集线器与交换机的对比实验

共 8 页 第 1 页 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 共 8 页 第 2 页 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 2 IP 地址配置 PCIP 地址子网掩码 PC0192 168 1 1255 255 255 0 PC1192 168 1 2255 255 255 0 PC2192 168 1 3255 255 255 0 PC3192 168 1 4255 255 255 0 共 8 页 第 3 页 PC4192 168 1 5255 255 255 0 PC5192 168 1 6255 255 255 0 PC6192 168 1 1255 255 255 0 PC7192 168 1 2255 255 255 0 PC8192 168 1 3255 255 255 0 PC9192 168 1 4255 255 255 0 PC10192 168 1 5255 255 255 0 PC11192 168 1 6255 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 Event List Filters 事件列表过滤器 只显示 ICMP 事 共 8 页 第 4 页 件 单击 Add Simple PDU 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 Auto Capture 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 Event List Filters 事件列表过滤器 只显示 ICMP 事 件 单击 Add Simple PDU 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 Auto Capture 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 共 8 页 第 5 页 单击 Add Complex PDU 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 Create PDU 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 共 8 页 第 6 页 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 共 8 页 第 7 页 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 Auto Capture 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 共 8 页 第 8 页 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 Auto Capture 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 共 8 页 第 9 页 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 共 8 页 第 10 页 共 8 页 第 11 页 共 8 页 第 12 页 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 共 8 页 第 13 页 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 共 8 页 第 14 页 共 8 页 第 15 页 共 8 页 第 16 页 共 8 页 第 17 页 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 共 8 页 第 18 页 现象 PC6 PC10 分别发送数据包到交换机 1 2 再经其发送给 共 8 页 第 19 页 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 共 8 页 第 20 页 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 共 8 页 第 21 页 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 PCIP 地址子网掩码 PC0192 168 1 1255 255 255 0 PC1192 168 1 2255 255 255 0 PC2192 168 1 3255 255 255 0 共 8 页 第 22 页 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 共 8 页 第 23 页 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 共 8 页 第 24 页 PC000E0 F966 5625 PC100D0 BA0E 6EC7 PC200D0 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 MAC Table 菜单项 弹出窗口中显示当前的地址转发表 共 8 页 第 25 页 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