2直接连接的网络与VLAN划分-2.2-2.3【实验】【计算机网络】

前言
推荐
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
- 2.2交换机MAC地址表建立与帧转发
- - 实验目的
  - 实验内容及实验环境
  - 实验原理
  - - 交换机通过逆向学习帧的源地址，构建MAC地址表;
    - 交换机中MAC地址的构建
    - 交换机对于入境帧的转发处理:
    - 交换机MAC地址表构建与帧转发原理
  - 实验过程
  - - 搭建实验环境
    - 训练
    - 泛洪未知帧
    - 转发已知帧
    - 连接集线器与交换机
    - 泛洪广播帧
    - 手工配置
    - 配置错误对转发的影响
  - 小结
  - 2.2.1实验章节测验
最后

前言

2023-5-10 16:22:03

以下内容源自《【实验】【计算机网络】》
仅供学习交流使用

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

2直接连接的网络与VLAN划分-2.1【实验】【计算机网络】

2.2交换机MAC地址表建立与帧转发

实验目的

1.理解交换机通过逆向学习算法建立MAC地址表的过程。
2.能根据站点通信过程正确给出交换机当前的MAC地址表内容;
3.了解动态表项和静态表项的区别，能够正确添加静态表项。
4.理解交换机对入境帧的处理过程。
5.能够根据实际数据传输场景，准确判断交换机对入境帧的转发处理

实验内容及实验环境

1.使用1台交换机，1台集线器，5台计算机搭建网络拓扑环境;
2.清空交换机的MAC地址表，构造站点间的通信，观察拓扑中各台交换机的MAC地址表的构建过程;
3.构造不同的数据传输场景，分析交换机对数据帧的处理过程;
4.添加静态表项并验证其有效性;
5.对比静态表项和动态表项的优先级。

在这里插入图片描述

实验原理

交换机通过逆向学习帧的源地址，构建MAC地址表;

交换机中MAC地址的构建

下面我们首先来学习交换机如何构建MAC地址表。图中有一台交换机连接了四台主机交换机。在刚启动的时候，MAC地址表是空的，他要通过一个自动的逆向学习园地址的过程来不断的完善这张表。

在这里插入图片描述

假设现在A向D发出了一个数据帧，这个数据帧的源MAC地址是Mac-A，目标地址是MAC_D。这个帧由F0/1接口进入交换机后。
交换机：首先要逆向学习园地址，将源地址MAC_A与这个帧的进入端口关联起来，记录在MAC地址表中，这样交换机就知道了主机A所处于的位置。

与此同时呢，我们要记录这个帧的到达时间。并且，设定一个老化的计时器老化计时器，默认从三百秒开始倒计时;计数到零的时候，这个表象呢就要被清除掉。

在这里插入图片描述
为什么要定时删除学习到的表项?
假设A发生了故障或者A的连接端口发生了变化，那么交换机刚才学习到的这条表项就失效了，如果没有定时清除这条表项，其他主机给A给A发送的帧依然会被交换机从FO/1端口转发出去。
因此设定老化时间可以…。注意MAC地址表空间满了以后就无法学习新的MAC地址了，设定老化时间的机制有助于MAC地址表空间的及时回收。

在这里插入图片描述

现在MAC地址表当中已经有了MAC地址a的相关的这个表项，那么交换机是如何学习到BCD的MAC地址的呢？

在这里插入图片描述

不难看出，主机只要向外发送数据，其MAC地址就会被交换机学习到。
比如说主机B向外发送数据帧，交换机收到该帧之后，会将该帧的源地址Mac_B与该帧的入境端口F0/2关联起来，登记在表中。
C向外发送数据时，交换机会将该帧的源地址MAC_C与它的数据端口F0/3关联起来，登记在表中。
同理,D向外发送数据时，交换机会将该帧的源地址MAC_D与该帧的入境端口F0/4关联起来也在表中。

交换机就是通过这样一个源地址自学习的过程，不断的去完善MAC地址表。那么通过查看交换机的MAC地址表，我们能够直观地看出来哪一个设备连接在交换机的哪个接口上。建立好了这个MAC地址表，它的最重要的作用就是作为交换机以后进行数据帧转发的依据。

对于我们图中的这个网络拓扑而言，这个交换机的mac地址表已经完善了。

在这里插入图片描述

那么，这个时候如果A向外发出了数据帧，那么交换机还是要去自学习该帧的源地址，但是它发现，这个源地址MAC_A已经在表中了;
这个时候交换机该怎么做呢？他会更新这个真的到达时间;并且，将这个表项的老化时间重置为最大值三百秒。

在这里插入图片描述

交换机通过逆向学习真的原地址获知主机所处的位置，构建MAC地址表交换机会依据MAC地址表来完成对入境数据帧的转发处理。

下面我们将详细的为大家讲解交换机对数据帧的三种处理方式，转发泛红过滤。

交换机对于入境帧的转发处理:

转发（forwarding)
泛洪(flooding)
过滤(filtering)

首先我们来看一个交换机转发单播帧的例子，假设A向D发出了一个数据帧，

这个数据帧的目的地址是一个单站地址，我们称这样的数据帧为单播帧，

这个帧用F0/1接口进入了交换机。

交换机首先要做的就是逆向学习源地址。那么这个源地址已经在表中了，那么它会更新这个真的到达时间，并且呢将老化时间重置为最大值。

接下来交换机要根据这个帧的目的地址MAC_D去查表。我们可以找到MAC_D的这条表象，那么它对应的端口呢是F0/4。

这个时候，交换机会将这个帧从F0/4端口转出,那么这个数据帧就到达了主机D。

在这里插入图片描述

我们再来看交换机泛红广播帧的例子。假设A发出了一个广播帧。

什么是广播帧?就是帧的目的地址是全一地址，我们知道MAC地址是48个比特位，那么这48个比特位全部为1，那么这样的地址，称为广播地址。如果真的目的地址为广播地址，那么这个针呢被称为广播帧。

这个广播帧由F0/1接口进入交换机之后，交换机首先要学习帧的源地址，这个过程我们不再重复的讲解。
接下来，因为它是一个广播帧，所以交换机会直接地将其呢泛洪到除了入口以外的所有其他出口，也就是BCD都会收到这样一个广播帧。
交换机对广播帧直接执行泛红的操作。
在这里插入图片描述

除此以外，交换机对未知单播帧也会进行泛洪。

那什么是未知单播帧呢？就是指针的目的地址在MAC地址表中查不到相关的匹配，像这样的针我们称之为未知单播帧。

下面我们就举一个例子。

假设在这个表中呢MAC_B这个条目，它的老化时间到期了指的是老化时间从最大值三百秒倒计时为零，那么这个表象呢，就应该被清除掉。

假设MAC_B这个表项刚被删除之后，A就向B发出了一个数据帧，这个数据帧用F0/1进入了交换机。

首先应该完成的是原地址的逆向学习过程，然后呢，就要根据这个帧的目的地址来查看MAC地址表，查找相关的匹配。

但是表中呢，已经不存在MAC_B的这个表象了，所以没有查到这个时候交换机会将这个帧泛洪出去，也就是除了入境端口以外的所有其他端口各送一份。

那么这样的一个操作，它的好处是什么呢？保证了B1定收到了这个数据帧。
但是它的缺点是什么呢？使得无关的两个站点也收到了这个数据帧对他们来说是一种干扰，那么从安全的角度来考虑，那么C和D可以轻松的看到AB之间转发的这个数据帧，这是存在安全隐患的。
在这里插入图片描述

最后我们来学习一下交换机是如何过滤数据帧的。

首先我们将拓扑进行了一些改动。交换机的右侧F0/3接口出来连接集线器，由集线器连接主机C和D。

假设MAC地址表示完善的。这个时候，C向D发出了一个数据帧，这个数据帧由集线器直接就可以转发到的。

但是由于集线器是广播式的，转发会有一个副本呢。通过F0/3接口。
进入交换机交换机：
首先，完成的就是逆向学习园地址的过程。
然后，根据该帧的目的地址去查看MAC地址表，找到相关的表项。这个匹配项告知交换机，这个帧应该从F 0-3接口转出，
但是交换机发现帧的入境口和他的出境口是相等的。这种情况下交换机不会转发该帧，而是将这个针直接丢弃。
那么丢弃的这个操作使得这个帧，不会通过交换机转发到无关的网段去。
那么对于其他网段而言，实现了数据帧的过滤。

在这里插入图片描述

下面我们对之前讲过的原理性内容，进行一个简单的小结。

交换机MAC地址表构建与帧转发原理

逆向学习源地址
- 根据帧的源地址在MAC地址表查找匹配表项:
- 如果没有，则增加一个新表项（源地址、入境端口、帧到达时间)
- 如果有，则更新原表项的帧到达时间，重置老化时间。

对入境帧的转发处理过程（三选一)
- 根据帧的目的地址在MAC地址表查找匹配表项:
- 如果有，且入境端口≠出境端口，则从对应的出境端口转发帧;
- 如果有，且入境端口=出境端口，则丢弃帧（即过滤帧);
- 如果没有，则向除入境端口以外的其它所有端口泛洪帧。

实验原理讲到这里，下面演示实验过程。

实验过程

交换机使用PT-Switch而不是2096
PT-Switch的端口不一样，自己对应匹配
或者在手工配置中重新用PT-Switch来搭建网络拓扑
之前使用2096做实验并没有修改

搭建实验环境

选择一台交换机、三台PC：使用直通线将交换机与PC连接

选择一台集线器、两台PC：使用直通线将集线器与PC连接

交换机与集线器先不要连接

在这里插入图片描述

给五台PC配置IP地址：
PC1:192.168.1.1
PC2:192.168.1.2
PC3:192.168.1.3
PC4:192.168.1.4
PC5:192.168.1.5

为每台PC标注MAC地址
在Config：FE0：MAC地址找到
这样，在实验中，方便我们通过MAC地址找到具体主机。

在这里插入图片描述

现在，我们已经网络拓扑中的设备和链接的位置调整到位了
并且进行了相关的标注：PC名称与MAC地址

训练

下面，进行训练，避免ARP请求使得情况复杂。

PC1给PC3发送简单数据包
PC1给PC2发送简单数据包
PC2给PC3发送简单数据包
PC4给PC5发送简单数据包

在这里插入图片描述

然后，清除当前场景，切换到Simulation模式

在事件列表过滤器中选择ICMP

对实验环境进行初始化：
因为之前对训练，会对交换机的MAC地址表做出改变

点击交换机，进入CLI选项卡：
在这里插入图片描述

Switch>enable
Switch#show mac-address-table
Mac Address Table
-------------------------------------------

Vlan Mac Address Type Ports
---- ----------- -------- -----

1 0001.439a.461a DYNAMIC Fa0/2
1 0060.5c83.34e6 DYNAMIC Fa0/3
1 00d0.ff0c.173d DYNAMIC Fa0/1
Switch#clear mac-address-table
Switch#show mac-address-table


Mac Address Table
-------------------------------------------

Vlan Mac Address Type Ports
---- ----------- -------- -----

Switch#

为了，清楚：
点击Inspect，查看交换机的MAC Table
在这里插入图片描述

泛洪未知帧

现在开始演示：
PC1给PC3发送简单数据表

单步执行仿真

逆向学习源地址
在这里插入图片描述

单步执行仿真
可以看到，交换机进行了泛洪操作

在这里插入图片描述

为什么会进行泛洪操作？
因为，目的地址PC3未在MAC表中出现
交换机会对未知单播帧进行泛洪

转发已知帧

单步执行仿真

PC3给PC1响应

首先，逆向学习源地址。
在这里插入图片描述

通过MAC帧的目的地址，进行转发

MAC表中找到了PC1的MAC地址

单步执行仿真

交换机转发已知帧
在这里插入图片描述

清除当前场景

PC2给PC3发送数据

首先，学习源地址MAC_2与路径端口F0/2关联起来，存进表中

在这里插入图片描述

通过目的地址，转发给PC3

在这里插入图片描述

PC3向PC2发回响应数据

已有条目，更新其到达时间，更新老化时间为最大值300秒
在这里插入图片描述

根据目的地址，找到匹配
从F0/2转出

在这里插入图片描述

连接集线器与交换机

下面我们将集线器与交换机用交叉线连接起来

并尽快将阻塞变为转发状态

在这里插入图片描述

现在，
PC4给PC5发数据

集线器会广播该帧

另外一个副本会被交换机收到

学习源地址MAC_4
在这里插入图片描述

泛洪未知帧

在这里插入图片描述

同时，PC5给PC4的响应到达集线器

PC4受到了响应

同时交换机收到了这个副本

交换机学习源地址
在这里插入图片描述

可以看到MAC地址表中有两条端口对应F0/4
这是因为网络拓扑中PC4与PC5都连接到交换机的F0/4上

交换机通过目的地址进行转发

找到PC4对应F0/4

这个端口既是入境端口又是出境端口，会被交换机丢弃

清除当前场景

泛洪广播帧

接下来，让PC1发送一个广播帧，观察情况

创建一个复杂PDU

在这里插入图片描述

交换机对所有端口进行泛洪

在这里插入图片描述

清除场景

手工配置

下面：来演示手工配置

打开配置：CLI选项

输入enable，进入特权模式
输入config terminal 进入全局配置模式
输入mac-address-table static 00D0.FF0C.173D vlan 1 interface f0/4
将PC1的mac地址添加错写端口f0/4而不是f0/1

出现命令不正确的问题：
发生在交换机2960

思科2950配置mac地址表超时用：2950(config)#mac-address-table aging-time 100
在这里插入图片描述

解决：换一台交换机PT-Switch

重新搭建网络拓扑

如下

在这里插入图片描述

进行配置
打开配置：CLI选项

输入enable，进入特权模式
输入config terminal 进入全局配置模式
输入mac-address-table static 000C.CF1E.93C7 vlan 1 interface f3/1
将PC1的mac地址添加错写端口f3/1而不是f0/1

在这里插入图片描述

配置错误对转发的影响

下面：演示配置错误MAC地址的影响

PC3给PC1发送数据包

数据帧到达交换机

学习源地址MAC_3 f2/1

在这里插入图片描述

转出

观察到它从f3/1转出

因为找到的mac表项的mac地址匹配的端口是f3/1
在这里插入图片描述

然后，集线器发给PC4与PC5

由于帧的目的地址与其不匹配，而丢弃

在这里插入图片描述

下面：
如果PC1向外发送数据
会不会替换原有的静态表项

PC1向PC3发送数据

到达交换机，之后
发现：静态表项并没有改变
由于静态表项的优先级高于动态

在这里插入图片描述

PC3给PC1响应时：

还是从f3/1转出

在这里插入图片描述
导致PC1收不到PC3的响应

小结

通过本次实验：

我们学习到交换机如何通过逆向学习源地址来构建MAC地址转发表
以及交换机如何利用mac地址转发表对帧进行合理的转发操作

实验过程的演示就到这里

2.2.1实验章节测验

1【单选题】交换机中的转发表是如何建立的?
A交换机在处理数据帧时学习源地址得来。
B由生产厂家在出厂时写入交换机。
C由网络管理员根据网络实际情况,写入交换机。
D交换机和路由器交换信息得来。

2【单选题】某以太网拓扑及交换机当前转发表如下图所示:

在这里插入图片描述

主机00-e1-d5-00-23-a1向主机00-e1-d5-00-23-c1发送1个请求数据帧，之后主机00-e1-d5-00-23-c1收到该帧后向主机00-e1-d5-00-23-a1发送1个响应数据帧，交换机对这两个帧的转发出口分别是()。

A{3}和{1}
B{2,3}和{1}
C{2,3}和{1,2}
D{(1,2,3}和{1}

3【单选题】

在这里插入图片描述

路由器R通过以太网交换机S1和S2连接两个网络，R的接口、主机H1和H2的IP地址与MAC地址如上图所示。若H1向H2发送一个IP分组P，则H1发出的封装P的以太网帧的目的MAC地址和H2收到的封装P的以太网帧的源MAC地址分别是()

A 00-a1-b2-c3-d4-62、00-1a-2b-3c-4d-52
B 00-1a-2b-3c-4d-51、00-1a-2b-3c-4d-52o
C 00-a1-b2-c3-d4-62、00-1a-2b-3c-4d-61
D 00-1a-2b-3c-4d-51、00-a1-b2-c3-d4-61

4【单选题】交换机依据()，判断如何转发数据帧。
A依据帧的源地址在路由表中查找匹配
B依据帧的源地址在MAC地址表中查找匹配
C依据帧的目的地址在访问权限表中查找匹配
D依据帧的目的地址在静态列表中查找匹配
E依据帧的目的地址在MAC地址表中查找匹配
F依据帧的目的地址在路由表中查找匹配

5【单选题】一台交换机有8个端口，一个单播帧从某一端口进入了该交换机，但交换机在MAC地址表中查不到关于该帧的目的MAC地址的表项，那么交换机对该帧进行的操作是?()
A丢弃
B泛洪
C转发

6【单选题】一台交换机有8个端口，一个单播帧从某一端口进入了该交换机，交换机在MAC地址表中查到了关于该帧的目的MAC地址的表项，那么交换机对该帧进行的操作是?()
A一定是转发
B 一定是丢弃
C 可能是转发，也可能是丢弃
D 泛洪

7
【单选题】标准规定，MAC地址表中的倒数计时器的缺省初始值是?()
A 100s
B 5min
C 30min
D 300ms

8【单选题】交换机上连接了两台主机，假设交换机MAC地址表为空，当PC1 ping PC2时，交换机先学习到()的MAC地址。
A PC1
B PC2
C 同时学习到两个MAC地址
D 不会学习地址

9【阅读理解】

在这里插入图片描述