前言

2023-5-8 20:02:42

以下内容源自《【计算机网络】【实验】》
仅供学习交流使用

推荐

1 认识仿真工具Packet Tracer【实验】【计算机网络】

2直接连接的网络与VLAN划分

2.1共享式以太网和交换式以太网

实验目的

1．理解集线器和交换机如何转发数据。
2．能够正确分析共享式以太网和交换式以太网中数据的转发过程;
3．掌握冲突域和广播域的概念;
4．理解集线器、交换机对冲突域和广播域的影响;
5．能够准确判断以太网中冲突域和广播域的数量和范围;6．理解集线器和交换机在进行以太网扩展时的作用和局限性。

实验内容及实验环境

1．利用2台集线器,6台主机搭建共享式以太网;
2.利用2台以太网交换机，6台主机搭建交换式以太网;
3.构造单播和广播数据，观察不同数据在共享式以太网和交换式以太网上的传输过程;
4.对比分析扩展网络范围前后交换机和集线器对冲突域和广播域的影响。

实验原理

共享式以太网

• 总线型:粗缆﹑细缆
• 星型:集线器(盒中总线)

图为三个使用集线器连接的共享式以太网
每一个共享式以太网是一个冲突域
冲突域是指可能发生信号冲突的范围

在这个范围里，一个时刻只能有一个站点向外发送数据
集线器会将该数据广播出去
意味着所有的站点都会受到这个数据

如果，同一时刻有两个站点发送数据，就会产生冲突

所以，在总线上的站点会争抢总线站点，这种争抢是在一种争用协议CMSA/CD协议控制下进行的。
以尽量降低总线上冲突的发生，以及冲突的影响。

如果在使用一个集线器将这三个冲突与互相连接起来，那么这三个冲突域将会合并成为一个更大的冲突域。
这相当于原来的三条总线合并成了一条总线专用总线带宽的站点数量变多了一个时刻，一个站点占用总线发送数据时，其他站点不能发送数据。这可能会造成许多站点都处于检测等待状态。
一个共享是以太网中连接的站点，数量越多，总线的竞争者越多，网络性能越差。
这样的网络工作在半双工方式下，所有的站点都可以发送和接收数据，但是同一时刻要么发送，要么接收不能同时。

假设图中褐色的两个站点为收发双方。
共享式以太网以广播方式传送数据。
一个站发送了单播帧冲突域内的其他站点均可收到。
虽然只有帧的目的地址与自己的MAC地址相匹配的主机才会接收该帧，比如说褐色的站点。
但是在冲突域内任何一个站点上安装嗅探器，均可以轻松的捕获该帧，比如说图中蓝色的这些站点。
那么这样的话就存在一定的安全隐患。

• 交换机每个端口对应一个独立的冲突域
• 交换机可以过滤通信量，从而实现冲突域的隔离

如果上述三个冲突域不使用集线器连接，那么冲突域就不会合并。
那么这个图当中呢，我们可以看到集线器连接的所有站点，他们试图处于一个重复域的。
在一个冲突域内部是不允许多个站同时发送数据。但是，一个冲突域内部的通信是不会影响另外一个冲突域内部的通信，
就像我们图中所看到的这样，这三对站点的通信，是互不影响，可以同时进行图中交换机的三个端口，分别对应三个独立的冲突域，
也就是说交换机，把局域网分割成了更小的冲突域。
对比于之前我们用集线器互联的时候我们看到的是集线器将所有的冲突域呢合并成了一个更大的冲突。
那么交换机的这一特性呢？它可以过滤不必要的流量，实现冲突率的隔离。

交换式以太网

• 交换式以太网的核心是交换机，直连PC，全双工﹑无冲突
• 根据目的地址转发数据帧，而非广播方式

现今，集线器已经退出了市场。图中这种交换机和集线器混合使用的场景，基本上我们是看不到了。
那么现在的以太网全部使用交换机进行连接，称之为交换式以太网。
交换式以太网的核心就是交换机。每一个交换机的端口可以连接其他交换机，或者直接连接用户主机。
我们刚才了解到交换机的每个端口对应独立的冲突域，那么交换机多个端口连接多个主机，则相当于呢将网络划分成许多微小的网段。
我们这里说的网段，指的就是一个冲突域。那么每个网段只有一台主机。
因此，在全双工的模式下，可以实现无冲突的数据传输。
当主机向外发送一个单播帧时，交换机根据这个帧的目的地址，将帧明确地送至目的站点，而不是广播至所有的站点。

• 交换式以太网中通信双方可以独占传输媒体，无冲突地传输数据
• 提高网络吞吐量

交换式以太网避免了共享，是以太网中多个站点竞争总线时可能发生的信号冲突问题。
同一个时刻，多个站点可以同时通信，相互通信的主机独占传输媒体无冲突地传输数据。
这样，就提高了网络的整体的吞吐量。

那么，实验原理就为大家介绍到这里。
下面我们进行实验过程的演示。

实验过程

搭建实验环境

首先，我们需要2台集线器，主机的数量是6台
实验中，主机的数量可以更多

选择线缆，使用直通线，连接主机和集线器
三台主机连接到一个集线器上

选择交换机2台
添加主机6台
使用直通线将主机和交换机连接起来

注意：这里两台交换机之间和两台集线器之间暂时不连线

如何将连线显示/隐藏端口
打开Option选项

取消勾选该项即可

如何将设备显示/隐藏名
打开Option选项

取消勾选该项：

即可隐藏

下面自行标注信息
点击Place Note按键

空白处点击输入Note
长按Node，可以移动

点击复制按钮，Ctrl+左键Note，然后移动Note，可快速配置
如下图

对主机进行IP配置
利用Desktop中的IP Configuration

对PC0进行配置
ip地址：192.168.1.1
页码：默认

其余：与集线器连接的PC
PC1：192.168.1.2
PC2：192.168.1.3
PC3：192.168.1.4
PC4：192.168.1.5
PC5：192.168.1.6

与交换机连接的PC
PC6：192.168.1.1
PC7：192.168.1.2
PC8：192.168.1.3
PC9：192.168.1.4
PC10：192.168.1.5
PC11：192.168.1.6

因为，在本次实验中集线器不会与交换机连接
所以，只需本网络内的主机IP不冲突即可

初始化序训练

之后，我们对交换机的拓扑进行初始化序训练

PC6对PC7发送简单数据包
PC6对PC8发送简单数据包

PC9对PC10发送简单数据包
PC9对PC11发送简单数据包

然后点击Inspect按钮，查看交换机的MAC Table

可以看到MAC Table中有三条信息
说明已经学习到了自己的mac地址表中

同样查看Switch1的Mac Table的信息
也有三条，说明该交换机也学习到了PC的mac地址。

至此，初始化训练结束

操作共享式以太网-

进入Simulation，事件列表中过滤选择ICMP

PC0对PC1发送简单数据包

集线器会如何处理？
会看到PC1发现目的Mac地址是自己，会接受
而PC2会忽略该帧

紧接着PC1发回响应
集线器会怎么处理该帧？

我们看到还是以广播的方式

响应是给PC0的，所以PC0接受，PC2忽略该帧

我们通常将目的地址是单站的帧，称之为单播帧
我们可以观察到，在共享式以太网中，单播帧是以广播的形式进行传送的

操作交换式以太网

接下来，我们在交换机连接的交换式以太网中，同样发送单播帧，查看单播帧的转发

首先点击Delete按钮，清除刚才的场景

然后，我们让PC6给PC7发送单播帧

可以看到，交换机会有目的地转发到PC7，而不是广播出去

PC7发回的响应，也会有目的地发回PC6

思考：为什么在共享式以太网中，要广播地转发；而在交换式以太网中能有目的地转发？

我们可以从交换机与集线器的工作原理上进行解释：
交换机可以缓存帧，将帧目的地转发
而集线器只是对接受到的信号进行整型放大，然后转发至所有端口

所以，我们看到在共享式以太网中是以广播的方式传送单播帧

查看共享式以太网冲突

下面，我们看在共享式以太网中同时发送数据

PC0给PC2发送数据
PC1给PC0发送数据

可以看到发生了冲突

这里，集线器相当于一根物理总线
一个时刻只允许发送一个数据
多个数据的发送必然会导致冲突
冲突之后，数据就毁损了
要等总线空闲后，再次尝试发送

下面，清除掉这个场景

我们把冲突可能发送的范围，称为冲突域

下面，我们用矩形工具圈出冲突域

两个集线器没有连接，各自有一个冲突域

查看交换式以太网冲突

在交换式以太网中同时发送两个数据

PC6给PC8发送数据
PC7给PC6发送数据

可以看到交换机有目的地转发两个帧
并没有造成冲突

接下来PC6和PC8发回响应帧

在交换式以太网中，交换机有目的地转发帧，没有造成冲突

清除当前场景

演示：如果对个主机给同一主机发送数据，会不会造成冲突？

PC6给PC8发送数据
PC7给PC8发送数据

交换机会进行缓存，在缓存中排队

紫色的帧先到达PC8

然后红色的帧到达PC8，然后PC8发回响应

在整个过程中，并没有造成冲突

按下Delete，清除当前场景

交叉线连接

使用交叉线连接两台集线器
使用交叉线连接两台交换机

共享式以太网冲突域的变化

在共享式以太网中：
本来的两个冲突域中：

• PC0给PC1发送数据
• PC3给PC4发送数据

数据到达集线器

集线器广播帧

我们可以看到发送冲突

思考：这还是两个冲突域吗？

通过：刚才的演示，冲突波及的范围，可以看出冲突域扩大了

当集线器连接到一起时，网络的规模扩大了，冲突域也变大了。
由此，得知：集线器划分不了冲突域

那么：冲突域的扩大，会对网络造成什么影响？

下面：我们在扩大的冲突域中，发送一个单播帧。

• PC0给PC1发送数据包

该帧到达集线器时，会从入口以外的所有端口广播出去

此时PC1已经接受这个数据

同样：Hub1收到这个数据，也会广播出去

使得：PC3 4 5都受到这个数据，因地址不匹配而忽略

PC1发回的响应数据，同样也会广播出去

假设：我们在PC2 3 4 5中安装嗅探软件，就会得知PC0与PC1之间发送的数据

清除场景

交换式以太网冲突域的变化

切换到RealTime模式

首先进行训练

• PC6给PC9发送简单数据包
• PC7给PC10发送简单数据包
• PC8给PC11发送简单数据包

然后，清除场景

切换到Simulation模式

现在在交换式以太网中：我们让两台主机同时发送数据

• PC6给PC7发送数据
• PC9给PC10发送数据

可以看到：网络规模虽然变大了，但是对数据传送没有影响

对同时发送的单播帧，进行有目的地转发，而不会产生冲突。

清除当前场景

交换机连接集线器

清除两个集线器之间的交叉线
清除冲突域矩形框

两台集线器之间使用交换机连接

使用交叉线连接交换机与集线器

可使用Play按钮，尽快连接

为了不必要的干扰，我们训练该网络

切换到RealTime模式

进行PC之间的发送数据

• PC0给PC3发送
• PC1给PC4发送
• PC2给PC5发送

清除上个场景

切换到Simulation模式

现在：我们不能单纯地看成共享式以太网，有交换机连接，可以看成共享–交换混合式

现在：我们让交换机两侧各有一台主机发送数据

• PC0给PC1发送数据
• PC3给PC4发送数据

数据到达集线器后，会被广播
交换机收到数据，小x表示交换机丢弃了该帧
因为交换机判断：不需要转发
PC2、PC5因目的地址不匹配而丢弃

响应数据到达集线器之后，依然会被广播出去
同样：交换机判断丢弃这两个帧

不难看出：用交换机连接，两边的冲突域不会扩大

用矩形框示意冲突域的范围

交换机的两个端口分别对应着了两个独立的冲突域
中间的交换机起到了隔离冲突域作用

利用这个规则，可以很快地数出冲突域的个数

交换式以太网中观察广播帧传输情况

在共享式以太网中，集线器连单播帧都会转发，更不用说广播帧了

下面：我们看在交换式以太网中观察广播帧的传输情况

点击添加复杂帧：由PC6发出
目的地址：填写255.255.255.255
原地址：填写PC6的IP地址（192.168.1.1）

点击：Create PDU

PC6发广播帧

到达交换机时，广播出去

Switch1将其广播

广播的范围称为广播域

我们用矩形框画出交换式以太网的广播域

可以看出：交换机不能隔离广播域

在看上面的拓扑图，画出其广播域

清除当前场景

实验演示部分到此结束

小结

我们对本实验进行简单的小结：

共享式以太网，由早起的物理总线演变为由集线器连接的网络。
集线器相当于之前的物理总线。它无法隔离冲突域，也无法隔离广播域。
在集线器连接的共享式以太网中，所有站点同处于一个冲突域共享总线带宽。

而在交换式以太网中，可以允许同一时刻有多个站点向外发送数据，
这是因为交换机可以缓存帧，通过帧的目的地址实时转发。
交换机的每一个端口对应独立的冲突域，也就是说交换机可以隔离冲突。
那么当交换机连接单个站点，全双工模式下，便可以实现无冲突的传输。

实验小测

1【单选题】在OSI参考模型中，以太网交换机、集线器实现的最高功能层分别是（)
A数据链路层、物理层
B物理层、数据链路层
C网络层、数据链路层
D数据链路层、网络层

A

2【单选题】下列关于交换机的叙述中，正确的是（)
A以太网交换机相当于一种多端口网桥
B通过交换机互连的一组工作站构成一个冲突域
C交换机每个端口所连网络构成一个独立的广播域
D以太网交换机可实现采用不同网络层协议的网络互联

A
交换机数据数据链路层，能隔离冲突域，但是不能隔离广播域，不同网络协议的互联通过路由器来实现（网络层） 

3【单选题】使用集线器互连两个冲突域，以下说法正确的是（)
A冲突域范围不变
B合并为一个更大的冲突域
C以上说法均不对

B

4【阅读理解】使用1台交换机和两台集线器连接网络拓扑如下，请回答相关问题。

(1)[填空题]
上图网络拓扑中有（）个冲突域。(填写阿拉伯数字)

3

(2)[填空题]
缺省情况下，上图网络拓扑中有()个广播域。(填写阿拉伯数字)

1

(3)[多选题]
下列通信场景—定会造成冲突的有()
A、PCO和PC1同时发送数据
B、PC1和PC2同时发送数据
C、PC2和PC3同时发送数据
D、PC3和PC4同时发送数据

BD

5【判断题】集线器的所有端口构成一个冲突域，交换机每一个端口对应一个冲突域。

√

6【判断题】交换机内部各个端口之间是用总线电路连接的，集线器各端口之间是存储转发的。

×

最后

2023-5-8 23:38:31

你对我百般注视，
并不能构成万分之一的我，
却是一览无余的你。

祝大家逢考必过
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