Openlab实验平台实验--Mininet Mac地址学习实验

任务目的

1、了解交换机的MAC地址学习过程。
2、了解交换机对已知单播、未知单播和广播帧的转发方式。

任务环境

设备名称软件环境（镜像）硬件环境
主机 Ubuntu 14.04桌面版
Mininet 2.2.0
CPU：1核内存：2G 磁盘：20G
注：系统默认的账户为root/root@openlab，openlab/user@openlab。

任务内容

通过Mininet模拟二层交换机和两个主机，通过两个主机通信来了解交换机MAC地址学习过程。

实验原理

MAC（media access control，介质访问控制）地址是识别LAN节点的标识。MAC对设备（通常是网卡）接口是全球唯一的，MAC地址为48位，用12个16进制数表示。前6个16进制数字由IEEE管理，用来识别生产商或者厂商，构成OUI（Organization Unique Identifier，组织唯一识别符）。后6个包括网卡序列号，或者特定硬件厂商的设定值。对于一个网卡来说，MAC地址是它的一个物理地址，是不可变的，而IP地址是它对应的一个逻辑地址，是可以更改的。说到MAC地址表，就不得不说一下交换机的工作原理了，因为交换机是根据MAC地址表转发数据帧的。在交换机中有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，交换机就是根据这张表负责将数据帧传输到指定的主机上的。交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源MAC地址和对应的接口到MAC表中，接着、会检查自己的MAC表中是否有数据帧中目标MAC地址的信息，如果有则会根据MAC表中记录的对应接口将数据帧发送出去(也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去（也就是广播）。下图详细讲解交换机传输数据帧的过程。

1、主机A会将一个源MAC地址为自己目标MAC地址为主机B的数据帧发送给交换机。

2、交换机收到此数据帧后，首先将数据帧中的源MAC地址和对应的接口（接口为f
0/1）记录到MAC地址表中。

3、然后交换机会检查自己的MAC地址表中是否有数据帧中的目标MAC地址的信息，如果有，则从MAC地址表中记录的接口发送出去；如果没有，则会将此数据帧从非接收接口的所有接口发送出去（也就是除了f0/1接口）。

4、这时，局域网的所有主机都会收到此数据帧，但是只有主机B收到此数据帧时会响应这个广播，并回应一个数据帧，此数据帧中包括主机B的MAC地址。

5、当交换机收到主机B回应的数据帧后，也会记录数据帧中的源MAC地址（也就是主机B的MAC地址），这时，再当主机A和主机B通信时，交换机根据MAC地址表中的记录，实现单播了。

当局域网存在多个交换机互联的时候，交换机的MAC地址表记录过程如下图所示。

1、主机A将一个源MAC地址为自己，目标MAC地址主机C的数据帧发送给交换机。

2、交换机1收到此数据帧后，会学习源MAC地址，并检查MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会将数据帧广播出去，主机B和交换机2都会收到此数据帧。

3、交换机2收到此数据帧后也会将数据帧中的源MAC地址和对应的接口记录到MAC地址表中，并检查自己的MAC地址表，发现没有目标MAC地址的记录，则会广播此数据帧。

4、主机C收到数据帧后，会响应这个数据帧，并回复一个源MAC地址为自己的数据帧，这时交换机1和交换机2都会将主机C的MAC地址记录到自己的MAC地址表中，并且以单播的形式将此数据帧发送给主机A。

5、这时，主机A和主机C通信就是一单播的形式传输数据帧了，主机B和主机C通信如上述过程一样，因此交换机2的MAC地址表中记录着主机A和主机B的MAC地址都对应接口f0/1。

从上面的两幅图可以看出，交换机具有动态学习源MAC地址的功能，并且交换机的一个接口可以对应多个MAC地址，但是一个MAC地址只能对应一个接口。本次实验将通过Mininet来验证交换机的MAC地址学习功能。

注意：交换机动态学习的MAC地址默认只有300S的有效期，如果300S内记录的MAC地址没有通信，则会删除此记录。

实验步骤

一、MAC地址学习操作

步骤1. 登录Mininet虚拟机，执行以下命令创建一个线型拓扑，控制器设置为无。
$ sudo mn --topo linear --mac --switch ovsk --controller=none

步骤2. 执行 nodes 命令查看全部节点，如下图所示。

步骤3. 执行 net 命令查看链路信息，如下图所示。

步骤4. 执行 dump 命令查看节点信息，如下图所示。

步骤5. 再打开一个终端（Terminal窗口2），执行如下命令来打开交换机s1和交换机s2的二层。
$ sudo ovs-vsctl del-fail-mode s1
$ sudo ovs-vsctl del-fail-mode s2
说明：因为交换机s1和交换机s2是两个SDN交换机，在启动Mininet时没有指定任何控制器，交换机中没有流表的存在，无法进行转发操作。主机h1和主机h2无法进行通信。执行上述命令后，s1和s2就是两台普通的二层交换机了。

步骤6. 在Terminal窗口1中，执行如下命令进行两台主机Ping操作。

h1 ping h2

步骤7. 在Terminal窗口2中执行如下命令，查看流表项。
$ sudo ovs-ofctl dump-flows s1
$ sudo ovs-ofctl dump-flows s2

由上图可以看到有两条数据帧转发表，但并不是SDN交换机中的流表。这表明交换机已进行过MAC地址学习。

二、MAC地址学习分析
步骤1. 如下图所示，假设交换机A和B的MAC地址表是空的，主机11向主机33发送数据帧。

步骤2. 交换机A接收到数据帧后，执行以下操作。
（1）交换机A学习主机11的MAC地址和端口号，此时交换机A的MAC地址表如下图所示。

（2）交换机A查看自己的MAC地址表。

（3）如果MAC地址表中有目的主机MAC地址则直接进行数据转发，如果没有则继续执行步骤4。
（4）交换机A向除源数据发送端口外的其他所有端口发送广播（这里交换机A从端口2和端口3向外发送广播）。

步骤3. 交换机B在接收到数据帧后，执行以下操作。
（1）交换机B学习源MAC地址和端口号，此时交换机B的MAC地址表如下图所示。

（2）交换机B查看自己的MAC地址表。

（3）交换机B向除源数据发送端口外的其他所有端口发送广播（这里交换机B从端口1和端口2向外发送广播）。

步骤4. 主机22查看接收到的数据帧，发现目标MAC地址不是自己，丢弃数据帧。
步骤5. 主机33接收数据帧，主机44丢弃数据帧。
步骤6. 假设这时候主机44要给主机11发送数据帧。
步骤7. 交换机B接收到数据帧后，执行以下操作。
（1）交换机B学习主机44的MAC地址和端口号，此时交换机B的MAC地址表如下图所示。

（2）交换机B查看自己的MAC地址表，根据MAC地址表中的条目，单播转发数据到端口3。

步骤8. 交换机A在接收到数据帧后，执行以下操作。
（1）交换机A学习源MAC地址和端口号，此时交换机A的MAC地址表，如下图所示。

（2）交换机A查看自己的MAC地址表，根据MAC地址表中的条目，单播转发数据到端口1。

（3）主机11接收到数据帧。至此，MAC地址学习过程结束。