数据链路层分析----交换机基本原理

一、交换机基本原理

1、小型交换网络

2、交换机转发行为

二、交换机转发原理

1、MAC地址表

2、交换机初始状态

3、交换机学习MAC地址

4、ARP协议

5、交换机转发数据帧

6、目标主机回复

        常见的以太网设备包括Hub、交换机等。交换机工作在数据链路层，它有效地隔离了以太网中的冲突域，极大地提升了以太网的性能。

        随着企业网络的发展，越来越多的用户需要接入到网络，交换机提供的大量的接入端口能够很好地满足这种需求。同时，交换机也彻底解决了困扰早期以太网的冲突问题，极大地提升了以太网的性能，同时也提高了以太网的安全性。

        交换机工作在数据链路层，对数据帧进行操作。在收到数据帧后，交换机会根据数据帧的头部信息对数据帧进行转发。

一、交换机基本原理

1、小型交换网络

2、交换机转发行为

交换机对帧的转发操作行为一共有三种：

交换机转发行为	说明
泛洪（Flooding）	交换机把从某一端口进来的帧通过所有其它的端口转发出去。
转发（Forwarding）	交换机把从某一端口进来的帧通过另一个端口转发出去。
丢弃（Discarding）	交换机把从某一端口进来的帧直接丢弃。

二、交换机转发原理

1、MAC地址表

交换机中有一个MAC 地址表，里面存放了MAC 地址与交换机端口的映射关系。MAC 地址表也称为CAM（Content Addressable Memory）表。

MAC 地址表作为交换机转发数据的依据，其含义，可以理解为交换机中某一个端口的端口号与对端设备网卡的MAC 地址的对应关系。换句话说，一个数据帧想要去某一个MAC 地址，应该从交换机的哪一个端口走。

MAC 地址表与转发行为的关系：

如果进入交换机的是一个单播帧，则交换机会去自己的MAC 地址表中查找这个帧的目的MAC 地址。如果查不到这个MAC 地址，则交换机执行泛洪操作。如果查到了这个MAC 地址，则比较这个MAC 地址在MAC 地址表中对应的端口是不是这个帧进入交换机的那个端口。如果不是，则交换机执行转发操作。如果是，则交换机执行丢弃操作。
如果进入交换机的是一个广播帧，则交换机不会去查MAC 地址表，而是直接执行泛洪操作。
如果进入交换机的是一个组播帧，则交换机的处理行为比较复杂。

交换机还具有学习能力。当一个帧进入交换机后，交换机会检查这个帧的源MAC 地址，并将该源MAC 地址与这个帧进入交换机的那个端口进行映射，然后将这个映射关系存放进MAC 地址表。

2、交换机初始状态

初始状态下，交换机并不知道所连接主机的MAC 地址，所以MAC 地址表为空。下图中，SWA 为初始状态，在收到主机A 发送的数据帧之前，MAC地址表中没有任何表项。

然而，交换机具有很好的学习能力。

3、交换机学习MAC地址

交换机将收到的数据帧的源MAC 地址和对应接口记录到MAC 地址表中。如下图所示：

主机A 发送数据给主机C 时，一般会首先发送ARP 请求来获取主机C 的MAC 地址，此ARP 请求帧中的目的MAC 地址是广播地址，源MAC 地址是自己的MAC 地址。
SWA 收到该帧后，会将帧中源MAC 地址和接收端口的映射关系添加到MAC 地址表中。此后，如果交换机收到目标MAC 地址为00-01-02-03-04-AA的数据帧时，都将通过G0/0/1 端口转发。
默认情况下，交换机学习到的MAC 地址表项的老化时间为300 秒。如果在老化时间内再次收到主机A 发送的数据帧，SWA 中保存的主机A 的MAC地址和G0/0/1 的映射的老化时间会被刷新。

4、ARP协议

ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议 )，属于网络层。ARP 的作用，已知IP 地址解析MAC 地址。ARP 工作原理：

首先发送ARP 广播，内容是我的IP 的多少，我的MAC 是多少。某一个IP，我想要与你通信，你的MAC 是多少，请告诉我。
局域网（同一网段）内所有主机，都能收到ARP 广播。
只有目标主机收到广播后，回应ARP 单播。
当PC 收到ARP 单播回应后，在计算机中生成ARP 缓存表

5、交换机转发数据帧

当目的MAC 地址为广播地址，或者数据帧的目的MAC 地址不在MAC 表中，交换机会泛洪该帧。

如下图所示：主机A 发送的数据帧的目的MAC 地址为广播地址，所以交换机会将此数据帧通过G0/0/2 和G0/0/3 端口广播到主机B 和主机C。

6、目标主机回复

交换机根据MAC 地址表将目标主机的回复信息单播转发给源主机。

如下图所示：

主机B 和主机C 接收到此数据帧后，都会查看该ARP 数据帧。但是主机B 不会回复该帧，主机C 会处理该帧并发送ARP 回应，此回复数据帧的目的MAC 地址为主机A 的MAC 地址，源MAC 地址为主机C 的MAC 地址。
SWA 收到ARP 回应数据帧时，会将该帧的源MAC 地址和接口的映射关系添加到MAC 地址表中。
如果此映射关系在MAC 地址表已经存在，则会被刷新。然后SWA 查询MAC 地址表，根据帧的目的MAC 地址找到对应的转发端口后，从G0/0/1 转发此数据帧。

三、总结

具体来说，它有以下几个核心功能和解决问题的方向：

数据转发：交换机能够根据MAC地址表识别网络中的各个设备，并将收到的数据帧直接转发到目标设备，而非广播到所有端口。这提高了数据传输的效率和安全性。
冲突域隔离：在传统集线器（Hub）组成的网络中，所有设备共享同一个冲突域，导致数据传输速率下降。而交换机可以将每个端口划分成独立的冲突域，有效减少或避免了数据包碰撞的问题。
带宽优化：交换机为每个连接的设备提供了专用的带宽，使得不同设备之间的通信不会互相干扰，从而提升了整个网络的性能和可用带宽。
VLAN支持：高级交换机还支持虚拟局域网（VLAN）技术，可以逻辑上将一个物理网络划分为多个子网，增强网络安全性和管理灵活性。