理论与实践相结合之交换机通信（数据链路层）
前提
本文所使用的演示工具是“Cisco Packet Tracer”，没有安装的请参考以下链接进行安装
理论与实践相结合之Cisco Packet Tracer网络模拟器安装教程-CSDN博客
交换机简介
交换机是一种网络硬件设备，每个交换机都维护了一个mac地址和端口的对应表，交换机工作时依据数据包中的MAC 地址参照mac地址表将数据从指定端口发送出去。
本文所指的交换机是二层以太网交换机，工作在OSI 模型的第2层，也就是数据链路层。
交换机示例图如下所示：
单交换机数据通信演示
演示拓扑：
PC-A，PC-C，PC-E三台电脑接在同一交换机下，ip和mac地址配置如图所示：
场景一：当PC-A发送一个广播包（目的mac地址为全F）时，交换机如何发送数据包
1、创建数据包
- 点击红框标记信封图标，然后依次点击电脑PC-A，PC-E
- 点击绿框标记标记“edit”按钮，将目标地址修改为“255.255.255.255”
2、按下图步骤执行
3、数据包发送到交换机，内容如图所示，然后再次点击红框标记的
图标
4、交换机将数据包从所有端口发送出去
结论：交换机收到广播包时，将从所有端口发送出去
场景二：PC-A发送数据给PC-C
1、创建数据包，然后点击下一步按钮
数据包的第2层信息，源MAC是PC-A，目标MAC是PC-C
数据包的第3层信息，源IP是PC-A，目标IP是PC-C
2、数据包到达交换机（交换机将从0/2端口发送出去），点击下一步
3、交换机只将数据发送给PC-C
结论：当数据包为指定目的地的单播包时，交换机从指定端口发送数据包
原理：交换机是依据目的MAC地址发送数据包
当目的mac地址为FFFF.FFFF.FFFF时从接收端口之外的所有其它端口发送
当目的mac地址为特定mac时，依据mac地址表和接口对应关系，从指定接口转发
交换机mac地址表如下所示：
场景三：交换机断电重启后mac地址表信息会丢失，此时如果PC-A发送数据给PC-C，交换机查询不到mac对应的端口号，将如何转发数据呢？
1、清空交换机mac表缓存
2、创建数据包，从PC-A发送给PC-C
3、数据发送过程演示
数据包到达交换机后，将从接口2和接口3发送
交换机将数据包发送给了PC-C和PC-E
结论：当交换机收到数据包后，目的mac地址在交换机的mac地址表中找不到对应接口时，将从所有端口发送出去。
多交换机数据通信演示
演示拓扑：
交换机0和交换机1相连，PC-A连接交换机0，PC-C，PC-E电脑接在交换机1下，ip和mac地址配置如图所示：
场景一：PC-A发送数据包给PC-C
数据到达交换机0
数据到达交换机1
PC-C收到数据包
场景二：PC-A发送数据包给PC-E
同场景一，不再演示
交换机mac地址表
交换机0
Switch#show mac-address-table
Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan Mac Address Type Ports
---- ------------------- --------------- ----------
1 0002.1735.bc01 DYNAMIC Fa0/2
1 aaaa.aaaa.aaaa DYNAMIC Fa0/1
1 cccc.cccc.cccc DYNAMIC Fa0/2
1 eeee.eeee.eeee DYNAMIC Fa0/2
交换机1
Switch#show mac-address-table
Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan Mac Address Type Ports
---- ------------------- --------------- ----------
1 000d.bd23.e602 DYNAMIC Fa0/1
1 aaaa.aaaa.aaaa DYNAMIC Fa0/1
1 cccc.cccc.cccc DYNAMIC Fa0/2
1 eeee.eeee.eeee DYNAMIC Fa0/3
结论：多个交换机与单个交换机发送数据包的原理相同，都是依据目的mac地址发送数据包
当目的mac地址为广播地址时，将从接收端口之外的所有其它端口发送出去；
当目的mac地址在mac地址表中找不到对应接口时，当作广播包进行发送；
当目的mac地址在mac地址表中有对应接口时，从指定接口发送。
vlan简介
vlan，也就是虚拟局域网，在二层网络中隔离广播域，应用场景很广泛，例如将公司不同的部门划分为不同的vlan，不同的vlan之间不能直接通过二层交换机通信。
单交换机vlan数据通信演示
演示拓扑：
将交换机0的F0/2接口修改为vlan2，其它接口保持默认
场景一：PC-A发送广播包
制作数据包
交换机0收到数据包后，只从F0/3发送，因为F0/2在不同的vlan，不属于相同的广播域，所以不会从F0/2发送数据包
PC-C收到数据包
场景二：将PC-A连接的交换机接口配置为vlan2，再次发送广播包
交换机收到数据包后，将从F0/2发送出去，因为F0/1和F0/2都属于相同的vlan2，不会从F0/3发送
PC-E接收到数据包
结论：在二层交换网络中，只有相同的vlan之间才能传输数据
多交换机vlan数据通信演示
演示拓扑：
交换机0的F0/1为vlan2，F0/3为vlan3；交换机1的F0/2为vlan2，F0/3为vlan3；其它端口默认
场景一：PC-A发送广播包
制作广播包
交换机0收到数据包后，不会从任何端口发送出去
原因：交换机的端口默认都属于vlan1，从PC-A接收到vlan2的数据包后，没有其它任何端口属于vlan2，所以不会进行发送（用于交换机相连的端口默认也属于vlan1）
在此，我们引入trunk的概念，将交换机相连的端口配置为trunk后，则允许所有vlan数据通过
场景二：将交换机连接的端口配置为trunk后，PC-A重新发送广播包
下面我们来对比一下交换机接收和待发送的数据包PDU
从PC-A接收的PDU
待发送数据包的PDU
我们可以看到交换机0接收到数据包后，准备发送给交换机1的数据包采用的是802.1q进行数据封装，数据内容中携带了vlan2标签，这也是用于交换机1接收到数据包后能够识别到数据包来源于哪个vlan
下一步，交换机0将数据发送给交换机1
交换机1接收的数据包中包含vlan标签
交换机1将数据只发送给PC-E，因为只有PC-E属于vlan2
结论：交换机所有端口默认属于vlan1 ，交换机与交换机相连的端口应当配置为trunk模式，称之为中继链路，采用802.1q协议，传输的数据包内容包含vlan信息，中继链路允许所有vlan数据传输。
补充：trunk链路在传输默认vlan（通常为vlan1）数据时不会使用802.1q标准，传输数据时不会包含vlan信息。
生成树协议简介
生成树协议的作用是为了防止广播风暴，交换机之间通过生成树协议数据包，选举出根桥，指定端口和阻塞端口等，避免形成环路，如下图所示，红框标记端口为阻塞状态，不能收发数据：
我们试想一下，如果没有生成树协议，那么交换机连接的两条线路都能收发数据，当PC-A发送一个广播数据包时，由于交换机之间形成了环路，将产生广播风暴。
生成树演示
我们通过show spanning-tree命令可以查看交换机端口状态
交换机0
交换机1
场景一：将交换机F0/1相连的线断开
由于两台交换机只有一根线相连，不会产生环境，所以原来阻塞的端口恢复正常状态
交换机0
交换机1
结论：当交换机端口状态改变时，生成树协议将重新评估端口状态，目的是为了防止生成环路
场景二：将端口添加到不同的vlan防止环路
将两个交换机的端口F0/1和F0/3加入vlan1，端口F0/2和F0/4加入vlan2
由于vlan可以隔离广播域，此时交换机两条线路均可传输数据
PC-A发送数据给PC-E，我们可以看到交换机1的数据是从F0/1接收，将从F0/3发送出去
PC-C发送数据给PC-G时，我们可以看到，交换机1的数据是从F0/2接收，将从F0/4发送出去
总结
以上演示了交换机数据收发过程，介绍了vlan和生成树。
交换机传输数据其实很简单，就是依据目地mac地址进行转发，当找不到目的mac或目的mac为ffff.ffff.ffff的广播包时，将从接收端口外的所有其它端口发送出去。
vlan是802.1q标准下的虚拟局域网，可以隔离广播域，交换机之间相连，我们应当将端口配置为trunk模式，此时的链路称之为中继链路，允许所有vlan传输，非默认vlan的数据包传输时将打上vlan的标记。
生成树协议是为了防止交换机之间产生环路引发广播风暴，因为交换机收到广播包后将会从其它所有接口发送，这样将导致广播包从一个端口发送出去后，又从另一个端口接收到，导致数据包在交换机之间不断循环。
另外，有一种攻击叫做mac地址泛洪攻击就是利用了交换机的这种特性，交换机的mac地址缓存表是有限制的，当mac地址缓存表达到上限后将不能缓存新的mac地址。
攻击者通过发送假数据包使交换机的mac地址表达到上限，后续真实数据包由于在交换机的mac地址表中找不到对应的接口将从所有其它端口发送出去，此时，攻击者便可以接收到别人发送的真实数据包。
在上面的演示中，我们使用的思科设备，其实不管是思科、H3C还是华为，通信原理都是相同的，因为大家都遵守相同的标准，这也是不同设备能够兼容的前提。
我们不需要太关注设备配置命令，因为每个厂家的配置命令都有差异，弄懂通信原理后，不管什么品牌的设备，我们都可以上手。
本文为“理论与实践相结合之计算机网络基础系列”的内容之一，其他博文也在更新中，本系列完成后会将导览链接补充在本文末尾，感兴趣的可以关注和收藏。
种草
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