路由交換技術(shù)電子教案-ch03-構(gòu)建企業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)（二）

教案序號5周次授課形式講練結(jié)合授課章節(jié)名稱項目3構(gòu)建企業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)（二）教學(xué)目的1．理解交換機基本原理。2．理解ARP基本原理教學(xué)重點1.掌握交換機的基本配置方法。教學(xué)難點1.理解以太網(wǎng)交換的原理。使用教具計算機、ppt、eNSP、觸摸白板課外作業(yè)復(fù)習(xí)本節(jié)，預(yù)習(xí)下節(jié)課后體會同學(xué)們對本堂課的掌握情況良好授課主要內(nèi)容本項目知識圖譜3.4以太網(wǎng)交換機

交換機根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的接口類型不同，可以分類為不同種類的局域網(wǎng)交換機，如果交換機使用以太網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)傳輸，則稱之為以太網(wǎng)交換機，如果其接口都是令牌環(huán)接口，則被稱為令牌環(huán)交換機。雖然理論上局域網(wǎng)交換機的種類很多，但在實際應(yīng)用中，除了以太網(wǎng)交換機外，其他類型的交換機大多已被市場淘汰。因此，在目前的語境下，以太網(wǎng)交換機與局域網(wǎng)交換機幾乎是一個概念。本書后續(xù)提及的交換機，除非特別注明，均指的是以太網(wǎng)交換機。簡而言之，以太網(wǎng)交換機作為局域網(wǎng)交換機的一種，因其實用性和普及度，在現(xiàn)實中幾乎等同于局域網(wǎng)交換機的概念。以太網(wǎng)交換機（簡稱交換機）是一種基于介質(zhì)訪問控制（MediaAccessControl，MAC）地址識別完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它工作于OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層，主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交換。交換機為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)，通過交換機，計算機、打印機、服務(wù)器、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以相互連接，形成一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸和通信服務(wù)。交換機可以通過堆疊或級聯(lián)方式擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，支持更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接。交換機還可以緩存MAC地址與相應(yīng)的接口映射，實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，在接口上接受計算機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)幀頭的目的MAC地址查找MAC地址表，然后將該數(shù)據(jù)幀從對應(yīng)接口上轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。1．MAC地址表M地址及其對應(yīng)的交換機接口等信息。對于圖3-10所示的網(wǎng)絡(luò)，交換機S1起初沒有存儲任何表項在MAC地址表中。一旦S1某個接口接收到數(shù)據(jù)幀，S1便會自動記錄數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，并將其與接收數(shù)據(jù)的接口關(guān)聯(lián)起來，形成一個新的表項。查看這張MAC地址表，可以清晰地知道哪臺設(shè)備連接在交換機的哪個接口。圖3-10MAC地址表當(dāng)PC1和PC2開始在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)時，S1就能夠捕獲它們的MAC地址，并在MAC地址表中建立相應(yīng)的表項。交換機在接收數(shù)據(jù)幀的過程中，會自動解析數(shù)據(jù)幀，從而學(xué)習(xí)到MAC地址并創(chuàng)建表項。這些表項在MAC地址表中被標(biāo)記為“Dynamic”，意味著它們是動態(tài)學(xué)習(xí)到的。動態(tài)表項會有一個預(yù)設(shè)的老化時間，通常是300秒。例如，當(dāng)PC1發(fā)送的數(shù)據(jù)幀首次到達(dá)S1的GE0/0/1時，S1會記錄下PC1的MAC地址，并將其與GE0/0/1關(guān)聯(lián)起來，作為一個表項記錄下來。同時，S1會為這個表項啟動一個計時器，從300秒開始倒計時。如果在老化時間內(nèi)，PC1又有新的數(shù)據(jù)幀到達(dá)同一接口，那么這個表項的計時器會被重置并重新開始倒計時。然而，如果S1在老化時間內(nèi)沒有收到PC1的任何新數(shù)據(jù)，那么計時器就會歸零，這個表項就會被從MAC地址表中刪除。這種機制確保了交換機的MAC地址表不會被無用或過時的信息所占據(jù)，因為存儲空間是有限的。除了動態(tài)表項外，我們還可以在交換機中手動添加“靜態(tài)”表項，這些表項不會因為老化而被刪除。MAC地址表的核心作用是作為交換機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的依據(jù)，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、高效地到達(dá)目標(biāo)設(shè)備。2．三種數(shù)據(jù)幀處理方式交換機作為網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，其主要功能在于對通過傳輸介質(zhì)進入其接口的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。其轉(zhuǎn)發(fā)行為主要分為三種方式：泛洪、轉(zhuǎn)發(fā)和丟棄。圖3-11所示為三種數(shù)據(jù)幀處理方式。（1）泛洪：是指交換機接收到從某一特定接口進入的幀后，會將這個幀通過除該進入接口外的所有其他接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。這是一種典型的點到多點的轉(zhuǎn)發(fā)機制，確保幀能夠廣播到網(wǎng)絡(luò)的各個角落。（2）轉(zhuǎn)發(fā)：則是一種更為精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)發(fā)方式。當(dāng)交換機從某一接口接收到幀時，它會根據(jù)幀中的信息，選擇一個合適的接口進行轉(zhuǎn)發(fā)，而這個接口必須是除進入接口以外的其他接口。這種點到點的轉(zhuǎn)發(fā)行為，使得幀能夠準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定的目的地。（3）丟棄：操作則相對簡單直接。當(dāng)交換機從某一接口接收到幀時，如果根據(jù)一定的規(guī)則判斷該幀不需要轉(zhuǎn)發(fā)，或者轉(zhuǎn)發(fā)可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，交換機就會選擇直接丟棄這個幀。這種操作實際上是一種不轉(zhuǎn)發(fā)行為，有助于維護網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和效率。圖3-11三種數(shù)據(jù)幀處理方式3．交換機基本原理交換機與我們?nèi)粘９ぷ?、生活息息相關(guān)，基本上每一個家庭都有一臺交換機，只不過名稱不同，比如我們熟悉的無線路由器就是一臺交換機，但不局限于交換功能，還包含了路由與無線功能。交換機工作在OSI參考模型的第2層，即數(shù)據(jù)鏈路層。相比于“前任”集線器，交換機能將網(wǎng)絡(luò)分成小的沖突域，為每個終端提供更高的帶寬。交換機在工作中需維護一張MAC地址表，該表有兩個字段組成，即MAC地址和接口號。通過MAC地址表，交換機能夠直接對目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是像集線器一樣以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)。我們通過一個小的網(wǎng)絡(luò)實例來解釋交換機的是如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的。3.5ARP

地址解析協(xié)議（AddressResolutionProtocol，ARP）是一個非常重要的地址解析協(xié)議，盡管它主要歸類于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，但在其工作過程中，ARP也涉及到了數(shù)據(jù)鏈路層的一些關(guān)鍵信息。ARP的核心功能是通過已知的IP地址來查詢并獲取相應(yīng)的MAC地址。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，ARP起到了橋梁的作用，連接了網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，確保數(shù)據(jù)包能夠準(zhǔn)確、高效地到達(dá)目標(biāo)設(shè)備。1．ARP的基本原理當(dāng)主機需要向一個IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)時，該主機應(yīng)事先得到目標(biāo)主機的MAC地址。然而，實際情況并非如此，源設(shè)備最初并不了解目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，并且還需要通過特定的機制，如DNS，來首先獲取目標(biāo)設(shè)備的IP地址，一旦獲得了IP地址，源設(shè)備會利用ARP進行解析，進而獲取目標(biāo)設(shè)備的MAC地址。這里有一個前提，即每個設(shè)備都清楚地知道自己的MAC地址和IP地址。當(dāng)源設(shè)備需要確定某個IP地址對應(yīng)的MAC地址時，它會發(fā)出一個廣播幀，如圖3-19所示，這個廣播幀中攜帶的數(shù)據(jù)是一個ARP請求報文。一旦目的設(shè)備接收到這個ARP請求報文，如圖3-20所示，它會以單播幀的形式向源設(shè)備發(fā)送一個響應(yīng)。這個響應(yīng)的單播幀中包含的數(shù)據(jù)是一個ARP應(yīng)答報文，并且這個應(yīng)答報文中會明確給出目的設(shè)備的MAC地址。通過這種方式，源設(shè)備能夠獲取到該IP地址對應(yīng)的MAC地址，從而完成地址解析過程。圖3-19PC1以廣播的形式發(fā)出ARP請求報文2．ARP的報文格式ARP的封裝格式如圖3-21所示。圖3-21PC3以單播的形式發(fā)出ARP應(yīng)答報文（1）硬件類型：這個字段是用來標(biāo)記在網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的物理介質(zhì)的，長度為2字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層選擇以太網(wǎng)作為通信方式時，字段值是0x0001。（2）協(xié)議類型：用于表明網(wǎng)絡(luò)層所使用的地址類型，長度為2字節(jié)。若網(wǎng)絡(luò)層的地址是IP地址，那么該字段的值就會被設(shè)定為0x0800。（3）該字段的值通常為6，這是因為MAC地址通常由6個字節(jié)組成。（4）協(xié)議地址長度：用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議地址的長度，長度為1字節(jié)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層使用的是IP地址時，由于IP地址的長度為4字節(jié)，因此該字段的值會被設(shè)定為4。（5）操作代碼：用于標(biāo)識ARP消息的具體類型，長度為2字節(jié)。例如，當(dāng)ARP消息是請求類型時，操作代碼字段的值為1；而當(dāng)ARP消息是響應(yīng)類型時，操作代碼字段的值為2。（6）源MAC地址：用于標(biāo)識發(fā)送ARP消息設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層地址，長度為6字節(jié)。在局域網(wǎng)環(huán)境中，這通常指的是發(fā)送ARP消息的設(shè)備的MAC地址。（7）源IP地址：用于標(biāo)識發(fā)送ARP消息設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層地址，長度為4字節(jié)。目前，該字段主要用來表示發(fā)送ARP消息的設(shè)備的IP地址。（8）目的MAC地址：用于標(biāo)識接收ARP消息設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層地址，長度為6字節(jié)。在以太網(wǎng)環(huán)境中，這個字段通常代表接收ARP消息的設(shè)備的MAC地址。（9）目的IP地址：用于標(biāo)識ARP消息所指向的接收設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層地址，長度為4字節(jié)。目前，該字段主要用來標(biāo)識接收ARP消息的設(shè)備的IP地址。（10）填充：此字段占據(jù)18字節(jié)的空間。當(dāng)沒有填充字段時，ARP消息的長度為28字節(jié)。然而，由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的載荷部分有一個最小長度要求，即46字節(jié)，因此需要添加18字節(jié)的填充字段以滿足這一要求?！卷椖繉嵤咳蝿?wù)3.1使用ARP獲取目標(biāo)主機的MAC地址

1．任務(wù)描述藍(lán)箭公司研發(fā)部和生產(chǎn)部近期完成了組建，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包含了1臺集線器Hub1，負(fù)責(zé)接入層的工作，若干臺主機（這里僅用3臺主機作為例子）。為確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與高效運行，研發(fā)部和生產(chǎn)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3-22所示，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)配置完成，現(xiàn)嘗試進行網(wǎng)絡(luò)連通性測試，用PC1pingPC3來驗證兩臺主機之間是否能正常通信，并分析PC1是如何使用ARP獲取到PC3的MAC地址的，以便順利的將ICMP報文封裝成幀發(fā)給PC3的，設(shè)備IP地址如表3-1所示。圖3-22使用集線器連接研發(fā)部和生產(chǎn)部表3-1研發(fā)部和生產(chǎn)部IP地址分配表設(shè)備接口號IP地址PC1E0/0/110.1.1.1/24PC2E0/0/110.1.1.2/24PC3E0/0/110.1.1.3/242．實施步驟第一步，按照圖3-22所示搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。如果有條件的話，建議使用真實設(shè)備搭建拓?fù)洌部梢允褂萌A為模擬器eNSP來搭建。所有主機使用表7-1配置地址。注意，本實驗沒有三層互聯(lián)需求，不需要配置網(wǎng)關(guān)。第二步，事先在PC1的E0/0/1上使用Wireshark軟件進行抓包，然后在PC1上pingPC3，觀察PC1是如何使用ARP獲取PC3的MAC地址的。3．測試分析在完成前面的實施步驟的基礎(chǔ)上觀察PC3的抓包情況。注意，一定要先在PC1的E0/0/1上使用Wireshark軟件抓包，然后在PC1上ping10.1.1.3。圖3-23PC1以廣播的形式發(fā)出ARP請求報文任務(wù)3.2交換機MAC地址學(xué)習(xí)

1．任務(wù)描述在藍(lán)箭公司研發(fā)部和的網(wǎng)絡(luò)搭建任務(wù)中，最初選擇的是使用集線器來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。然而隨著業(yè)務(wù)量的增加，用戶逐漸反映網(wǎng)絡(luò)速度變慢，這主要是由于集線器的轉(zhuǎn)發(fā)效率不高以及存在的各種缺陷所致。集線器主要工作在物理層，采用廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。這意味著當(dāng)集線器收到一個數(shù)據(jù)包時，它會將數(shù)據(jù)廣播到所有連接的接口，無論數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址是什么。這種廣播式的通信方式在設(shè)備數(shù)量較少時可能不會有太大問題，但隨著設(shè)備數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)中的廣播流量會急劇上升，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵和性能下降。此外，集線器還存在帶寬共享的問題。由于所有設(shè)備共享同一條總線進行通信，當(dāng)多個設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，它們會爭奪有限的帶寬資源，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度變慢。意識到這些問題后，藍(lán)箭公司決定購買一臺交換機來替代集線器，如圖3-26所示。交換機與集線器相比，具有更高的轉(zhuǎn)發(fā)效率和更先進的網(wǎng)絡(luò)管理功能。在設(shè)備更新后，藍(lán)箭公司研發(fā)部的網(wǎng)絡(luò)性能得到了顯著提升，用戶也不再反映網(wǎng)絡(luò)速度慢的問題了，這充分說明了交換機在大型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的優(yōu)勢和必要性。圖3-26使用交換機連接研發(fā)部和生產(chǎn)部下面我們就來詳細(xì)描述一下交換機的工作原理，重點討論交換機的MAC地址學(xué)習(xí)情況。2．實施步驟在實施本任務(wù)前請先完成任務(wù)3.1中的網(wǎng)絡(luò)搭建，為了更清晰地觀察MAC地址條目的生成流程，建議先執(zhí)行相關(guān)命令，清空交換機S1通過動態(tài)學(xué)習(xí)機制建立的地址條目。這樣做有助于我們更直觀地了解MAC地址表的創(chuàng)建過程。[S1]undomac-addressdynamic此時可以S1上就沒有MAC地址信息了，如下面命令所示。[S1]displaymac-address也可以使用以下命令查看設(shè)備上MAC地址的老化時間。[S1]displaymac-addressaging-timeAgingtime:300seconds一般情況下MAC地址的老化周期是300秒，為確保接下來的實驗觀察更加準(zhǔn)確和清晰，我們需要防止MAC地址表項因過期而被自動清除，可以通過以下命令來將老化周期設(shè)置為0，這一操作實際上關(guān)閉了MAC地址表的老化功能。如此一來，地址表中的條目就不會因為超出其生命周期而被系統(tǒng)自動刪除了，從而確保我們能夠在實驗過程中持續(xù)觀察到完整的MAC地址表項。[S1]mac-addressaging-time0交換機在接收到數(shù)據(jù)幀時，會利用數(shù)據(jù)幀的源MAC地址來更新或創(chuàng)建相應(yīng)的地址表項。此時，在PC1上pingPC2。PC>ping10.1.1.2-c2Ping10.1.1.2:32databytes,PressCtrl_CtobreakFrom10.1.1.2:bytes=32seq=1ttl=128time=47msFrom10.1.1.2:bytes=32seq=2ttl=128time=47ms交換機S1會接收到兩個關(guān)鍵的數(shù)據(jù)幀，一個是源地址為PC1的MAC地址，另一個是源地址為PC2的MAC地址。完成這些交互后，可以在交換機S1上查看更新后的MAC地址表。[S1]displaymac-addressMACaddresstableofslot0:------------------------------------------------------------------------------MACAddressVLAN/PEVLANCEVLANPortTypeLSP/LSR-IDVSI/SIMAC-Tunnel------------------------------------------------------------------------------5489-982f-03251--GE0/0/1dynamic0/-5489-98f7-4f5b1--GE0/0/2dynamic0/-------------------------------------------------------------------------------Totalmatchingitemsonslot0displayed=2觀察后發(fā)現(xiàn)，交換機S1已成功為MAC地址5489-982f-0325和MAC地址5489-98f7-4f5b創(chuàng)建了相應(yīng)的地址表項。每個表項中詳細(xì)記錄了MAC地址、所屬的VLAN、連接的接口編號以及類型等關(guān)鍵信息。然而，由于目前交換機S1尚未接收到來自PC3的數(shù)據(jù)幀，其MAC地址表中尚未包含PC3的MAC地址信息。為了進一步完善地址表，我們接下來將在PC1上執(zhí)行ping命令來訪問PC3，這將觸發(fā)PC3發(fā)送數(shù)據(jù)幀，從而使得交換機S1能夠?qū)W習(xí)到PC3的MAC地址并添加到其地址表中。PC>ping10.1.1.3-c2Ping10.1.1.3:32databytes,PressCtrl_CtobreakFrom10.1.1.3:bytes=32seq=1ttl=128time=63msFrom10.1.1.3:bytes=32seq=2ttl=128time=31ms在交換機S1中查看MAC地址表，PC3的MAC地址在含有GE0/0/3的表項中出現(xiàn)了。[S1]displaymac-addressMACaddresstableofslot0:------------------------------------------------------------------------------MACAddressVLAN/PEVLANCEVLANPortTypeLSP/LSR-IDVSI/SIMAC-Tunnel------------------------------------------------------------------------------5489-982f-03251