交换机基本原理和转发流程总结

交换机基本原理和转发流程总结

关键词：

以太网集线器Ethernet HUB

交换机Switch

虚拟局域网 VLAN

路由器 Router

路由表 Route Table

地址解析协议 ARP

ARP表 ARP Table

MAC表 FIB Table

三层硬件转发表 IP fdb Table

计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连连接而成。如果几个计算机网络只是在物理上连接在一起，它们之间并不能进行通信，那么这种“互连”并没有什么实际意义。因此通常在谈到“互连”时，就已经暗示这些相互连接的计算机是可以进行通信的，也就是说，从功能上和逻辑上看，这些计算机网络已经组成了一个大型的计算机网络，或称为互联网络，也可简称为互联网、互连网。下面将从互联网的渐进历程逐一阐述各种设备的工作原理：1、Ethernet HUB

Ethernet HUB的中文名称叫做以太网集线器，其基本工作原理是广播技术（broadcast），也就是HUB从任何一个端口收到一个以太网数据帧后，它都将此以太网数据帧广播到其它所有端口，HUB不记忆哪一个MAC地址挂在哪一个端口——这里所说的广播是指HUB将该以太网数据帧发送到所有其它端口，并不是指HUB将该报文改变为广播报文。

以太网数据帧中含有源MAC地址和目的MAC地址，对于与数据帧中目的MAC地址相同的计算机执行该报文中所要求的动作；对于目的MAC地址不存在或没有响应等情况，HUB既不知道也不处理，只负责转发。HUB工作原理：

① HUB从某一端口A收到的报文将发送到所有端口；

②报文为非广播报文时，仅与报文的目的MAC地址相同的端口响应用户A；

③报文为广播报文时，所有用户都响应用户A。

随着网络应用不断丰富，网络结构日渐复杂，导致传统的以太网连接设备HUB已经越来越不能满足网络规划和系统集成的需要，它的缺陷主要表现在以下两个方面：

①冲突严重——HUB对所连接的局域网只作信号的中继，所有物理设备构成了一个冲突域；

②广播泛滥。

2、二层交换技术

二层交换机的出现能够在一定程度上解决HUB存在的缺陷——主要是冲突严重的问题，其与HUB的区别从大的方面来看可以分为以下三点：

①从OSI体系结构来看，HUB属于OSI模型的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备。也就意味着HUB只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；而交换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而且可以过滤短帧、碎片等。

②从工作方式来看，HUB是一种广播模式，当HUB的某个端口工作的时候，其他所有端口都能够收听到信息，容易产生广播风暴，当网络较大时网络性能会受到很大的影响；而当交换机工作的时候，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，因此交换机就能够隔离冲突域，并在一定程度上抑制广播风暴。

③从带宽来看，HUB不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有二个端口传送数据，其他端口只能等待，同时HUB只能工作在半双工模式下（半双工模式——在通道中同时只能沿着一个方向传输数据）；而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当二个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下而且可以工作在全双工模式下（全双工模式——在通道中同时双向数据传输的能力）。

二层交换技术的工作原理：由于二层交换技术是在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层进行操作的，因此交换机对数据报文的转发是建立在MAC（Media Access Control ）地址--物理地址基础之上的，对于IP 网络协议来说，它是透明的，即交换机在转发数据报文时，无须知道信源机和信宿机的IP 地址，只需知其物理地址（MAC 地址）即可。交换机在工作过程当中会不断的检测报文的源和目的MAC地址来建立MAC地址表，这个表说明了某个MAC 地址是在哪个端口上被发现的。这样当交换机收到一个报文时，它便会看一下该数据报文的目的MAC 地址，核对一下自己的MAC 地址表以确认应该从哪个端口把数据报文发出去；但若交换机收到的报文在目的MAC 地址不能在地址表中找到时，交换机会把IP 报文广播出去——这正是二层交换机的弱点所在。

二层交换机的报文转发涉及到两个关键的线程：

学习线程：

①交换机接收网段上的所有数据帧，利用接收数据帧的源MAC地址建立MAC地址表；

②端口移动机制：交换机如果发现一个报文的入端口和报文中源MAC地址的所在端口不同，就产生端口移动，将MAC地址学习到新的端口；

③地址老化机制：如果交换机在很长一段时间内没有收到主机发出的报文，则该主机对应的MAC地址就会被删除，等下次报文来的时候重新学习。

●报文转发线程：

①交换机在MAC地址表中查找数据帧的目的MAC地址，如果找到就将该数据发送到相应的端口，如果找不到就向所有的端口发送（广播）；

②如果交换机收到的报文中源MAC与目的MAC地址相同，则丢弃该报文；

③交换机向入端口以外的所有其它端口发送广播报文。

二层交换机的缺点：传统的以太网交换机对接收到的数据帧根据MAC地址进行二层转发，因此将网段上的冲突域限制到了端口级，但却无法限制广播域的大小，在主机数量很多的情况下，广播泛滥的现象仍然很严重。

3、VLAN技术

为解决在局域网中存在的广播泛滥和安全性的问题，引出了VLAN即虚拟局域网的概念，所谓VLAN 是一种将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。

VLAN技术允许网络管理者将一个物理的LAN逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟LAN，即VLAN），每一个VLAN都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的LAN有着相同的属性。但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个VLAN内的各个工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理LAN网段。一个VLAN内部的广播和单播流量都不会转发到其他VLAN中，从而有助于控制流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。引入了VLAN以后，对二层交换机的报文转发线程产生了如下的影响：

1)交换机在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到（同时还要确保报文的

入VLAN和出VLAN是一致的），就将该数据帧发送到相应的端口，如果找不到，就向（VLAN 内）所有的端口发送；

2)如果交换机收到的报文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同，则丢弃该报文；

3)交换机向（VLAN内）入端口以外的其它所有端口转发广播报文。

Vlan与二层交换的规则：

●主机和交换机之间传送的是untagged报文

●交换机之间用干道链路（Trunk）连接

●交换机用Tag来标识报文所属的VLAN

●干道链路上传输的是Tagged Frame

●不同VLAN之间在二层不能相互通讯

虚拟局域网将一组位于不同物理网段上的用户在逻辑上划分成一个局域网内，在功能和操作上与传统LAN基本相同，可以提供一定范围内终端系统的互联。VLAN的优势主要表现在以下四个方面：

1)建立虚拟工作组模型，使虚拟局域网中的各个设备很容易相互访问；