:38:3160秒后無無無D主機的靜態MAC表項目的地址端口號狀態3permanentB主機發送一個單播幀給D主機。B發送的幀內容SoD接收的幀內容SoD主機所在的網段改變后,B主機再發送一個單播幀給D主機D改后的網段74B發送的幀內容lolD能否收到幀？能D主機所在的網段改變后,D主機發送任意一幀網橋中關于主機D的MAC地址目的地址端口號該地址表項是否與D目前所處的網段相符？如不符,需要怎樣修改？3不相符,應該將靜態表項中D的記錄刪除5、兩臺網橋互連組網模擬環境按圖8配置,關閉主機D上的主機端模擬程序,而在主機D上運行網橋模擬程序,其他PC機配置不變。這樣就建立了圖8〔b的兩個網橋組網的虛擬環境。6、兩臺網橋組網的測試a、清空網橋1和網橋2的MAC地址表。將兩網橋的MAC地址生成周期都設置為999s。b、A主機向C主機發送一幀,觀察網橋的處理,并按表6的內容進行記錄。C、B主機向A主機