交换式以太网教案

名师精编优秀教案第课时

3、交换机的工作原理（简单介绍）

交换机是工作在OSI参考模型数据链路层的设备，外表和集线器相似。它通过判断数据帧的目的MAC地址，从而将帧从合适的端口发送出去。交换机的冲突域仅局限于交换机的一个端口上。比如，一个站点向网络发送数据，集线器将会向所有端口转发，而交换机将通过对帧的识别，只将帧单点转发到目的地址对应的端口，而不是向所有端口转发，从而有效地提高了网络的可利用带宽。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、帧的转发及过滤和避免回路。

交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。如果一个端口只连接一个结点，那么这个结点就可以独占整个带宽，这类端口通常被称作“专用端口”；如果一个端口连接一个与端口带宽相同的以太网，那么这个端口将被以太网中的所有结点所共享，这类端口被称为“共享端口”。例如一个带宽为100Mbps的交换机有10个端口，每个端口的带宽为100Mbps。而Hub的所有端口共享带宽，同样一个带宽100Mbps的Hub，如果有10个端口，则每个端口的平均带宽为10Mbps，如下图所示。

二、交换机数据转发方式(讲解时间：20min)

交换机根据数据帧的MAC（Media Access Control）地址（即物理地址）进行数据帧的转发操作。交换机转发数据帧时，遵循以下规则：

如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所有端口转发（除数据帧来的端口）。

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，那么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口）。

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，它就会丢弃这个数据帧，交换也就不会发生。

以下图为例来看看具体的数据帧交换过程。

①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的数据帧，则向E0、E1、E2和E4端口转发该数据帧。

②当主机D与E主机通信时，交换机从E3端口接收到目的地址为0260.8c01.5555的数据帧，查找MAC地址表后发现0260.8c01.5555并不在表中，因此交换机仍然向E0、E1、E2和E4端口转发该数据帧。

③当主机D与主机F通信时，交换机从E3端口接收到目的地址为0260.8c01.6666的数据帧，查找MAC地址表后发现0260.8c01.6666也位于E3端口，即与源地址处于同一个网段，所以交换机不会转发该数据帧，而是直接丢弃。

④当主机D与主机A通信时，交换机从E3端口接收到目的地址为0260.8c01.1111的数据帧，查找MAC地址表后发现0260.8c01.1111位于E0端口，所以交换机将数据帧转发至E0端口，这样主机A即可收到该数据帧。

⑤如果在主机D与主机A通信的同时，主机B也正在向主机C发送数据，交换机同样会把主机B发送的数据帧转发到连接主机C的E2端口。这时E1和E2之间，以及E3和E0之间，通过交换机内部的硬件交换电路，建立了两条链路，这两条链路上的数据通信互不影响，因此网络亦不会产生冲突。所以，主机D和主机A之间的通信独享一条链路，主机C和主机B之间也独享一条链路。而这样的链路仅在通信双方有需求时才会建立，一旦数据传输完毕，相应的链路也随之拆除。这就是交换机主要的特点。

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地址表，但是这个MAC地址表是如何建立和维护的呢？下面我们就来介绍这个问题。

三、交换机MAC地址管理(讲解时间：20min)

1、交换机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。整张地址表的生成采用动态自学习的方法，即当交换机收到一个数据帧以后，将数据帧的源地址和输入端口记录在MAC地址表中。思科的交换机中，MAC地址表放置在内容可寻址存储器（Content-Address able Memory，CAM）中，因此也被称为CAM表。

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。每一条地址表项都有一个时间标记，用来指示该表项存储的时间周期。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。如果在一定的时间范围内地址表项仍然没有被引用，它就会从地址表中被移走。因此，MAC地址表中所维护的一直是最有效和最精确的MAC地址/端口信息。

以下图所示为例，来说明交换机的地址学习过程

（1）最初交换机MAC地址表为空。

（2）如果有数据需要转发，如主机PC1发送数据帧给主机PC3，此时，在MAC地址表中没有记录，交换机将向除向E0/1以外的其它所有端口转发，在转发数据帧之前，它首先检查这个帧的源MAC地址（M1），并记录与之对应的端口（E0/1），于是交换机生成（M1，E0/1）这样一条记录，并加入到MAC地址表内。

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地址表中是否已经存在该对应关系。如果不存在，交换机就将该对应关系添加到MAC地址表；如果已经存在，交换机将更新该表项。

（3）循环上一步，MAC地址表不断加入新的MAC地址与端口对应信息。直到MAC地址表记录完成为止。此时，如主机PC1再次发送数据帧给主机PC3时，由于MAC地址表中已经记录了该帧的目的地址的对应交换机端口号，则直接将数据转发到E0/3端口，不再向其他端口转发数据帧。