二层交换与MAC地址

   根据国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连参考模型（OSI-RM），依据链路层（二层）进行数据帧转发的称为二层交换。相应地，仅支持二层交换的交换机称为二层交换机。

        二层交换机工作在数据链路层，它对数据包的转发是建立在MAC地址的基础上的。二层交换机内部通常使用称为ASIC的芯片来实现对数据包的转发，由于是硬件转发，性能非常高。

        MAC地址是二层交换机转发数据包的依据。先来看一下MAC地址。MAC地址有48位（6字节）。在常用的以太网帧结构中，帧头有一个目的MAC地址（6字节），一个源MAC地址（6字节），分别标志帧的目的节点和源节点的物理地址。

目的MAC （6字节）

源MAC （6字节）

类型 （2字节）

数据

        MAC地址一般可以分为单播地址、组播地址和广播地址。

        （1）单播地址：第一个字节的最低位为0，如：00-12-34-56-78-90。向单一设备或端口转发数据包。

        （2）组播地址：第一个字节的最低位为1，如：01-00-5e-00-00-01。向一组设备或端口转发数据包。

        （3）广播地址：全1。即：FF-FF-FF-FF-FF-FF。将向所有设备或端口转发数据包。

        二层交换基本流程：1.交换机接收到以太网帧后，会将以太网帧中的源MAC地址与接收端口的对应关系写入MAC地址表中，作为以后转发的依据。如果MAC地址表中已经有相同的表项，那么就刷新该表项的老化时间。2.交换机根据接收到的以太网帧的目的MAC地址查找MAC地址表，如果在MAC地址表中找到该MAC目的地址，那么就向对应的端口转发（如果对应的端口与接收端口相同，那么将丢弃该以太网帧）。如果没有找到匹配表项，那么将向除接收端口之外的所有端口转发。

        可以看出，二层交换通过记录源MAC与接收端口的对应关系来维护MAC地址表，同时通过目的MAC查找MAC地址表来向相应的端口转发数据包。

        动态MAC地址表的表项采取一定的老化更新机制来维护MAC地址表，一定时间内未被刷新的表项将被删除掉。

        二层交换机的老化和刷新通常直接由硬件ASIC芯片完成。关于这个机制，查找到一些资料如下：

        1.在芯片中储存的每一个动态添加的MAC地址表项都有一个 1 bit 长度的老化标志，同时芯片有一个老化定时器用于控制地址老化。

        2.对于新学习到的MAC地址表项，其老化标志位置1；对于已经学习到MAC表项，如果后续有报文的源MAC与表项相同，那么将其老化标志位刷新为1。

        3.每当芯片的老化定时器超时后，将MAC地址表中老化标志位等于1的项目，修改其老化标志位等于0；对于MAC地址表中老化标志位等于0的项目，直接删除。

在这样的老化机制下，老化时间是不确定的，为1~2倍的老化定时器时间