18-交换技术——交换机基础

1. 交换机原理

交换机是一个二层设备，它是基于数据帧的源MAC地址和目的MAC地址来工作的，还可以隔离冲突域，交换机的主要功能有三个：

1. 转发（数据帧）
2. 地址学习（建立MAC地址表）
3. 环路避免

地址学习：交换机收到数据帧后，会将数据帧中源MAC地址存储到MAC地址表中（基于源MAC地址学习）。

 

转发（数据帧）：前面我们说过交换机主要是基于源MAC地址和目的MAC地址来转发数据帧的，换句话说，交换机收到一个数据帧时会在MAC地址表中查找其目的MAC地址和端口，并把数据帧转发到对应的端口。

 

环路避免：关于环路避免暂时跳过，我们主要关注交换机的工作原理。

 

2. 交换机是如何工作的

通过一个简单的实验来简单学习一下交换机的工作原理：如下图所示，在PC1和PC2两台主机之间连接了一台交换机，分别配置PC1和PC2的ip地址信息，SW1交换机不动，然后PC1 ping PC2测试网络连通性。

 

 

PC1通过ping PC2去测试网络连通性：

PC1#ping 192.168.1.2

Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.1.2, timeout is 2 seconds:
!!!!!
Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 20/28/36 ms

结果说明PC1和PC2的网络是可以通信的，那么SW1交换机是如何转发数据实现PC1和PC2之间的网络通信？

 

 

前面说过交换机是基于源MAC地址和目的MAC地址来转发数据的，也就是说，在SW1交换机中有一个MAC地址表，这个表中存放了MAC地址和交换机端口的映射关系，我们通过show命令查看交换机的MAC地址表信息：

//查看交换机的MAC地址表
SW1#show mac-address-table 
Destination Address Address Type VLAN Destination Port
------------------- ------------ ---- --------------------
cc02.15a4.0000 Self 1 Vlan1
cc03.1f30.0000 Dynamic 1 FastEthernet1/0
cc04.090c.0000 Dynamic 1 FastEthernet1/1

 

PC1和PC2之所以能通信，是因为交换机会根据MAC地址表来转发数据帧，通常交换机对数据帧的转发操作会有三种行为：

1. 泛洪：交换机把从某一端口收到的数据帧通过其他端口转发出去
2. 转发：交换机把从某一端口收到的数据帧通过另一端口转发出去
3. 丢弃：交换机把从某一端口收到的数据帧直接丢弃掉

 

 

交换机转发数据帧的原则：

1. 当交换机从某一端口收到一个数据帧时，会把源MAC地址和该端口之间进行映射并存储到MAC地址表中

             2. 如果交换机收到的是一个广播帧，交换机不会查找MAC地址表，而是直接执行泛洪操作

3. 如果交换机接收到一个单播的数据帧，交换机会在MAC地址表中查找目的MAC地址，如果没找到，交换机则执行泛洪操作；如果找到了，则对比目的MAC地址映射的端口是否为数据帧进入交换机的端口。如果是则丢弃数据帧，如果不是则执行转发操作。

 

3. 地址学习和转发（数据帧）

交换机在收到一个数据帧时，还具备学习MAC地址能力。

由于二层网络中使用mac地址通信，PC1想要和PC2通信就必须知道对方的mac地址，那么PC1和PC2通信之前会发送一个ARP请求（以广播的方式发送）以获取PC2的MAC地址，当SW1交换机从f2/0端口收到这个数据帧时，查找自己的MAC地址表发现是空的，会把源MAC地址和f2/0端口进行映射并存储到自己的MAC地址表中，以后SW1交换机只要收到目的MAC为01-02-03-04-AA的数据帧一律从f2/0端口转发出去，接下来交换机会把这个数据帧从其他端口（f2/1和f2/2）泛洪出去。

PC3收到该数据帧会丢弃，但PC2收到该数据帧后会响应一个ARP应答，并封装自己的MAC地址为源MAC，当SW1交换机从f2/1口收到这个数据帧时，也会将源MAC地址和f2/1端口进行映射并存储到MAC地址表中。

然后PC1和PC2就可以建立点到点连接了，并且只有这2个设备接收到这些数据帧，因为SW1交换机的MAC地址表中还没有PC3的MAC，所以PC3是无法看到这些数据帧的。

 

 

为什么当交换机收到一个广播或组播的数据帧时不会学习mac地址呢？而是直接执行泛洪操作？因为交换机是基于源mac地址学习的，广播和组播的mac只能作为目的mac地址使用，所以交换机无法学习到广播或组播的mac地址，这意味着交换机的mac地址表中根本就没有广播和组播的mac，也就不需要再查找mac地址表。