集线器与交换机的对比实验讲解.docx

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集线器与交换机的对比实验讲解

计算机科学与技术学院计算机网络实验实验报告

实验项目集线器与交换机的对比实验实验日期2016/4/22

一实验目的

1.1了解集线器和交换机的如何转发数据。

1.2理解冲突域和广播域的概念。

1.3对比单播以太网帧和广播以太网帧的目标MAC地址。

二实验原理

2.1冲突域与广播域

冲突域：

在该域内某一时刻只能有一个站点发送数据，如果两个站点同时发送数据会引起冲突，则这两个站点处于同一个冲突域内。

广播域：

在以太网中，能够接收到任意站点发送的广播帧的所有站点的集合称为一个广播域。

2.2集线器和交换机

集线器和交换机都是为了扩大以太网覆盖范围而使用的连接设备，但二者的工作原理存在很大差异。

集线器工作在OSI体系结构的物理层。

集线器的主要功能是对接收到的信号进行放大、转发，从而扩展以太网的覆盖范围。

由于物理层传输的信号是无结构的，因此集线器无法识别接收方，只能将从一个端口接收到信号放大后复制到所有其他端口，即向与该集线器连接的所有站点转发。

交换机工作在OSI参考模型的第二层数据链路层。

交换机使用以太网帧中的MAC地址进行数据帧转发，从而有效地过滤数据帧。

交换机可以在多个端口对之间同时建立多条并发连接，使得与不同端口连接站点同时发送数据时，各连接线路彼此互不影响。

三实验要求

3.1拓扑图

该实验用到4个拓扑图。

其中拓扑图1和拓扑图2是以集线器为中心的共享式以太网；拓扑图3和拓扑图4是以交换机为中心的交换式以太网。

其中拓扑图1和拓扑图2主要用于观察集线器的运行及理解冲突域的概念；拓扑图3和拓扑图4主要用于观察交换机的运行及理解交换机隔离冲突域但不隔离广播域的特性。

在对应的实验步骤中，我们需要将拓扑图1和拓扑图2使用交叉双绞线连接起来，将拓扑图3和拓扑图4使用交叉双绞线连接起来，从而观察使用集线器和交换机进行以太网扩展时对冲突域和广播域的影响，从而理解两类设备在扩展以太网时的作用和局限性。

3.2IP地址配置

PC

IP地址

子网掩码

PC0

192.168.1.1

255.255.255.0

PC1

192.168.1.2

255.255.255.0

PC2

192.168.1.3

255.255.255.0

PC3

192.168.1.4

255.255.255.0

PC4

192.168.1.5

255.255.255.0

PC5

192.168.1.6

255.255.255.0

PC6

192.168.1.1

255.255.255.0

PC7

192.168.1.2

255.255.255.0

PC8

192.168.1.3

255.255.255.0

PC9

192.168.1.4

255.255.255.0

PC10

192.168.1.5

255.255.255.0

PC11

192.168.1.6

255.255.255.0

四实验步骤、结果（程序+注释+截图）及分析

4.1观察集线器和交换机的运行

4.1.1准备工作

打开软件，添加设备进行连接，按照实验要求配置PC的IP地址。

若此时交换机端口指示灯呈橙色，则单击主窗口右下角Realtime（实时）Simulation（模拟）模式切换按钮数次，直至交换机指示灯呈绿色。

此步骤可加速完成交换机的初始化。

4.1.2观察集线器对单播包的处理

进入Simulation（模拟）模式。

设置EventListFilters（事件列表过滤器）只显示ICMP事件。

单击AddSimplePDU（添加简单PDU）按钮，在拓扑图中添加PC0向PC2发送的数据包。

单击AutoCapture/Play（自动捕获/执行）按钮，捕获数据包。

现象：

PC0发送单播包到集线器1，通过集线器发给PC1、PC2、PC3，但只有PC2成功接收，PC2通过集线器发单播包PC0、PC1、PC3，只有PC0接收。

4.1.3观察交换机对单播包的处理

进入Simulation（模拟）模式。

设置EventListFilters（事件列表过滤器）只显示ICMP事件。

单击AddSimplePDU（添加简单PDU）按钮，在拓扑图中添加PC6向PC8发送的数据包。

单击AutoCapture/Play（自动捕获/执行）按钮，捕获数据包。

现象：

PC6发送单播包到交换机1，交换机将其发送给PC8，PC8接收单播包，然后PC8经交换机单播包返回PC6，结束执行。

经过步骤3,4现象的对比，得出集线器工作在物理层，接收到单播包时向所有端口转发；交换机工作在数据链路层，依据目标MAC地址转发数据帧，所以接收到单播包时仅向目标节点所连接的端口转发数据帧。

4.1.4观察集线器对广播包的处理

单击窗口下方Delete按钮，删除任务一产生的场景。

单击AddComplexPDU（添加复杂PDU）按钮，单击PC0，在弹出的对话框中设置参数：

（如下图）。

然后单击该对话框下方的CreatePDU按钮，创建数据包。

单击（捕获/执行）按钮，数据包到达集线器，再次单击（捕获/执行），集线器向与源站点PC0在同一广播域的所有站点转发数据包。

现象：

PC0经集线器发送广播包到PC1、PC2、PC3，多站点同时发送数据会发生冲突，通信失败。

4.1.5观察交换机对广播包的处理

单击窗口下方Delete按钮，删除场景。

如上一步骤的方法，在PC6上添加一个复杂的PDU，参数设置与之前相同。

单击Capture/Forward按钮，数据包到达交换机，再次点击，交换机向与源站点PC6在同一广播域的所有站点转发数据包。

现象：

PC6发送广播包给交换机，交换机接受然后转发给PC9、PC7、PC8；它们同时发送给交换机，交换机将其发送给PC6，通信成功完成。

4.2分别观察以集线器和以交换机为中心的以太网中，多个站点同时发送数据情况。

4.2.1观察以集线器为中心的以太网中多个站点同时发送数据的情况

单击窗口下方Delete按钮，删除场景。

添加简单PDU，PC0向PC2发送的数据包；PC1向PC3发送数据包。

单击AutoCapture/Play，观察数据包各个节点的情况、集线器及主机对数据包的处理。

现象：

数据包到达集线器发生数据冲突，集线器发送数据包到各个主机，发生数据冲突，PC2丢弃数据包。

4.2.2观察以交换机为中心的以太网中多个站点同时发送数据的情况

单击窗口下方Delete按钮，删除场景。

添加简单PDU，PC6向PC8发送的数据包；PC7向PC9发送数据包。

单击AutoCapture/Play，观察数据包各个节点的情况、交换机及主机对数据包的处理。

现象:

PC6,PC7向交换机发送数据包，交换机将数据发给PC6、PC7、PC8、PC9，PC6发送的PC8接收，其他PC丢弃；PC7发送的PC9接收，其他PC丢弃；之后返回数据包，PC6、PC7通信成功。

4.3观察集线器和交换机在扩展以太网覆盖范围同时，对冲突域和广播域范围影响

4.3.1观察集线器扩展以太网时对冲突域范围的影响

扩展集线器，用交叉线连接拓扑图1、2中的两台集线器，添加简单PDU，PC0向PC2发送数据包，PC4向PC5发送数据包。

单击Capture/Forward，直至此次通信结束。

现象：

在这一过程中，由于延迟的存在，在PC4发送的数据到达集线器1冲突之前，PC0发送的数据包已经到达PC2，而在PC2发送应答包时，与到达集线器1的数据冲突。

间隔一定时间后，PC2重新发送数据包，最终数据到达PC0。

PC4与PC5的情况类似。

4.3.2观察集线器扩展以太网时对广播域范围的影响

删除之前场景，使PC0向其所在广播域内所有节点发送广播包，依次点击Capture/Forward，观察广播包的发送范围。

现象：

PC0发送广播包到达集线器1，集线器1将其发送给PC1、PC2、PC3、集线器2；PC2应答包在集线器1发生冲突，此时集线器2发送数据到PC4、PC5；之后发送的应答包发送冲突；PC4丢弃数据包，PC1、PC3丢弃数据包，PC5丢弃数据包，通信结束。

由以上两个实验得出，集线器在扩大以太网规模的同时，也扩大了冲突域。

当网络规模扩大，站点数量增加时，网络中发生冲突的可能性也将增加，这将导致网络性能下降。

4.3.3观察交换机扩展以太网时对冲突域及广播域的影响

依照前边的实验交换机扩展以太网，添加一个简单PDU，PC6发送数据包到PC8，PC10发送数据包到PC11。

现象：

PC6，PC10分别发送数据包到交换机1、2，再经其发送给PC8、PC11，PC8、PC11发送应答包，PC6、PC10成功接收，通信结束。

删除之前场景，使PC0向其所在广播域内所有节点发送广播包，依次点击Capture/Forward，观察广播包的发送范围。

现象：

PC6发送数据包到交换机，再经其发送给PC7、PC8、PC9、交换机2；交换机2发送给PC10、PC11；PC发送应答包，PC6通信成功。

由此上实验得知，虽然使用交换机解决了冲突域的问题，但是交换机并不隔离广播域，使用交换机扩大网络规模的同时也扩大了广播域。

这将使以太网中广播包的数量增加，当广播包的数据量达到一定数量时，网络性能下降。

实验项目交换机工作原理

一实验目的

1.1理解交换机通过逆向自学习算法建立地址转发表的过程

1.2理解交换机转发数据帧的规则

1.3理解交换机的工作原理

二实验原理

2.1逆向自学习算法建立地址转发表

逆向自学习算法的基本思想是：

如果交换机通过端口N接收站点A发送的数据帧，那么相反地，交换机也可以通过端口N把数据帧传送给站点A。

因此交换机建立转发表的过程是根据其接收到的数据帧中的源MAC地址与接口端口之间的映射关系建立起来的。

当交换机接收到某站点发送的数据帧时，就会将其源MAC地址与该帧进入交换机的端口写入转发表。

2.2交换机转发数据帧的规则

若转发表中无目标MAC地址对应的表项，则交换机采用洪泛转发，即向所有其他端口转发该数据帧；

若转发表中有目标MAC地址对应的表项，则该表项中记录的转发端口与该数据帧进入交换机的端口相同，则丢弃该数据帧；

若转发表中有目标MAC地址对应的表项，则该表项中记录的转发端口与该数据帧进入交换机的端口不同，则向转发端口传送该数据帧。

三实验要求

3.1拓扑图

3.2IP地址配置

PC

IP地址

子网掩码

PC0

192.168.1.1

255.255.255.0

PC1

192.168.1.2

255.255.255.0

PC2

192.168.1.3

255.255.255.0

四实验步骤、结果（程序+注释+截图）及分析

4.1观察单播以太网帧的封装

4.1.1步骤一：

准备工作

打开软件，添加设备按照拓扑图进行连接，按照实验要求配置PC的IP地址。

4.1.1步骤二：

删除交换机MAC地址表

删除Switch0、Switch1、Switch2的地址转换表。

4.2观察交换机的工作原理

4.2.1步骤一：

查看并记录PC0和PC2的Mac地址

鼠标左键单击PC0\PC1\PC2，在弹出窗口中选择Config选项卡，选择FastEthernet0，查看并记录MAC地址。

PC0

00E0.F966.5625

PC1

00D0.BA0E.6EC7

PC2

00D0.BCE9.C0B8

4.2.2步骤二：

添加PC0到PC2的数据包

添加简单数据包，PC0到PC2。

4.2.3步骤三：

分别查看三台交换机在发送数据前的地址转发表

选中拓扑工作区工作条上的Inspect工具，单击Switch0，在弹出菜单中选择MACTable菜单项，弹出窗口中显示当前的地址转发表。

由图可知，记录源主机PC0和目标主机PC2的MAC地址不存在于三个交换机中。

4.2.4步骤四：

查看Switch0的学习和转发过程

单击Capture/Forward一次,在Switch0的图标上出现信封图标后，查看Switch0的地址转换表，与步骤三的结果进行对比，得出地址转换表增加了一条：

00E0.F966.5625F0/1。

单击Capture/Forward一次，Switch0转发数据包给Switch1，向除接收端口之外的所有其他端口转发，即洪泛转发。

4.2.5步骤五：

观察Switch1和Switch2的学习和转发过程

按照步骤四观察Switch1和Switch2在接收到数据包前和接收到数据包后地址转发表的变换情况，以及观察其对观察其对数据包的处理方式。

由上可知，Switch1，Switch2地址转发表都添加了项，向除接收端口之外的所有其他端口转发，即洪泛转发。

删除所有场景，参照上述操作步骤，完成PC1向PC0发送数据、删除Switch1的地址转发表后PC1向PC0发送数据的过程的实验操作。

五实验遇到的困难及解决

在实验过程中，因自动执行太快不能及时的理解其发送的过程，但当发现Capture/Forward及EventList能观察时，能清楚的理解步骤。

六实验心得总结

通过本次实验，知道集线器和交换机转发数据方式，以及了解冲突域和广播域，通过验证性实验证实了理论知识，进一步理解集线器和交换机在扩大网络规模中的作用和局限性。