《计算机网络微课堂》实验5 交换机的自学习算法
本实验的目的在于验证交换机的自学习算法。
本实验的目的在于验证交换机的自学习算法。
首先需要构建网络拓普，我们使用三台计算机，然后使用一个交换机把它们连接起来，我们选择自动连线将每个计算机连接到交换机上就可以了，那么交换机的接口是橙色的，我们切换右下角的实时和仿真模式，多切换几遍，直到交换机的接口变为绿色，接下来给各计算机配置一个 IP 地址，给各计算机旁边标注上 IP 地址和 MAC 地址，这样做是为了我们后续实验观察的时候比较方便，那在右边的工具栏上选择这个放置注释的按钮，然后在计算机旁边点击鼠标左键，输入 IP 地址。
输入完了之后注意可以把鼠标切回到选择状态，我们再来标注一下各计算机的 MAC 地址，先来看上面这台计算机，左键点击它在弹出窗口里面选择配置，然后选择他的快速以太网卡，然后这个地方我们可以看到它的 MAC 地址，我们把它选中，然后鼠标右键弹出菜单里面选择复制，把窗口关掉，然后再点之前文本，然后回车。以此类推，这一台计算机和左边这台计算机都这样标注。
输入完了之后注意可以把鼠标切回到选择状态，我们再来标注一下各计算机的 MAC 地址，先来看上面这台计算机，左键点击它在弹出窗口里面选择配置，然后选择他的快速以太网卡，然后这个地方我们可以看到它的 MAC 地址，我们把它选中，然后鼠标右键弹出菜单里面选择复制，把窗口关掉，然后再点之前文本，然后回车。以此类推，这一台计算机和左边这台计算机都这样标注。
交换机自学习
下面我们切换到仿真模式，然后我们在事件列表过滤器中把所有的协议先给它隐藏掉，然后我们进行编辑，只选择 ARP 协议和 ICMP 协议即可。
接下来我们让左边这台计算机给右边这台计算机发送一个简单的 PDU，这个 PDU 其实是用 ICMP 协议封装的，我们点击右侧工具栏上面的添加简单的 PDU 然后我们点击发送方，再点击接收方。
我们可以看到这个是本来用 ICMP 协议打包的，我们准备发送的包，但是包暂时发不了，他要发一个绿色的这个地方表示的数据包，这个数据包是个 ARP 的给你打的包，为什么之前的课程中我们已经讲过了，是由于计算机里面它没有这台主机 IP 地址和 MAC 地址的对应关系，所以左边这个主机在数据链路层封装的时候，它的目的 MAC 地址他不知道怎么填，所以他没有办法发 ICMP：
它直接就发一个 ARP 的广播请求，目的就是发出来来询问，询问这个 IP 地址为 192.168.0.2 这台主机它的 MAC 地址是什么？那么只有当它得知了这个 MAC 地址以后，他才能把原先包在数据链中打包的时候，目的 MAC 地址填上，相应的 MAC 地址。在我们之前的课程中已经介绍过，很显然 ARP 的广播请求肯定会进入交换机，那么进入交换机以后，交换机要对它进行处理，我们之前在讲解理论的时候曾经讲过。
那么如何处理？分为两步，第一步就是要登记，登记这个数据包来自于哪个主机，也就是它的源 MAC 地址是什么，也就这个 MAC 地址它会登记到这里。同时有一个对应的端口，也就是它是从哪个端口进入交换机的端口号要登录进去。现在我们看到交换机并没有端口号。如果您在做仿真实验的时候跟我们这现象一样的，那么在菜单栏这儿有个选项菜单，然后选择参数选择（首选项），在这里面有一个在逻辑空间中总显示端口标签，这样就可以看到：
那么这个交换机里面它有一个帧转发表，我们刚才说的登记就登记在帧转发表里面，那么刚上电的时候，只要这些主机相互之间没有发数据的话，那么这边它里面的帧转发表呢应该是空的，我们可以查看一下，我们点击右侧工具栏的检查的按钮，然后我们选它，我们讲课的时候叫帧交换表，在我们仿真软件里面它叫做 MAC 地址表，我们可以看一下，这张表打开的是空的，有三列内容，一列是 VLAN，我们忽略不管以后我们会专门讲 VLAN 的事情。那么还有一个就是 MAC 地址和端口，那么等一会这个数据包到了交换机以后，第一件事交换机就是登记，也就是把这个数据包的 MAC 地址和端口号登记进来：
那么我们看一下点击下一步。现在这个数据包已经到了交换机里面了，我们再次点击一下查看它的 MAC 地址表。我们可以看到尾号为 E39D 的 MAC 地址张登记进来了，同时它是从端口进来的，0/1 端口。这就是交换机的登记，其实也就是他的自学习。换句话说现在交换机已经知道了，和它的这个接口有一台主机连着这台主机 MAC 主机。
第二件事转发，转发的是根据这个帧的目的那个地址，我们先把鼠标切回到选择状态，根据这个帧的目的那个地址我们说了它是一个广播帧，我们可以打开看一下，它是一个广播帧，那么广播帧的话，交换机怎么看到广播帧全 F，就是代表它是广播帧，那么交换机就收到广播帧以后，那是要进行泛洪，也就是说除了包从哪个口进来，不再从口反向打出去，其他数据接口他都会把这个包转发出去的，我们来看一下是不是这样子。
点击下一步，确实是这样，那么当然很显然上面这台主机不会收这个数据包，原因是什么？原因是这台主机由于这是个广播包，所以这台主机的网卡是会接受这个包的，把帧的中交给他的高层，到了高层以后有 ARP 进程去看，ARP 进程一看这个数据包其实不是询问这台计算机的，所以 ARP 的进程就把这个数据丢弃了。
那么同样的道理，出来的数据包就到达了这台主机，那么他的网卡接收以后送给 ARP 进程把里面的内容解析出来，一看询问这台计算机，所以这台计算机的 ARP 进程会再重新封装一个 ARP 的单播响应，那里面就把自己的 IP 地址和 MAC 地址就把这个内容写到这个数据包里面。
那么我们再往下走，那么想象一下这个数据包当到达交换机以后又有哪些工作？我们先看一下交换机里面目前的 MAC 地址表，登记的是这样的记录，当我们计算机发回 ARP 的单播响应的时候，到这个里面它就会又记录一个，这个记录的就是这台计算机的 MAC 地址和它进入交换机的具体的端口，那么就在这。7885 计算机的 MAC 地址端口三还是从端口三进入到交换机里面的：
那么交换机收到单播帧以后，他要干嘛？登记完了以后要进行转发是干什么？转发是查帧的目的 MAC 地址，我们知道这个帧的话是这台计算机发回给左边那台计算机的，所以它的目的 MAC 地址一定填的是 MAC 地址也就是号为 139D 的，那么他把 139D 在这里面去查，结果在这一行上就查到了这条 D39D 对应的端口是 1 号端口，说白了就是数据包，交换机知道他应该把这个数据包就从一号接口把它转发出来，而不会从二号端口转。
我们看一下是不是这样的，那么这样子的话，我们左边这台计算机它就收到了右边计算机发回的 ARP 的响应报文：
那么现在就可以把之前缓存的了，没有发的就不能发的 ICMP 报文呢发出来了，我们看一下是不是。同样的此时数据包又到交换机了，在里面又进行的是存储转发就是登记转发这两个事情，那么跟我们之前的过程一样，他肯定是一个单播从三号接口转发出来了，然后我们再点一下，因为 ICMP 它是一个询问请求，那么它需要一个响应，那么这边右边计算机就会给它发回一段响应：
为了更好的观察实验效果，我们将之前的网络拓扑进行了扩展，添加了一个集线器和两个主机，我们将所有设备进行重启，点击重启设备选择是我们会发现很多接口都变成了红色指示灯，那么我们切换实时和仿真模式，这两个按钮多切换几次，直到所有的指示灯都变成绿色的即可：
我们在实时模式下，让新添加的上面这台主机给下面这台主机进行一个简单 PDU 的发送。当然这个过程还包含了下面计算机收到简单 PDU 给上面计算机回复一个响应的这样的一个过程，只不过在实时模式下我们看不出来而已。这样做有两个目的，第一个目的是让这两台计算机知道对方 IP 地址与 MAC 地址的对应关系，以免后续出现 ARP 的广播请求，影响我们对实验效果的观察。
另外一个目的，我们知道当上面主机给下面主机发送数据包的时候，到达集线器它会被广播出来，那么这个数据包必然就会进入到左边交换机里面，交换机对这数据包是进行登记，然后进行转发操作，那么登记就会登记这个 MAC 地址，那么这个 MAC 地址是对应着交换机的 4 号接口，也就会登记这么样一条记录。换句话说就是让交换机学习了一次，当然这里面还有当我下面计算机收到上面计算机发过来的询问，我们要给他回计算机会回一个响应，当然响应也会进入到左边的交换机里面，所以在交换机里面，其实这两个 MAC 地址都学习到了，都对应着它的 4 号端口：
如果您查看左边交换机的帧转发表，并没有看到上面这个主机的 MAC 地址的对应关系，也没有看到有关下面主机的 MAC 地址和端口的对应关系的话，证明您在上面主机给下面主机发送简单 PDU 后，过了一段时间才来查看的交换机的帧转发表。想一想我们之前说过对交换机的每一条记录它都有个老化时间，当老化时间到期以后，它就会自动的把这一条记录的给它删除掉。这就是您可能查看不到相应记录的原因。
如果您查看交换机的帧转发表里面是空的，没有这两条记录的话，您可以到上面主机再次给下面主机发一个 ICMP 的报文，也就是简单的 PDU 然后我们再来查看一下。现在这里面就有了这两台主机的 MAC 地址以及对应的端口号是 4 号。
下面我们切换到仿真模式，然后我们点右下角的这个地方把刚才发包的场景给它删除掉，然后我们再次让右上面这个主机给右下面主机发送一个 ICMP 的报文，那么我们把它发送出来，我们之前就已已经学过了集线器的它是广播特性的，所以数据包会被广播出来。当这数据包到达右下面这台主机，然后数据包到达交换机以后，我们看到交换机给它标了一个叉，这个意思是说数据包的交换机把它丢掉，
我们来想一想这是为什么？因为 ICMP 报文它封装到以太网帧的时候，它的目的 MAC 地址填的是右下面这台主机的，也就是尾号为 7140 的 MAC 地址，然后我们可以把交换机的帧转发表把它打开看一下，要去 7140 这个 MAC 地址，那么它对应的端口是 4 号，然后他又是从交换机的 4 号端口进来的，所以交换机他就知道不应该把这个数据包反向再打出来，因为是没有必要的。
那么我们把这个特性也叫做交换机可以对帧进行过滤，我们可以看到上面主机发给下面主机的数据包，到达交换机以后，它并没有转发到交换机的其他端口，而交换机就把它给丢掉了，因为是没有必要。这个帧其实已经到达了目的地，交换机没必要把这个帧从自己的任何一个接口再把它转发出来。
下面我们进入交换机的命令行模式：切换到选择状态，然后左键单击交换机：
那么这是我们第一次进入这个思科设备的命令行配置界面，按下回车，出现这样的一个三角的的提示符，我们输入 enble 然后回车，进入特权模式，然后我们打一条命令，show mac-a 会展示它的 MAC 地址表，这是一条简写的命令。那么我们可以看到它里面有两条记录类型都是动态 DYNAMIC 的，也就是它有老化时间的，会自动删除。
```
Switch>enable
Switch#show mac-a
Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan Mac Address Type Ports
---- ----------- -------- -----
1 0004.9a1d.392e DYNAMIC Fa0/4
1 00e0.8f1d.dd74 DYNAMIC Fa0/4
```
那么这两个 MAC 地址一个是 7140，就是我们下面这台计算机的 7140 对应的是端口号是交换机的 4 号端口， B780，它也是对应的 4 号端口，这个界面这个里面操作系统的交互式的命令行，其实就是交换机里面的命令方式查看方式和我们在工具栏点查看 MAC 地址表是一样的。删除命令是 clear mac-a
输入完了以后，交换机里面的这两条记录就被我们手工的通过命令方式给它清空了，还没等它老化，我们就已经把它清空了，我们看一下现在这张表是不是空的，我们再来 show mac -a 我们可以看到这张表已经空了：
Switch#clear mac-a
Switch#show mac-a
Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan Mac Address Type Ports
---- ----------- -------- -----
下面的话我们这个时候再让上面计算机给下面计算机发一个 ICMP 的报文，我们看一下会有什么样一个情形？
到集线器是广播，然后 ICMPT 报文进到交换机里面了，交换机会不会把它转发出来呢？我们可以看到交换机把它从所有接口转发出来了，想一想这是为什么？很显然就是因为我们之前把交换机里面的记录全部给它清空了，我们可以认为这个时候交换机就很笨了。过来一个数据包，他其实本来是想到下面这台计算机，但是对于他来说，下面 MAC 计算机的 MAC 地址他不知道，也就数据包要到那个地方去，他并不知道要从自己的哪个接口去转发，所以它除了进口不发以外，其他的所有的可能它都会转发，也就是我们说的泛洪或者是洪泛都可以
本次实验就进行到这里。那么本次实验主要验证了交换机自学习的算法，包括如何登记接收到的数据包以及如何转发，那么这里面包括明确的转发，盲目的转发，还有丢弃数据包，也就是交换机可以对接进行过滤
交换机与集线器
