交换机和以太网基础

冲突域

冲突域是一个以太网术语，指的是一种网络场景，即当物理网段中的一台设备传输数据时，该物理网段上的其他设备都必须进行侦听而不能传输数据，原因是如果同一个物理网段中的多个设备同时传输数据，将发生信号冲突（即两台设备的数字信号将在链路上相互干扰），导致数据无法正常传输，信号冲突对网络性能有严重的负面影响，因此需要避免网络中的信号冲突。

广播域

多台设备放到同一个组中就组成了广播域，在同一个广播域中的任何一台设备发送的广播帧，其他设备都可以收到。广播域过大会造成较大的故障域，难以管理和排错。同时在网络中会充斥着广播域，造成网络利用率下降。

CSMA/CD协议

CSMA/CD协议是一种在冲突域中避免数据信号冲突的协议，可以帮助设备更合理地利用带宽，CSMA/CD协议地工作原理：当主机想要传输数据时，它首先会检查线路上是否有信号在传输。如果没有则该主机开始传输数据，但是这样还不够，该主机将持续地监视线路，确保没有其他主机在传输信号。如果检测到其他信号，该主机将发送一个拥塞信号，使网段上的所有主机都不再传输数据，检测到拥塞信号后，其他主机将会执行退避算法并启动一个随机的退避定时器，在该定时器有效期内不传输任何数据，当该定时器超时后会再次传输数据。如果连续15次传输数据都导致冲突，尝试传输数据的主句的定时器将超时。

全双工和半双工

全双工和半双工是在以太网规范IEEE802.3中定义的，半双工的工作原理就像一条单行通道，在一条通道上同时发送和接收数据，这样会造成数据冲突。半双工以太网使用CSMA/CD协议来避免冲突，并支持在发生数据时重传。CSMA/CD协议避免冲突的方法是在同一时间点，只能发送或则接收数据。就像我们生活中的对讲机一样，同一时间只能说话或则收听。由于半双工存在冲突，网络利用率很低，只能利用30%~40%的带宽。

全双工相对于半双工来说就是一条双向通道，发送和接收是分不开的，互不冲突。举个生活中的例子，就是打电话，听的同时还能说话。由于全双工不存在冲突问题，所以两个通道利用率是100%。例如，在采用全双工的100Mbps以太网中，传输速率就是200Mbps，双向通道同时传输，传输速率成倍增加。如今半双工网络正在逐渐消失，有些网络（比如10Gbps网络）要求必须是全双工网络。

MAC地址

MAC地址是一个硬件地址，并且MAC地址是全球唯一的，用来唯一标识以太网中的一台设备。它就像我们的身份证一样，每个人都有一个不一样的身份证号码，如果你想找到这个人，可以通过身份证号找到他。

MAC地址的长度为48位，被分为了两部分。前24位是一部分，其中第一位为1表示广播MAC地址；第二位为1表示是本地唯一MAC地址，如果为0表示全球唯一MAC地址。后面22位是OUI部分，用来表示网卡的厂商。OUI部分需要网卡厂商向IANA注册申请，并且不能出现重复，这也是不存在重复MAC地址的原因。后面的24位这部分内容是由网卡厂商自定义的。

在MAC地址中可以标识出MAC地址类型，是广播地址、组播地址还是单播地址。

1.广播地址：如果MAC地址中第一个字段的第一位被置1，则该地址为广播MAC地址。

2.组播地址：如果第一个字节的最后一位被置1，则该地址为组播地址。

3.单播地址：如果第一个字节的最后一位被置0，则该地址为单播地址。

注释：广播和组播MAC地址只能作为目的MAC地址使用，不能作为源MAC地址使用。

以太网帧格式

以太网2型数据帧格式

字段	含义
前同步码	用来使接收端的适配器在接收 MAC 帧时能够迅速调整时钟频率，使它和发送端的频率相同。前同步码为 7 个字节，1 和 0 交替。
帧开始定界符	帧的起始符，为 1 个字节。前 6 位 1 和 0 交替，最后的两个连续的 1 表示告诉接收端适配器：“帧信息要来了，准备接收”。
目的地址	接收帧的网络适配器的物理地址（MAC 地址），为 6 个字节（48 比特）。作用是当网卡接收到一个数据帧时，首先会检查该帧的目的地址，是否与当前适配器的物理地址相同，如果相同，就会进一步处理；如果不同，则直接丢弃。
源地址	发送帧的网络适配器的物理地址（MAC 地址），为 6 个字节（48 比特）。
类型	上层协议的类型。由于上层协议众多，所以在处理数据的时候必须设置该字段，标识数据交付哪个协议处理。例如，字段为 0x0800 时，表示将数据交付给 IP 协议。
数据	也称为效载荷，表示交付给上层的数据。以太网帧数据长度最小为 46 字节，最大为 1500 字节。如果不足 46 字节时，会填充到最小长度。最大值也叫最大传输单元（MTU）。 在 Linux 中，使用 ifconfig 命令可以查看该值，通常为 1500。
帧检验序列 FCS	检测该帧是否出现差错，占 4 个字节（32 比特）。发送方计算帧的循环冗余码校验（CRC）值，把这个值写到帧里。接收方计算机重新计算 CRC，与 FCS 字段的值进行比较。如果两个值不相同，则表示传输过程中发生了数据丢失或改变。这时，就需要重新传输这一帧。

 以太网交换机

交换机工作在OSI参考模型的数据链路层，以太网交换机的每一个端口都是一个冲突域，同时一台以太网交换机默认属于一个广播域。如果多台交换机通过线缆连接，会使广播域扩大。过大的广播域会造成以太网中充满了广播域，造成带宽利用率下降，整体故障域变大，让网络变的更加复杂且不易维护。

交换机的三种转发行为

一、泛洪

泛洪是指交换机把从某一个端口接收到的数据帧向除接收端口以外的其他端口转发出去。泛洪是一种点到多点的转发行为，交换机在以下几种情况会泛洪数据帧：

收到广播数据帧

收到组播数据帧

收到未知的单播数据帧（未知的单播帧是指数据帧的目的MAC地址在MAC地址表中不存在的数据帧）

二、转发

转发是指交换机把从某一个端口收到的数据帧从另外一个端口转发出去，转发是一种点到点的转发行为。交换机转发数据帧流程是：交换机收到数据帧以后根据数据帧的目的MAC地址查看本地MAC地址表，如果MAC地址表中存在目的MAC地址，则将数据帧从目的MAC地址绑定的端口转发出去；如果MAC地址表中不存在MAC地址，则执行泛洪转发。

三、过滤

交换机在收到数据帧后根据MAC地址表进行转发，不从其他端口泛洪数据帧。

交换机接收数据帧的端口和转发数据帧的端口是用一个端口，则丢弃数据帧不转发。