网桥模拟试验.docx

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网桥模拟试验

网桥模拟实验

一、实验目的

通过本实验掌握网桥的工作原理，具体包括三个方面：

1、MAC地址的自学习机制。

2、MAC帧的转发。

3、MAC地址表的管理。

二、实验器材

PC机4台，网桥模拟软件。

三、实验分组

每组4人。

四、实验原理

1、网桥的运行原理

网桥是MAC层的转发设备，最主要、最基本的功能是透明转发MAC帧。

网桥的基本运行包含MAC地址自学习、MAC帧转发和MAC地址表管理。

网桥的每个端口都设置为“杂散”模式，接收所有MAC帧，记录每一帧的源MAC地址以及该帧到达的端口。

网桥将其学习到的内容添加到MAC地址表中，形成动态表项。

如果表项已存在，则初始化计时值。

网桥根据帧中目的MAC地址转发帧。

转发策略如下：

当目的MAC地址为广播地址时，从除源端口外的所有端口转发该帧。

当目的MAC地址为单播或组播地址时，网桥先查找MAC地址表，若能找到匹配项且目的MAC地址与源MAC地址在不同端口，则按表中目的MAC地址对应的端口转发；若能找到匹配项但目的MAC地址与源MAC地址在同一端口，则过滤该帧，不转发；若找不到匹配项，则从除源端口外的所有端口转发该帧。

每个网桥都有一个MAC地址表，主要表项包括：

目的MAC地址、目的端口和状态。

MAC地址表表项分两类：

动态表项和静态表项。

动态表项由网桥自学习MAC地址建立，具有生命期。

当生命期到，老化的表项将被删除。

静态表项由人工设置，不会老化。

静态表项的创建、修改或删除只能通过人工进行。

2、本实验网桥模拟软件原理

本实验模拟软件使用Windows应用程序模拟了网桥基本工作原理，包括帧的转发、MAC地址表的形成与管理等。

同时开发了与之配套的主机端软件，定义了与实际非常接近的帧结构，并利用IP组播技术，在应用层上构建虚拟的以太网环境，提供可用于模拟网桥工作原理的实验平台。

只需在主机上安装模拟软件，就可以在实际的网络环境中构建虚拟以太网环境：

包括模拟网桥/交换机与主机的互连，网桥/交换机之间的互连与组网。

并且只需要根据模拟软件提供的界面进行配置，就可以任意改变虚拟拓扑而不需改变实际的网络连接方式，由此可见本实验构建的虚拟网络独立于实际网络的拓扑。

在虚拟网络中进行实验感觉与实际一样，并只需根据应用程序进行配置和简单的测试，就可真实地模拟网桥的所有工作细节。

网桥端模拟软件目前只实现了网桥的基本功能（自学习、帧转发、MAC地址表管理），没有实现生成树协议、组播通信、VLAN等功能。

（1）模拟软件的主要功能

模拟软件包括主机端和网桥端。

通过在初始界面上选择“Host”或“Bridge”，而进入主机端模拟软件或网桥模拟软件。

网桥端模拟软件的功能包括：

（a）模拟网桥的接收机制和转发机制

（b）MAC表的管理

●表项元素：

目的地址、发送端口、状态（静态、动态）、生命周期。

●静态表：

用户可以添加、删除静态表项。

并保证MAC表中不出现重复项。

●动态表：

通过自学习来更新。

●计时系统：

管理各动态表项的生命周期，用户可以设置动态表的生命周期初始值。

（c）显示MAC表概况

（d）显示端口的接收缓存和发送缓存

主机端模拟软件的功能包括：

（a）帧的封装与发送。

（b）帧的接收与过滤。

（c）主机MAC地址的配置。

（d）显示接收缓存和发送缓存。

（2）模拟程序中网段的概念

实验中涉及的网段的概念是指模拟网桥的一个端口，即一个冲突域，不同的网段属于模拟网桥不同的端口，即不同的冲突域。

由于实验室的所有主机物理上是一个LAN，为避免不同组使用相同的网段号带来混乱，因此要求不同组使用不同的几个网段号（可直接利用主机的编号作为本组可使用的网段号）。

（3）模拟程序的MAC帧格式

为了简化程序，模拟程序没有采用标准的以太MAC帧格式，而是采用自定义的MAC帧，但这并不影响对网桥基本原理的模拟。

模拟MAC帧格式如图1所示。

模拟帧结构包括：

目的和源MAC地址字段，长度各为12字节；ID字段，唯一标识一个帧（供数据链路子层重传机制使用），占2字节；TYPE字段，标识帧类型，占1字节；DATA字段，传送的数据，任意长。

FCS，帧校验字段占2字节。

其中ID和TYPE字段现阶段不使用，为默认的0x1111和0x01。

设置这两个字段的目的是为扩展其他协议模拟而用。

（3）模拟软件的主要运行界面

界面采用流行的Windows左图右表界面。

网桥端界面分四部分：

菜单和工具条部分，文本显示框，树形视图显示框和子窗口区。

如图2所示。

菜单和工具条部分集中了所有的用户接口，位于界面的最上方，始终显示。

文本显示框紧贴在工具条下方，显示了网桥的基本信息，如总端口数量、连网端口数、过滤表的大小、静态和动态表项数，生命周期初始值等，始终显示。

树形视图更直观的显示了网桥各端口的状态，同时也为访问这些端口提供了接口。

它位于界面的右边，始终显示。

图3、图4是网桥的端口缓冲区和MAC地址表的显示例子。

图5是主机接收缓存显示的例子。

还有更多的界面，在此不一一列举。

所有的界面都是菜单显示，操作方便。

图2模拟网桥界面

图3网桥端口缓冲区显示

图4网桥MAC地址过滤表

图5主机接收缓冲区显示

五、实验环境

通过在PC机上分别运行主机端模拟程序和网桥的模拟程序，通过划分不同的网段形成不同的共享域，从而在实际的网络中构建虚拟的以太网实验环境。

1、实际网络环境

2、单网桥组网模拟网络环境

3、多网桥组网模拟网络环境

六、实验步骤与记录

1、建立单网桥组网模拟环境

按图7配置，其中1台PC机模拟网桥，运行网桥模拟软件，在配置界面中选择“Bridge”，设置网桥的端口数及每个端口所接的网段并记录。

另外3台PC机模拟主机A、B、C、D，其中模拟主机A和B在同一台PC机上模拟。

每台PC机上分别运行主机模拟软件，在配置界面中选择“Host”，配置各自的MAC地址（可自己定义，12位），按照图7配置说明配置各自对应的网段。

模拟主机号

MAC地址

网段

A

B

C

D

表2模拟主机设置

表1模拟网桥设置

模拟网桥端口号

所接的网段

2、网桥自学习MAC地址测试

a、清空网桥MAC地址表。

设置MAC表项生存时间为最大（999秒）。

b、C主机发送一个单播帧给A主机。

观察网桥的MAC表并作记录。

c、D主机发送一个单播帧给C主机。

观察网桥的MAC表并作记录。

d、A主机发送一个广播帧。

观察网桥的MAC表并作记录。

e、C主机发送一个单播帧给B主机。

观察网桥的MAC表并作记录。

表3网桥自学习MAC地址测试记录

测试内容

MAC表项

C主机发送一个单播帧给A主机

D主机发送一个单播帧给C主机

A主机发送一个广播帧

C主机发送一个单播帧给B主机

表3填写说明：

要求填写此时网桥所有MAC表项

3、网桥转发MAC帧测试

a、清空网桥MAC地址表表项，A主机发送一个单播帧给B主机。

观察网桥所有端口的情况并作记录。

b、C主机发送一个单播帧给A主机。

观察网桥所有端口的接及转发情况并作记录。

c、D主机发送一个单播帧给C主机观察网桥所有端口的接收及转发情况并作记录。

d、D主机机发送一个广播帧。

观察网桥所有端口的接收及转发情况并作记录。

表4帧转发测试记录

测试内容

记录与分析

MAC表空，A发单播帧给B

该帧的接收端口号和帧内容

转发端口号及帧内容

C发单播帧给A

该帧的接收端口号、目的地址、源地址

转发端口号？

为什么？

D发单播帧给C

该帧的接收端口及帧内容

转发端口号？

为什么？

D发广播帧

该帧的内容

转发端口号、目的地址、源地址

4、网桥对MAC表的管理测试

a、清空MAC表项。

设置MAC表项生存时间为一个较短的时间（如60秒）。

b、A、C主机各任意发送一帧。

立即记录MAC表，60秒后再观察MAC表并记录。

c、设置D主机的静态MAC表项。

d、B主机发送一个单播帧给D主机。

观察观察主机B发送缓存和主机D接收缓存，并把显示的信息记录下来。

e、改变D主机所在的网段，B主机再发送一个单播帧给D主机。

观察主机B发送缓存和D的接收缓存并记录。

f、D主机发送任意一帧。

观察MAC表并记录。

表5MAC地址管理测试

测试内容

现象或结果

A、C主机各任意发送一帧

60秒前的MAC表

60秒后的MAC表

D主机的静态MAC表项

B主机发送一个单播帧给D主机。

主机B的发送内容

主机D的接收内容

D主机所在的网段改变后，B主机再发送一个单播帧给D主机

主机D改后的网段

主机B发送帧内容

主机D的接收内容

D主机所在的网段改变后，D主机发送任意一帧

网桥中关于主机D的MAC地址

5、两台网桥互连组网模拟环境

按图8配置，关闭主机D上的主机端模拟程序，而在主机D上运行网桥模拟程序，其他PC机配置不变。

这样就建立了图8（b）的两个网桥组网的虚拟环境。

6、两台网桥组网的测试

a、清空网桥1和网桥2的MAC地址表。

将两网桥的MAC地址生成周期都设置为999s。

b、A主机向C主机发送一帧，观察网桥的处理，并按表6的内容进行记录。

C、B主机向A主机发送一帧，观察网桥的处理，并按表6的内容进行记录。

表6两台网桥组网测试记录

测试内容

现象或结果

A向C发送一帧

A发送内容

网桥1

MAC地址表

接收端口、帧内容

转发端口、转发内容

网桥2

MAC地址表

接收端口、帧内容

转发端口、转发内容

B向A发送一帧

B发送内容

网桥1

MAC地址表

接收端口、帧内容

转发端口、转发内容

网桥2

MAC地址表

接收端口、帧内容

转发端口、转发内容

七、实验分析

1、在实验步骤第3项（网桥转发MAC帧）中的a和b测试中，网桥接收到的都为单播帧，请问网桥对该两个单播帧的处理有何不同？

为什么？

2、实验步骤第4项（网桥对MAC表的管理测试），d、e和f的测试结果分别说明了什么问题？

3、在实验步骤第6项（两台网桥组网测试）中，B向A发送一帧后，从原理上解释网桥1和网桥2的记录结果。

4、假设在图8的两个网桥上分别增加一个端口，并设置为相同的网段（假设为网段E）。

主机A发送一帧。

请分析将会出现什么情况？

为什么？

八、实验报告要求

实验报告请按下列内容用实验报告纸进行书写。

学生姓名：

学号：

指导教师：

实验地点：

实验时间：

一、实验室名称：

互连与路由实验室

二、实验项目名称：

三、实验学时：

2

四、实验原理

五、实验目的

六、实验内容：

七、实验器材（设备、元器件）：

八、实验步骤：

九、实验数据记录及结果

十、实验分析（回答思考题）

十一、实验结论：

十二、总结及心得体会

十三、对本实验过程及方法、手段的改进建议