交换机是网络最常用的设备之一，能够通过局域网转发数据包，实现数据交换。掌握交换机原理也是网络工程师的必备技能。

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01交换机原理

交换机的作用：

• 连接多个以太网物理段，隔离冲突域
• 对以太网帧进行高速而透明的交换转发
• 自行学习和维护 MAC 地址信息

交换机工作在二层，可以用来隔离冲突域，在 OSI 参考模型中，二层的作用是寻址，这边寻址指的是 MAC 地址，而交换机就是对 MAC 地址进行转发，在每个交换机中，都有一张 MAC 地址表，这个表是交换机自动学习的。

所以，总得来说交换机的作用是寻址和转发 ，但是要注意交换机用的是 MAC 地址。

交换机的特点：主要工作在 OSI 模型的物理层、数据链路层，提供以太网间的透明桥接和交换，依据链路层的 MAC 地址，将以太网数据帧在端口间进行转发。

交换机的四个功能：

• 学习功能：数据帧经过交换机，交换机会自动学习数据帧的源 mac 地址
• 转发功能：数据帧经过交换机，会在 mac 表中查找数据帧的目的 mac，查找成功，会从相应的接口转发数据
• 查询功能（泛洪）：-数据帧经过交换机，会在 mac 表中查找数据帧的目的 mac，查找失败，会从所有接口转发相同数据（泛洪）
• 刷新功能：交换机默认 300s 刷新一次 mac 地址表

交换机运行原理：第一次通信的时候，交换机处于初始状态，mac 地址表的表项为空当主机 A 想和主机 B 进行通信的时候主机 A 会发送一个数据。

设数据帧的内容:

• 源 mac: 11-11-11
• 目的 mac: 22-22-22

当这个数据帧经过交换机时，交换机会拆开数据，分析源目 mac 地址交换机会自动将源 mac 地址和交换机接口号写入到表项中。

然后去表项中查找从接口去往目的 mac ，发现表项中没有直接广播（除了发送接口）， 只有目的 mac 地址的设备会回包，其余接口的设备会丢弃回复方主机 B 也会发送一个数据帧。

数据帧的内容：

• 源 mac: 22-22-22
• 目的 mac: 11-11-11

该数据帧经过交换机，交换机会将源 mac 地址和接口号写入 mac 地址表，自动学习。

然后会去交换机的 mac 地址表查找去往目的 mac 地址的接口，发现表项中有并且是 1 号接口，接从 1号接口出去。

由于交换机 mac 地址表中有了 AB 主机的相关信息，所以下次 AB 通信直接单播。

02

交换机应用

例一：不同域名计算机通过网关进行链接

打开该软件 ensp：

选择新建拓扑，选择路由器，第三个：

选择终端选择 pc：

启动设备：

配置 PC 地址和网关（注网关必须真实存在，所以后续需要路由器配置网关）：

接下来链接两台主机和路由器：

开始配置路由器网关

命令：

• sys <>-[]sysname 改名
• u t m 关闭接口信息报告
• int gX/X/X 进入接口管理
• ip add 网关掩码

进入配置后更改视图模式，然后更改名字（方便知道是哪台设备），int 进入接口管理端，添加网关。接下来就进入了相同的网关建立链接。

例二：交换机工作过程

添加交换机：

添加终端：

链接交换机：

配置计算机地址，因为同一 ip 下不用配置网关，为直观显示，更改 MAC 地址。

命令：display mac-address mac 地址表项

ping 通后：

在交换机可查看 mac 地址表项：

该表格会默认保存 300 秒，如无继续使用会自动清除。

数据链路层如下图：

前导码（Preamble）包含八字节：前七字节的值为 0xAA，最后一个字节的值为 0xAB。在 DIX 以太网中，前导码被认为是物理层封装的一部分，而不是数据链路层的封装。

目的地址（DA）包含六字节：DA 标识了顿的目的站点的 MAC 地址。DA 可以是单播地址，单个目的组播地址（组目的地）或广播地址。

源地址（SA）包含六字节：SA 标识了发送的站点的 MAC 地址。SA 一定是单播地址（即第 8 位是 0）。

类型域包含两字节：用来标识上层协议的类型，如 0800H 标识 IP 协议。

数据域包含 46~1500 字节：数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。

高层协议要确保这个域至少包含 46 字节，如果实际数据不足 46 字节，则高层协议必须执行某些填充算法。

数据域长度的上限是任意的，但目前已经被设置为 1500 字节，所以暂定 46 至 1500 字节。

顺校验序列（FCS）包合四字节：FCS 是从 DA 开始到数据域结束这部分的校验和。