实验 3：集线器和交换器的区别及交换器的自学习算法

一、 实验目的

1. 加深对集线器和交换器的区别的理解。

2. 了解交换器的自学习算法。

二、 实验环境

• Cisco Packet Tracer 模拟器

三、 实验内容

1、熟悉集线器和交换器的区别

(1) 第一步：构建网络拓扑：构建四个以太网，上面两个以太网使用的网络互联设备为集线器，下面两个使用的网络互联设备为交换机，并分别设置好IP地址。如图1所示。

图 1 构建网络拓扑

(2) 第二步：为了防止ARP广播请求对本次实验的影响，需要在实时模式下，让各以太网的主机之间相互发送数据包，发送完数据包之后，删除刚才的场景。如图2****，****3所示。

图2 主机之间相互发送数据包

图3 删除场景

(3) 第三步：切换到仿真模式下，然后过滤协议，只选择ICMP协议，如图4所示。

图4 只保留ICMP协议

(4) 第四步：让个人电脑0给个人电脑2发送一个ICMP的报文，如图5所示。

图5 发送数据包

(5) 第五步：点击捕获前进之后，ICMP报文通过了集线器广播之后，上面的个人电脑1发现报文的目的MAC地址和自己的网卡的MAC地址是不相同的，所以个人电脑1拒绝接收此报文，而个人电脑2发现地址一样，选择接收。如图6所示。

图6 集线器广播数据包

(6) 第六步：点击捕获前进，个人电脑2发现报文是发送给自己的，所以还需要发送回去一个响应，响应经过集线器之后被广播出去，同理，上面的个人电脑1是不会接收的，而个人电脑0就接收到了响应。如图7所示

图7 集线器广播响应

(7) 第七步：在网络互联设备使用的交换机上，让个人电脑6给个人电脑7发送一个报文，并点击捕获前进。发现交换机会明确的转发给目的计算机，而不是向集线器那样广播出去。如图8所示。

图8 交换机明确转发报文

(8) 第八步：发回响应，同样经过交换机之后，会明确转发出去给目的计算机，而不是广播出来。如图9所示。这表明交换机对数据帧有过滤功能，可以明确的转发数据帧，或者不转发这个数据帧，而集线器收到数据帧之后，都会将其广播出去。

图9 交换机明确转发响应

(9) 第九步：将上面两个使用集线器作为网络互联设备的集线器连接起来，同理让下面的两个交换机连接起来，构建成更大的网络，如图10所示

图10 集线器互联，交换机互联

(10) 第十步：让个人电脑0给个人电脑2发送一个ICMP数据包，并点击捕获前进，发现集线器将收到的数据包广播出去，但是只有网卡的MAC地址与数据包携带的MAC地址一样，才会接受，剩下的都不会接收。如图11，12所示

图11 集线器的广播

图12 MAC地址不一样，拒绝接受

(11) 第十一步：目的计算机收到数据包之后，发回去一个响应，同理集线器收到相应之后，广播出去，经过MAC地址的比对，最终成功发回目的计算机。如图13所示

图13 个人电脑0成功收到响应

(12) 第十二步：在下面使用交换机的网络上，重复刚才的操作。如图14所示。发现交换机并不会广播出去，而是明确的将数据包发给了目的计算机，并将响应明确的发送了回去。

图14 使用交换机发送数据包

(13) 第十三步：让个人电脑0给个人电脑2发送一个数据包，并让个人电脑5给个人电脑4发送一个数据包，点击捕获前进，发现集线器发生碰撞如图15所示，并且，之后，碰撞信号会传遍整个网络，如图16所示。

图15 集线器的碰撞

图16 全部检测到碰撞信号

(14) 第十四步：在下面的交换机上重复刚才的操作，发现并没有碰撞，而是明确的发送给了目的计算机，并成功的接收到了响应。如图17所示。

图17 交换机并没有产生碰撞

(15) 第十五步：给下面的个人电脑6添加一个复杂的PDU，并设置好目的IP地址：255.255.255.255，以及源IP地址（即设置的IP地址），序号填1，单次时间1秒。如图18所示。

图18 添加复杂的PDU

(16) 第十六步：点击捕获前进，发现交换机会将广播帧转发（输入接口除外）出去。如图19所示。

图19 交换机转发广播帧

(17) 第十七步：将上面的集线器之间的连线断开，并在它们中间设置一个交换机，此时通信范围变大了，但是并不会合成一个更大的冲突域，还是两个个小的冲突域，此时再让个人电脑0给个人电脑2发送一个数据包。先转发一次，让交换机自学习一下，然后再转发一次，发现交换机具有隔离冲突域的作用。如图20所示。

图20 交换机具有隔离冲突域的作用

2、交换机的自学习算法

(1) 第一步：构建网络拓扑：在逻辑工作空间上，拖动三个普通计算机和一个交换机，选择自动连接把设备连接起来，并设置好IP，并在计算机旁边写好IP注释。如图21所示。

图 21 构建网络拓扑并写好IP注释

(2) 第二步：写好IP注释以后，点击个人电脑，点击配置，点击FastEthernet0，查看当前计算机的MAC地址，复制MAC地址，写好MAC地址注释，如图22，23所示。

图 22 查看当前计算机的MAC地址

图 23 标注好MAC地址注释

(3) 第三步：切换到仿真模式，过滤协议，只保留ARP和ICMP协议。如图24所示。

图 24 切换仿真，并过滤协议

(4) 第四步：让下方的计算机给右上角的计算机发送一个简单的PDU，如图25所示。可以看到有两个数据包，一个是ICMP，另一个是ARP，之所以会有两个数据包，是因为下方的计算机首先并不知道目的计算机的IP地址和MAC地址的对应关系，所以不能发送ICMP数据包，所以先发送一个ARP的数据包，去询问IP地址为192.168.0.2的主机的MAC地址是什么，知道MAC地址之后，才能在数据链路层封装的时候，填上目的计算机的MAC地址，之后才可以成功地发送ICMP数据包。

图 25 发送一个简单的PDU

(5) 第五步：查看交换机的真转发表（即MAC地址表）。如图26所示**。**由于个主机之间还没有相互传送数据，所以真转发表此时是空的。

图 26 查看交换机的真转发表

(6) 第六步：点击捕获前进，再次查看交换机的真转发表，发现交换机登记了传送过来的数据的相关信息（也就是交换机的自学习），如图27所示。

图 27 再次查看交换机的真转发表

(7) 第七步：交换机的转发，转发是根据数据帧的目的MAC地址来操作的，查看交换机上的PDU信息，发现是一个广播帧。如图28所示。

图 28 查看交换机的PDU信息

(8) 第八步：点击捕获前进，交换机会将此广播帧进行转发除了输入端口的其余端口，如图29所示。然后根据IP地址以及MAC地址的对应关系来选择是否接收。

图 29 交换机转发广播帧

(9) 第九步：点击捕获前进，目的计算机收到数据包之后，将自身的IP地址以及MAC地址，封装成一个单波响应，再发送回交换机。如图30所示。此时再查看交换机上的PDU信息，发现真转发表上多出来了一条记录。记录了发送出去的端口号以及MAC地址。如图31所示。

图 30 交换机收到单波响应

图 31 查看交换机上的PDU信息

(10) 第十步：点击捕获前进，此时由于交换机的真转发表里面记录了下方的主机的MAC地址，所以就不会将收到的单波响应转发给所有的端口，而是按照真转发表里面的MAC地址，正确的转发给下方的主机，从而下方的主机受到了来自目的计算机的单波响应（即是ARP的响应报文），如图32所示。

图 32 主机收到目的主机的ARP响应报文

(11) 第十一步：点击捕获前进，经过上述的操作之后，ARP报文发送出去了，此时就可以发送真正的ICMP报文了，到达交换机之后，进行同样的登记，转发这两个操作，如图33所示。目的计算机收到报文之后，发回去一个响应，经过交换机，原主机收到目的计算机发回来的响应。如图34所示。

图 33交换机收到ICMP报文

图34原主机收到目的主机的响应

(12) 第十二步：拓建网络拓扑（五个主机，一个交换机，一个集线器），并配置好IP地址，以及写好IP注释以及MAC注释，以及使用自动连线连好设备，并重启各个设备。如图35所示。

图 35 拓建网络拓扑

(13) 第十三步：在实时模式下，让右上角的计算机发送一个简单的PDU给右下角的计算机，目的其一是为了让这两个计算机之间知道对方的IP地址和MAC地址的对应关系，以免ARP的广播请求影响对实验效果的观察；其二是为了让交换机登记两个计算机的MAC地址（也就是自学习了两次），第一次自学习是原主机发送的PDU通过集线器广播出去了，所以交换机就记录了第一台主机的MAC地址以及端口，第二次学习是目的计算机发回的响应同样通过集线器广播出去了，所以交换机就记录了第二台主机的MAC地址以及端口。如图36所示。查看交换机的真转发表。如图37所示。

图 36 主机之间发送简单的PDU

图 37 交换机的真转发表

(14) 第十四步：切换到仿真模式下，让右上角的计算机给右下角的计算机再发送一个简单的PDU，并点击捕获前进，通过集线器的广播，这个PDU会到达交换机，但是会被交换机给丢弃。如图38所示。这是因为交换机在查看了自己的真转发表之后，发现再转发出去没有必要了，因为数据已经到达目的计算机了，所以交换器选择丢掉此数据包。这就是交换机可以对帧进行过滤的特性。

图38 交换机丢掉不必要的数据包

(15) 第十五步：删除刚才的场景，点击交换机，再点击命令行界面，点击回车，输入enable，进入特权模式，输入show mac-a指令，查看交换机的MAC地址表，如图39所示。

图 39 查看交换机的MAC地址表

(16) 第十六步：使用命令clear mac-a清除MAC地址表里面的内容。如图40所示。

图 40 清除交换机的MAC地址表

(17) 第十七步：清除了交换机里面的MAC地址表之后，再次切换到仿真模式，再次让右上角的计算机给右下角的计算机发送一个简单的PDU，此时经过集线器的广播之后，到达交换机，但是交换机里面的MAC地址表是空的，所以它只能向外转发（输入端口除外），这就是交换机的洪泛。如图41所示。

图 41交换机的洪泛

四、 实验体会

1.这两个实验的步骤都遵循构建网络拓扑、配置网络环境、跟踪数据包和查看数据包这四个规则。

2. Cisco Packet Tracer 模拟器可以清晰地展示 PDU 在传送过程，设备是如何处理 PDU 的。通过仿真传送过程，有助于我们理解有关的知识。

3.了解了集线器和交换机的区别，集线器是会将传过来的数据进行广播出去，但是交换机是会明确的转发出去，不是广播，有的时候，集线器会存在碰撞的情况，并且交换机也具有隔离冲突域的作用，交换机还具有过滤数据帧的作用。

4.了解了交换机的自学习算法，从主机传送过来的数据包，经过交换机之后，交换机会登记并转发，若此时交换机的MAC地址表是空的，那么交换机就会洪泛的转发出去，但是转发过后，就会在MAC地址表里面留下记录，下次转发的时候，就不是洪泛的转发了，而是根据MAC地址表里存储的信息来具体的操作。