交接机的基本原理
第七章：交接机的基本原理
在网络中传输数据时需要遵循一些标准，以太网协议定义了数据帧在以太网上的传输标准，了解以太网协议是充分理解数据链路层通信的基础。以太网交换机是实现数据链路层通信的主要设备，了解以太网交换机的工作原理也是十分必要的。学完本章内容以后，我们应该能够：
- 交换机的转发方式
- 交换机的工作原理
7.1交换机的转发方式
- 直通转发
如图6-1所示，交换机只要看到了目的MAC就开始转发过程，交换机不检测错误，直接转发数据帧，直通转发的优点是由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，直通转发的缺点是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误。
图6-1 数据帧的结构
- 存储转发
存储转发是指交换机接收完整的数据帧后才开始转发过程,它的优点是进行CRC检查，交换机检测错误，发现错误数据包将会丢弃。它的缺点是处理时延时大。
- 碎片隔离
交换机接收完数据包的前64字节，然后根据帧头信息查表转发表。此交换模式结合了直通方式和存储转发方式的优点。和直通转发一样不用等待接收完完整的数据帧才转发，先检查数据包的长度是否够64字节（512bit），如何小于64字节，说明是假包（或者残帧），丢弃该数据包，如果大于64字节，则转发。并且同存储转发一样，可以提供错误检测，能够检测前64字节的帧错误，并丢弃错误帧。它的优点是避免假包的转发，它的缺点是不提供数据校验
华为交换机的交换模式默认为存储转发
7.2交换机的工作原理
- 交换机的初始状态
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7-1 交换机初始状态
- 基于源MAC地址学习
如图7-2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7-2 学习阶段
- 收到的是一个广播帧或未知的单播帧除源端口以外所有端口转发
SWA把主机A的MAC地址记录到自己的MAC表后，查看数据帧的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，它会除源端口g0/0/1以外的所有端口转发，所以主机B和主机C会收到该数据帧。
图7-3 交换机转发数据
- 基于目的MAC地址转发
主机B和主机C接收到此数据帧后，都会查看该数据帧。主机B发现目的不是自己所以不会回复该数据帧，主机C会发送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7-4所示。
图7-4 主机回复
7.3交换机对数据帧的处理行为
交换机会通过传输介质进入其端口的每一个帧都进行转发操作，交换机的基本作用就是用来转发数据帧。交换机对帧的处理行为一共有三种：泛洪（Flooding），转发（Forwarding），丢（Discarding）。
图7-5交换机转发行为（要张勇补一下，到少是原创）
7.3.1泛洪
交换机把从某一端口进来的帧通过所有其它的端口转发出去（注意，“所有其它的端口”是指除了这个帧进入交换机的那个端口以外的所有端口）。
如图7-8所示，主机1相要访问主机2，发送单播数据帧，交换机从g0/0/1口收到数据帧后，发现MAC地址表中查不到对应的表项，则会泛洪该数据帧。把它从g0/0/2和g0/0/3发送出去。
7.3.2转发
交换机把从某一端口进来的帧通过另一个端口转发出去（注意，“另一个端口”不能是这个帧进入交换机的那个端口）。
如图7-9所示，主机1想要访问主机2，发送单播数据帧，交换机从g0/0/1收到后，在MAC地址表中查到了对应的表项，则会点对点转发该数据帧。把数据帧从g0/0/2口发送出去。
7.3.3丢弃
如果从传输介质进入交换机的某个端口的帧是一个单播帧，则交换机会去MAC表查这个帧的目的MAC地址。如果查到了这个MAC地址表，则比较这个MAC地址在MAC地址表中对应的端口编号是不是这个帧从传输介质进入交换机的那个端口的端口编号。如果是，则交换机将对该帧执行丢弃操作。
如图7-9所示，主机1想要访问主机2，发送单播数据帧，交换机1收到后，若MAC地址表中查不到对应的表项，则会泛洪该数据帧。交换机2收到该数据帧后，发现目的MAC地址对应的端口就是接收数据帧的端口，则会丢弃该数据帧。
7.4练习题
- 二层以太网交换机根据端口所接收到以太网帧的（）生成 MAC地址表的表项?
A、目的 MAC地址 B、目的IP地址 C、源IP地址 D、源 MAC地址
试题答案：D
试题解析：二层以太网交换机基于源MAC地址学习生成 MAC地址表的表项，基于目的MAC
地址转发，此题选D。
- 交换机收到一个单播数据帧,会在 MAC地表中查找目的 MAC地址,下列说法错误的是？
A、如果查到了这个MAC地址,并且这个MAC地址在 MAC地址表中对应的端口是这个帧进入交换机的那个端口,则交换机执行丢弃操作。 B、如果查不到这个MAC地址,则交换机执行泛洪操作。
C、如果查到了这个MAC地址,并且这个MAC地址在 MAC地址表中对应的端口不是这个帧进入交接机的那个端口文,则交换机执行转发操作。
D、如果查不到这个MAC地址,则交换机执行丢弃操作。
试题答案：D
试题解析：交换机收到广播帧和未知的单播帧会进行泛洪操作，D选项错误；ABC选项说法都是正确的，此题选D。
- 二层交换机属于数据链路层设备，可以识別数据帧中的MAC.地址信息，根据MAC.地址转发数据，并将这些MAC.地址与对应的端口信息记录在自己的MAC地址表中（ ）。
A、对 B、错
试题答案：A
试题解析：本题考察交换机转发原理。选对。
- 交换机收到一个单播数据帧，如果该数据帧目的MAC.在MAC.表中能够找到，这数据帧一定会从此MAC对应端口转发出去。（ ）
A、对 B、错
试题答案：B
试题解析：根据交换机的转发原理，查找MAC地址表，按表转发，表里没有的则泛洪，如果对应的mac地址表项为黑洞mac，则丢弃。所以本题选对。
- [单选题]下面关于二层以太网交换机的描述，说法不正确的是?
A、二层以太网交换机工作在数据链路层
B、能够学习MAC地址
C、需要对所转发的报文三层头部做一定的修改，然后再转发
D、按照以太网帧二层头部信息进行转发