第16章 以太网交换机工作原理(H3CNE)

在局域网中，交换机是非常重要的网络设备，负责在主机之间快速转发数据帧。交换机与集线器的不同之处在于，交换机工作在数据链路层，能够根据数据帧中的MAC地址进行转发。本文重点讲述了交换机进行MAC地址学习以构建MAC 地址表的过程，对数据帧的转发原理。

一、共享式与交换式以太网

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（1）共享式以太网（已淘汰）

Hub 与同轴电缆都是典型的共享式以太网所使用的设备，工作在OSI 模型的物理层。Hub和同轴电缆所连接的设备位于一个冲突域中，域中的设备共享带宽，设备间利用CSMA/CD 机制来检测及避免冲突。当网络中设备数量较少时，冲突较少发生，通信质量可以得到较好地保证；但是当设备数量增加到一定程度时，将导致冲突不断，网络的吞吐量受到严重影响，数据可能频繁地由于冲突而被拒绝发送。

通过 Hub 或同轴电缆接入的终端会共享总线的带宽，接入的终端数量越多，每个终端获得的网络带宽越少；并且一个终端发出的报文（无论是单播、组播、广播），其余终端都可以收到。（所以共享式以太网被淘汰是必然的）

交换式以太网的出现有效地解决了这个问题，它大大减小了冲突域的范围。

冲突域：在以太网中，如果某个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域。简而言之，冲突域是在同一个网络上两个设备同时进行传输则会产生冲突。

（2）交换式以太网

网桥（Bridge）是一种工作在数据链路层的设备，早期被用在网络中连接各个终端主机。

对于终端主机来说，网桥好像是透明的，不需要由于网桥的存在而增加或改变配置，所以又称为透明网桥。网桥遵循的协议是IEEE 802.1D，又称为透明桥接协议。（网桥就是二层交换机前身）

目前在交换式以太网中经常使用的网络设备是二层交换机。二层交换机和网桥的工作原理相同，都是按照IEEE 802.1D 标准设计的局域网连接设备。他们的区别在于交换机比网桥的端口更多、转发能力更强、特性更加丰富。

二层交换机的端口在检测到网络中的比特流后，它会首先把比特流还原成数据链路层的数据帧，再对数据帧进行相应的操作。同样，二层交换机端口在发送数据时，会把数据帧转成比特流，再从端口发送出去。二层交换机也采用CSMA/CD 机制来检测及避免冲突，但与Hub所不同的是，二层交换机各个端口会独立地进行冲突检测，发送和接受数据，互不干扰。所以，二层交换机中各个端口属于不同的冲突域，端口之间不会有竞争带宽的冲突发生。

由于二层交换机的端口处于不同的冲突域中，终端主机可以独占端口的带宽，所以交换式以太网的交换效率大大高于共享式以太网。

二、MAC地址学习

为了转发报文，以太网交换机需要维护MAC地址表。MAC地址表的表项中包含了与本交换机相连的终端主机的MAC地址、本交换机连接主机的端口等信息。

在交换机刚启动时，它的MAC地址表中没有表项。此时如果交换机的某个端口收到数据帧，它会把数据帧从所有其它端口转发出去。这样，交换机就能确保网络中其它所有的终端主机都能收到此数据帧。但是，这种广播式转发的效率低下，占用了太多的网络带宽，并不是理想的转发模式。

为了能够仅转发目标主机所需要的数据，交换机就需要知道终端主机的位置，也就是主机连接在交换机的哪个端口上。这就需要交换机进行MAC地址表的正确学习。

交换机通过记录端口接收数据帧中的源MAC地址和端口的对应关系来进行MAC地址表学习。

如上图，PCA 发出数据帧，其源地址是自己的地址MAC_A，目的地址是PCD 的地址MAC_D。交换机在端口E1/0/1 收到数据帧后，查看其中的源MAC 地址，并添加到MAC 地址表中，形成一条MAC 地址表项。因为MAC 地址表中没有MAC_D 的相关记录，所以交换机把此数据帧从所有其它端口都发送出去。

交换机在学习MAC 地址时，同时给每条表项设定一个老化时间，如果在老化时间到期之前一直没有刷新，则表项会清空。交换机的MAC 地址表空间是有限的，设定表项老化时间有助于回收长久不用的MAC 表项空间。

说明：对于未知的数据帧，交换机广播发送，单播响应。

同样的，当网络中其它PC 发出数据帧时，交换机记录其中的源MAC 地址，与接收到数据帧端口相关联起来，形成MAC 地址表项。

当网络中所有的主机的MAC地址在交换机中都有记录后，意味着MAC 地址学习完成，也可以说交换机知道了所有主机的位置。

交换机在MAC 地址学习时，需要遵循以下原则：

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• 一个MAC 地址只能被一个端口学习

• 一个端口可学习多个MAC 地址

交换机进行MAC 地址表学习的目的是知道主机所处的位置，所以只要有一个端口能到达主机就可以，多个端口到达主机反而造成带宽浪费，所以系统设定MAC 地址只与一个端口关联。如果一个主机从一个端口转移到另一个端口，交换机在新的端口学习到了此主机MAC 地址，则会删除原有表项。

一个端口上可关联多个MAC 地址。比如端口连接到一个Hub，Hub 连接多个主机，则此端口会关联多个MAC 地址。

三、交换机对数据帧的转发和过滤

（1）单播帧的转发

交换机根据MAC 地址表项进行数据帧转发。

上图中，PCA 发出数据帧，其目的地址是PCD 的地址MAC_D。交换机在端口E1/0/1 收到数据帧后，检索MAC 地址表项，发现目的MAC 地址MAC_D 所对应的端口是E1/0/4，就把此数据帧从E1/0/4 转发，不在端口E1/0/2 和E1/0/3 转发，PCB 和PCC 也不会收到目的到PCD 的数据帧。

（2）广播、组播和未知单播帧的转发

交换机需要把广播、组播帧从所有的端口转发出去（除了源端口）。因为广播和组播的目的就是要让网络中其他的成员收到这些数据帧。

未知单播帧是指帧的目的MAC 地址在交换机MAC 地址表中无相应表项的数据帧。由于MAC 地址表中无相关表项，所以交换机也要把未知单播帧从其他端口转发出去，以使网络中其他主机能收到。

（3）数据帧过滤

为了杜绝不必要的帧转发，交换机对符合特定条件的帧进行过滤。无论是单播、组播、广播帧，如果帧目的MAC 地址在MAC 地址表中有表项存在，且表项所关联的端口与接收到帧的端口相同时，则交换机对此帧进行过滤，即不转发此帧。（无效转发还造成资源浪费，所以直接不转发）

通常，帧过滤发生在一个端口学习到多个MAC 地址的情况下。如上图所示，交换机端口E1/0/1 连接有一个Hub，所以端口E1/0/1 上会同时学习到PCA 和PCB 的MAC 地址。此时，PCA 和PCB 之间进行数据通信时，尽管这些帧能够到达交换机的E1/0/1 端口，交换机也不会转发这些帧到其它端口，而是将其丢弃了。

四、广播域

广播帧是指目的MAC 地址是FFFF.FFFF.FFFF 的数据帧，它的目的是要让本地网络中的所有设备都能收到。二层交换机需要把广播帧从除源端口之外的端口转发出去，所以二层交换机不能够隔离广播。

路由器或三层交换机是工作在网络层的设备，对网络层信息进行操作。路由器或三层交换机收到广播帧后，对帧进行解封装，取出其中的IP 数据包，然后根据IP 数据包中的IP 地址进行路由。所以，路由器或三层交换机不会转发广播帧，广播在三层端口上被隔离。

广播域是指广播帧能够到达的范围。如上图中，PCA 发出的广播帧，PCB 能够收到，但PCC 和PCD 收不到，PCA 和PCB 就属于同一个广播域。广播域中的设备数量越少，广播帧流量就越少，网络带宽的无谓消耗也越少。通过在网络中使用三层交换机或路由器，可以减小广播域，减少网络带宽浪费。

重点总结

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• 共享式以太网中所有终端共享总线带宽，交换式以太网中每个终端处于独立的冲突域

• 交换机根据接收到的数据帧的源地址进行MAC地址表的学习

• 交换机根据MAC地址表对数据帧进行转发和过滤

• 路由器或三层交换机的三层接口属于独立的广播域

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