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Network系列：数据通信原理实验（四）

数据通信原理实验

1. 拓扑图

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2. 二层交换原理

2.1 广播帧

广播帧处理行为：交换机不会去查MAC地址表，直接对该广播帧执行泛洪操作。


实验开始

初始状态下，交换机并不知道所连接主机的MAC地址，所以MAC地址表为空。查看PC3的ARP表，也是空的。

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此时PC3 ping PC4，看模拟器抓包。

PC3：172.16.3.3

PC4：172.16.3.4

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PC3构造ICMP请求数据包

Ping进程启动下一个Ping请求，Ping进程创建ICMP Echo Request消息，并将其发送到较低的进程。未指定源IP地址。设备将其设置为端口的IP地址。


此时本地ARP表发现没有IP和MAC的对应信息，所以进行构造ARP包来请求对端IP的MAC地址。

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PC3构造ARP包

ARP进程构造对目标IP地址的请求，设备将PDU封装到以太网帧中。由于PC3本地ARP表没有对应表项，所以此时的目的MAC是广播地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）

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PC3发送ARP请求

此时交换机的MAC表中不存在这个帧源MAC地址。交换机将此帧的源MAC作为新的MAC条目添加到其表中。交换机处理帧，广播帧为目标MAC地址。交换设备从以太网帧中解封装PDU，发现该帧为ARP帧。交由ARP进程处理它。

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交换机查看MAC地址表

已成功学习PC3发送的ARP包中的以太网帧的源MAC（也就是PC3的MAC），这时再看看交换机如何处理。

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交换机对广播帧的处理

这是一个广播帧，交换机不会去查MAC地址表，直接对该广播帧执行泛洪操作，交换机将该帧发送到同一VLAN中除接收端口外的所有端口。（发送到f0/2、f0/24）

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R3、PC4接受到帧后的处理

R3接收到一个广播帧，设备从以太网帧中解封装PDU。该帧为ARP帧。ARP进程处理它，但ARP请求的目标IP地址与接收端口的IP地址不匹配，ARP进程丢弃帧。

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PC4接收到一个广播帧，帧的目标MAC地址与接收端口的MAC地址匹配，设备从以太网帧中解封装PDU。该帧为ARP帧，ARP进程处理它。ARP请求的目标IP地址与接收端口的IP地址匹配，ARP进程用接收到的信息更新ARP表。

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查看PC4的ARP表

已成功学习到PC3的MAC

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PC4进行ARP回复

此时ARP进程用接收端口的MAC地址回复请求，设备将PDU封装到以太网帧中。

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交换机处理PC4的ARP回复

交换机的MAC表中不存在帧源MAC地址，交换机将此帧的源MAC作为新的MAC条目添加到其表中。同时这是一个单播帧，交换机在其MAC表中查找目标MAC地址。

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交换机查看MAC地址表

已成功学习到PC4的MAC地址，同时也拥有PC3的MAC地址，可以直接进行转发。

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交换机对PC4发来的帧进行处理

交换机查询MAC地址表得知目的MAC是与f0/1口绑定，所以将帧从该端口发送出去。

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PC3接收交换机转发PC4的应答ARP帧

帧的目标MAC地址与接收端口的MAC地址匹配，设备从以太网帧中解封装PDU。该帧为ARP应答帧，ARP进程处理它。ARP进程用收到的信息更新ARP表，ARP进程取出并发送等待此ARP回复的缓冲包。

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ARP进程从缓冲区中取出此数据包并重新发送，设备将PDU封装到以太网帧中。

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PC3发送ICMP请求数据包

交换机接收到PC3发送的数据包，在交换机的MAC表中找到该帧的源MAC地址，与MAC表中相同所以不需要重新学习。然后这是一个单播帧，交换机在其MAC表中查找目标MAC地址（当然此时MAC表也有PC4的MAC）。

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再看看交换机出站PDU详细信息

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PC4接收交换机转发的ICMP请求数据包

数据包的目标IP地址与设备的IP地址匹配，设备对数据包进行反封装。数据包是ICMP数据包，ICMP进程处理它，

ICMP进程接收到回显请求消息。

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再看看PC4出站PDU详细信息，已成功反封装IP数据包以及以太网帧。ICMP进程通过将ICMP类型设置为Echo Reply来回复Echo Request，ICMP进程发送回显回复。

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交换机对PC4发来的ICMP回复数据包进行处理

当然，MAC地址表中有PC3的MAC地址，所以直接执行转发！

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但此时交换机MAC地址表会有哪些表项呢？有没有什么变化？下面查看一下，多了R3的g0/1接口的MAC地址，从交换机f0/24接口接收到的！那是为什么？

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因为期间R3向交换机发送ospf数据包，当交换机第一次从f0/24接口接收到来自R3的数据包，拆开以太网帧发现MAC地址表没有该帧的源MAC地址和接口的对应表项，此时进行添加该帧里的源MAC地址和接收接口绑定条目。

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PC3接收交换机转发PC4的ICMP回复数据包

数据包的目标IP地址与设备的IP地址匹配，设备对数据包进行反封装。数据包是ICMP数据包，ICMP进程处理它。

ICMP进程接收到回显回复消息，Ping进程收到Echo Reply消息。

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查看PC3的ping程序，成功ping通！

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2.2 未知单播帧

交换机在MAC地址表中查不到这个帧的目的MAC地址，则交换机对该单播帧执行泛洪操作。


实验开始

在刚从上面的基础上，先清空S1交换机的MAC地址表，切换至模拟模式。

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此时PC3 ping PC4，看模拟器抓包，直接构造ICMP请求数据包，因为PC3本地MAC表有PC4的IP和MAC地址对应条目，所以不需要进行ARP请求。

PC3：172.16.3.3

PC4：172.16.3.4

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PC3构造ICMP请求数据包

Ping进程启动下一个Ping请求，Ping进程创建ICMP Echo Request消息，并将其发送到较低的进程。未指定源IP地址，设备将其设置为端口的IP地址。下一跳IP地址是单播，ARP进程在ARP表中查找它，下一跳IP地址在ARP表中。ARP进程将该帧的目标MAC地址设置为表中的地址，设备将PDU封装到以太网帧中。

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交换机对未知单播帧的处理

交换机拆到二层，发现帧源MAC地址不在MAC地址表上，交换机将该帧的源MAC作为新的MAC条目添加到其表中。同时这是一个单播帧，交换机在其MAC表中查找目标MAC地址，此时肯定是PC4的MAC地址的（目标MAC地址）。

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所以接下来看看交换机要出站的信息，帧的目标MAC地址不在MAC表中。交换机将帧泛洪发送到同一VLAN中的所有端口，接收端口除外（也就是泛洪给f0/2、f0/24）。

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R3接收交换机的泛洪单播帧

帧的目标MAC地址与接收端口的MAC地址不匹配，设备将丢弃帧。

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PC4接收交换机的泛洪单播帧

有没有发现这和前面的广播帧有小许不同，交换机同样操作是泛洪，但是这个是泛洪单播帧，目标MAC是在PC3有具体的对应条目的。

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后续

后面就跟前面一样，数据包的目标MAC和本地接口MAC符合。PC4对该数据包进行解封装，目标IP和本地接口IP匹配，将数据包丢给ICMP进程进行处理。进行逆封装，ICMP进程发送回显回复数据包。发送到交换机上，交换机学习该帧中的源MAC（PC4的MAC）和对应接口形成的条目加入到MAC表中，在交换机MAC表中查询目标MAC（PC3）所对应的接口，进行转发操作。PC3接收到后进行处理，后续不在赘述。


3. IP路由原理

PC1、PC3 两者不在一个网络中，那数据包是如何封装和传递的呢？下面进行PC1 ping PC3试试

图中R1、R2、R3已运行ospf在area 0区域中

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PC1开始Ping

Ping进程启动下一个Ping请求，Ping进程创建ICMP Echo Request消息，并将其发送到较低的进程。未指定源IP地址，设备将其设置为端口的IP地址。目标IP地址172.16.3.3不在同一子网中，设置默认网关，设备将下一跳设置为默认网关。


图中IP包已经正常的封装，二层没封装是因为PC1的ARP表没有对应网关IP和MAC的对应条目，所以才会创建一个ARP请求。

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请求网关IP的MAC地址

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R1进行处理ARP请求

R1的出站信息

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PC1处理ARP回复

将该ARP应答帧中的源MAC添加到本地ARP表项中，此时就请求到网关地址的MAC了。

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PC1的ARP表

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PC1重新进行ping

ping创建ICMP Echo Request消息，封装本端IP和目的IP，发现目的IP与本端IP不在同一个网络。此时二层封装目的MAC为网关MAC（因为ARP表有网关IP和MAC的对应表项，不需要进行ARP请求）

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详细PDU信息

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R1对PC1发送来的数据包进行处理

首先R1对该数据包进行解封装，拆到二层，帧的目的MAC地址和接收端口g0/1的MAC地址匹配，继续送往上层。拆到三层，对目的IP进行路由表查询，这个数据包需要转发到哪里。

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查看路由表，有去往该目的IP网络的路由条目，下一跳地址为1.1.1.3

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所以此时R1的操作，路由表查找到目标IP地址的路由条目，通过1.1.1.3可以到达目的地网络，设备减少数据包上的TTL。同时查找ARP表，对二层重新封装源MAC和目的MAC。

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R1的出站PDU信息，已经完成重新封装，下一步发送往交换机。

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交换机接收R1路由转发的数据包进行处理

交换机拆开二层，查询MAC地址表有该帧中的目的MAC，所以下一步从f0/3接口转发出去。

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交换机的入站和出站信息

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R3对交换机转发的数据包进行处理

R3此时的操作，对该数据包进行解封装，拆到二层，帧的目的MAC地址和接收端口g0/0的MAC地址匹配，继续送往上层。拆到三层，对目的IP进行路由表查询，这个数据包需要转发到哪里。查看路由表，有去往该目的IP网络的路由条目，为直连网络，出接口为g0/1。

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所以此时R3的操作，路由表查找到目标IP地址的路由条目，通过直连接口g0/1可以到达目的地网络，设备减少数据包上的TTL。同时查找ARP表，对二层重新封装源MAC和目的MAC。

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R3的出站PDU信息，已经完成重新封装，下一步发送往交换机。

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交换机接收R3路由转发的数据包进行处理

交换机拆开二层，查询MAC地址表有该帧中的目的MAC，所以下一步从f0/1接口转发出去。

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PC3接收交换机转发的数据包进行处理

数据包的目的IP地址与接口IP地址匹配，PC3对数据包进行反封装进行回复。

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实验结束

后续数据包的路由转发步骤与前面的相似，不再赘述。

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posted @ 2023-09-17 11:06  YinJayChen  阅读(43)  评论(0)  编辑  收藏  举报