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。

在主机1的E0/0/1接口进行抓包：

同网段数据通信的全过程相对简单，主要发生在同一局域网（LAN）内，不涉及路由器的路由决策。以下是该过程的简要描述：

（1）源主机阶段

封装数据包：源主机（如PC1）将要发送的数据封装成IP数据包，数据包中包含源IP地址、目标IP地址以及具体的数据内容。由于是同网段通信，源主机和目标主机的IP地址将位于相同的子网内。

ARP请求：源主机检查其ARP缓存，以查看是否已知目标主机（如PC2）的MAC地址。如果不知道，源主机会向本地网络发送一个ARP（地址解析协议）请求广播，询问目标IP地址对应的MAC地址。

接收ARP响应：网络中的设备（包括目标主机）会监听ARP请求。如果目标主机接收到请求，并且IP地址匹配，它会向源主机发送一个ARP响应，其中包含其MAC地址。

封装数据帧：一旦源主机获得目标主机的MAC地址，它就将IP数据包封装成以太网数据帧。数据帧的源MAC地址是源主机的MAC地址，目标MAC地址是目标主机的MAC地址。

（2）交换机转发阶段

接收数据帧：交换机接收到源主机发送的数据帧后，会读取数据帧的目标MAC地址。

查找MAC地址表：交换机在其MAC地址表中查找与目标MAC地址相匹配的条目。由于这是同网段通信，交换机通常会在其MAC地址表中找到对应的条目，该条目指定了数据帧应该被转发到的端口。

转发数据帧：交换机将数据帧转发到与目标MAC地址相关联的端口。由于目标主机和源主机位于同一网段，因此数据帧通常会直接到达目标主机，而无需经过其他网络设备。

（3）目标主机接收阶段

接收数据帧：目标主机通过其网络接口接收到数据帧。

解封装：目标主机解封装数据帧，以提取IP数据包。

处理数据：目标主机根据IP数据包中的目标IP地址确认数据包是发给自己的，然后进一步处理数据包中的数据。

整个过程主要涉及到ARP协议用于解析MAC地址，以及交换机根据MAC地址表进行数据帧的转发。由于源主机和目标主机位于同一网段，因此不需要路由器的参与，数据帧可以直接在局域网内传输。

4、跨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

（1）源主机阶段

封装数据包：源主机（如PC1）将要发送的数据封装成数据包，数据包中包含源IP地址、目标IP地址以及具体的数据内容。

判断网段：源主机通过比较本地IP地址、子网掩码和目标IP地址，判断目标主机（如PC2）是否在同一网段内。如果不在同一网段，则需要进行跨网段通信。

发送数据：源主机将数据包封装成数据帧，其中目的MAC地址设置为网关（通常是路由器的一个接口）的MAC地址，然后通过物理介质（如以太网）发送给交换机。

（2）交换机转发阶段

接收与转发：交换机接收到数据帧后，根据目的MAC地址查找MAC地址表，确定数据帧的转发端口。由于目的MAC地址是网关的MAC地址，交换机将数据帧转发给网关（路由器）。

（3）路由器转发阶段

解封装与解析：路由器接收到数据帧后，首先解封装得到IP数据包。然后，路由器解析IP数据包中的目标IP地址，查找路由表以确定下一跳地址。

重新封装与转发：路由器根据路由表中的下一跳地址，通过ARP协议获取下一跳设备的MAC地址。然后，路由器将IP数据包重新封装成新的数据帧，其中源MAC地址是路由器自身的MAC地址，目标MAC地址是下一跳设备的MAC地址。之后，路由器将新封装的数据帧发送给下一跳设备。

（4）多次转发（可能）

如果目标主机与源主机之间相隔多个网段，数据包可能需要经过多个路由器的转发。在每个路由器上，都会重复上述的解封装、解析、重新封装和转发的过程，直到数据包到达目标网段的网关。

（5）目标网段网关转发阶段

解封装与识别：目标网段的网关（可能也是路由器）接收到数据包后，解封装得到IP数据包，并识别出目标IP地址属于本网段内的某台主机（如PC2）。

ARP请求（可选）：如果网关没有目标主机（PC2）的MAC地址，可能会发送ARP请求到本网段内，以获取目标主机的MAC地址。

封装与发送：网关获取到目标主机的MAC地址后，将IP数据包封装成数据帧，其中目的MAC地址为目标主机的MAC地址，然后通过物理介质发送给目标主机。

（6）目标主机接收阶段

接收与处理：目标主机接收到数据帧后，解封装得到IP数据包。然后，目标主机根据IP数据包中的目标IP地址判断是否是自己的数据包。如果是，则进一步处理数据包中的数据；如果不是，则可能将数据包丢弃或转发给同一网段内的其他主机。

通过以上步骤，跨网段数据通信得以实现，使得不同网段内的设备能够相互通信。