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Linux网络编程从集线器到交换机的网络通信全流程——基于Packet Tracer的深度实验

news 来源：原创 2025/7/13 5:46:24

这里我们先下载一个软件：Packet Tracer

用来搭建网络拓扑图的，是模拟和查看数据在网络中传输的详细过程的

在软件这里可以添加设备

知识点1【集线器】（Hub）

1、先配置一下主机的IP

这里我们设置IP一定要在同一个网段，并且没有被占用

不在同一个网段需要借助路由器来实现

1、单击主机

IP和掩码

按照下图配置每台主机

2、查看通信流程

1、先切换为仿真模式

2、PC机器上使用ping命令

点击下面按键可以查看，一步步的执行

我们执行在192.168.1.2 执行 ping 192.168.1.4

重点内容

为什么会有一个ARM报文呢？

ping命令是网络层指令，我们来复习一下四层架构模型

应用层→传输层→网络层→数据链路层

但是要在网络中传输，需要形成帧数据，帧数据就需要经过链路层。

因此需要在ICMP的报文，加一个mac头部，

mac头的作用是存放源mac与目的mac的

我们执行192.168.1.2 执行 ping 192.168.1.4时，发送主机知道当前主机的mac，它是如何知道接收192.168.1.4的mac地址的呢？

这里需要引入 arp表的概念

ARP表

每个主机都有一个ARP表，ARP表中存放的是IP，和与IP对应的mac地址

我们可以在windows尝试查看一下arp表

可以看到一个IP对应一个mac地址

但是进行记录的前提，是需要与目的主机进行一次通信的。

此时我们ping，arp表中是没有目的主机的mac地址的

因此我们就需要调用ARP协议，去广播，寻找IP对应的目的主机

3、总结ping的流程（背）

1、ping指令，调用的网络层协议是ICMP协议

2、当ping时，首先会去ARP表中去寻找目的IP对应的MAC地址

如果ARP表中以存有此IP与其对应的 MAC地址，此时就会直接将目的地址存入MAC头部

如果ARP表中没有与此IP对应的MAC地址，此时会使用ARP协议进行广播，去寻找IP对应的目的主机，目的主机会应答，将其MAC发送到源主机。

补充

这里我们补充一个知识点：

我们之前学的都是在应用层进行编程，应用层编程，我们地址结构体传参，只传了IP地址和端口号，这两个只服务于网络层与传输层，那mac地址如何解决，就是利用数据链路层传输协议来实现的。

我以后会介绍原始套接字，即在链路层进行编程，应用层，网络层，传输层都需要我们自行进行组包，不再让协议帮我们完成。

3、ARP协议流程

1、步骤1

先查看一下，源IP对应的mac地址

我们查看一下，ARP协议格式，是在进行广播

我们也可以看到，ARP协议在Layer 2层，即链路层

2、步骤2

从集线器发送，每个主机都收到了报文，但是只有PC2（目的主机）收到了。

我们查看一下PC2于PC3（PC4）于数据格式

我们查看一下PC2的发送报文

是从PC2传向PC1的

3、步骤3

这里从PC2 发送到PC1的数据

我们看一下传输的数据格式，可以看到不是广播格式

解释：这里的无论时从Hub→PC1,3,4 ，

源mac地址都是PC2的mac地址，目的mac地址都是PC1的地址，因此PC4，PC3收不到数据

4、步骤4

PC1接受数据（目的主机的mac地址）后，才进行ICMP协议

以后我们再从192.168.1.2 向192.168.1.4传输数据

无需再ARP广播，直接从arp表中获取，的192.168.1.4的mac地址即可

ARP表的作用就是提高转发效率的

补充

这里我们可以初步感受到mac地址的作用

数据在网络上传输，并不是直达的，而是有很多中转站，而中转站的识别，就是通过mac地址来实现的。

4、集线器介绍（Hub）

集线器工作在物理层

数据到达集线器，会被广播到与该集线器相连的所有主机上

所有主机共享集线器的带宽

功能：整形放大

在长距离传输过程中，电信号波形会畸变，集线器会对失真信号进行波形重组；并且集线器中有放大器电路，会将信号的强度进行提升。

知识点补充

TTL：网络生存时间，每经过一个路由器，TTL的大小会减一

TTL一般是128或者64，实际我们进行数据传输只需要经过6-8路由器，如果一个数据，传输64个路由器还没有传到目标主机，这个数据也就没必要要了

知识点2【交换机】（SWITCHES）

1、交换机的概述

交换机的作用：拓展网口

交换机与集线器是不同的，虽都可以拓展网口，但是一般拓展网口用的是交换机，我将在介绍完交换机后，介绍交换机与集线器的不同之处

橙色标识正在测试网络，等待即可

数据通信过程大家自行演示测试，如果主机间未识别，也是会调用ARP协议。

交换机工作在链路层

所有主机独享交换机的带宽

介绍：这里的独享是相对于微观而言

同一个交换机，引出两条网线→电脑，一台电脑看视频，一台电脑打游戏，每一个时间片只能进行一个任务，时间片轮转执行，实现不同任务的执行。每个时间片上，只有一个任务在执行，即独享带宽。

这也是为什么随是独享，而当引出网线过多时，多台主机同时进行工作，会变卡的原因。

2、交换机学习功能（背！！）

这里说一下交换机的学习功能

交换机有端口号（并非传输层我们熟悉的端口的端口号），当交换机上连接的设备发送数据帧的时候，交换机从帧数据中提取MAC地址，并将此设备的端口号与其MAC地址的对应关系存储在MAC地址表中。

3、交换机的分类（背！！）

二层交换机：交换机工作在第二层（链路层），负责mac转发

三层交换机：交换机核心层还是第二层，只是具备网络层的网段划分功能，的同时让不同的VLAN间无需借助外部路由器进行通信。

四层交换机：交换机核心层还是第二层，只是具备端口映射功能

VLAN技术介绍

VLAN（Virtual Local Area Network） 是一种通过逻辑方式将物理网络划分为多个独立广播域的技术。它打破了传统局域网（LAN）依赖物理连接的局限，允许管理员根据需求将设备分组，逻辑隔离不同组的通信，即使这些设备物理上连接在同一交换机上。

网段划分只是我们在【初始网络】中有介绍。

4、交换机和集线器的区别

1、集线器实在物理层，交换机在数据链路层

2、集线器共享宽带，交换机独享宽带

3、集线器广播所有端口，交换机基于MAC地址单播

4、集线器延迟低，交换机延迟高（可不说）

5、拓展内容

交换机连接的所有设备不一定在同一个网段：

默认情况下（无VLAN划分）：
- 所有设备连接到同一交换机的不同端口，通常配置在同一个IP子网（同一网段），以便通过二层MAC地址直接通信。
- 例如：设备A（IP: 192.168.1.2/24）和设备B（192.168.1.3/24）可以通过交换机直接通信。
存在VLAN划分时：
- 若交换机支持VLAN功能，不同端口可以划分到不同VLAN中，每个VLAN对应独立的广播域和IP子网。
- 例如：
  - VLAN 10（网段：192.168.10.0/24）分配给端口1-8。
  - VLAN 20（网段：192.168.20.0/24）分配给端口9-16。
  - 此时，不同VLAN的设备需要通过路由器或三层交换机进行跨网段通信。
三层交换机的场景：
- 若使用三层交换机，可为每个VLAN配置虚拟接口（SVI），实现不同VLAN间的路由功能。
- 例如：
  - VLAN 10的网关为192.168.10.1，VLAN 20的网关为192.168.20.1。
  - 三层交换机自动处理跨VLAN的IP流量，无需外部路由器。

结束

代码重在练习！

今天的分享就到此结束了，希望对你有所帮助，如果你喜欢我的分享，请点赞收藏夹关注，谢谢大家！！！