03.《交換的底層邏輯：從基礎到應用》

交換基礎

文章目錄

交換基礎
- MAC 地址：設備的 “全球唯一身份證”
- - MAC 地址的基本屬性
  - MAC 地址的三類類型（按通信范圍劃分）
- 以太幀
- - 以太幀的兩個標準格式
  - - 1. Ethernet_II 格式（常用）
    - 2. IEEE 802.3 格式（少用）
  - 以太幀的長度要求
  - 數據幀的分類
- 交換機的核心工作機制
- - 交換機的三個核心動作
  - MAC 地址表的生成與使用
  - - 學習源 MAC 地址（建表）
    - 查詢 MAC 地址表（查表）
    - 維護 MAC 地址表（老化）
  - 實驗：通過 PC 間 ping 測試理解交換機轉發
  - - 實驗環境
    - 實驗流程
    - 操作步驟
    - - 配置 PC1 的 IP 地址（以ENSP模擬器 PC 為例）
      - PC1 ping PC2（觸發數據幀傳輸）
      - 查看交換機的 MAC 地址表
      - （可選）手動修改 MAC 地址表老化時間
- 總結

在局域網中，交換機是連接終端設備（如電腦、打印機）的核心設備，它能高效轉發數據，讓不同設備之間實現通信。要理解交換機的工作原理，首先需要掌握兩個關鍵概念： MAC 地址（設備的 “身份證”）和 以太幀（數據的 “包裝盒”），再結合交換機的轉發邏輯，就能清晰理解局域網內數據的傳遞過程。

MAC 地址：設備的 “全球唯一身份證”

MAC 地址又稱 “物理地址” 或 “硬件地址”，是網卡出廠時固化的唯一標識 —— 就像每個人的身份證號，全球不會有兩塊網卡的 MAC 地址完全相同。

MAC 地址的基本屬性

格式與長度
- 長度：48 比特（bit），換算為 6 字節（Byte），用 16 進制表示（0-9、A-F）。
- 書寫格式：通常用 “-” 或 “:” 分隔，比如54-89-98-A0-56-56或54:89:98:A0:56:56。
地址結構
- 前 24 比特（前 3 字節）：OUI（廠商識別碼），由國際組織分配給網卡廠商，比如54-89-98代表某一廠商。
- 后 24 比特（后 3 字節）：設備識別碼，由廠商自行分配給每一塊網卡，確保同廠商內不重復。

MAC 地址的三類類型（按通信范圍劃分）

MAC 地址分為單播、組播、廣播三類，對應不同的 “通信場景”，核心區別在第 8 個比特（從左數第 2 個字符的第 1 位）。

類型	核心特征	通信場景（通俗理解）	舉例
單播 MAC 地址	第 8 比特為 0（比如地址第 2 個字符是 0、2、4 等偶數，或 A、C、E 等）	一對一通信（“點對點聊天”），比如 PC1 給 PC2 發文件	`00-1E-10-DD-DD-02`（第 2 個字符是 0，第 8 比特為 0）
組播 MAC 地址	第 8 比特為 1（比如地址第 2 個字符是 1、3、5 等奇數，或 B、D、F 等）	一對多通信（“拉群聊”），比如給局域網內所有視頻設備發直播流	`01-80-C2-00-00-01`（第 2 個字符是 1，第 8 比特為 1）
廣播 MAC 地址	所有 48 比特全為 1，固定格式為`FF-FF-FF-FF-FF-FF`	一對所有通信（“在大廳喊口號”），比如 PC1 查詢局域網內的打印機	`FF-FF-FF-FF-FF-FF`（所有字符都是 F，對應比特全為 1）

參考華為文檔圖例：

以太幀

在數據鏈路層，數據不是 “裸奔” 傳輸的，而是會被包裝成 “以太幀”（簡稱 “數據幀”）—— 就像寄快遞時要把物品裝進帶地址的盒子，以太幀也包含 “收件地址”“寄件地址” 和 “包裹內容”。

以太幀的兩個標準格式

目前主流的以太幀格式有兩種：Ethernet_II（常用，比如我們日常上網、傳文件用的就是這種）和 IEEE 802.3（多用于工業控制等特殊場景），兩者的區別主要在 “中間字段”。參考華為文檔圖例：

1. Ethernet_II 格式（常用）

字段	長度	作用（通俗理解）
D.MAC（目的 MAC 地址）	6 字節	收件地址：數據要發給哪個設備的網卡
S.MAC（源 MAC 地址）	6 字節	寄件地址：數據來自哪個設備的網卡
Type（類型字段）	2 字節	說明 “盒子里裝的是什么類型的數據”，比如`0800`代表 IP 數據（日常上網數據）
用戶數據	46-1500 字節	真正要傳遞的內容（比如微信消息、文件數據），最少 46 字節（不夠會補零），最多 1500 字節
FCS（幀校驗序列）	4 字節	校驗數據是否損壞：接收方會計算校驗值，若與 FCS 不一致，說明數據傳丟了，會丟棄該幀

2. IEEE 802.3 格式（少用）

比 Ethernet_II 多了 “LLC” 和 “SNAP” 字段，用于兼容早期設備，核心字段作用類似：

字段	長度	作用
D.MAC	6 字節	目的 MAC 地址
S.MAC	6 字節	源 MAC 地址
Length（長度字段）	2 字節	說明 “用戶數據的長度”（區別于 Ethernet_II 的 Type 字段）
LLC（邏輯鏈路控制）	3 字節	兼容早期局域網協議
SNAP（子網訪問協議）	5 字節	包含 Org Code（3 字節，廠商碼）和 Type（2 字節，數據類型），相當于把 Ethernet_II 的 Type 字段拆到這里
用戶數據	38-1492 字節	核心數據（因多了 LLC 和 SNAP，比 Ethernet_II 少 8 字節）
FCS	4 字節	幀校驗

以太幀的長度要求

無論哪種格式，整個以太幀的總長度必須在 64-1518 字節之間：

小于 64 字節：“短幀”，可能是干擾或錯誤數據，交換機會直接丟棄。
大于 1518 字節：“長幀”，可能是異常數據包，交換機會同樣丟棄。

數據幀的分類

和 MAC 地址對應，數據幀也分為三類，直接決定交換機的轉發方式：

單播數據幀：目的 MAC 是單播地址（比如 PC1→PC2 的幀）。
組播數據幀：目的 MAC 是組播地址（比如給多臺設備發直播的幀）。
廣播數據幀：目的 MAC 是FF-FF-FF-FF-FF-FF（比如查詢局域網設備的幀）。

交換機的核心工作機制

交換機的核心功能是 “高效轉發數據幀”，它靠一張 “MAC 地址表” 實現 —— 這張表記錄了 “MAC 地址→交換機接口→VLAN” 的對應關系，就像 “小區快遞柜對照表”（哪個快遞對應哪個柜子）。

交換機的三個核心動作

交換機收到數據幀后，會根據幀的類型和 MAC 地址表，執行三種動作之一：

動作	適用場景	通俗理解
單播轉發	已知單播數據幀（MAC 地址表中有目的 MAC 的對應接口）	“精準投遞”：根據地址表，把幀從對應接口發給目標設備，不打擾其他設備
泛洪	1. 未知單播數據幀（地址表中沒有目的 MAC） 2. 組播數據幀 3. 廣播數據幀	“群發找人”：除了接收幀的接口，把幀從所有其他接口發出去，直到目標設備響應
丟棄	1. 幀長度小于 64 字節或大于 1518 字節 2. FCS 校驗失敗（數據損壞）	“拒收垃圾”：直接扔掉無效或錯誤的幀，避免占用網絡資源

MAC 地址表的生成與使用

默認情況下，交換機的 MAC 地址表是空的，它會通過 “學習→查表→轉發→老化” 四個步驟，動態維護地址表并實現轉發：

學習源 MAC 地址（建表）

當交換機收到一個數據幀時，首先會 “記住” 幀的源 MAC 地址和 “接收該幀的接口”，并把這對關系寫入 MAC 地址表。

例：PC1（MAC：54-89-98-A0-56-56）通過交換機的 GE0/0/1 接口發幀，交換機就會在地址表中添加一條記錄：5489-98a0-5656 → GE0/0/1。

查詢 MAC 地址表（查表）

接著，交換機會查看幀的目的 MAC 地址，并在地址表中查找是否有對應的接口記錄：

若有記錄（已知單播幀）：執行 “單播轉發”，從對應接口發出去。
若沒有記錄（未知單播幀）：執行 “泛洪”，從所有其他接口發出去。

維護 MAC 地址表（老化）

為了避免地址表過大（浪費設備資源），交換機對動態學習的 MAC 地址表項設置了 “老化時間”—— 默認 300 秒（5 分鐘）。

如果 5 分鐘內，某條表項對應的設備沒有再發數據，交換機會自動刪除這條記錄。
若設備繼續發數據，老化時間會 “重置”（重新從 5 分鐘開始倒計時）。

實驗：通過 PC 間 ping 測試理解交換機轉發

通過實際操作，我們可以觀察交換機如何學習 MAC 地址、生成地址表，以及如何轉發數據幀。

實驗環境

實驗拓撲：

設備	接口	IP 地址	MAC 地址
PC1	Ethernet 0/0/1	10.1.1.1/24	54-89-98-A0-56-56
PC2	Ethernet 0/0/1	10.1.1.2/24	54-89-98-C9-64-22
交換機（SW1）	GE0/0/1（連 PC1）、GE0/0/2（連 PC2）	無（二層交換機無需配置 IP）	無

實驗流程

配置 PC1 和 PC2 的 IP 地址（靜態配置，確保同網段）。
用 PC1 ping PC2，觸發數據幀傳輸，讓交換機學習 MAC 地址。
查看交換機的 MAC 地址表，驗證表項是否生成。
（可選）等待 5 分鐘后，再次查看地址表，驗證老化功能。

操作步驟

配置 PC1 的 IP 地址（以ENSP模擬器 PC 為例）

打開 PC1 的 “基礎配置” 界面，選擇 “IPv4 配置” 為 “靜態”。
填寫參數：
- IP 地址：10.1.1.1
- 子網掩碼：255.255.255.0
- 網關：0.0.0.0（同網段通信無需網關）
點擊 “應用”，完成 PC1 配置。
重復上述步驟，配置 PC2 的 IP 為 10.1.1.2，子網掩碼 255.255.255.0。如圖：

PC1 ping PC2（觸發數據幀傳輸）

在 PC1 的 “命令行” 界面輸入 ping 命令，測試連通性：

PC1>ping 10.1.1.2  # 向PC2發送ping請求（ICMP協議數據包）
Ping 10.1.1.2: 32 data bytes, Press Ctrl_C to stop
Reply from 10.1.1.2: bytes=32 seq=1 ttl=128 time=1ms  # 收到PC2的回復，連通成功
Reply from 10.1.1.2: bytes=32 seq=2 ttl=128 time=1ms

此時，PC1 和 PC2 之間會互發數據幀，交換機會自動學習兩者的 MAC 地址。

查看交換機的 MAC 地址表

登錄交換機（通過 Console 或遠程登錄），輸入命令查看 MAC 地址表：

# 1. 進入交換機的用戶視圖（默認登錄后就是用戶視圖）
<SW1># 2. 查看MAC地址表（命令：display mac-address，簡寫dis mac-address）
<SW1>display mac-address
MAC address table of slot 0:  # 插槽0的MAC地址表
-------------------------------------------------------------------------------
MAC Address       VLAN/VSI/SI   PEVLAN CEVLAN Port          Type      LSP/LSR-ID
-------------------------------------------------------------------------------
5489-98a0-5656    1             -      -      GE0/0/1       dynamic   -  # PC1的MAC，對應接口GE0/0/1，動態學習
5489-98c9-6422    1             -      -      GE0/0/2       dynamic   -  # PC2的MAC，對應接口GE0/0/2，動態學習
-------------------------------------------------------------------------------
Total matching items on slot 0 displayed = 2  # 共2條表項

結果說明：交換機已通過 ping 測試，學習到 PC1 和 PC2 的 MAC 地址，并記錄了對應的接口（GE0/0/1 和 GE0/0/2），類型為 “dynamic”（動態學習）。

（可選）手動修改 MAC 地址表老化時間

默認老化時間是 300 秒，若需修改（不推薦，除非特殊需求），可在交換機的系統視圖中執行命令：

# 1. 進入系統視圖
<SW1>system-view
[SW1]# 2. 修改老化時間（單位：秒，范圍10-1000000，0表示不老化）
[SW1]mac-address aging-time 600  # 將老化時間改為600秒（10分鐘）
[SW1]quit  # 退出系統視圖# 3. 驗證修改結果（查看系統配置）
<SW1>display current-configuration | include aging-time  # 查看老化時間配置
mac-address aging-time 600  # 確認已修改為600秒