网络基础之通信原理实验

(本实验使用Cisco Packet Tracer软件)

1.同局域网之间的主机通信

        （1）观察交换机工作原理

        （2）主机间通信原理

下图是本实验拓扑

了解到交换机收到数据包先进行学习，再转发，不知道目的主机的mac地址会洪泛。

1.MAC 地址学习（Address Learning）

• 过程：当交换机接收到主机发送的数据包时，会提取数据包中的源 MAC 地址，并记录该地址对应的交换机端口，形成 “MAC 地址 - 端口” 映射表（又称 CAM 表）。
  • 示例：主机 A（MAC-A）通过交换机的端口 1 发送数据，交换机将 MAC-A 与端口 1 关联并存入 CAM 表。
• 动态更新：CAM 表中的条目有老化时间（通常为几分钟），若长时间未收到某 MAC 地址的数据包，对应条目会被删除，以适应主机移动或网络变化。

2. 数据转发（Forwarding）

• 单播转发：当交换机收到目标 MAC 地址已存在于 CAM 表的数据包时，直接将数据转发到对应的端口，避免广播到所有端口。
  • 示例：主机 A 向主机 B（MAC-B）发送数据，交换机查询 CAM 表发现 MAC-B 对应端口 2，仅将数据从端口 2 转发。
• 广播转发：若目标 MAC 地址不在 CAM 表中（如首次通信），交换机将数据包广播到除源端口外的所有端口，直到获取目标主机的 MAC 地址并更新 CAM 表。

3. 冲突域与广播域

• 冲突域：交换机通过全双工通信和端口隔离，将每个端口划分为独立的冲突域（传统集线器共享同一冲突域），减少数据碰撞。
• 广播域：交换机默认不隔离广播域（广播包会转发到所有端口），但可通过 VLAN 技术划分不同广播域。

主机间通信会使用arp协议进行ip地址与mac地址的绑定。

2.不同局域网之间的主机通信

1. IP 与 MAC 地址的协同

• IP 地址作用：标识主机在网络层的逻辑位置（同一局域网内 IP 属于同一子网）。
• MAC 地址作用：标识主机在数据链路层的物理身份，用于局域网内直接通信。

实验步骤：

1.完成拓扑

2.配置路由器的接口ip地址（作为不同局域网的网关地址）

配置代码：

enable  (进入特权模式)

configure terminal（进入全局配置模式）

intface fa0/0  (进入接口)

ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 （配置地址）

no shutdown（打开接口）

fa0/1与fa1/0配置代码与fa0/0配置代码一致

注意：路由器接口需要进行拖拽加入，本实验加入接口为NM-2E2W

3.配置各个主机的ip地址及网关地址，PC4配置情况如下图

4.模拟不同局域网之间的主机通信，以PC4到PC6为例，进入Simulation模式

点击信封图标，再点击PC4与PC6

点击快进按钮，拆解信封传输步骤，观察信封的传输过程，通过不同时段的arp表以及报文理解各个过程含义

PC4需要传输到不同局域网的PC6时，直接将数据包转发给交换机，交换机由于未学习到目标主机的mac地址会进行洪泛，到达路由器时作出响应告诉PC4自己能够到达目标主机，同时将自己接口的mac地址与ip地址告知PC4。

这时路由器可以对PC4的数据包进行转发处理，PC6网段中交换机由于不知道目标主机的mac地址，还会进行两次洪泛，最终还是由路由器告知。下图是PC6网段中交换机的mac地址表。

可知其已经学习到了PC6与fa0/1接口的mac地址

本次实验知识点总结：

1. 不同局域网的 IP 子网不同（如 192.168.1.0/24 和 192.168.2.0/24），无法直接通过 MAC 地址通信（MAC 地址仅在本地链路有效）。

2. 数据链路层的局限，以太网帧的目的 MAC 地址只能指向同一局域网内的设备，跨局域网时需通过网络层路由。

3. 跨局域网通信的核心设备：路由器（Router）的功能：

• 网络层寻址：根据 IP 地址决定数据转发路径（路由表查询）。
• IP 分组转发：接收来自一个局域网的 IP 包，根据目标 IP 查找路由表，转发到另一个局域网。
• 子网隔离：分割广播域（局域网内的广播包不会跨路由器传播）交换机的洪泛行为只在本局域网进行。