集線器與交換機的對比實驗

1、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計算機網(wǎng)絡(luò)實驗 實驗報告實驗項目 集線器與交換機的對比實驗 實驗日期 2016/4/22 一 實驗?zāi)康?.1了解集線器和交換機的如何轉(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 實驗原理2.1沖突域與廣播域沖突域：在該域內(nèi)某一時刻只能有一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，如果兩個站點同時發(fā)送數(shù)據(jù)會引起沖突，則這兩個站點處于同一個沖突域內(nèi)。廣播域：在以太網(wǎng)中，能夠接收到任意站點發(fā)送的廣播幀的所有站點的集合稱為一個廣播域。2.2集線器和交換機 集線器和交換機都是為了擴大以太網(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接收到的信號進行放大、轉(zhuǎn)發(fā)，從而擴展以太網(wǎng)的覆蓋范圍。由于物理層傳輸?shù)男盘柺菬o結(jié)構(gòu)的，因此集線器無法識別接收方，只能將從一個端口接收到信號放大后復(fù)制到所有其他端口，即向與該集線器連接的所有站點轉(zhuǎn)發(fā)。交換機工作在OSI參考模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層。交換機使用以太網(wǎng)幀中的MAC地址進行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)，從而有效地過濾數(shù)據(jù)幀。交換機可以在多個端口對之間同時建立多條并發(fā)連接，使得與不同端口連接站點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，各連接線路彼此互不影響。三 實驗要求3.1拓?fù)鋱D該實驗用到4個拓?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的運行及理解交換機隔離沖突域但不隔離廣播域的特性。在對應(yīng)的實驗步驟中，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進行以太網(wǎng)擴展時對沖突域和廣播域的影響，從而理解兩類設(shè)備在擴展以太網(wǎng)時的作用和局限性。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 實驗步驟、結(jié)果（程序+注釋+截圖）及分析4.1觀察集線器和交換機的運行4.1.1準(zhǔn)備工作打開軟件，添加設(shè)

5、備進行連接，按照實驗要求配置PC的IP地址。若此時交換機端口指示燈呈橙色，則單擊主窗口右下角Realtime（實時） Simulation（模擬）模式切換按鈕數(shù)次，直至交換機指示燈呈綠色。此步驟可加速完成交換機的初始化。4.1.2觀察集線器對單播包的處理進入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(自動捕獲/執(zhí)行)按鈕，捕獲數(shù)據(jù)包?，F(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觀察交換機對單播包的處理進入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(自動捕獲/執(zhí)行)按鈕，捕獲數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)象：PC6發(fā)送單播包到交換機1，交換機將其發(fā)送給PC8，PC8接收單播包，然后PC8經(jīng)交換機單播包返回PC6，結(jié)束執(zhí)行。經(jīng)過步驟3,4現(xiàn)象的對比，得出集線器工作在物理層，接收到

7、單播包時向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)；交換機工作在數(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僅向目標(biāo)節(jié)點所連接的端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。4.1.4觀察集線器對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，在彈出的對話框中設(shè)置參數(shù)：（如下圖）。然后單擊該對話框下方的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)包到達集線器，再次單擊（捕獲/執(zhí)行），集線器向與源站點PC0在同一廣播域的所有站點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)象：PC0經(jīng)集線器發(fā)送廣播包到PC1、PC2、PC3，多站點同時發(fā)送數(shù)據(jù)會發(fā)生沖突，通信失

8、敗。4.1.5觀察交換機對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)包到達交換機，再次點擊，交換機向與源站點PC6在同一廣播域的所有站點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)象：PC6發(fā)送廣播包給交換機，交換機接受然后轉(zhuǎn)發(fā)給PC9、PC7、PC8；它們同時發(fā)送給交換機，交換機將其發(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為中心的以太網(wǎng)中，多個站點同時發(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)中多個站點同時發(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)包各個節(jié)點的情況、集線器及主機對數(shù)據(jù)包的處理?，F(xiàn)象：數(shù)據(jù)包到達集線器發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，集線器發(fā)送數(shù)據(jù)包到各個主機，發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，PC2丟棄數(shù)據(jù)包。4.2.2觀察以交換機為中心的以太網(wǎng)中多個站點同時發(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)包各個節(jié)點的情況、交換機及主機對數(shù)據(jù)包的處理?，F(xiàn)象: PC6, PC7向交換機發(fā)送數(shù)據(jù)包，交換機將數(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；之后返回數(shù)據(jù)包，PC6、PC7通信成功。4.3觀察集線器和交換機在擴展以太網(wǎng)覆蓋范圍同時，對沖突域和廣播域范圍影響4.3.1觀察集線器擴展以太網(wǎng)時對沖突域范圍的影響擴展集線器，用交叉線連接拓?fù)鋱D1、2中的兩臺集線器，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?，F(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)到達集線器1沖突之前，PC0發(fā)送的數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達PC2，而在PC2發(fā)送應(yīng)答包時，與到達集線器1的數(shù)據(jù)沖突。間隔一定時間后

11、，PC2重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，最終數(shù)據(jù)到達PC0。PC4與PC5的情況類似。4.3.2觀察集線器擴展以太網(wǎng)時對廣播域范圍的影響 刪除之前場景，使PC0向其所在廣播域內(nèi)所有節(jié)點發(fā)送廣播包，依次點擊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。由以上兩個實驗得出，集線器在擴大以太網(wǎng)規(guī)模的同時，也擴大了沖突域。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大，站點數(shù)量增加

12、時，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觀察交換機擴展以太網(wǎng)時對沖突域及廣播域的影響 依照前邊的實驗交換機擴展以太網(wǎng)，添加一個簡單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)點發(fā)送廣播包，依次點擊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，再經(jīng)其發(fā)送給PC7、PC8、PC9、交換機2；交換機2發(fā)送給PC10、PC11；

13、PC發(fā)送應(yīng)答包，PC6通信成功。由此上實驗得知，雖然使用交換機解決了沖突域的問題，但是交換機并不隔離廣播域，使用交換機擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的同時也擴大了廣播域。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)量達到一定數(shù)量時，網(wǎng)絡(luò)性能下降。實驗項目 交換機工作原理 一 實驗?zāi)康?.1理解交換機通過逆向自學(xué)習(xí)算法建立地址轉(zhuǎn)發(fā)表的過程1.2理解交換機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的規(guī)則1.3理解交換機的工作原理二 實驗原理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：如果交換機通過端口N接收站點A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，那么相反地，交換機也可以通過端口N把數(shù)據(jù)幀傳送給站點A。因此交換機建立轉(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)交換機接收到某站點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時，就會將其源MAC地址與該幀進入交換機的端口寫入轉(zhuǎn)發(fā)表。2.2交換機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的規(guī)則 若轉(zhuǎn)發(fā)表中無目標(biāo)MAC地址對應(yīng)的表項，則交換機采用洪泛轉(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地址對應(yīng)的表項，則該表項中記錄的轉(zhuǎn)發(fā)端口與該數(shù)據(jù)幀進入交換機的端口相同，則丟棄該數(shù)據(jù)幀；若轉(zhuǎn)發(fā)表中有目標(biāo)MAC地址對應(yīng)的表項，則該表項中記錄的轉(zhuǎn)發(fā)端口與該數(shù)據(jù)幀進入交換機的端口不同，則向轉(zhuǎn)發(fā)端口傳送該數(shù)據(jù)幀。三 實驗要求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 實驗步驟、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進行連接，按照實驗要求配置PC的IP地址。4.1.1步驟二：刪除交換機MAC地址表刪除Switch0、 Switch1、Switch2的地址轉(zhuǎn)換表。4.2觀察交換機的工作原理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：分別查看三臺交換機在發(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，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PC0和目標(biāo)主機PC2的MAC地址不存在于三個交換機中。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)果進行對比，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，以及觀察其對觀察其對數(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，向除接收端口之外