11.以太网交换机工作原理

前言：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。

一、以太网协议

1. 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。

2. 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。

    早期使用集线器（HUB）组网现在使用交换机组网。
   

3. 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。早期以太网（HUB组网）：① 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。② 同一介质上的节点越多，冲突发生的概率越大。③ 解决机制：CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）：所有节点都共享网络传输信道，节点在发送数据之前，首先检测信道是否空闲，如果信道空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。交换机以太网（现在用的）：① 隔离冲突域，每个接口相当于1个独立的冲突域。② 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。
   

4. 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。	
   

5. 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。※ Ethernet_Ⅱ最常用※ thernet_II和IEEE 802.3帧前面两个字段都是D.MAC与S.MAC，交换机只会拆到这，所以交换机不知道接收到的帧具体是哪个格式的。
   

二、以太网交换机原理

1. 典型的园区网架构

    出口层（通常为路由器）：连接公网核心层（通常是三层交换机）：负责用户的数据交换汇聚层（通常是三层交换机）：把用户的数据汇聚起来转发给核心层接入层（通常是二层交换机）：用于把用户接进来（扩展接口的）
   

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。
   

3. 交换机的工作原理

    交换机在接收到任意类型的数据帧时，首先是学习并生成MAC表项（数据帧源MAC地址与入端口对应关系），如果该项已经存在，会更新其老化时间（华为大部分设备默认是300秒），然后将该数据帧从对应的端口转发出去；如果没有该项，则会将其泛洪（转发给所有端口）；
   

4. MAC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。华为大部分设备默认地址表项老化时间是300秒。
   

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：泛洪、转发与丢弃。

6. 泛洪

    如图所示
   

7. 转发

    如图所示
   

8. 丢弃

    交换机接收到数据帧，发现其目的MAC地址对应的接口，是其来方向的入接口时，会将其丢弃（找错交换机了）。
   

9. 交换机MAC地址学习

    交换机只有在报文经过时才能学习并构建相应的mac表项。交换机接收到报文的第一步是学习mac地址，然后才是其他操作。
   

第一步：

第二步：

第三步：

第四步：

第五步：

三、交换机常见问题思考

1. 交换机接口down后，相应MAC地址表项如何变化？

    对应接口的MAC地址表项会消失。
   

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 ?

    会进行变迁到新的接口下。
   

3. MAC地址表的老化时间是多少？为什么需要老化时间？

    华为大部分设备默认是300秒，新报文经过会刷新老化时间重新计算；为了高效的利用设备的资源，不要太多的mac地址条目。
   

4. 如何设置“黑洞”MAC？

    交换机系统模式下：mac-address blackhole 5489-98EA-0A02 vlan 1 黑洞mac
   

5. 交换机的一个接口可以学习多个MAC地址吗？

    可以的（因为一个接口下可能连接了其他交换机，其他交换机下也有很多设备）
   

6. 交换机的MAC地址表项可以无限增加吗？

    不可以，大交换机的较多，中小型交换机的较少。
   

7. 交换机和集线器有和区别？

    集线器所有的接口都在一个冲突域下，交换机的每一个接口都是一个独立的冲突域；集线器对于任何报文都是群发，共享链路带宽。集线器：老设备、只会翻红、共享链路带宽。
   

8. 交换机有NAT功能吗？

    大部分交换机都没有nat功能（三层交换机和路由器的功能不是完全一样）
   

9. 所有交换机的端口都可以切换成路由口吗？

    不是，部分交换机的端口可以（高端交换机，比如华为-H系列）
   

四、同网段数据通信全过程

过程如下：① 主机1不知道主机2的mac地址，arp广播② 交换机收到arp广播，学习主机1的mac地址，泛洪arp③ 主机2接收到arp广播，将主机1的mac与ip写入自己的arp缓存表④ 主机2发送单播给主机1，包含自己的mac与ip⑤ 主机1收到主机2的mac与ip，将其写入arp缓存表，随后封装icmp报文发送给主机2，开始正式访问⑥ 交换机收到icmp，不知道目的（主机2），将其泛洪⑦ 主机2收到icmp后，回包给主机1⑧ 交换机收到主机2的icmp回包时，将主机2的mac地址与其入端口一起写道mac地址表中，随后查找表，发现自己有主机1的mac地址后，将其从GE0/0/1转发。⑨ 主机1接收到主机2的回包，访问结束。

五、跨网段数据通信全过程

过程如下：① 主机1访问主机2的ip地址，发现和自己不是一个网段，将其送给R1（网关路由器）② 但是主机1不知道R1的mac地址，arp③ 交换机收到主机1的arp广播，学习主机1mac地址，泛洪arp④ r1收到arp包，将主机1的mac与ip写入arp表，回给主机1单薄（携带r1的ip与mac）⑤ 交换机收到r1发送的单播，学习r1的mac，查找mac将其转发给主机1⑥ 主机1收到后r1回的单播报文，将r1的ip与mac写入arp表，随后封装icmp报文（目的主机2，mac是R1）⑦ 交换机收到icmp，查找mac地址表，发给R1⑧ R1收到icmp报文后，查看目的IP地址（是主机2），查找路由表，发出去⑨ 到达对端⑩ r1不知道主机2的mac地址，arp，⑪ 交换机收到arp，学习R1的mac地址生成表项，随后泛洪⑫ 主机2收到arp，将R1的ip与mac写到自己的arp表，随后发送单播（携带主机2的ip与mac）给R1交换机收到主机2的单播，学习主机2的mac，发给R1⑭ R1收到单薄，把主机2的ip与mac写入arp表。随后发送icmp包。交换机收到icmp，查找mac地址表，转发给主机2⑯ 主机2收到icmp，回报给主机1，因为跨网段，所以发给网关R1※ 注意：主机1和主机2的网关是R1路由器的两个不同的接口。⑰ 交换机收到icmp，查找mac表，发给R1⑱ R1收到icmp，查找路由表，发给主机1，⑲ 交换机收到icmp，查找mac表，发给主机1⑳ 主机1收到回包，访问结束。

六、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。

七、调试命令

• dis mac-address 查看mac地址表
• dis mac-address summary 查看mac地址表概述
• dis mac-address aging-time 查看mac地址表老化时间
• mac-address aging-time 305 修改mac地址表的老化时间
• mac-address blackhole 5489-98EA-0A02 vlan 1 黑洞mac
• undo mac-address all 清空mac地址表
• dis arp 查看arp
• reset arp all 清空arp