交换机的工作原理

1、交换机的工作原理一、概述以太网交换机（以下简称交换机）是工作在 OSI 数据链路层的设备，外表和集线器相似。它通过判断数据帧的目的MAC 以太网交换机实现数据帧的单点转发是通过 MAC 地址的学习和维护更新机制来实现的。以太网交换机的主要功能包括MAC 地址学习、帧的转发及通信过滤和避免回路。以太网交换机是用 5 学习老化泛洪选择性转发过滤学习：交换机MAC 地址表包含MAC 地址和其对应的端口。每一个帧进入交换机时，MAC 地址，进行查找，如果MAC 地址表中没包含这个MAC 地址，交换机MAC MAC 交换机则往对应的端口进行转发。交换机中的MAC 地址条目有一个生存时间。每学到一个MAC

2、 加一个时间值。随着时间的流逝，该数值一直减小，当数据值减小到0 的时，清除该MAC 地址条目。如果有包含该MAC 地址的新的帧到达，则刷新MAC 地址的老化时间值。泛洪如果交换机收到一个数据帧，则可在交换机的MAC 地址表中找，若找不到该数据帧的目的MAC 地址，交换机转发该数据帧到除接收端口以外的所有端口即广播该数据帧。如果交换机收到一个广播的数据帧，即数据帧的目的MAC 地址是交换机也会转发该数据帧到除接收端口外的所有端口。因为没有设备的MAC 地址是交换机根据数据帧的源MAC地址进行学习永远也不会学到这个MAC地址。选择性转发：交换机根据帧的目的MAC MAC MAC MAC 地址，数

3、据帧将被转发到该MAC 地址的对应的端口，而不用泛洪到所有的端口。过滤：在某些情况下，帧不会被转发，这个过程被称为帧过滤，一种情况是交换机不 转发帧到接收到的端口；另一种情况是，如果一个帧的CRC MAC 地址到特定的端口。二、帧的转发交换机转发数据帧时遵循以下规则：如果数据帧的目的MAC （数据帧来的端口。如果数据帧的目的地址是单播地址但是这个地址并不在交换机的MAC 地址表中么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口。图13.3数据帧交换过程如果数据帧的目的地址在交换机的MAC 地址表中，那么就根据MAC 地址表转发到相应的端口。如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段上，它就会丢弃这

4、个数据帧，交换也就不会发生。交换机数据帧的具体交换过程数据帧交换过程 当主机D 发送广播帧时，交换机从E3 端口接收到目的地址为ffff.ffff.ffff则向E0E1、E2 和E4 端口转发该数据帧。 当主机D E 主机通信时，交换机从E3 0260.8c01.5555 的数据帧，查找MAC 0260.8c01.5555 并不在表中，因此交换机仍然向E0E1E2 E4 端口转发该数据帧。D F E3 0260.8c01.6666 的MAC 0260.8c01.6666 E3 网段，所以交换机不会转发该数据帧，而是直接丢弃。 当主机D A 通信时，交换机从E3 0260.8c01.1111 的

5、MAC 0260.8c01.1111 E0 E0 端口，这样主机A 即可收到该数据帧。D A 通信的同时，主机B C 样会把主机B 发送的数据帧转发到连接主机C 的E2 端口。从以上的交换操作过程中，可以看到数据帧的转发都是基于交换机内的MAC MAC 地址表是如何建立和维护的呢？三、MAC 地址学习交换机的MAC 地址表中，一条表项主要由一个主机MAC 地址和该地址所位于的交换机端口号组成。当然，在存放MAC 地址表项之前，交换机首先应该查找MAC 地址表中是否已经存在该源地址的匹配表项，仅当匹配表项不存在时才能存储该表项。地址表项每次被使用或者被查找时，表项的时间标记就会被更新。如果在一定

6、的时间 的一直是最有效和最精确的MAC地址端口信息。 最初交换机MAC 地址表为空。 如果有数据需要转发，如主机PC1 PC3E0/1 端口接收到主机 PC1 发送的数据帧后，它首先检查这个帧的源MAC 地址MAC MAC 地址表中没有主机PC1 MAC 对应的条目，所以交换机记录与之对应的端口F0/，于是交换机生成ME0/）目，并加入到MAC 地址表内。MAC 地址表中没有主机PC3 MAC 地址除向E0/1 以外的其它所有端口转发。在转发数据帧之前，交换机是通过识别数据帧的源MAC 地址学习到MAC 地址和端口的对应关系的。当得到MAC 地址与端口的对应关系后，交换机将检查MAC 地址表中

7、是否已经存在该对应关系。 循环上一步，地址表不断加入新的MAC 地址与端口对应信息。直到MAC 址表记录完成为止。交换机的MAC 地址表也可以手工静态配置，静态配置的记录不会被老化。学习地址举例一（单交换机：交换机初始时的MAC地址表是空的。A向工作站C发送帧.交换机缓存工作站 A 的 MAC 地址到 MAC 地址表中。MAC C MAC E0 口扩散(flooding)这个数据帧。在 MAC 地址表中的 MAC 地址缺省存留 5 分钟。D向工作站C发送数据帧.交换机缓存工作站 D 的 MAC 地址到端口 E3 中。交换机将向除了E3 之外的所有接口扩散这个数据帧,因为在 MAC 地址表中没有

8、工作站C 的 MAC 地址。如果工作站 C 有回应，则交换机将缓存工作站 C 的 MAC 地址到 MAC 地址表中。学习地址举例二（多交换机：过程一：A 、B1133A B MAC表都是空的。交换机A交换机A11 的MACAMAC交换机A 查看MACMAC 地址表有目的主机MAC骤4：交换机A交换机B交换机B 学习源MACB 现在的MAC交换机B 查看MAC交换机B22，查看数据包的目标MAC33，接收到数据帧；44过程二：假如这时主机 44 要给主机 11 发送一个数据帧：交换机B交换机BMAC交换机 B 查看 MAC 地址表， 根据 MAC 地址表中的条目， 单播转发3。交换机A交换机AMAC交换机A 查看MAC 地址表，根据MAC1；11，收到数据帧。四、通信过滤交换机建立起MAC 地址表后，它就可以对通过的信息基于帧中的目的地址做出丢弃或转发到何处的决定，即进行过滤。转发A C MAC ,MAC表中所指示的接口转发数