实验目的：

1.熟悉并掌握Cisco Packet Tracer的安装及使用方法；

2.验证并掌握集线器和交换机的工作方式及区别。

实验器材：

一台Windows操作系统的PC机。

实验准备：

1．配置网络拓扑：首先，在 Packet Tracer 7.3.1 模拟器中配置好如下的网络拓扑结构。如下图所示，具体包括：两台集线器分别连接4台普通PC与3台普通PC，两台通用交换机分别连接4台普通PC与3台普通PC；

另：配置过程中交换机端口指示灯可能呈橙色，单击主窗口右下角 Realtime （实时）Simulation（模拟）模式切换按钮数次，即可加速完成交换机的初始化。

2. 配置 IP 地址和子网掩码：根据实验要求，对于每个设备，按照实验指导书中提供的表格配置IP地址，点击 PC，打开参数表如下所示，在每台 PC 的配置窗口中配置合理的 IP 地址和子网掩码：

3. 设置 Event List Filters（事件列表过滤器）：在模拟状态中，设置事件列表过滤器只显示ICMP事件，可以在后续实验过程中精简进程的显示与避免额外情况的出现。

实验内容：

任务一：观察集线器和交换机的运行

（1） 观察集线器对于单播包的处理

添加PC0 到PC2 的简单PDU，观察集线器对PC0发送的数据包的转发可以看出，其具体过程为：PC0 发送单播包到集线器 0，再通过集线器转发给 PC1、PC2、PC3，但只有目的地PC2 成功接收；

PC2成功接收后，需要向PC0发送成功接收的数据，同样首先向集线器发送单播包，集线器再发送给PC0、PC1、PC3，同样只有 PC0 可以成功地接收数据包，从此一过程就可以看出，集线器存在的明显的弊端，仅仅是一个简单的单播包，集线器却需要向所有PC“广播”才能确定哪一个PC端接收数据。

（2）观察交换机对于单播包的处理

添加PC7 到PC10 的简单PDU，观察交换机对PC7发送的数据包的转发可以看出，其具体过程为：PC07发送单播包到交换机，再通过集线器直接转发给 PC10 并且成功接收；

PC10成功接收后，需要向PC7发送成功接收的数据，同样首先向交换机发送单播包，交换机再直接发送给PC7，从此一过程就可以看出，交换机与集线器不同之处与改进，它不再需要向所有连接的PC端发送数据包。

（3）观察集线器对于广播包的处理

为发送广播包，我们首先需要删除PDU列表窗口中的场景，并单击 Add Complex PDU（添加复杂 PDU）按钮，单击 PC0，在弹出的对话框中设置参数如下图所示：

设置完成后点击创建PDU，添加从PC0 发出的复杂PDU(广播包)，切换到模拟模式进行观察，数据包到达集线器后，由集线器转发给PC1,PC2,PC3，可以看到除PC2外，其余PC显示类似等待的图标，这是因为PC1发出数据包后其余接收PC需要进行回复，但它们并不知道PC1的MAC地址，此时再进行下一步，它们首先需要先向PC7发送一个获取PC7的MAC地址的ARP请求。

为解决这个问题，我们可以仿照上述的实验内容分别使PC0向PC1,PC2,PC3发送单播包，再次执行广播包操作，可以看到显示所有PC端均已接收到了广播数据包。

而在接收PC端向发送PC端发送已接收数据时，由于它们所共用一个集线器，因此在集线器内会发生碰撞，导致信息无法到达PC0，而该碰撞信息也会被发送给所有主机，因此我们可以直观感受到集线器在广播信息时的弊端。

（4）观察交换机对于广播包的处理

与上述实验过程相同设置完成后，点击创建PDU，添加从PC7发出的复杂PDU(广播包)，切换到模拟模式进行观察，数据包到达集线器后，由集线器转发给PC8,PC9,PC10，可以看到除PC10外，其余PC显示类似等待的图标，这是因为PC7发出数据包后其余接收PC需要进行回复，但它们并不知道PC7的MAC地址，此时再进行下一步，它们首先需要先向PC7发送一个获取PC7的MAC地址的ARP请求。

为解决这个问题，我们可以仿照上述的实验内容分别使PC7向PC8,PC9发送单播包，再次执行广播包操作，可以看到显示所有PC端均已接收到了广播数据包，并且都排队正确发送给了PC7已接受到信息的消息，而集线器在此就会发生碰撞，因此其相对于交换机“看不懂”帧的弊端就在这里体现了出来。

任务二：分别观察以集线器和以交换机为中心的以太网中，多个站点同时发送数据的情况，理解冲突域的概念

（1）观察以集线器为中心的以太网中多个站点同时发送数据的情况

首先我们删除上述实验中PDU列表窗口中的场景，添加 PC0 到 PC2 和 PC1 到 PC3 的简单 PDU：由 PC0 向 PC2发送数据包、PC1 向 PC3 发送数据包，并单击 Auto Capture/Play，切换到模拟模式进行观察；

可以看到同时发送数据的两个PC机的数据包在集线器中会发生碰撞产生数据冲突，紧接着集线器只能将数据冲突的信息广播给所有主机，导致主机2与主机3并没有收到主机0与主机1的数据包，因此体现了以集线器为中心的以太网中主机无法同时发送消息的缺陷。

（2）观察以交换机为中心的以太网中多个站点同时发送数据的情况

首先我们删除 PDU 列表窗口中的场景，添加 PC7 到 PC9 和 PC8 到 PC10 的简单 PDU：由 PC7 向PC9 发送数据包、由 PC8 向 PC10 发送数据包。单击 Auto Capture/Play，切换到模拟模式进行观察；

我们可以看到PC7 和 PC8 首先向交换机发送数据包，然后交换机首先将数据包转发给 PC9，之后 PC9通过交换机向PC8返回应答数据包，然后交换机将数据包转发给 PC10，之后 PC10通过交换机向PC8返回应答数据包，至此PC7 到 PC9 和 PC8 到 PC10 的通信成功，交换机的特点是其与集线器不同在接受数据包后不会发送数据冲突。

任务三：观察集线器和交换机在扩展以太网覆盖范围的同时，对冲突域和广播域范围的影响

（1）观察集线器扩展以太网时对冲突域范围的影响

进入模拟模式，添加两个简单 PDU，从主机 PC0 向主机 PC3 发送单播包，并同时从主机 PC4 向主机 PC6 发送单播包：

可以看到虽然PC3与PC6虽然接收到了PC0与PC4发送的数据包，但是在它们希望返回应答数据包时会与从另一集线器处广播而来的数据包产生数据冲突，而接下来产生冲突的信息又需要被集线器广播，则两个集线器之间又会发生碰撞，该碰撞信息会在两个集线器内被反复传播多次，这是由于集线器广播的特性，使其在扩展以太网中冲突域被扩大了，虽然发送数据包的主机与接收数据包的主机都在同一集线器内的网络下，但依然会有碰撞发生，也从侧面体现了集线器十分不适用于扩展以太网。

（2）观察集线器扩展以太网时对广播域范围的影响

在 PC0 上添加复杂 PDU，目标 IP 地址设置为 255.255.255.255，依次单击捕获/转发按钮，广播包首先到达第一个集线器；

再接着由此集线器广播给其它主机与另一个集线器，此时PC1、PC2与PC3已经接收到了PC0发送的数据包，它们需要向PC0返回应答包；

在PC1、PC2与PC3返回应答包的过程中，它们会在第一个集线器中产生冲突，这是我们在上述实验过程中可以预见到的，同时第二个集线器向其它主机广播数据包，同样在第一个集线器处与应答包产生冲突，而PC4、PC5、PC6接收到了数据包，它们需要向PC0返回应答包；

第一个集线器将发生碰撞的信息广播给所有主机，正好在第二个集线器处与向PC0返回应答包的数据包相冲突，之后碰撞信息被反复传播多次，直到所有的碰撞信息都被每个主机所接收到，在以集线器为中心的扩展以太网传输广播包时，其广播域虽然扩大了，但随之增大的是碰撞信息会在两个集线器内被不断的传播，大大占用了信道的使用时间。

（3）观察交换机扩展以太网时对冲突域及广播域的影响

进入模拟模式，添加两个简单 PDU，从主机 PC7 向主机 PC9 发送单播包，并同时从主机 PC11 向主机 PC13 发送单播包，数据包首先到达交换机后，被直接有目的地的交给了对应的主机：

在接收的主机成功接收到数据包后，首先向交换机发送应答包，随后由交换机转发给对应的发送主机，在此一同时发送数据包的过程中，没有发生任何的碰撞且发送方正常接收到了应答数据，可见以交换机为中心的扩展以太网冲突域并没有扩大。

在 PC7 上添加复杂 PDU，目标 IP 地址设置为 255.255.255.255，依次单击捕获/转发按钮，广播包首先到达第一个交换机；

左侧交换机将广播包广播给其网络下的所有主机并且广播给右侧交换机；

右侧交换机收到广播包后，将广播包广播给其网络下的所有主机，而左侧交换机网络下的主机需要向PC7返回应答包，因此在左侧交换机中显示排队等待发送应答包；

左侧交换机下的主机逐个向PC7返回应答报，而右侧交换机下的主机同样需要向PC7返回应答包，因此在右侧交换机中显示排队等待发送应答包，此后的一系列过程都是两个交换机在排队等待向PC7返回应答包的过程，直到所有应答包都被返回完毕，与上述实验的集线器相比，我们可以感受到以交换机为中心的扩展以太网的广播域被明显扩大了，而且期间没有发生任何碰撞井然有序。

思考题：

1．集线器在接收到发送给某结点的单播包时是如何转发数据的？交换机又是如何处理单播包的？

当集线器接收到单播数据包后，会采取广播给所有主机，只有对应主机接收数据包，其它主机丢弃数据包的方式进行传播，这是因为集线器没有识别帧的功能，接收到单播包后并不知道应该发送给哪一个特定的主机，因此只能广播给所有的主机让主机进行判断。而交换机在接收到单播包后，将会点对点转发给对应主机，这是因为交换机与集线器相比可以识别数据包中的帧信息并存储对应主机的MAC地址，因此交换机可以较为智能的将单播包转发给对应的主机。

2.在以集线器/交换机为中心的以太网中，当多个站点同时发送数据时，是否会发生冲突？为什么？

当多个站点同时发送数据时，以集线器为中心的以太网会发生冲突，因为集线器不具备识别帧的功能，因此无法将数据包转发给特定主机的端口，只能进行广播发送，因此多个数据包会在集线器处产生数据冲突发生碰撞。而以交换机为中心的以太网不会发生冲突，因为交换机具备识别帧的能力，可以解读数据包中的帧信息是要发送给哪一个主机端口，当多个数据包到达交换机后，会将数据包排队转发给对应的主机端口，因此不会发生冲突。

3.使用集线器扩大以太网规模时，有没有可能会使以太网的性能下降？为什么？

有可能导致以太网性能下降，因为当以集线器为中心的以太网规模被扩大的同时，广播域被扩大了，集线器的一个弊端也就是冲突域也会随之变大，碰撞概率会大大增加，例如当两个集线器内网络的主机同时发送数据，同时碰撞信息会在两个集线器间不断传播直到所有网络内的主机都收到碰撞信息，因此，集线器扩大以太网规模主要是导致了碰撞次数与冲突信息的增多，影响以太网性能。

4.使用交换机扩大以太网规模时，有没有可能会使以太网的性能下降？为什么？

有可能导致以太网性能下降，与集线器相比，以交换机为中心的以太网虽然具有识别功能可以隔绝碰撞域不会导致冲突域的扩大，但是交换机并不能隔绝广播域，如果使用交换机扩大以太网，当以太网中广播包的数量增加到一定数量时，无用的广播包将会过长时间的占用信道，因此，交换机扩大以太网规模主要是体现在发送广播包时无用信息的增多与传播，从而影响以太网性能。

5.交换机能否隔离碰撞域？

首先我们在上述实验内容的基础上为以集线器为中心的扩展以太网，在两个集线器间加入一个交换机，用以验证交换机是否能隔离碰撞域，进入模拟模式，添加两个简单 PDU，从主机 PC0 向主机 PC3 发送单播包，并同时从主机 PC4 向主机 PC6 发送单播包；

首先发送信息的主机依然是将数据包先发送给最邻近的集线器；

而在集线器将接收到的数据包进行广播时，它会将数据包广播给自己网络所在的所有主机与我们的交换机，我们可以明显看到在交换机处，它判断了我们数据包中的帧的信息，此数据包是不需要发送到另一网络上的，因此阻隔了碰撞的发生，也就是隔离了碰撞域；

最后，接收数据的主机返回应答包时也与上述实验步骤中描述的一样，交换机阻隔了碰撞的发生，应答包成功输送到了对应主机上，因此我们可以得出结论，由于交换机可以识别帧的特点，它是可以隔离集线器为中心的扩展以太网的碰撞域的。

实验结果、分析与结论：

对比	集线器	交换机
基本功能	创造网络/数据转发
是否能识别帧	不能	能
数据包传输方式	广播	点对点/广播
处理单播包	集线器接收到数据包后，广播给所有主机	交换机接收到数据包后，点对点转发给对应主机
处理广播包	集线器接收到数据包后，广播给所有主机，但在主机返回应答包时会在集线器处产生碰撞	交换机接收到数据包后，广播发送给所有主机，主机在返回应答包时需要在交换机处排队发送
多个站点同时发送数据	会产生冲突：由于多个站点共用一个集线器，在发送数据包时会在集线器处产生冲突	不会产生冲突：交换机具有识别帧的功能，当多份数据同时到达交换机时，它会根据识别得到的帧的信息将数据包转发给对应主机
扩展以太网	冲突域扩大，广播域扩大，可能导致以太网性能下降：因为以太网规模扩大的同时也扩大了冲突域，从而导致以太网中碰撞次数与冲突信息的增多，影响以太网性能	冲突域不变，广播域扩大，可能导致以太网性能下降：交换机并不能隔绝广播域，使用交换机扩大以太网，这将使以太网中广播包的数量增加，从而影响以太网性能
补充	可以使用交换机隔离冲突域	/

实验心得与体会：

1. 本次实验课我们第一次从书本上的理论知识走近了实验室中的理论操作，与之前课程我们所接触的实验课程相比，此次的实验内容本身并不复杂操作简单，且老师为我们提供了十分详细的实验指导书，但同时我们也必须认识到，如果只是单纯的跟着老师的实验指导书一板一眼的操作下来，是达不到我们实验的真正目的的，每一个操作，每一个步骤我们都需要用心去理解与深入的思考；
2. 正如上述所说，我认为每一个实验与它的实验报告背后都存在它十分明确的一个目的，有一些实验是希望我们通过实验报告记录实验的具体操作，便于我们今后碰到类似这样的操作可以有所参考，而我认为我们此次的实验与实验报告更看重的是，通过观察，进一步加深对相关原理的理解并进行深入的思考，为什么会出现这样或者那样的实验现象？因此在实验过程中，我们需要格外留意与关注我们与他人实验现象的不同，很有可能我们就会在这些地方发现一些值得探讨的细微点；
3. 同时，本次实验中我们最核心关注的就是集线器与交换机的对比，其实在我们实际的实验过程中，我虽然可以感受到二者的区别，比如集线器是无明确目标的直接广播，而交换机是有明确目标的点对点转发，我还不太能理解集线器与交换机为什么有这样的区别，而交换机又为什么具有这样的特点，经过后续理论课的学习与课后资料的查阅，我明白了：交换机与集线器最大的差别就在于它能解读“帧”，也就是可以识别已连接设备的物理地址，并将这些Mac地址存储在路由表；
4. 另外在此次实验中有一个值得关注的现象，在以太网中除去集线器与交换机等转发数据的单位上会出现类似等待的符号，主机上也同样会出现类似等待的符号同时存在两个信封，在实验课上时我原本对这一原理还不够理解，经过理论课的学习后我明白了，这是因为主机返回应答包时，如果并不知道对应主机的MAC地址，就必须先发送一个获取对应主机MAC地址的ARP（Address Resolution Protocol）请求，即地址解析协议，因此就会出现两个信封；
5. 因此我们总的来说，交换机在实际生活中比集线器更具有优势，它大大减少了我们网络上不必要的数据流通，这样的结论并不是我们根据书本上的理论或者自己脑袋中的推演就可以得出的，而是需要实验室中的多个实验内容反复实践相互验证才能严谨得到的，因此对待实验课程，我们即要领悟与理解每一个具体的实验步骤，更要深入挖掘实验背后的原理与意义。