完整版：交换机工作过程和原理

随着企业网络的发展，越来越多的用户需要接入到网络，交换机可以提供大量的接入端口，并能够很好地满足这一企业需求。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相应动作。

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。依据交换机的学习能力。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源端口进行映射，然后将这个映射关系存放进MAC地址表中。MAC地址表也称为CAM（Content Addressable Memory）表。

一、交换机的工作过程

1.1、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。本例中，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。

图1 交换机初始状态

1.2、交换机学习阶段

如图2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，会将源MAC地址和接收端口的映射关系添加到MAC地址表中。缺省情况下，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。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。需要注意的是管理员手动添加的MAC地址表项不会被老化刷新。

图2 学习阶段

1.3、交换机转发数据帧

当数据帧的目的MAC地址不在MAC表中，或者目的MAC地址为广播地址时，交换机会泛洪该帧。如图3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。

图3 交换机转发数据

1.4、目的主机回复

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收到回复数据帧时，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。详情如图4所示。

图4 主机回复

二、交换机工作原理

综上所述如图5所示，交换机对帧的转发操作行为一共有三种：泛洪（Flooding），转发（Forwarding），丢弃（Discarding）。

泛洪：数据帧交给除源端口以外的所有端口转发出去。

转发：数据帧通过某端口转发出去。

丢弃：数据帧进行端口映射关系不匹配时，直接丢弃。

图5交换机转发行为

根据数据帧的类型将交换机工作原理总结如下：

如果进入交换机的是一个单播帧，则交换机会去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（进出端口不同）则交换机执行转发操作。如果是（进出端口相同）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。

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