交换机的工作过程

1交换机的功能及工作过程By:吾怜茜一交换机概述：交换机是一种工作在二层的设备，但是随着技术的不断进步，现在已经出现了诸如三层交换机，多层交换机产品。在本篇中讨论的是二层交换机的一些特性。二交换机的功能：1. 地址学习有些地方也叫做基于源 MAC 地址学习，这个功能主要就是学习和存储MAC 地址。2. 帧的转发/过滤数据帧的转发主要是交换机能够根据 MAC 地址表来转发数据，过滤则是对一些受限制的数据进行阻止或丢弃。3. 环路避免由于交换机的某些特性会带来一些问题，比如形成环路，因此为了保证网络上数据的正确传输以及网络的稳定要采取一些措施来避免这些问题，主要是通过 STP 来实现，稍后会讲到。三交换机的工作过程：交换机在运行的时候要维护几张表，比如 CAM 表，vlan.data 表。CAM 表用来保存学到的 MAC 地址；VLAN.DATA 文件用来保存 VLAN 相关的信息。1.在交换机初始加电的时候它的 MAC 地址表是空的，当其他与其相连的设备（PC，交换机，路由器等）向它发送一个信息的时候，交换机就会根据数据的源MAC 和目标 MAC 对数据进行处理，因为发的是第一个包，所以这时候交换机会把源 MAC 地址和数据从本交换机进来的端口号做关联，然后加上 VLAN 号保存起来形成一个 CAM 表条目。因为交换机的 MAC 地址表现在是空的，所以它不知道数据的目的地在那里，这时候交换机会发送 ARP 请求把数据从除了数据进来的端口之外的所有端口广播，这个过程称为泛洪，当目标主机收到数据之后会返回一个回应包，告诉交换机自己的 MAC 地址，这时候交换机又会根据目标主机返回的包把目标主机的 MAC 地址和进来的端口关联起来加上 VLAN 号形成一个新的 CAM 表条目。这个过程就是地址学习。我们通过下面的图来详细了解一下。2现在 PC1 和 PC2 要进行通信（比如一个 PING 包） ，PC1 会发出一个数据包格式大致如下：源 MAC 目标 MAC 源 IP 目标 IP1111 2222 192.168.1.1 192.168.1.2当数据从 PC1 出来到了 SW1 之后，交换机就会查看目标 MAC，如果源MAC：1111 不在 CAM 表中，这时候交换机会做一条记录，他会把源 MAC 和端口对应关系加上 VLAN 号保存到 CAM 表中，如：MAC 地址 端口号 Vlan 号1111.1111.1111 F0/1 1然后他会看目标 MAC，因为此时交换机也没不知道 2222 怎么走，所以它会向除了从 F0/1 数据进来的端口之外的 F0/2,F0/3 转发 ARP 请求，大致就是询问192.168.1.2 的 MAC 地址是多少。发送之后 PC2,PC3 都会受到数据包，PC3 把包拆开发现不是自己的 IP 地址，就会把数据丢弃，而 PC2 收到数据之后发现目标IP 是自己，这时候 PC2 就回发送一个回应。告诉交换机“我是 192.168.1.2 我的 MAC 地址是 2222。交换机收到回应又会在 CAM 表中添加一条对应关系。MAC 地址 端口号 Vlan2222.2222.2222 F0/2 1这个过程之后 SW1 已经学习到俩个 MAC 地址了，如果 PC1 或者 PC2 要和 PC3通信的时候会重复上述步骤，SW1 就能学到 PC3 的 MAC 地址。但是有一点要注意，就是如果 PC1 和 PC2 的位置改变，F0/1 联接 PC2，F0/2联接 PC1，这个时候经过一次数据通信和地址学习的过程之后，端口 F0/1 对应的 MAC 地址就会变成 2222.2222.2222。F0/2 对应的 MAC 地址就会变成1111.1111.1111。这是因为交换机总是以最后学到的 MAC 地址为准的。2.当交换机学习到直连的本网段内所有的 MAC 地址之后，如果再有数据包过来，交换机就会根据 CAM 表里面的对应条目对数据进行处理，还是上面那个图。PC1 要和 PC2 通信，当数据包进过 SW1 的时候交换机首先看源和目标 MAC 地址，然后查看 CAM 表，因为 CAM 表里面已经有对应关系 PC2 的 MAC 地址 2222 对应端口 F0/2 所以直接把数据从 F0/2 发出去而不用再发到 PC3。这就是交换机的数据转发，如果发送方和接收方不在同一网段，或者在不同 VLAN，或者在交换机上作了二层 ACL，则数据将被过滤掉。3交换机的转发有三种方式：直接转发 存储转发 片段转发 其中直接转发不对数据进行校验，直接把数据从相应端口发送出去。这样容易造成很多无用的数据帧碎片（残帧，坏帧，错误帧等） 。存储转发则是先存储整个数据帧，然后对其进行校验，校验无误后再转发出去。虽然这样做减少了错误帧的问题，但是对每个帧进行整体存储校验这样会占用很多系统资源。片段转发则综合了直接转发和存储转发的优点，它只检查数据帧的前 64 个字节，校验通过则进行转发，这样即保证了数据的正确性又能使数据得到比较快速的转发。当然对于应用环境的不同，上述三种转发方式各有其特点。3.由于交换机的地址学习和转发功能，会带来一些潜在的问题，如下图所示，PC1 要和 PC2 通信，我们来分析一下数据的流向：这里会出现俩种情况：一当 SW1 的 F0/2 收到数据的时候，首先添加一条 MAC 地址对应关系，地址 1111.1111.1111 从 F0/2 学到，然后查看 CAM 表发现 MAC 地址2222.2222.2222 不在他的 CAM 表里，这时他会向除了 F0/2 之外的所有端口转发,于是数据从 F0/1 转发出去，这里有会有两种情况：a.PC2 正确收到数据，返回一个数据包。b.SW2 收到数据，首先添加一条 MAC 地址对应关系，地址1111.1111.1111 从 F1/1 学到。然后查看 CAM 表，发现没有对应的 MAC 地址则会从除 F1/1 之外的所有端口即 F1/2 转发出去，又回到 SW1 然后就这样一直在SW1 和 SW2 之间传递。形成广播风暴。二当 SW2 的 F1/2 收到数据的时候，第一步添加一条 MAC 地址条目，1111.1111.1111 从 F1/2 学到，这时候由于上面一种情况 1111.1111.1111 是由F1/1 学到，这时候会把 CAM 表里面的对应关系改掉，然后发现 MAC 地址2222.2222.2222 不在他的 CAM 表里，SW2 同样会从 F1/1 将数据转发出去，这时候也有两种情况：4a.PC2 收到数据包，这时候由于之前已经收到一个数据包，此时再受到一个包，这样就出现了重复帧的问题。b.SW1 收到数据包，他会发现 MAC 地址 1111.1111.1111 是由 F0/1 学到的，同样改写自己的 CAM 表，这样反反复复，CAM 表会一直不停的改，造成 MAC 地址不稳定。由上可知当存在多链路或者多设备在交换机之间形成环的时候会带来三个问题，即广播风暴、重复帧、MAC 地址不稳定。这三个问题的出现是很危险的，因此我们要想办法避免它，通过 STP（生成树协议）交换机就可以避免环路。他的工作过程如下图：之所以会出现那三种情况是由于在交换机之间形成了一个逻辑的环，如果能打破这个环那么上述三种情况就不会出现了。STP 就是基于这个思想在逻辑上把某个端口阻塞掉，如上图把 SW2 的 F1/1 端口阻塞掉，这样在 SW2 上 F1/2 过来的数据就不会从 F1/1 转发出去，