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【数通网络交换基础梳理1】二层交换机、以太网帧、MAC地址数据帧转发原理详解

news 2025/7/10 7:20:30

一、网络模型

万年不变，先从模型结构分析，现在大家熟知的网络模型有两种。第一种是，OSI七层模型，第二种是TCP/IP模型。在实际运用中，参考更多的是TCP/IP模型。

OSI七层模型
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TCP/IP模型 在这里插入图片描述

不需要全部理解，只需要明白两点：1、数据包发送数据的过程是从上到下打包,接收数据是从下至上拆包。2、在二层数据链路层我们的数据已经被层层封装为以太网帧结构。现在有了下一个问题，以太网帧结构是什么?

二、以太网帧结构

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以太网帧结构里有：DMAC、SMAC、Type、用户数据、FSC帧校验序列，我们挨个解释一下：

DMAC：目的MAC地址，被访问的MAC地址；
SMAC：源MAC地址，发起方的MAC地址;
Type：在数据中有一个type字段，是为了让交换机收到一个帧，拆开帧头，不用再进一步拆包就知道packet中类型，比如：
1、type=0X0800 代表的就是包内容是ipv4；
2、type=0X86DD 代表的就是IPv6；
3、type=0X0806 代表的就是ARP包；
4、type=0X8847 代表的就是MPLS unicast；
5、type=0X8848 代表的就是MPLS multicast；
用户数据：数据内容；
FSC帧校验序列：让接收帧的网卡或者网口判断是否有错误；

这里主要了解一下以太网帧头中有源MAC地址和目的MAC地址。

三、MAC地址

MAC地址（Media Access Control Address）也称为硬件地址或物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的位址。在OSI模型中，第二层数据链路层则负责MAC位址。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。

四、数据链路层>二层交换机

二层交换机能够基于数据链路层的 MAC 地址，进行数据帧或 VLAN 的传输功能。二层交换机内置MAC地址表，为二层设备提供了唯一的地址，用于标识数据下发的终端设备和节点。

优点：数据交换是靠硬件来实现的，其非常快速且有效地将数据从源端传输到目标端。

简单的说，MAC地址表是交换机等网络设备记录MAC地址和设备端口的映射关系，代表了交换机从哪个端口学习到了某个MAC地址，后续交换机需要转发数据的时候就可以根据报文中目的MAC地址去对照设备中的MAC地址表进行数据转发。如果MAC地址表中已经存在该MAC地址表项，设备将通过重置该表项的老化时间，对该表项进行更新。
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五、二层交换机MAC地址学习

实例解析:

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主机 PC1向主机 PC2 发送数据，PC1不知道PC2的MAC地址，PC1就像所有端口发说ARP广播请求包说：谁告诉我IP地址为192.168.1.4的MAC地址是多少？

PC1发送时，交换机把PC1的端口0/0/1、 MAC地址更新记录到MAC地址表中。但是此时交换机不知道目的 PC2MAC地址在哪个端口，于是将数据帧进行ARP广播包请求泛洪，即转发到除端口 1 之外的所有端口。

PC3收到数据帧发现目的IP地址不是自己，将丢弃数据帧。PC2收到数据帧发现是源IP是自己请求自己的MAC地址，于是发送应答数据帧，交换机端口 0/0/2 收到数据帧，记录PC2 对应的端口、 MAC
地址表项。

于是交换机知道了主机PC1 和主机 PC2 的端口、MAC 地址信息，之后会根据 MAC 地址表进行转发。

上面的描述看不懂的话这里我们可以抓包看一下：
设置PC1访问PC2，抓包抓取交换机G0/0/1端口流量，抓包设置显示1.4的IP流量信息：
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PC1开始ping 192.168.1.4，抓包内容显示如下：

打开一个广播包，内容为：
交换机ARP广播包问谁是192.168.1.4，告诉192.168.1.2，数据包里有发送的MAC地址和IP、目标的IP地址、MAC地址为广播因为不知道是交换机向所有端口问。
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ARP回包：
包含源为192.168.1.4和MAC地址、以及回应给请求的目标192.168.1.2和MAC地址信息。

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1、同一个MAC可以在同一台交换机的不同接口上出现吗？
不能。因为这样的交换机就不知道如何转发了

2、同一个MAC地址可以在不同交换机上的接口出现吗？
可以。

3、不同MAC地址可以在同一台交换机的相同接口出现吗？
可以。

4、既然通过ARP广播包发送请求是不是二层交换机也有ARP表？
没有，二层交换机有且只有一个关系表：MAC地址表

大白话翻译：

二层交换机只工作在二层数据链路层，所以咱们ping 192.168.1.4的时候二层交换机理解不了这个是什么意思，因为IP地址是三层网络层协议。而二层交换机通讯主要依靠ARP广播包识别各自交换机端口所接设备的MAC地址更新维护MAC地址表，又因数据最终转换成比特流通过物理介质发送出去，所以他要做一个转换就是从上往下打包发送（应用-传输-网络-数据链路），每上一层的信息逐步打包好了添加到下一层中，此时再来理解这一张图可能会稍微清晰一点。
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六、ARP广播

ARP 协议的全称是 Address Resolution Protocol(地址解析协议)，它是一个通过用于实现从 IP 地址到 MAC 地址的映射，即询问目标 IP 对应的 MAC 地址的一种协议。ARP 协议在 IPv4 中极其重要。

以五中实验为例：

在PC1给PC1的发送数据的时候，是以数据帧的形式发送的，数据帧被网卡解析成电信号或者光信号传递到对端。数据帧里太网帧头由源MAC地址和目的MAC地址组成的，如果发送者只知道目的主机的IP地址，不知道目的主机的MAC地址，就不能把这个数据包转化成数据帧发走。而ARP 协议就是负责地址解析的，使用目的主机IP地址来解析对方的MAC地址。

七、不通网段如何通讯？

同网段可以依靠二层交换机通讯，当网络中存在多个网段192.168.1.1/24 172.16.1.1/24 173.73.1.1/24情况下交换机该如何互相通讯？请关注下一章
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知识扩展：

冲突与冲突域

1、交换机每一个端口都是一个独立的冲突域，因此在其独立的冲突域中是不会发生任何通讯冲突的。
2、交换机通过分割冲突域来避免冲突的发生，同时提高传输效率。

冲突域与广播域

1、交换机每一个端口都是一个独立的冲突域，但交换机默认情况下，所有端口都工作在同一个广播域中。
2、所有端口都处于同一个广播域将会造成较大的安全隐患，因此交换机可通过额外的配置来分割广播域，该配置称之为VLAN【Virtual Local Area Network | 虚拟局域网】。