集线器与交换机的对比（基于 Cisco Packet Tracer 模拟网络）

  • 配置网络拓扑
  • 配置 IP 地址和子网掩码
  • 观察集线器与交换机对于单播包的处理
    • ①集线器
    • ②交换机
  • 观察集线器与交换机对于广播包的处理
    • ①集线器
    • ②交换机
  • 观察集线器与交换机对于多个站点同时发送数据的处理
    • ①集线器
    • ②交换机
  • 观察集线器扩展对于冲突域和广播域范围的影响
    • ①集线器
    • ②交换机
  • 结果分析

配置网络拓扑

首先，在 Packet Tracer 模拟器中配置好下面的网络网络拓扑，如图所示，其中通用交换机连接 4 台普通 PC，通用集线器 hub 连接 2 台普通 PC：

配置 IP 地址和子网掩码

然后，对于每个设备，按照下表，点击 PC，在每台 PC 的配置窗口中配置合理的 IP 地址和子网掩码：


设置 IP 地址由左到右为 192.168.1.1， 192.168.1.2， 192.168.1.3， 192.168.1.4， 192.168.1.5， 192.168.1.6，子网掩码均为 255.255.255.0。

无需为交换机和集线器配置 IP 地址，因为交换机和集线器主要是处于 数据链路层 ，不涉及转发 IP 数据包，所以不必设置 IP 地址。

对于PC0的配置如图：


对于其它主机的IP地址和子网掩码，其配置原理与PC0相同，这里不再赘述。

若此时交换机端口指示灯呈橙色， 则单击主窗口右下角 Realtime （实时）Simulation（模拟）模式切换按钮数次，直至交换机指示灯呈绿色。此步骤可加速完成交换机的初始化。

观察集线器与交换机对于单播包的处理

①集线器

添加PC0到PC2的简单PDU，切换到模拟模式进行观察：

单击 Add Simple PDU(添加简单 PDU)按钮，在拓扑图中添加 PC0 向 PC2 发送的数据包：

切换到模拟状态，设置 Event List Filters（事件列表过滤器）只显示 ICMP 事件:


单击 Auto Capture/Play(自动捕获/播放)按钮，捕获数据包：



观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：PC0 发送单播包到集线器 1，再通过集线器转发给 PC1、PC2、PC3，但只有 PC2 成功接收。而PC2 通过集线器发出单播包到 PC0、PC1、PC3，只有 PC0 可以成功地接收数据包。

点击 Info(信息)列中的彩色框以检查数据包的转发事件，如图所示：

②交换机

切换到模拟状态，设置 Event List Filters（事件列表过滤器）只显示 ICMP 事件:


单击 Auto Capture/Play(自动捕获/播放)按钮，捕获数据包：


添加PC6到PC8的简单PDU，然后进行观察：


然后进入模拟模式，并观察此时交换机的行为：


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：

PC6 发送单播包到交换机1，交换机1将其发送给 PC8，PC8 接收单播包，然后 PC8 经交换机将单播包返回给 PC6，结束执行。

经过上述步骤现象的对比，可以得出如下结论：

可见交换机与集线器的不同之处在于，交换机并没有进行广播，而可以直接将协议数据单元发给目标主机。

点击 Info(信息)列中的彩色框以检查数据包的转发事件，如图所示：

  1. 集线器工作在 物理层，接收到单播包时，向 所有端口 转发；
  2. 交换机工作在 数据链路层，依据目标 MAC 地址转发数据帧，所以接收到单播包时仅向 目标节点 所连接的端口转发数据帧。

观察集线器与交换机对于广播包的处理

①集线器

单击窗口下方的删除按钮，删除之前产生的场景：


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，然后单击该对话框下方的创建PDU 按钮，点击创建协议数据单元，添加从PC0发出的复杂PDU(广播包)，切换到模拟模式进行观察：


单击（捕获/执行）按钮，数据包到达集线器，再次单击（捕获/执行），集线器向与源站点 PC0 在同一广播域的所有站点转发数据包：


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：PC0 经集线器发送广播包到 PC1、PC2、PC3，在该网络中，多站点同时发送数据会发生冲突，导致数据包的转发过程失败。

点击 Info(信息)列中的彩色框以检查数据包的转发事件，如图所示：

②交换机

单击窗口下方的删除按钮，删除之前产生的场景：


单击 Add Complex PDU（添加复杂 PDU）按钮，单击 PC6，在弹出的对话框中设置参数，其中参数与之前的设置相同。

设置完成后，然后单击该对话框下方的创建PDU按钮，点击创建协议数据单元。

添加从PC6发出的复杂PDU(广播包)，设置自动捕获/播放，切换到模拟模式进行观察:


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：PC6 发送广播包给交换机，交换机接受；然后交换机将数据包转发给PC7、PC8和PC9；它们同时发送给交换机，交换机将其发送给 PC6，最终数据包的转发 成功完成：


点击 Info(信息)列中的彩色框以检查数据包的转发事件，如图所示：

观察集线器与交换机对于多个站点同时发送数据的处理

①集线器

单击窗口下方的删除按钮，删除之前产生的场景：


添加PC0到PC2和PC1到PC3的简单PDU：由PC0 向 PC2 发送数据包、由PC1 向 PC3 发送数据包。单击 Auto Capture/Play，切换到模拟模式进行观察：


观察数据包各个节点的情况、集线器及主机对数据包的处理：


可见，数据包发生了冲突，不能正常接收：


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：从主机0和主机1发出的数据包在到达集线器时发生了冲突。而集线器发出数据包到各个主机也发生了 数据冲突，导致主机2和主机3丢弃了数据包。

②交换机

单击窗口下方的删除按钮，删除之前产生的场景：


添加PC6到PC8和PC7到PC9的简单PDU：由PC6向 PC8 发送数据包、由PC7 向 PC9 发送数据包。单击 Auto Capture/Play，切换到模拟模式进行观察：


观察数据包各个节点的情况、交换机及主机对数据包的处理：
PC6和PC7向交换机发送数据包：


交换机将数据包转发给 PC6、PC7、PC8、PC9：


PC6到PC8的通信成功：

PC7到PC9的通信成功：

PC6和PC7向交换机发送数据包，然后交换机将数据包转发给 PC6、PC7、PC8、PC9。PC6发送的数据包被 PC8 接收，而其他 PC 丢弃收到的数据包；PC7发送的数据包被 PC9 接收，而其他 PC 丢弃 收到的数据包；之后PC8和PC9返回应答数据包，PC6到PC8和PC7到PC9的 通信成功。

点击 Info(信息)列中的彩色框以检查数据包的转发事件，如图所示：

观察集线器扩展对于冲突域和广播域范围的影响

①集线器

首先，需要扩展集线器，用交叉线连接拓扑图中的两台集线器，如图所示：


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，然后单击该对话框下方的创建PDU 按钮，点击创建协议数据单元，添加从PC0发出的复杂PDU(广播包)，切换到模拟模式进行观察:


单击（捕获/执行）按钮，数据包到达集线器，再次单击（捕获/执行），集线器0向与源站点 PC0 在同一广播域的所有站点转发数据包：


集线器1向同一广播域的所有站点转发数据包：


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：

  1. PC0 发送广播包到达集线器 0 ，集线器 0 将广播包转发给 PC1、 PC2、PC3以及集线器 1；
  2. 各个PC的应答包在集线器 0 发生 冲突；
  3. 集线器 1 发送数据包到 PC4、PC5 ；应答包的发送同样产生 冲突；
  4. 各个PC均 丢弃数据包，通信结束。


点击 Info(信息)列中的彩色框以检查数据包的转发事件，如图所示：


添加PC0到PC2和PC4到PC5的简单PDU：由PC0 向 PC2 发送数据包、由PC4 向 PC5 发送数据包。单击 Auto Capture/Play，切换到模拟模式进行观察：


观察数据包各个节点的情况、集线器及主机对数据包的处理：

观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：

1.在这一过程中，由于延迟的存在，在 PC4 发送的数据到达集线器 0 并发生冲突之前，PC0 发送的数据包已经到达 PC2；

2.而在 PC2 发送应答包时，与到达集线器 0 的数据冲突。间隔一定时间后，PC2 重新发送数据包，最终数据到达 PC0；


3.在 PC0 发送的数据到达集线器 1 并发生冲突之前，PC4 发送的数据包已经到达 PC5；

4.而在 PC5 发送应答包时，与到达集线器 1 的数据冲突。间隔一定时间后，PC5 重新发送数据包，最终数据到达 PC4。


由以上实验可以看出，集线器在扩大以太网规模的同时，也扩大了冲突域。当网络规模扩大，站点数量增加时，网络中发生冲突的可能性也将增加，这将导致 网络性能下降。

②交换机

首先，需要扩展交换机，用交叉线连接拓扑图中的两台交换机，如图所示：


单击窗口下方的删除按钮，删除之前产生的场景：


单击 Add Complex PDU（添加复杂 PDU）按钮，单击 PC6，在弹出的对话框中设置参数如下图所示：


设置完成后，然后单击该对话框下方的创建PDU 按钮，点击创建协议数据单元，添加从PC0发出的复杂PDU(广播包)，切换到模拟模式进行观察:


单击（捕获/执行）按钮，数据包到达交换机，再次单击（捕获/执行），交换机向站点转发数据包：


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：

  1. PC6 发送数据包到交换机0，再经交换机0发送给 PC7、PC8、PC9和交换机1；
  2. 交换机1发送数据包给 PC10、PC11；
  3. 各个PC 发送应答包，最终PC6 通信成功。


添加PC6到PC8和PC10到PC11的简单PDU：由PC6向 PC8 发送数据包、由PC10 向 PC11 发送数据包。单击 Auto Capture/Play，切换到模拟模式进行观察：

观察数据包各个节点的情况、集线器及主机对数据包的处理：


经交换机0和交换机1将数据包发送给 PC8、PC11：


PC8、PC11发送应答包，PC6、PC10 成功接收，最终通信成功结束：


观察数据包的转发过程可以发现，出现的现象为：

  1. PC6，PC10 分别发送数据包到交换机0和交换机1；
  2. 然后，经交换机 0和交换机1转发，将数据包发送给 PC8、PC11；
  3. PC8、PC11发送应答包，PC6、PC10 可以成功接收，最终通信成功结束。

由以上实验得知，虽然使用交换机解决了冲突域的问题，但是它并不能隔离广播域。

在使用交换机扩大网络规模的同时，也扩大了广播域。这将使以太网中广播包的数量增加，当广播包的数据量达到了一定数量时，网络性能就会 大幅度地下降。

结果分析

经过本次实验关于 PDU 传输的模拟过程，可以分析得出：

集线器工作在物理层，仅对电信号进行 放大整形 ，然后向所有端口转发，并不识别数据链路层的帧，更不执行 CSMA/CD 协议。

而交换机工作在数据链路层，对从接口接收的数据链路层的帧进行处理，查看其目的 MAC 地址，并选择正确的接口进行存储转发，而且在向其他接口转发时要执行 CSMA/CD 协议。

交换机通过其接收的帧来学习每个端口连接的设备的物理地址，并将该信息存储在地址表中。如果交换机收到的帧的目的设备物理地址在其地址表中，它只会将该帧从连接该设备的端口发送出去。这称为 已知单播 。如果交换机收到一个广播，它就会将该帧从接收端口以外的所有其他端口泛洪出去。另外，如果交换机收到的帧的目的设备 MAC 地址不在其地址表中(即 未知单播 )，它也会将该帧从除接收端口以外的所有其他端口泛洪出去。当交换机将帧从除接收端口以外的所有其他端口泛洪出去时，其行为类似于集线器。

一个集线器形成了一个网络碰撞域；而对局域网交换机而言，每个端口可能构成一个独立的碰撞域，大大减少了分组访问网络冲突的机会。只要 PC 两两之间访问交换机的不同端口，并且这些端口配置为全双工的，它们之间就不存在碰撞域。广播域是对广播分组直接到达的区域而言的，由于局域网交换机转发广播报文，因此由交换机连接的局域网构成了一个广播域。

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