交换机原理

1、术语

    端口地址表(MAC地址表) : 记录存储的MAC地址和接口关系(就是交换机上的网口)。

    帧 : 二层交换的数据包。

            VLAN ：虚拟局域网。

2、数据交换原理 (要分析下交换机源码，确定当前原理可信度)

      MAC地址表构建 :

    以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起 来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。如下图是MAC地址表的构建过程：

    交换机的初始化状态，MAC地址表为空 :

         地址表原MAC地址学习 :

    当计算机PC1要发送数据帧给计算机PC6时，因此时地址表是空的，交换机将向除PC1连接端口E0/1以外的其他所有端口转发数据帧。在转发之前，首先检查该数据帧的源MAC地址（00-10-B5-4B-30-85），并在交换机的MAC地址表中添加一条记录（00-10-B5-4B-30-85，E0/1）使之和端口E0/1相对应。

     目的计算机P6回复数据帧 : 计算机PC6收到发送的数据帧后，用该数据帧的目的MAC地址和本机的MAC地址比较，发现PC1找的正是它，则接收该数据帧，其他计算机丢弃数据帧。计算机PC6回复PC1时，交换机直接从端口E0/1转发，并学习到（00-10-B5-4B-30-65）为PC6连接的端口，将其添加到地址表中，如图3所示。交换机的其他端口利用源MAC地址学习的方法在MAC地址表中不断添加新的MAC地址与端口号的对应信息。直到MAC地址表添加完整为止。

     目的计算机P6回复数据帧 :  计算机PC6收到发送的数据帧后，用该数据帧的目的MAC地址和本机的MAC地址比较，发现PC1找的正是它，则接收该数据帧，其他计算机丢弃数据帧。计算机PC6回复PC1时，交换机直接从端口E0/1转发，并学习到（00-10-B5-4B-30-65）为PC6连接的端口，将其添加到地址表中，如图3所示。

    交换机的其他端口利用源MAC地址学习的方法在MAC地址表中不断添加新的MAC地址与端口号的对应信息。直到MAC地址表添加完整为止。

    

    

MAC地址表老化清除 :

     为了保证MAC地址表中的信息能够实时地反映网络情况，每个学习到的记录都有一个老化时间，如果在老化时间内收到地址信息则刷新记录。对没有收到相应的地址信息的则删除该记录。例如，计算机PC6停止了和交换机通信，达到老化时间后，交换机会将其对应的记录从MAC地址表中删除。

3、交换机的工作特性以及分类

特性 :

1.交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。 

2.交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内，也就是说，交换机不隔绝广播

（惟一的例外是在配有VLAN的环境中）。 

3.交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备 （此处所述交换机仅指传统的二层交换设备）。

分类 :

存储转发 ：

交换机在转发之前必须接收整个帧，并进行错误校检，如无错误再将这一帧发往目的地址。帧通过交换机的转发时延随帧长度的不同而变化。 

 

直通式 :

交换机只要检查到帧头中所包含的目的地址就立即转发该帧，而无需等待帧全部的被接收，也不进行错误校验。由于以太网帧头的长度总是固定的，因此帧通过交换机的转发时延也保持不变。

4、交互及工作流程

1）当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知 道源MAC地址的机器是连在

    哪个端口上的；

2）再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

3）如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上；

4）如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应 时，交换机又可以学习一

    目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不 再需要对所有端口进行广播了。

5）不断的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这 样建立和维护它自己的地址表。

 

5、VLAN

    VLAN : 虚拟机局域网， LAN为少数几台计算机组成得我网络，VLAN的LAN为路由器 分割的网络 —— 广播域
 广播域 : 广播帧（目标MAC地址全为1）所能传的范围(两个广播域之间的通信由交换 机来实现)
 帧传播 :  A发送数据给B，A需要发送ARP广播先获取到B的MAC地址，交换机1收 到广播帧(ARP请求)后，

        会将它转发给除接收端口外的其他所有端口，也就是 Flooding了。接着，交换机2收到广播帧后也会Flooding。
        交换机3、4、5也还会 Flooding。最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有客户机上。但实际上，只要 将ARP

      广播到B就行了，这样讲无疑会消耗大量的大量的网络带宽和每台计算机 的CPU。

    VLAN分割广播域 : 在逻辑上生成独立的广播域(也可以理解为将一台交换机逻辑 上分成了多个交换机)。

    VLAN生成的逻辑上的交换机是互不相通的。

        

    

    VLAN方式 :

    静态LAN : 静态VLAN又被称为基于端口的VLAN(PortBased VLAN)。顾名思义，就是明确指定各端口属于哪个VLAN的设定方法。由于需要一个个端口地指定，因此当网络中的计算机数目超过一定数字(比如数百台)后，设定操作就会变得烦杂无比。并且，客户机每次变更所连端口，都必须同时更改该端口所属VLAN的设定——这显然不适合那些需要频繁改变拓补结构的网络。

    

    动态LAN ：动态VLAN则是根据每个端口所连的计算机，随时改变端口所属的VLAN(一般使用这种方式)

    动态VLAN可以大致分为3类 :

                1) 基于MAC地址的VLAN(MAC Based VLAN)

        基于MAC地址的VLAN，就是通过查询并记录端口所连计算机上网卡的MAC地址来决定端口的所属。假定有一个MAC地址“A”被交换机设定为属于VLAN “10”，那么不论MAC地址为“A”的这台计算机连在交换机哪个端口，该端口都会被划分到VLAN 10中去。计算机连在端口1时，端口1属于VLAN 10;而计算机连在端口2时，则是端口2属于VLAN 10。但是，基于MAC地址的VLAN，在设定时必须调查所连接的所有计算机的MAC地址并加以登录。而且如果计算机交换了网卡，还是需要更改设定。

            

 

                2)基于子网的VLAN(Subnet Based VLAN)

                3)基于IP地址的VLAN(User Based VLAN)

        这两种都是基于IP来划分子网，这不过一个是个IP段(即IP访范围)，并没有很大的区别（涉及到IP层协议，需要三层交换机才有这个能力）。

            

 

        VLAN间通信 : LAN是广播域。而通常两个广播域之间由路由器连接，广播域之间 来往的数据包都是由路由器中继的。因此，VLAN间的通信也需要路由器提供 中继服务，这被称作“VLAN间路由”(三层交换机 )