交换网络

  • 前言
  • 交换机的基本工作原理
  • 交换机的转发行为
  • 交换机初始状态
  • 学习MAC地址
  • 转发数据帧
  • 目标主机回复
  • 交换机的基本配置
  • 配置验证
  • 思考与分析


前言

常见的以太网设备包括Hub、交换机等。交换机工作在数据链路层，它有效地隔离了以太网中的冲突域，极大地提升了以太网的性能。

交换机的基本工作原理

交换机工作在数据链路层，对数据帧进行操作。在收到数据帧后，交换机会根据数据帧的头部信息对数据帧进行转发。

接下来我们以小型交换网络为例，讲解交换机的基本工作原理。

交换机 网络架构 交换机交换结构_网络

交换机的转发行为

交换机中有一个MAC地址表，里面存放了MAC地址与交换机端口的映射关系。MAC地址表也称为CAM（Content Addressable Memory）表。

交换机 网络架构 交换机交换结构_映射关系_02


如图所示，交换机对帧的转发操作行为一共有三种：泛洪（Flooding），转发（Forwarding），丢弃（Discarding）。

1.泛洪：交换机把从某一端口进来的帧通过所有其它的端口转发出去（注意，“所有其它的端口”是指除了这个帧进入交换机的那个端口以外的所有端口）。

2.转发：交换机把从某一端口进来的帧通过另一个端口转发出去（注意，“另一个端口”不能是这个帧进入交换机的那个端口）。

3.丢弃：交换机把从某一端口进来的帧直接丢弃。

交换机的基本工作原理可以概括地描述如下：
1.如果进入交换机的是一个单播帧，则交换机会去MAC地址表中查找这个帧的目的MAC地址。
1）如果查不到这个MAC地址，则交换机执行泛洪操作。
2）如果查到了这个MAC地址，则比较这个MAC地址在MAC地址表中对应的端口是不是这个帧进入交换机的那个端口。如果不是，则交换机执行转发操作。如果是，则交换机执行丢弃操作。
2.如果进入交换机的是一个广播帧，则交换机不会去查MAC地址表，而是直接执行泛洪操作。

交换机还具有学习能力。当一个帧进入交换机后，交换机会检查这个帧的源MAC地址，并将该源MAC地址与这个帧进入交换机的那个端口进行映射，然后将这个映射关系存放进MAC地址表。

交换机初始状态

初始状态下，交换机MAC地址表为空。

交换机 网络架构 交换机交换结构_网络_03

初始状态下，交换机并不知道所连接主机的MAC地址，所以MAC地址表为空。本例中，SWA为初始状态，在收到主机A发送的数据帧之前，MAC地址表中没有任何表项。

学习MAC地址

交换机将收到的数据帧的源MAC地址和对应接口记录到MAC地址表中。

交换机 网络架构 交换机交换结构_交换机_04

  • 主机A发送数据给主机C时，一般会首先发送ARP请求来获取主机C的MAC地址，此ARP请求帧中的目的MAC地址是广播地址，源MAC地址是自己的MAC地址。SWA收到该帧后，会将源MAC地址和接收端口的映射关系添加到MAC地址表中。缺省情况下，X7系列交换机学习到的MAC地址表项的老化时间为300秒。如果在老化时间内再次收到主机A发送的数据帧，SWA中保存的主机A的MAC地址和G0/0/1的映射的老化时间会被刷新。此后，如果交换机收到目标MAC地址为00-01-02-03-04-AA的数据帧时，都将通过G0/0/1端口转发。

转发数据帧

当数据帧的目的MAC地址不在MAC表中，或者目的MAC地址为广播地址时，交换机会泛洪该帧。

交换机 网络架构 交换机交换结构_交换机 网络架构_05


本例中主机A发送的数据帧的目的MAC地址为广播地址，所以交换机会将此数据帧通过G0/0/2和G0/0/3端口广播到主机B和主机C。

目标主机回复

交换机根据MAC地址表将目标主机的回复信息单播转发给源主机。

交换机 网络架构 交换机交换结构_交换机_06

  • 主机B和主机C接收到此数据帧后，都会查看该ARP数据帧。但是主机B不会回复该帧，主机C会处理该帧并发送ARP回应，此回复数据帧的目的MAC地址为主机A的MAC地址，源MAC地址为主机C的MAC地址。SWA收到回复数据帧时，会将该帧的源MAC地址和接口的映射关系添加到MAC地址表中。如果此映射关系在MAC地址表已经存在，则会被刷新。然后SWA查询MAC地址表，根据帧的目的MAC地址找到对应的转发端口后，从G0/0/1转发此数据帧。

交换机的基本配置

以华为模拟器eNSP的设备为例

交换机 网络架构 交换机交换结构_数据帧_07


system-view

Enter system view, return user view with Ctrl+Z.

[SWA]interface GigabitEthernet 0/0/1

[SWA-GigabitEthernet0/0/1]undo negotiation auto [SWA-GigabitEthernet0/0/1]speed 100

[SWA-GigabitEthernet0/0/1]duplex full

  • negotiation auto命令用来设置以太网端口的自协商功能。端口是否应该使能自协商模式，要考虑对接双方设备的端口是否都支持自动协商。如果对端设备的以太网端口不支持自协商模式，则需要在本端端口上先使用undo negotiation auto命令配置为非自协商模式。之后，修改本端端口的速率和双工模式保持与对端一致，确保通信正常。
  • duplex命令用来设置以太网端口的双工模式。GE电口工作速率为1000Mbit/s时，只支持全双工模式，不需要与链路对端的端口共同协商双工模式。
  • speed命令用来设置端口的工作速率。配置端口的速率和双工模式之前需要先配置端口为非自协商模式。

配置验证

交换机 网络架构 交换机交换结构_交换机 网络架构_08


交换机 网络架构 交换机交换结构_数据帧_09

  • display interface [ interface-type [ interface-number [.subnumber ] ] ]命令用来查看端口当前运行状态和统计信息。
  • current state表示端口的物理状态，如果为UP，表示端口处于打开状态。
  • Line protocol current state表示端口的链路协议状态，如果为UP，表示端口的链路协议处于正常的启动状态。
  • Speed表示端口的工作速率，SWA的G0/0/1端口工作速率为100Mbit/s。
  • Duplex表示端口的双工模式，SWA的G0/0/1端口双工模式为全双工。

思考与分析

1.当一台主机从交换机的一个端口移动到另外一个端口时，交换机的MAC地址表会发生什么变化? 答：当一台主机从交换机的一个端口移除时，交换机检测到物理链路Down，因此会从MAC地址表中清除对应主机的MAC表项。一旦主机连接到交换机另外一个端口，交换机会检测到新端口对应的物理链路UP。主机发送报文后，交换机就会学习到主机的MAC地址和新端口的映射关系，并且添加到MAC地址表中。

写在最后：学习永无止境！