交换机原理是什么

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豆瓜 图标 2020-06-26 10:56:28

随着企业网络的发展,越来越多的用户需要接入到网络,交换机提供的大量的接入端口能够很好地满足这种需求。

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转发。

接下来我们以小型交换网络为例,讲解交换机的基本工作原理。

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。MAC地址表也称为CAM(Content Addressable Memory)表。

如图所示,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)。

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)。

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)。

3.丢弃:交换机把从某一端口进来的帧直接丢弃。

交换机的基本工作原理可以概括地描述如下:

1.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。

1)如果查不到这个MAC地址,则交换机执行泛洪操作。

2)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,则交换机执行转发操作。如果是,则交换机执行丢弃操作。

2.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。

3.如果进入交换机的是一个组播帧,则交换机的处理行为比较杂,以后会在讲。

另外,交换机还具有学习能力。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那个端口进行映射,然后将这个映射关系存放进MAC地表。

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。如图,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。

学习MAC地址

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,X7系列交换机学习到的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。

转发数据帧

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。

目标主机回复

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。


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