以太网交换机工作原理学习笔记

在网络中传输数据时需要遵循一些标准，以太网协议定义了数据帧在以太网上的传输标准，了解以太网协议是充分理解数据链路层通信的基础。以太网交换机是实现数据链路层通信的主要设备，了解以太网交换机的工作原理也是十分必要的。

1、以太网协议介绍

1.1以太网协议

以太网是当今现有局域网（Local Area Network, LAN）采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网是建立在CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测)机制上的广播型网络。

1.2冲突域

冲突域是指连接在同一共享介质上的所有节点的集合，冲突域内所有节点竞争同一带宽，一个节点发出的报文（无论是单播、组播、广播），其余节点都可以收到。

在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路带宽，争用链路的使用权，这样就会发生冲突。

同一介质上的节点越多，冲突发生的概率越大。

交换机不同的接口发送和接收数据独立，各接口属于不同的冲突域，因此有效地隔离了网络中物理层冲突域，使得通过它互连的主机（或网络）之间不必再担心流量大小对于数据发送冲突的影响。

1.3广播域

广播报文所能到达的整个访问范围称为二层广播域，简称广播域，同一广播域内的主机都能收到广播报文。

在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路，一台设备发出的广播报文，所有设备均会收到。

交换机对广播报文会向所有的接口都转发，所以交换机的所有接口连接的节点属于一个广播域。

1.4以太网帧格式

以太网技术所使用的帧称为以太网帧 (Ethernet Frame)，或简称以太帧。

以太帧的格式有两个标准：Ethernet_II格式和IEEE 802.3格式。

2、以太网交换机原理简介

2.1园区网典型架构

2.2以太网二层交换机

以太网二层交换机转发数据的端口都是以太网口，并且只能够针对数据的二层头部 (以太网数据帧头) 中的MAC地址进行寻址并转发数据。

2.3交换机的工作原理

2.4MAC地址表

每台交换机中都有一个MAC地址表，存放了MAC地址与交换机端口编号之间的映射关系。

2.5交换机的3种数据帧处理行为

交换机对于从传输介质进入某一端口的帧的处理行为一共有3种：

2.5.1泛洪

2.5.2转发

2.5.3丢弃

2.6交换机的MAC地址学习

（1）初始情况，交换机的MAC 地址表是空的。

（2）主机1发送数据帧给主机2。交换机GE0/0/1口接收到数据帧后，在MAC地址表中查询该帧的目的MAC地址，发现没有对应表项，则收到的数据帧是“未知单播帧”。

（3）交换机在MAC地址表中没有查到对应表项，则交换机对该单播帧执行泛洪操作。同时，交换机学习该数据帧的源MAC地址，并创建对应的MAC地址表项，与接收口GE0/0/1关联。

（4）交换机其他端口连接的主机，也会收到该数据帧，但是会丢弃。主机2收到并处理该数据帧，向主机 1回复，将数据帧发往交换机。

（5）交换机在MAC地址表中查到了对应表项，则交换机对该单播帧执行转发操作，将数据帧从GE0/0/1口转发出去。同时，交换机学习该数据帧的源MAC地址，并创建对应的MAC地址表项，与接收口GE0/0/2关联。

2.7交换机常见问题思考与关键知识

2.7.1常见问题

（1）交换机接口down后，相应MAC地址表项如何变化？

对应接口学习到的MAC地址会在MAC地址表现中消失；

如在SW2上对G0/0/1口进行shutdown；

Shutdown之前：

Shutdown之后：

（2）同一个Vlan中，PC 从交换机A端口迁移到B端口，交换机MAC地址表项如何变化?

在SW2的角度来看，原本是从G0/0/3接口学习到PC2的MAC，当PC接到SW2的G0/0/4号接口时，不会立刻发生改变，除非MAC地址表学习到PC2的MAC地址时间老化，PC2对外进行通信，那么SW2学习到PC2的MAC接口就会发生改变，变为G0/0/4。

（3）MAC地址表的老化时间是多少？为什么需要老化时间？

对于华为的设备默认是300秒。（查看命令display mac-address aging-time）

修改MAC地址老化时间命令：mac-address aging-time XXX

一般不建议进行修改。

为什么需要老化时间？

原因是使设备能够高效的进行工作运行。如果不老化，内存空间越来越小，设备性能就会降低。

（4）如何设置“黑洞”MAC？

通过命令mac-address blackhole 5489-98EA-0A02 vlan X进行设置。

PC1就无法进入到SW2去访问PC3

（5）交换机的一个接口可以学习多个MAC地址吗？

可以的，例如SW2的G0/0/3口，既可以学习到PC1的MAC，又可以学习到PC2的MAC。

（6）交换机的MAC地址表项可以无限增加吗？

不可以，设备的内存空间有限。

display mac-address summary 当前设备可以存放32768条。

（7）交换机和集线器有什么区别？

交换机：采用存储转发原理工作，具有自动过滤和学习功能。当交换机接收到数据包时，会先将其存储在内部缓存中，然后检查数据包的MAC地址，并根据地址表将数据包转发到正确的端口。这种机制可以有效减少网络冲突，提高数据传输效率。

集线器：则采用广播原理工作。当集线器接收到数据包时，会将其广播到所有连接的端口上，无论目标设备是否在该端口上。这种机制容易导致网络冲突和性能下降，特别是在设备数量较多的情况下。

（8）交换机有NAT功能吗？

大部分是没有的，传统的交换机不具备NAT功能，但多层交换机或集成服务路由器等复合型网络设备可以支持NAT功能。不能说完全没有。

（9）所有交换机的端口都可以切换成路由口吗？

不是所有交换机的端口都可以切换成路由口。不排除一些高级交换机可以切换成路由口。

2.7.2关键知识

（1）交换机基于目标mac 转发数据。

（2）交换机的MAC地址表项需要报文触发才可以构建。

（3）交换机的MAC地址表是交换机转发数据“地图”。

（4）交换机MAC地址表中存放：mac地址和端口映射

（5）泛洪：① 未知单播泛洪 ② 广播泛洪

（6）交换机根据接收报文的源mac地址来构建自己的MAC地址表项

3、同网段数据通信全过程

场景描述：

▫ 任务：主机1想要访问主机2

▫ 主机：初始化状态

▫ 交换机：刚上电，初始化状态

当主机1去访问主机2，在建立ICMP通信之前，首先从主机1发送ARP请求，去广播请求学习，192.168.1.2的MAC在哪，当它找到192.168.1.2的位置后，通过IP地址学习MAC，接着单播返回给192.168.1.1，解析192.168.1.2的MAC是0050-5600-0002，报文信息完善之后，ICMP就建立了。