实验六：以太网交换机自学习和转发帧的过程

一、 实验目的

验证交换机的自学习（MAC Learning）机制： 观察交换机如何通过读取数据帧的源MAC地址来动态构建"MAC地址转发表"。

验证交换机转发帧的决策过程： 对比观察交换机在不同情况下的处理方式，包括泛洪（未知单播盲目转发）、明确转发（已知单播转发）以及同端口过滤（丢弃帧）。

二、实验步骤

（一）构建网络拓扑

使用Cisco Packet Tracer (PT) 软件搭建基础局域网环境。

• 添加设备： 从设备库中拖入 4 台个人计算机（PC-PT）、1 台以太网交换机（2960系列）以及 1 台集线器（Hub-PT）至逻辑工作区。

• 连接线路： 点击左下角的"连接（Connections）"图标，选择自动选择连接类型（Automatically Choose Connection Type，闪电图标），依次将各终端设备与交换机、集线器进行连接。

💡 新手避坑指南：交换机的"橙色指示灯" 连线完成后，您会发现交换机接口处的指示灯呈橙色（处于阻塞状态）。这是因为交换机默认开启了生成树协议（STP）进行防环路检测，需要等待大约 30-50 秒才能变为绿色（转发状态）。 加速技巧： 确保软件处于右下角的实时模式（Realtime） ，点击左下角的 快进时间（Fast Forward Time） 按钮，即可瞬间完成拓扑收敛，使接口指示灯变绿。
构建网络拓扑

（二）标注IP地址、子网掩码以及MAC地址

良好的标注习惯能极大提高网络排错效率。请使用顶部工具栏的放置注释（Place Note，快捷键 N） 工具，在每台计算机旁清晰标注规划好的 IP 地址和子网掩码。
标注IP地址和子网掩码

标注MAC地址

（三）查看并标注交换机相关接口名称（接口号）

Cisco Packet Tracer软件默认可能会隐藏或显示所有接口标签，导致拓扑图信息拥挤遮挡。

• 查看接口名称： 将鼠标悬停在设备连接线上，或者进入 Options -> Preferences（选项 -> 首选项），勾选 Always Show Port Labels in Logical Workspace（始终显示端口标签）。

• 优化显示： 建议将关键的接口号（如 Fa0/1, Fa0/3）手动作为"注释"写在拓扑图旁边，然后进入首选项关闭全局端口标签显示，以此保持实验界面的清爽整洁。

查看交换机相关接口名称 标注交换机相关接口名称

（四）配置IP地址和子网掩码

设备名称	IP 地址	子网掩码
PC0	192.168.0.1	255.255.255.0
PC1	192.168.0.2	255.255.255.0
PC2	192.168.0.3	255.255.255.0
PC3	192.168.0.4	255.255.255.0

配置IP地址和子网掩码

（五）选择要监视的网络协议

为了排除背景数据包（如 STP、CDP 等协议）的干扰，我们需要精准抓取并观察本次实验的核心数据流。

• 切换模式： 单击右下角的 Simulation（仿真模式） 按钮。

• 重置过滤： 在弹出的仿真面板（Simulation Panel）中，单击 Show All/None 按钮清空当前所有默认监视的协议。

• 精准捕获： 单击 Edit Filters（编辑过滤器） ，在 IPv4 选项卡下，仅勾选 ICMP（网际控制报文协议，即 Ping 测试使用的协议）。

选择要监视的网络协议

（六）网络连通性测试

在正式进入单步抓包观察之前，我们需要在实时模式（Realtime）下进行基础的网络连通性测试。除非是进行专门的网络故障排查，否则常规的 Ping 测试都建议在实时模式下快速完成。

1. 执行 Ping 测试

• 操作模式切换： 单击软件右下角的 Realtime（实时工作模式） 按钮。

• PC0 测试： 单击 PC0，进入 Desktop -> Command Prompt（命令提示符）。输入 ping 192.168.0.3 测试与 PC2 的连通性；输入 ping 192.168.0.4 测试与 PC3 的连通性。

• PC3 测试： 同理，在 PC3 的命令行中输入 ping 192.168.0.3，测试其与 PC2 的连通性。确保所有 Ping 测试均显示 Reply from...（回复成功）。

2. 为什么要做这一步？

• 目的一： 验证拓扑构建和物理线路连接是否正常。

• 目的二： 验证各台 PC 的 IP 地址和子网掩码配置是否正确无误。

• 目的三（消除 ARP 干扰）： 让 PC0、PC2、PC3 互相获取并缓存对方的 MAC 地址。如果在后续单步模拟时才触发 ARP（地址解析协议）广播请求，会产生大量额外的 ARP 数据包，干扰我们观察纯粹的 ICMP 交换机转发过程。

• 目的四（触发交换机自学习）： 网络通信发生后，交换机会"被动"记录下这些 PC 的 MAC 地址与其自身接口的对应关系，从而自动生成转发表（MAC 地址表）。

分别测试PC0与PC2和PC3之间的连通性过程 分别测试PC0与PC2和PC3之间的连通性结果 测试PC3与PC2之间的连通性 PC3与PC2之间连通性测试结果

（七）查看并清空交换机的帧转发表

经过第六步的连通性测试，交换机已经通过"偷听"网络中的数据帧，学习到了各设备的具体方位。

1. 理论情况分析

• 在 PC0 与 PC2 通信时，交换机记住了：PC0 的 MAC 地址对应接口 Fa0/1。

• 在 PC2 响应时，交换机记住了：PC2 的 MAC 地址对应接口 Fa0/3。

• 在 PC0 与 PC3 通信时，交换机记住了：PC3 的 MAC 地址也对应接口 Fa0/3。

💡 进阶思考：为什么 PC2 和 PC3 都在 Fa0/3 接口？ 因为 PC2 和 PC3 是通过**集线器（Hub）**连接到交换机的 Fa0/3 接口的。集线器属于物理层设备，对交换机来说是透明的。这就证明了交换机的一个端口可以学习并绑定多个 MAC 地址。

2. 通过 CLI 命令行验证与清空

为了在接下来的模拟实验中观察交换机"从零开始"的学习过程，我们需要先进入交换机的后台查看这张表，然后将其手动清空。

请单击交换机 Switch0，选择 CLI（命令行界面） 选项卡，按回车键激活终端，并依次输入以下命令：

Switch>enable      //从用户执行模式进入特权执行模式
Switch#show mac-address-table   //显示帧转发表（MAC地址表）的内容（请注意：命令和参数之间要有一个空格），显示交换机的帧转发表的内容
Switch#clear mac-address-table   //清空帧转发表（MAC地址表）的内容
Switch#show mac-address-table  //再次查看，确认表已经被成功清空

⚠️ 避坑指南：手速要快！注意交换机的"老化时间"

在完成步骤六的 Ping 测试后，请尽快（最好在 5 分钟内）进入交换机执行 show mac-address-table 命令。

原理科普： 交换机动态学习到的 MAC 地址并不是永久保存的。为了防止转发表被废弃的数据占满（比如某台电脑关机或拔了网线），交换机引入了老化时间（Aging Time） 机制。Cisco 交换机默认的动态 MAC 地址老化时间通常是 300 秒（5分钟）。

如果您在 Ping 完之后去倒了杯水或者等了太久，这 5 分钟内对应设备没有再发送任何数据，交换机就会默默地把这些刚刚学习到的 MAC 地址条目"遗忘"（删除）。届时您再去查看，就会发现表里没有任何数据，让人误以为实验失败了！

（八）验证交换机自学习和转发帧的过程

在正式开始单步跟踪前，我们需要牢记这两种网络设备截然不同的底层逻辑：

• 交换机（Switch - 二层设备）： 具有"记忆"与"思考"能力。它通过读取数据帧的源 MAC 地址 来记录设备位置（自学习）；通过查找目的 MAC 地址来决定出路（查表转发：找不到就泛洪/盲目转发，找到了就明确转发）。

• 集线器（Hub - 一层设备）： 纯物理层设备，没有"记忆"能力。它收到电信号后，只会机械地从除接收端口之外的所有端口**广播（复制并发送）**出去。

场景一：明确转发与盲目转发（PC0 --> PC2 通信）

第一阶段：初始状态与发送准备

• 动作： PC0 准备向 PC2 发送一个单播帧（目标 IP：192.168.0.3，目标 MAC：PC2 的 MAC 000A.F353.8E69）。

• 设备状态： 首先进入交换机 CLI 界面，确保 MAC 地址表是完全空白的。如果已有数据，请使用以下命令清空：

  Switch>enable //从用户执行模式进入特权执行模式
  Switch#show mac-address-table //查看交换机的MAC地址表
  Switch#clear mac-address-table //清空交换机的MAC地址表
  Switch#show mac-address-table //再次查看，确认表已清空

PC0 准备向 PC2 发送一个单播帧 查看交换机的MAC地址表

第二阶段：PC0 发出数据，交换机自学习与泛洪

• 动作： 单播帧从 PC0 发出，进入交换机 Switch0 的 Fa0/1 接口。

• 原理 1（自学习）： 交换机拆开数据帧，检查源 MAC 地址 （即 PC0 的 MAC）。它立刻将该 MAC 地址与接收接口 Fa0/1 绑定，并作为一条动态（DYNAMIC）记录写入 MAC 地址表中。

• 原理 2（盲目转发/泛洪）： 接着，交换机检查帧的目的 MAC 地址 （PC2 的 MAC）。因为此时表中没有 PC2 的记录，交换机不知道 PC2 在哪。为了确保数据送达，它采取了"盲目转发（Flooding） "策略：将该帧从除接收端口 Fa0/1 之外的同一 VLAN 下的所有端口（Fa0/2 和 Fa0/3 接口）复制并发送出去。

单播帧从 PC0 发出，进入交换机 Switch0 的 Fa0/1 接口。 查看交换机的MAC地址表

第三阶段：设备接收与集线器无脑广播

• 动作： 数据帧同时到达了 PC1 和集线器 Hub0。

• PC1 的反应： PC1 检查目的 MAC 发现不是自己，直接丢弃该帧（软件中表现为信封上的红叉）。

• Hub0 的反应： 集线器收到帧后，发挥其物理层广播特性，直接复制发送给连接在其上的 PC2 和 PC3。

• PC3 的反应： 同 PC1 一样，发现目的 MAC 不是自己，丢弃该帧。

• PC2 的反应： 发现目的 MAC 匹配，接收并开始处理该 ICMP 请求。

数据帧到达了 PC1 和集线器 Hub0 PC3丢弃ICMP请求，PC2接受ICMP请求

第四阶段：PC2 响应与交换机再次自学习

• 动作： PC2 处理完毕，将封装有 ICMP 回送应答的单播帧发给集线器 Hub0（此时源 MAC 为 PC2，目的 MAC 为 PC0）。

• 集线器广播： Hub0 再次无脑广播，将响应帧发给 PC3 和交换机 Switch0（进入 Fa0/3 接口）。PC3 依然丢弃。

• 原理 3（再次自学习）： 响应帧进入交换机 Fa0/3 接口。交换机读取源 MAC 地址 （PC2 的 MAC），将其与 Fa0/3 绑定并记录。此时，交换机的 MAC 表中已经成功积累了两条记录（PC0 和 PC2 的位置）。

将ICMP回送应答发送给集线器Hub0

PC3丢弃ICMP请求

查看交换机的MAC地址表

第五阶段：交换机精准投递（明确转发）

• 动作与原理： 交换机完成自学习后，开始处理这封响应帧。它读取目的 MAC 地址（PC0 的 MAC），并在 MAC 表中查找。

• 明确转发： 因为在第二阶段交换机已经记住了 PC0 在 Fa0/1 接口，这次它实现了精准匹配 。交换机不再盲目泛洪，而是直接将数据帧通过 Fa0/1 接口单播发给 PC0。PC0 成功接收，通信圆满完成！

PC0成功接收ICMP回送应答

场景二：同端口过滤/丢弃帧（PC3 --> PC2 通信）

在这个场景中，我们将观察一种特殊情况：交换机认为"没必要转发"，从而主动将帧丢弃。我们让 PC3 给 PC2 发送 ICMP 请求帧。

第一阶段：请求阶段与首次学习

• 动作： PC3 发出的单播请求帧到达集线器 Hub0。由于集线器的物理层广播特性，该帧被广播给了 PC2 和交换机 Switch0。

• **接收与学习：**PC2 收到后，发现目的 MAC 是自己，接收并处理该请求。请求帧从接口 Fa0/3 进入交换机 Switch0。交换机进行自学习，将源地址（PC3的MAC）与接收接口 Fa0/3 绑定，记录到 MAC 地址表中。

第一步 第二步 第三步 查看交换机的MAC地址表

第二阶段（交换机盲目转发）

此时，交换机在 MAC 表中查找目的地址（PC2的MAC），由于之前没有相关记录（表里只有PC3），交换机只能采取盲目转发，将该请求帧从除了 Fa0/3 以外的 Fa0/1 和 Fa0/2 接口泛洪出去。PC0 和 PC1 收到后发现不是给自己的，将其丢弃。
第四步

第三阶段（响应阶段与同端口过滤）

• 动作： PC2 将 ICMP 响应帧发回给 Hub0，Hub0 广播给 PC3（通信完成）和交换机 Switch0。PC3 收到响应帧，通信完成。该响应帧再次从接口 Fa0/3 进入交换机。交换机进行自学习，将源地址（PC2的MAC）与接口 Fa0/3 绑定。此时 MAC 表中同时有了 PC2 和 PC3 的记录

• 核心原理（同端口过滤）： 接着，交换机准备转发该帧，它查找目的地址（PC3 的 MAC），发现转发表中指示 PC3 的所在接口也是 Fa0/3。

• 交换机的判断： 既然数据帧是从 Fa0/3 进来的，又要从 Fa0/3 发出去，说明源设备（PC2）和目的设备（PC3）在同一个网段（由集线器连接）。PC3 肯定已经通过集线器的物理广播收到了这个帧。为了避免网络拥堵，交换机果断对该帧执行**丢弃（过滤）**操作（表现为交换机上的红叉）。

第五步 查看交换机的MAC地址表