作者：网络之路一天  首发公众号：网络之路博客（ID：NetworkBlog）

前言

在网络基础篇中简单的了解了下交换机的工作原理，但是具体如何工作，如何去学习的还并不知道，这一篇正式进入交换的内容，来看看交换机是如何工作的。

感受集线器

在基础课程里面了解过集线器的原理，那会没有太多的去做实验，这里我们使用eNSP来做一个实验，正好支持HUB这个设备。

这里使用192.168.255.1去ping 192.168.255.2，然后抓起PC3的流量，看看发生什么事情。

当你抓起PC3的流量的时候，使用PC1去PingPC2，所有的流量，PC3都是可以收到的，这个就是集线器工作的原理，一个数据发送出去，会复制到其他的所有接口，不管该PC是否要不要，另外的半双工、冲突域这些缺点就不在介绍了，可以回顾下基础的内容，后面替代这个产品的就是交换机。

了解交换机的工作过程

   在了解交换机的正式过程之前，回顾下交换机带来的特性

• 交换机是主要是工作在数据链路层，能够去读取以太网的头部
• 每个接口有独立的硬件芯片，工作在全双工，当1口与3发送数据的时候，并不影响其他接口，实现了隔离了冲突域的同时，其他接口也可以同时发送数据，提高了工作效率，这也是目前企业网一直使用交换机的原因。
• 具有丰富的接口来满足企业的需求，目前市面上主流的8口、16口、24口、48口的交换机，根据实际需求灵活选择。
• 具有地址学习功能，这也是交换机智能化的一点，能够知道具体的终端位置在哪，准确的送达目的地，而不是傻瓜式的复制到其他所有接口。

• 从实验中来了解交换机的工作过程

还是之前的实验环境，只是把HUB换成了一台交换机。

在开始之前，先学一个命令，通过上面了解到交换机是具有学习地址的功能，也就是MAC地址，在交换机里面可以通过 display  mac-address  查看当前交换机学习到的MAC地址，这个表项叫做MAC地址表，用于存放学习到的MAC地址，当前没有学习，因为还没触发数据。

开启PC3的抓包，建议过滤一下，因为交换机默认会发送一个报文，有点干扰我们抓包，然后就PC1去ping PC2

会发现现在抓包，PC3上面只收到了一个广播包，广播包是目的MAC全F，所以交换机会除了发送者接口以外的所有接口发送出去，但是其余的单播包，PC3是收不到的。

这个时候交换机的MAC表里面就出现了内容了，这个就是我们要了解的。

• 5489-9856-195f的MAC地址从G0/0/3接口学到，这个接口正是对应PC2的
• 5489-98d4-0ac8的MAC从GE0/0/1接口学到，这个接口对应的是PC1。
• Type为dynamic，也就是动态学习，竟然是动态学习，那势必就有生存周期，比如这台电脑关机了，在一定时间后，删除掉对应的表项，这样来优化资源，因为MAC表的容量是有限制的，并不是无限大。

• 分析交换机地址学习的整个过程。

（1）当PC1发起去往PC2的Ping请求后，首先PC1会发送一个ARP请求

因为它并不知道PC2的MAC地址是多少。

（2）这个数据包发出以后会被交换机的G0/0/1收到，它通过读取以太网的头部信息，发现源MAC地址是PC1，目的MAC全F（广播，表示局域网所有主机）

这个时候交换机会做两件事情，第一个：将PC1的MAC地址记录到MAC地址表中，并且关联接口G0/0/1（因为数据包是从G0/0/1收到）。

第二个，将这个ARP请求包，发送至接收接口以外的全部接口（PC1以外的全部接口）

这就是为什么在PC3抓包能够看到ARP广播报文的原因。

（3）交换机发出以后，PC2与PC3会都收到ARP的请求，PC3发现请求的不是自己，就丢弃了，PC2发现，这是找自己的，于是回应一个ARP响应，这个是单播回应，这也是在PC3抓包看不到的原因，为什么看不到呢？这就是交换机的处理过程了。当交换机收到这个ARP响应后，它读取二层头部信息，发现源MAC是PC2，于是它将PC2的MAC记录到MAC地址表中，关联G0/0/3。

在看目的MAC是PC1的MAC，它会在MAC表中查询是否有该MAC地址与接口对应记录存在，发现存在PC1的MAC地址，于是从G0/0/1把这个数据包发送出去，这就是PC3收不到的原因，因为交换机知道PC1在哪，并不会像HUB一样全部接口都发送。

（4）PC1收到ARP回应后，可以进行封装二层头部了，这样就把ICMP的请求发送出去，交换机收到以后同样的读取二层头部，发现目的MAC是PC2，MAC表中有记录，从G0/0/3发出。

（5）PC2收到PC1的ICMP请求，回应ICMP应答，交给交换机，交换机同样读取二层头部，发现目的MAC是PC1，直接从G0/0/1发出。

总结：从以上的流程中可以发现，交换机是通过读取以太网头部中的源MAC来学习MAC地址的，并且后续通过二层头部的目的MAC，在自己学习到的MAC地址表来寻找到对应接口，将数据发送出去。

• 假设目的MAC在MAC表中不存在，交换机会如何处理呢？

要完成这个实验呢，首先，要先Ping一次，建议关闭之前的PC3抓包，重新抓取。

老样子，PC3抓包还是只看到了ARP报文，这个时候做一个操作，假设PC2的线路坏了

通过把PC2停止（关机），好玩的事情出现了，pc1ping  pc2，显示Request timeout（这个在ICMP的差错报文中有讲解，还记得吗），这因为PC2关了，自然是不通，但是好玩的事就在PC3竟然收到了PC1的ICMP报文！！！！是不是有点奇怪，不是只有目的MAC全F的才进行发送到其他接口吗？

这里就要介绍交换机工作的另外一个特点了

当交换机收到一个数据包以后，它会读取里面的以太网头部，源MAC学习进MAC地址表

• 目的MAC如果是全F时（广播）或者组播MAC，直接从收到的接口以外的全部接口发送出去
• 目的MAC为正常MAC时，检查MAC表是否有该目的MAC的条目，有则直接通过记录的口，单播发送出去，如果没有，从收到的接口以外的全部接口发送。  这个就是上面PC2关机以后，由于G0/0/3接口物理线路断开，交换机会将G0/0/3学习到的MAC地址全部删除，所以查看MAC表里面只有PC1的MAC，这时候PC1在去访问PC2，交换机发现MAC表中没有PC2的MAC记录，所以采取全部接口发送，其实有点回到HUB的模式，HUB是因为物理工作方式就是这样，交换机这样做的目的是为了能够找到PC2，让PC2回复，自己就能够学习到MAC地址，下次在收到对应的数据包就可以直接单播发送了，通过MAC表转发到对应的接口。
• 对于单播的目的MAC地址在MAC表中没有找到的这种情况，称为未知单播帧，因为交换机并不知道它在哪，所以只能通过泛洪（Flooding），这个术语在很多书上面会提到，这里提及一下。
• 泛洪与广播的区别：广播指的是收到目的明确为全F的广播地址，会将这个数据帧从除了源接口以外的所有接口转发出去，泛洪指的是收到一个目的地址是单播的帧，但是自己MAC表中没有，属于未知单播帧，交换机只能采取泛洪的形式，也是从除了源接口以外的所有接口转发出去，希望有回应，这样交换机能够学习到目的MAC所在的接口。

至此呢，交换机的转发数据原理就明白了，总结下来就是上面这2点，建议大家做做这个实验，可以了解下整个转发的原理。

H3C设备MAC地址表查看

H3C模拟器跟华为一样，拖3台PC，然后一台交换机出来，通过连线接好，然后测试下。

PC3与PC4同样的设置地址，记得启用哦

开启抓包后，还要启动wirehsark，不会自动启动的。

这个时候默认情况下华三交换机也是没有任何地址表项存在的。

启动命令行终端（这个就是之前为什么用eNSP演示的原因，HCL稍微有点麻烦）

现象跟华为是一样的

一个特殊案例分享（华为华三命令一样）

在某些特定的环境下，特别是有服务器这种，通常会进行一个操作，就是把服务器MAC地址静态绑定的操作，比如上图服务器接在G0/0/3上面，可以在交换机做一个操作。

 命令：mac-address static 【MAC地址】【接口】【VLAN】  MAC地址你在操作的时候MAC地址跟图不一样，以你自己实际的为准  将服务器的MAC地址静态的跟G0/0/3口进行绑定，其中有一个比较陌生的参数是vlan 1，这个下一篇我们会学到，可以先理解交换机默认初始状态都属于VLAN1。

可以看到类型变成了static，访问也没什么问题，这个时候假设有一个伪装服务器MAC的设备出现，会怎么样呢？

当把PC2设置成192.168.255.3后，并且MAC地址也伪装，但是实际PC1去访问服务器，PC2这个伪装并不会影响到服务器，这样就是静态绑定的好处，也是实际中比较常用的方法，因为静态绑定的优先级是高于动态的，所以PC2设置成了服务器一样的IP地址跟MAC也不会影响到服务器，交换机不会把这个MAC地址记录到MAC表中，通过上面查看也可以发现，没有关于G0/0/2的信息，保障了服务器连接的稳定性。

如果我想要G0/0/3不在学习其他的MAC地址，就只使用静态绑定的行不行呢？是可以的，交换机支持一个功能可以关闭某一个接口的动态MAC学习机制

• 华为设备：接口下下面， mac-address     learning disable    |    mac-address learning disable     action discard

• 华三设备：接口下面，undo      mac-address mac-learning enable      （后续补充：如果需要禁止它转发该接口其他的MAC的流量，还需要两个命令，一个是限制接口学习MAC的数量，mac-address     max-mac-count 0，还一个命令是达到上限以后的处理规则， undo mac-address max-mac-count     enable-forwarding

• MAC地址其他知识了解

• 交换机自动学习的MAC会存放到MAC地址表中，这个属于动态学习（dynamic/Learned），是有时间限制的，不管是华为、华三还是思科的产品默认是300s，通过display       mac-address aging-time         查看。
• 华为通过mac-address      aging-time  通过该命令可以修改MAC动态的老化时间，如果修改为0（华三通过mac-address      timer  no-aging来修改），表示永久存在，不老化，建议默认参数即可
• 华为华三设备清除MAC地址表，可以通过undo mac-address  ：清除所有MAC表项  |       undo      mac-address G0/0/1  ：清除G0/0/1学到的 |  | undo mac-address static  清除静态的 |       undo mac-address dynamic：清除动态学习到的。
• 华为华三设备静态绑定MAC，通过mac-address  static xxxx-xxxx-xxxx  interface vlan x  （华三可以支持全局跟接口下配置，华为只能全局）

作业

PC_2，pc_3_pc4设置好地址，PC4当做一台服务器

• PC_2 ping 3与4通不通，然后观察MAC地址表（建议复制MAC地址，后续用的上）
• 在G1/0/3口上面禁止掉MAC地址学习，查看下是否pc_2与3能不能跟PC_4通信（主要查看MAC表）
• 做静态绑定功能，把PC_4的MAC地址绑定到交换机上面 

“承上启下”

对于交换机的工作原理（核心理念）已经了解完毕了，通过实验以及抓包分析整个流程，相信印象会非常深刻，当然建议大家动手操作，在其中出现了一个陌生的参数 vlan，它又是干什么的呢，解决什么样的问题，这个就是我们下一篇要学习的内容。

 

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