网络实验:观察集线器和交换机

集线器和交换机是两种典型的网络设备,集线器 位于 物理层,而 交换机 位于于 数据链路层 ,行为明显不同。本节准备了两个简单实验,旨在通过实践加深对理论知识的理解,逐步掌握 Linux 主机网络操作。

实验一:观察以太网集线器

本实验将 3Linux 主机连到一个集线器上,以此观察集线器的工作行为,网络拓扑图如下:

实验环境以 docker 容器的形式提供,执行这个 docker 命令即可一键打开:

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docker run --name hub-lab --rm -it --privileged --cap-add=NET_ADMIN --cap-add=SYS_ADMIN -v /data -h hub-lab fasionchan/netbox:0.5 bash /script/hub-lab.sh

实验环境打开后,可以看到 3 个窗口,各自代表一台主机:

这是用 tmux 命令实现的窗口划分,按下_ Ctrl-B_ 后再按方向键,即可在不同主机窗口间切换。

请特别注意,按下 Ctrl-B 后要松手,然后再按方向键,才能切到想要操作的主机窗口。

还有一种更快捷的切换方法,先按下 Ctrl-B ,松手后再按 Q 。这时,每个窗口都会显示一个数字。接着,按下对应的数字即可切到想要的窗口:

我们先切到主机 ant ,观察它的网卡信息,ifconfigip 命令均可:

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root@ant [ ~ ]  ➜ ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 32:90:b9:9f:35:56  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 6  bytes 540 (540.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 3  bytes 270 (270.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
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root@ant [ ~ ]  ➜ ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
3: ip6tnl0@NONE: <NOARP> mtu 1452 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/tunnel6 :: brd ::
6: eth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 32:90:b9:9f:35:56 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

接着,切到主机 beecicada ,继续观察它们的网卡信息:

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root@bee [ ~ ]  ➜ ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
3: ip6tnl0@NONE: <NOARP> mtu 1452 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/tunnel6 :: brd ::
8: eth0@if7: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether a2:17:41:bb:cd:98 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
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root@cicada [ ~ ]  ➜ ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
3: ip6tnl0@NONE: <NOARP> mtu 1452 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/tunnel6 :: brd ::
10: eth0@if9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether ee:76:f2:37:5e:69 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

经过观察,3 台主机网卡及 MAC 地址信息整理如下:

主机 网卡 MAC地址
ant eth0 32:90:b9:9f:35:56
bee eth0 a2:17:41:bb:cd:98
cicada eth0 ee:76:f2:37:5e:69

现在,我们从主机 ant 向主机 bee 发送一句话,看主机 bee 是否可以收到这个信息,于此同时观察主机 cicada 是否也可以收到。开始发送之前,我们先在 beecicada 执行抓包工具 tcpdump 命令,嗅探网络流量:

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root@bee [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
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root@cicada [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes

tcpdump 命令 -i 选项指定嗅探网卡,这里我们嗅探每台主机 eth0 网卡上的流量。

一切准备就绪,我们在主机 ant 上执行自制工具 sendetherbee 发一段文本:

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root@ant [ ~ ]  ➜ sendether -i eth0 -t a2:17:41:bb:cd:98 -T 0x0900 -d 'hello, world!'

sendether 是一个自制命令,用于发送以太网帧。其中,-i 指定发送网卡,-t 指定目的地址,-T 指定数据类型,-d 指定要发送的数据。后续的编程环节,我们会讲解 sendether 是如何封装、发送以太网帧的。

我们立马看到主机 bee 上的 tcpdump 抓到一个以太网帧,它就是 ant 发出来的 hello, world!

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root@bee [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
16:37:27.254658 32:90:b9:9f:35:56 > a2:17:41:bb:cd:98, ethertype Unknown (0x0900), length 27:
	0x0000:  6865 6c6c 6f2c 2077 6f72 6c64 21         hello,.world!

注意到,主机 cicada 也收到这个帧,这符合集线器的行为:

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root@cicada [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
16:37:27.254624 32:90:b9:9f:35:56 > a2:17:41:bb:cd:98, ethertype Unknown (0x0900), length 27:
	0x0000:  6865 6c6c 6f2c 2077 6f72 6c64 21         hello,.world!

由于这个帧的目的主机并不是 cicadacicada 协议栈将丢弃它。

实验二:观察以太网交换机

本实验将 3Linux 主机连到一个交换机上,以此观察交换机的工作行为,网络拓扑图如下:

实验环境同样通过 docker 容器提供,执行以下命令即可一键打开:

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docker run --name switch-lab --rm -it --privileged --cap-add=NET_ADMIN --cap-add=SYS_ADMIN -v /data -h switch fasionchan/netbox:0.5 bash /script/switch-lab.sh

实验环境启动后,可以看到 4 个由 tmux 命令划分的窗口,分别代表 3 台主机以及交换机。

为了方便观察交换机 MAC 地址学习的过程,我们为每台主机设置了一个很好分辨的 MAC 地址:

主机 网卡 MAC地址 交换机端口
ant eth0 40:aa:aa:aa:aa:aa 1
bee eth0 40:bb:bb:bb:bb:bb 2
cicada eth0 40:cc:cc:cc:cc:cc 3

实验环境中的交换机由 bridge 虚拟设备模拟,设备名为 switch0 :

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root@switch [ ~ ]  ➜ ip link show switch0
4: switch0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 4a:9e:f8:3c:75:40 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

执行 brctl 命令,可以查看交换机当前的 MAC 地址表:

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root@switch [ ~ ]  ➜ brctl showmacs switch0
port no	mac addr		is local?	ageing timer
  3	4a:9e:f8:3c:75:40	yes		   0.00
  3	4a:9e:f8:3c:75:40	yes		   0.00
  2	6a:64:44:0d:d1:55	yes		   0.00
  2	6a:64:44:0d:d1:55	yes		   0.00
  1	be:24:47:bd:f2:52	yes		   0.00
  1	be:24:47:bd:f2:52	yes		   0.00

噫?怎么 MAC 地址表已经有一些条目了?我们明明还没有在任何主机上发数据,地址表按理说应该是空的呀!

其实,这些 MAC 地址是交换机自己的, is local 列值都是 yes 。如果将该列值为 yes 的记录过滤掉,就可以确认 MAC 地址表确实为空(暂未学习到任何地址):

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root@switch [ ~ ]  ➜ brctl showmacs switch0 | grep -v yes
port no	mac addr		is local?	ageing timer

现在,我们在主机 ant 上往主机 bee 发送一个以太网帧,来观察交换机行为。开始之前,我们先在主机 beecicada 上运行 tcpdump 命令来嗅探网络流量。

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root@bee [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
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root@cicada [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
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root@ant [ ~ ]  ➜ sendether -i eth0 -t 40:bb:bb:bb:bb:bb -d 'hello, bee!'

这个帧成功发出去后,我们同时在主机 beecicada 上观察它。原因在于,交换机还没学到主机 beeMAC 地址,只能将这个帧转发到其他所有端口,因此 cicada 也会收到它。

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root@bee [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
16:40:34.437330 40:aa:aa:aa:aa:aa > 40:bb:bb:bb:bb:bb, ethertype Unknown (0x0900), length 25:
	0x0000:  6865 6c6c 6f2c 2062 6565 21              hello,.bee!
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root@cicada [ ~ ]  ➜ tcpdump -ni eth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
16:40:34.437152 40:aa:aa:aa:aa:aa > 40:bb:bb:bb:bb:bb, ethertype Unknown (0x0900), length 25:
	0x0000:  6865 6c6c 6f2c 2062 6565 21              hello,.bee!

交换机从端口 0 接到主机 ant 发送的以太网帧,源地址是 40:aa:aa:aa:aa:aa ,便知道以后发给这个地址的帧应该转发给端口 0 。这样一来,交换机机智地学习到主机 antMAC 地址:

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root@switch [ ~ ]  ➜ brctl showmacs switch0 | grep -v yes
port no	mac addr		is local?	ageing timer
  1	40:aa:aa:aa:aa:aa	no		   1.97

接着,我们在主机 beeant 回复一个信息:

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root@bee [ ~ ]  ➜ sendether -i eth0 -t 40:aa:aa:aa:aa:aa -d 'how are you?'

由于交换机已经学习到 ant 的地址,知道去往 40:aa:aa:aa:aa:aa 的帧应该转发到端口 0 ,位于端口 3cicada 主机便不会收到这个帧了。

同理,在这个过程中,交换机学习到主机 beeMAC 地址 40:bb:bb:bb:bb:bb :

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root@switch [ ~ ]  ➜ brctl showmacs switch0 | grep -v yes
port no	mac addr		is local?	ageing timer
  1	40:aa:aa:aa:aa:aa	no		  60.17
  2	40:bb:bb:bb:bb:bb	no		  50.14

这样一来,主机 ant 再给 bee 发数据,cicada 同样也不会收到了:

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root@ant [ ~ ]  ➜ sendether -i eth0 -t 40:bb:bb:bb:bb:bb -d 'fine, thank you!'

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