实验4 IEEE 802.3协议分析和以太网

实验4IEEE802.3协议分析和以太网一、引言以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，其基础是IEEE802.3协议。深入了解IEEE802.3协议对于理解以太网的工作原理、性能特点以及网络故障排查等方面都具有重要意义。本实验旨在通过对IEEE802.3协议的分析，深入探究以太网的运行机制。

二、IEEE802.3协议概述

（一）协议背景随着计算机网络的快速发展，需要一种标准的局域网协议来实现不同设备之间的通信。IEEE802委员会制定了一系列局域网标准，其中IEEE802.3针对以太网进行了详细规范。

（二）主要内容1.物理层规范定义了多种传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等。规定了不同介质上信号的编码方式，例如曼彻斯特编码等。明确了物理层的电气特性、机械特性等参数。2.数据链路层规范采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）机制来解决多台设备共享传输介质时的冲突问题。定义了帧的格式，包括目的地址、源地址、类型/长度字段、数据字段和帧校验序列等。

三、以太网工作原理

（一）CSMA/CD机制1.载波监听每个节点在发送数据之前，首先监听传输介质上是否有载波信号。如果有载波，表示介质正在被其他节点使用，该节点则等待一段时间后再尝试发送。2.多路访问多个节点可以同时连接到以太网上，共享传输介质。当多个节点都检测到介质空闲时，它们都有可能发送数据。3.冲突检测在发送数据的过程中，节点同时监听介质上的信号。如果检测到与自己发送的信号不同，即发生了冲突。4.冲突解决当检测到冲突后，节点立即停止发送数据，并发送一个阻塞信号，通知其他节点发生了冲突。然后，节点按照一定的退避算法等待一段时间后，重新尝试发送数据。退避算法通常是随机选择一个等待时间，以减少再次冲突的概率。

（二）帧格式1.目的地址标识接收该帧的设备的MAC地址。目的地址可以是单播地址（标识单个设备）、多播地址（标识一组设备）或广播地址（标识网络中的所有设备）。2.源地址记录发送该帧的设备的MAC地址。3.类型/长度字段当值大于1500时，表示后面的数据部分是网络层协议数据，如IP包等，此时该字段称为类型字段。当值小于等于1500时，表示后面的数据部分是LLC子层的数据，此时该字段称为长度字段。4.数据字段承载上层协议的数据，长度为461500字节。5.帧校验序列（FCS）用于检测帧在传输过程中是否发生错误，采用CRC（循环冗余校验）算法计算。

四、实验环境与设备1.实验设备装有网络抓包工具（如Wireshark）的计算机一台。若干支持以太网通信的网络设备（如网卡、交换机等）。2.实验网络拓扑构建一个简单的以太网实验拓扑，包括多个主机通过交换机连接在一起。

五、实验步骤

（一）网络搭建1.按照实验拓扑图连接好网络设备，确保各设备之间的物理连接正常。2.为每个主机配置IP地址、子网掩码等网络参数，使其能够在同一子网内通信。

（二）抓包分析1.在装有Wireshark的计算机上，选择与实验网络连接的网卡接口，开始抓包。2.让主机之间进行不同类型的通信，如单播、多播和广播通信。单播通信：在一台主机上ping另一台主机的IP地址，通过Wireshark捕获该过程中的以太网帧。多播通信：配置支持多播的应用程序（如某些视频流应用），观察Wireshark捕获到的多播帧。广播通信：在命令行中使用广播ping命令（如pingb广播地址），分析Wireshark捕获的广播帧。

（三）帧结构分析1.在Wireshark中，查看捕获到的以太网帧，分析各字段的内容。检查目的地址和源地址字段，确认其MAC地址的正确性和类型（单播、多播、广播）。查看类型/长度字段，判断数据部分是网络层协议数据还是LLC子层数据。分析数据字段的内容，结合上层协议理解其含义。验证帧校验序列（FCS）字段，检查帧在传输过程中是否有错误。

（四）CSMA/CD过程分析1.观察多个主机同时发送数据时的情况，在Wireshark中分析冲突的发生和解决过程。当发生冲突时，查看相关主机发送的阻塞信号以及重新发送数据的过程。分析退避算法的执行情况，观察主机如何随机选择等待时间后再次尝试发送。

六、实验结果与分析

（一）帧结构分析结果1.目的地址和源地址捕获的以太网帧中，目的地址和源地址均为正确的MAC地址。对于单播通信，目的地址为接收主机的MAC地址；多播通信中，目的地址为多播组的MAC地址；广播通信时，目的地址为全1的广播MAC地址。2.类型/长度字段根据不同的通信内容，类型/长度字段的值符合预期。例如，当进行IP通信时，类型字段值大于1500，表示后面是IP包；当进行一些简单的LLC层通信时，长度字段值小于等于1500。3.数据字段数据字段内容与上层协议数据一致。如在ping通信中，数据字段包含ICMP请求或应答的数据。4.帧校验序列（FCS）大部分捕获的帧的FCS校验通过，未发现明显的传输错误。偶尔出现的校验错误可能是由于网络噪声等原因导致。

（二）CSMA/CD过程分析结果1.冲突发生当多个主机同时发送数据时，在Wireshark中可以观察到冲突的发生。冲突表现为多个主机发送的帧在同一时刻出现信号干扰，导致帧内容错误。2.阻塞信号与重新发送发生冲突后，相关主机立即发送阻塞信号，通知其他主机。随后，主机按照退避算法等待一段时间后重新发送数据。可以看到不同主机的退避时间是随机的，且在不同的冲突情况下退避时间也有所不同。例如，第一次冲突后，主机A等待了较短的时间（如1个时隙）就重新发送，而主机B可能等待了较长的时间（如3个时隙）才重新尝试发送。这符合退避算法中随机选择等待时间以减少再次冲突概率的原理。

七、总结通过本次实验，对IEEE802.3协议和以太网的工作原理有了更深入的理解。1.掌握了以太网帧的格式，包括目的地址、源地址、类型/长度字段、数据字段和帧校验序列等各部分的作用和含义。2.深入了解了CSMA/CD机制，包括载波监听、多路访问、冲突检测和冲突解决的全过程。3.通过实际的网络抓包分析，能够直观地观察到以太网中不同类型通信的帧结构以及CSMA/CD机制的运行情况，为进一步分析和解决网络问题奠定了基础。4.认识到以太网在局域网中的广泛应用以