基于PacketTracer的交换机工作原理的教学

【摘 要】交换机是以太网的一种连接设备，可以扩大以太网的覆盖范围。交换机是计算机网络课程中的一个非常重要的知识，本论文介绍了基于思科Packet Tracer软件搭建交换机网络，并通过软件仿真过程使同学们更容易理解交换机的工作原理。

【关键词】交换机；Packet Tracer；MAC地址

中图分类号： TP393.05 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.068

【Abstract】Switch is a connecting device of Ethernet，which can expand the coverage of Ethernet.Switch is a very important knowledge in computer network course.This paper introduces the construction of switch network based on Cisco Packet Tracer software，and makes it easier for students to understand the working principle of switch through software simulation process.

【Key words】Switch；Packet Tracer；Mac Address

1 原理说明

按照OSI参考模型，交换机工作在第二层数据链路层，数据链路层的数据帧里有两个关键字段，目的MAC地址和源MAC地址[1]。目的MAC地址指的是最终数据站点的MAC地址，源MAC地址是指起始发送站点的MAC地址。交换机的工作过程可以分为两大部分，一部分是建立转发表，一部分是转发数据。交换机里有一个地址转发表，记录的是站点的MAC地址与进入交换机的接口之间的对应关系，一天新的交换机里面的转发表是空的。当交换机接收到数据帧，先是判断转发表中是否有与源MAC地址匹配的表项，如果没有，就会将源MAC地址与交换机接收端口之间的对应关系添加入交换机的转发表中，这个就是基于源MAC地址的转发表的建立过程。然后交换机判断转发表中是否有与目的MAC匹配的表项，没有匹配的表项，则洪泛转发，即除输入端口以外的所有端口都转发；如果有匹配的表项，找到的转发口与接收端口不相同，则直接从找到的转发口发送数据；如果有匹配的表项，但找到的转发口与接收端口一样则将数据丢弃；，上面3种情况，就是基于目的MAC地址的查表转发数据过程。交换机的工作过程流程图如下图1所示[2]：

2 案例分析

下面以一个案例的三种场景来说明交换机的工作过程。在思科的Packet Tracer模拟仿真器中搭建如下图2所示的网络拓扑[3]。仿真前先在清除分别清空三台交换机的MAC地址表，在特权模式下使用clear mac-address-table命令，清除后再用show mac-address-table命令查看确认。然后在三台PC机的“Command Prompt”的命令行中输入ipconfig/all命令查看3台PC机的MAC地址和IP地址在图2中有显示[3]。

2.1 PC0向PC2发送数据

2.1.1 PC0发送请求报文给PC2

第1个场景是PC0向PC2发送数据，PC0先发送请求报文给PC2，SW0交换机先收到數据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以将PC0的MAC地址和输入端口F0/1添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中没有目标MAC地址即PC2的MAC地址，所以从除输入端口F0/1以外的F0/3端口洪泛转发数据。SW1收到数据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以将PC0的MAC地址和输入端口F0/1添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中没有目标MAC地址即PC2的MAC地址，所以从除输入端口F0/1以外的F0/3端口和F0/2端口洪泛转发数据。PC1收到数据检测目标MAC地址和自己的MAC地址不一样就将数据丢弃。SW2收到数据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以将PC0的MAC地址和输入端口F0/1添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中没有目标MAC地址即PC2的MAC地址，所以从除输入端口F0/1以外的F0/3端口洪泛转发数据。PC2收到数据后检测目标MAC地址与自己的MAC地址一样所以接收数据

2.1.1 PC2发送响应报文给PC0

接下来PC2发送一个响应数据报文给PC0，这时源MAC地址为PC2的MAC地址，目标MAC地址为PC0的MAC地址。PC2先将数据发给SW2，SW2查看MAC地址表没有源MAC地址即PC2的MAC地址，所以将PC2的MAC地址和输入端口F0/3添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1，所以直接从F0/1端口转发数据。SW1查看MAC地址表没有源MAC地址即PC2的MAC地址，所以将PC2的MAC地址和输入端口F0/2添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1，所以直接从F0/1端口转发数据。SW0查看MAC地址表没有源MAC地址即PC2的MAC地址，所以将PC2的MAC地址和输入端口F0/2添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1，所以直接从F0/1端口转发数据。PC0收到数据，检测目标MAC地址就是自己的MAC地址，所以接收该数据，则从PC0发送数据给PC2，以及PC2返回响应数据的整个过程就结束了。

2.2 PC1向PC0发送数据

2.2.1 PC1发送请求报文给PC0

第2个场景是PC1向PC0发送数据，PC1先发送请求报文给PC0，SW1交换机先收到数据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC1的MAC地址，所以将PC1的MAC地址和输入端口F0/3添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1，所以直接从F0/1端口转发数据。SW0收到数据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC1的MAC地址，所以将PC1的MAC地址和输入端口F0/3添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1，所以直接从F0/1端口转发数据。PC0收到数据后检测目标MAC地址与自己的MAC地址一样所以接收数据

2.2.2 PC0发送响应报文给PC1

接下来PC0发送响应报文给PC1，SW0先收到数据报文，查看MAC地址表有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以MAC地址转发表不变，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC1的MAC地址對应的端口为F0/3，所以直接从F0/3端口转发数据。SW1收到数据报文，查看MAC地址表有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以MAC地址转发表不变，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC1的MAC地址对应的端口为F0/3，所以直接从F0/3端口转发数据。

2.3 删除SW1的地址转发表后PC1向PC0发送数据

2.3.1 PC1发送请求报文给PC0

第3个场景是删除SW1的地址转发表后PC1向PC0发送数据，PC1先发送请求报文给PC0，SW1交换机里的MAC地址转发表已经用clear mac-address-table命令删除MAC地址转发表，用show mac-address-table命令查看转发表内容为空。SW1先收到数据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC1的MAC地址，所以将PC1的MAC地址和输入端口F0/3添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址，发现没有则从除输入端口F0/3，以外的F0/1和F0/2端口洪泛转发数据。SW2交换机查看MAC地址表没有源MAC地址即PC1的MAC地址，所以将PC1的MAC地址和输入端口F0/1添加进入MAC地址转发表中，再查目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1与输入端口一样，所以丢弃该数据报文。SW0收到数据报文，查看MAC地址表有源MAC地址即PC1的MAC地址，所以MAC地址转发表不变，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC0的MAC地址对应的端口为F0/1，所以直接从F0/1端口转发数据。PC0收到数据后检测目标MAC地址与自己的MAC地址一样所以接收数据。

2.3.2 PC0发送响应报文给PC1

接下来PC0发送响应报文给PC1。SW0收到数据报文，查看MAC地址表有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以MAC地址转发表不变，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC1的MAC地址对应的端口为F0/3，所以直接从F0/3端口转发数据。SW1收到数据报文，查看MAC地址表没有源MAC地址即PC0的MAC地址，所以将PC0的MAC地址和输入端口F0/1添加进入MAC地址转发表中，再查看MAC地址表中目标MAC地址即PC1的MAC地址对应的端口为F0/3，所以直接从F0/3端口转发数据。PC1收到数据后检测目标MAC地址与自己的MAC地址一样所以接收数据。

3 结语

本文介绍了基于思科Packet Tracer仿真软件搭建交换机网络说明交换机工作原理的一种方法[4]。这个仿真实验方法让同学们在没有交换机硬件设备的情况下，也可以搭建网络，从而很好的理解交换机的工作原理。

【参考文献】

[1]谢希仁.计算机网络.第6版[M].北京：电子工业出版社，2013：89-93.

[2]张纯容，施晓秋，刘军.网络互连技术[M].北京：清华大学出版社，2015：221-222.

[3]叶阿勇，赖会霞，张桢霞，陈秋玲，许力.计算机网络实验与学习指导-基于Cisco Packet Tracer模拟器.第2版[M].北京：电子工业出版社，2017：46-51.

[4]姜恩华，张亚萍，侯俊钦.Packet Tracer软件在计算机网络实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2011.9：30-33.

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