11.以太網交換機工作原理

前言：在網絡中傳輸數據時需要遵循一些標準，以太網協議定義了數據幀在以太網上的傳輸標準，了解以太網協議是充分理解數據鏈路層通信的基礎。以太網交換機是實現數據鏈路層通信的主要設備，了解以太網交換機的工作原理也是十分必要的。

一、以太網協議

以太網是當今現有局域網（Local Area Network, LAN）采用的最通用的通信協議標準，該標準定義了在局域網中采用的電纜類型和信號處理方法。
以太網是建立在CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，載波監聽多路訪問/沖突檢測)機制上的廣播型網絡。
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 早期使用集線器（HUB）組網現在使用交換機組網。
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沖突域

 沖突域是指連接在同一共享介質上的所有節點的集合，沖突域內所有節點競爭同一帶寬，一個節點發出的報文（無論是單播、組播、廣播），其余節點都可以收到。早期以太網（HUB組網）：① 在傳統的以太網中，同一介質上的多個節點共享鏈路帶寬，爭用鏈路的使用權，這樣就會發生沖突。② 同一介質上的節點越多，沖突發生的概率越大。③ 解決機制：CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取）：所有節點都共享網絡傳輸信道，節點在發送數據之前，首先檢測信道是否空閑，如果信道空閑則發送，否則就等待；在發送出信息后，再對沖突進行檢測，當發現沖突時，則取消發送。交換機以太網（現在用的）：① 隔離沖突域，每個接口相當于1個獨立的沖突域。② 交換機不同的接口發送和接收數據獨立，各接口屬于不同的沖突域，因此有效地隔離了網絡中物理層沖突域，使得通過它互連的主機（或網絡）之間不必再擔心流量大小對于數據發送沖突的影響。

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廣播域

 廣播報文所能到達的整個訪問范圍稱為二層廣播域，簡稱廣播域，同一廣播域內的主機都能收到廣播報文。

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以太網幀格式

 以太網技術所使用的幀稱為以太網幀 (Ethernet Frame)，或簡稱以太幀。以太幀的格式有兩個標準：Ethernet_II格式和IEEE 802.3格式。※ Ethernet_Ⅱ最常用※ thernet_II和IEEE 802.3幀前面兩個字段都是D.MAC與S.MAC，交換機只會拆到這，所以交換機不知道接收到的幀具體是哪個格式的。

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二、以太網交換機原理

典型的園區網架構

 出口層（通常為路由器）：連接公網核心層（通常是三層交換機）：負責用戶的數據交換匯聚層（通常是三層交換機）：把用戶的數據匯聚起來轉發給核心層接入層（通常是二層交換機）：用于把用戶接進來（擴展接口的）

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以太網二層交換機

 以太網二層交換機轉發數據的端口都是以太網口，并且只能夠針對數據的二層頭部 (以太網數據幀頭) 中的MAC地址進行尋址并轉發數據。

交換機的工作原理

 交換機在接收到任意類型的數據幀時，首先是學習并生成MAC表項（數據幀源MAC地址與入端口對應關系），如果該項已經存在，會更新其老化時間（華為大部分設備默認是300秒），然后將該數據幀從對應的端口轉發出去；如果沒有該項，則會將其泛洪（轉發給所有端口）；

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MAC地址表

 每臺交換機中都有一個MAC地址表，存放了MAC地址與交換機端口編號之間的映射關系。華為大部分設備默認地址表項老化時間是300秒。

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交換機的3種數據幀處理行為

交換機對于從傳輸介質進入某一端口的幀的處理行為一共有3種：泛洪、轉發與丟棄。

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泛洪
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 如圖所示
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轉發
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 如圖所示
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丟棄

 交換機接收到數據幀，發現其目的MAC地址對應的接口，是其來方向的入接口時，會將其丟棄（找錯交換機了）。

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交換機MAC地址學習

 交換機只有在報文經過時才能學習并構建相應的mac表項。交換機接收到報文的第一步是學習mac地址，然后才是其他操作。

第一步：

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第二步：

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第三步：

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第四步：

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第五步：

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三、交換機常見問題思考

交換機接口down后，相應MAC地址表項如何變化？
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 對應接口的MAC地址表項會消失。
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同一個Vlan中，PC 從交換機A端口遷移到B端口，交換機MAC地址表項如何變化 ?
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 會進行變遷到新的接口下。
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MAC地址表的老化時間是多少？為什么需要老化時間？

 華為大部分設備默認是300秒，新報文經過會刷新老化時間重新計算；為了高效的利用設備的資源，不要太多的mac地址條目。

如何設置“黑洞”MAC？

 交換機系統模式下：mac-address blackhole 5489-98EA-0A02 vlan 1 黑洞mac

交換機的一個接口可以學習多個MAC地址嗎？

 可以的（因為一個接口下可能連接了其他交換機，其他交換機下也有很多設備）

交換機的MAC地址表項可以無限增加嗎？

 不可以，大交換機的較多，中小型交換機的較少。

交換機和集線器有和區別？

 集線器所有的接口都在一個沖突域下，交換機的每一個接口都是一個獨立的沖突域；集線器對于任何報文都是群發，共享鏈路帶寬。集線器：老設備、只會翻紅、共享鏈路帶寬。

交換機有NAT功能嗎？

 大部分交換機都沒有nat功能（三層交換機和路由器的功能不是完全一樣）

所有交換機的端口都可以切換成路由口嗎？

 不是，部分交換機的端口可以（高端交換機，比如華為-H系列）

四、同網段數據通信全過程

P25

過程如下：① 主機1不知道主機2的mac地址，arp廣播② 交換機收到arp廣播，學習主機1的mac地址，泛洪arp③ 主機2接收到arp廣播，將主機1的mac與ip寫入自己的arp緩存表④ 主機2發送單播給主機1，包含自己的mac與ip⑤ 主機1收到主機2的mac與ip，將其寫入arp緩存表，隨后封裝icmp報文發送給主機2，開始正式訪問⑥ 交換機收到icmp，不知道目的（主機2），將其泛洪⑦ 主機2收到icmp后，回包給主機1⑧ 交換機收到主機2的icmp回包時，將主機2的mac地址與其入端口一起寫道mac地址表中，隨后查找表，發現自己有主機1的mac地址后，將其從GE0/0/1轉發。⑨ 主機1接收到主機2的回包，訪問結束。

五、跨網段數據通信全過程

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過程如下：① 主機1訪問主機2的ip地址，發現和自己不是一個網段，將其送給R1（網關路由器）② 但是主機1不知道R1的mac地址，arp③ 交換機收到主機1的arp廣播，學習主機1mac地址，泛洪arp④ r1收到arp包，將主機1的mac與ip寫入arp表，回給主機1單薄（攜帶r1的ip與mac）⑤ 交換機收到r1發送的單播，學習r1的mac，查找mac將其轉發給主機1⑥ 主機1收到后r1回的單播報文，將r1的ip與mac寫入arp表，隨后封裝icmp報文（目的主機2，mac是R1）⑦ 交換機收到icmp，查找mac地址表，發給R1⑧ R1收到icmp報文后，查看目的IP地址（是主機2），查找路由表，發出去⑨ 到達對端⑩ r1不知道主機2的mac地址，arp，? 交換機收到arp，學習R1的mac地址生成表項，隨后泛洪? 主機2收到arp，將R1的ip與mac寫到自己的arp表，隨后發送單播（攜帶主機2的ip與mac）給R1交換機收到主機2的單播，學習主機2的mac，發給R1? R1收到單薄，把主機2的ip與mac寫入arp表。隨后發送icmp包。交換機收到icmp，查找mac地址表，轉發給主機2? 主機2收到icmp，回報給主機1，因為跨網段，所以發給網關R1※ 注意：主機1和主機2的網關是R1路由器的兩個不同的接口。? 交換機收到icmp，查找mac表，發給R1? R1收到icmp，查找路由表，發給主機1，? 交換機收到icmp，查找mac表，發給主機1? 主機1收到回包，訪問結束。