以太网交换基础
以太网协议
以太网是当今现有局域网（Local Area Network, LAN）采用的最通用的通信协议标准，定义了局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。 以太网是建立在CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测)机制上的广播型网络。
冲突域
冲突域是指连接在同一共享介质上的所有节点的集合。
广播域
广播报文所能到达的整个访问范围称为二层广播域，简称广播域。
以太网卡
网络接口卡 (Network Interface Card, NIC)也称为“网卡” 。
• 网络接口
▫ 简称“网口”或“接口”或“端口”。
• 网卡
▫ 每个网口都有一块网卡与之对应。
▫ 计算机或交换机通过网卡来转发数据。
以太网帧格式
• 以太网技术所使用的帧称为以太网帧 (Ethernet Frame)，或简称以太帧。
• 以太帧的格式有两个标准：Ethernet_II格式和IEEE 802.3格式。
MAC地址
• MAC (Media Access Control)地址在网络中唯一标识一个网卡。 • 一块网卡的MAC地址是具有全球唯一性的。
IP地址 vs MAC地址
IP地址的特点： ▫ IP地址是唯一的 ▫ IP地址可变 ▫ 基于网络拓扑进行IP地址分配 MAC地址的特点： ▫ MAC地址是唯一的 ▫ MAC地址不可变 ▫ 基于制造商进行MAC地址分配
MAC地址表示
• 一个MAC地址有48 bit，6 Byte。
MAC地址构成及分类
• OUI （Organizationally Unique Identifier）：厂商代码，由IEEE分配，3Byte，24 bit。
• 制造商分配：3 Byte，24 bit
MAC地址分类：
单播MAC地址 举例00-1E-10-DD-DD-02
组播MAC地址 举例01-80-C2-00-00-01
广播MAC地址 举例FF-FF-FF-FF-FF-FF
单播以太帧
• 简称：单播帧
• 目的MAC地址为单播MAC地址的帧
广播以太帧
• 简称：广播帧
• 目的MAC地址为广播MAC地址的帧
组播以太帧
• 简称：组播帧
• 目的MAC地址为组播MAC地址的帧
园区网典型架构
以太网二层交换机
以太网二层交换机转发数据的端口都是以太网口，并且只能够针对数据的二层头部 (以太网数据帧头) 中的MAC地址进行寻址并转发数据。
交换机的工作原理
在收到数据帧后，交换机学习帧的源MAC地址，然后在MAC地址表中查询该帧的目的MAC地址（本例中MAC2：0050-5600-0002），并将帧从对应的端口转发出去。
MAC地址表
每台交换机中都有一个MAC地址表，存放了MAC地址与交换机端口编号之间的映射关系。
交换机的MAC地址学习
初始情况，交换机的MAC地址表是空的。
• 主机1发送数据帧给主机2。
• 交换机GE0/0/1口接收到数据帧后，在MAC地址表中查询该帧的目的MAC地址，发现没有对应表项，则收到的数据帧是“未知单播帧” 。
• 交换机在MAC地址表中没有查到对应表项，则交换机对该单播帧执行泛洪操作。
• 同时，交换机学习该数据帧的源MAC地址，并创建对应的MAC地址表项，与接收口GE0/0/1关联。
• 交换机其他端口连接的主机，也会收到该数据帧，但是会丢弃。
• 主机2收到并处理该数据帧，向主机1回复，将数据帧发往交换机。
• 交换机在MAC地址表中查到了对应表项，则交换机对该单播帧执行转发操作，将数据帧从GE0/0/1口转发出去。
• 同时，交换机学习该数据帧的源MAC地址，并创建对应的MAC地址表项，与接收口GE0/0/2关联。
交换机的3种数据帧处理行为
交换机对于从传输介质进入某一端口的帧的处理行为一共有3种：
泛洪
1.主机1发出的数据帧
源MAC：MAC1
目的MAC：MAC2
或者
源MAC：MAC1
目的MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FF
2.交换机查MAC地址表
3.交换机处理数据帧行为
• 未知单播帧：
1.查询MAC地址表
2.泛洪
• 如果接收的是广播帧：
1.泛洪
源MAC：MAC1
目的MAC：MAC2
源MAC：MAC1
目的MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FF
转发
1.主机1发出的数据帧
源MAC：MAC1
目的MAC：MAC2
2.交换机查MAC地址表
3.交换机处理数据帧行为
• 如果接收的是单播帧：
1.查询MAC地址表
2.转发
丢弃
1.主机1发出的数据帧
源MAC：MAC1
目的MAC：MAC2
2.交换机2查MAC地址表
3.交换机处理数据帧行为
• 如果接收的是单播帧：
1.查询MAC地址表
2.丢弃
通信全过程
• 场景描述：
▫ 任务：主机1想要访问主机2
▫ 主机：初始化状态，仅知道本机IP地址和MAC地址（假设已获取对端IP地址）
▫ 交换机：刚上电，初始化状态
初始状态
主机1的ARP缓存表
Host 1>arp -a
Internet Address Physical Address Type
交换机的MAC地址表
[Switch]display mac-address verbose
MAC address table of slot 0:
---------------------------------------------------
MAC Address Port Type
---------------------------------------------------
----------------------------------------------------
泛洪数据帧 主机1发出的ARP Request 交换机的MAC地址表 源MAC：MAC 1 目的MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FF 源IP：IP 1 目的IP：IP 2 操作类型：ARP Request 发送端MAC： MAC 1 发送端IP：IP 1 目的端MAC：00-00-00-00-00-00 目的端IP：IP 2 交换机的MAC地址表
[Switch]display mac-address verbose
MAC address table of slot 0:
---------------------------------------------------
MAC Address Port Type
---------------------------------------------------
----------------------------------------------------
学习MAC地址 主机1发出的ARP Request 源MAC：MAC 1 目的MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FF 源IP：IP 1 目的IP：IP 2 操作类型：ARP Request 发送端MAC： MAC 1 发送端IP：IP 1 目的端MAC：00-00-00-00-00-00 目的端IP：IP 2 交换机的MAC地址表
[Switch]display mac-address verbose
MAC address table of slot 0:
---------------------------------------------------
MAC Address Port Type
---------------------------------------------------
0050-5600-0001 GE0/0/1 dynamic
----------------------------------------------------
目标主机回复 交换机的MAC地址表
[Switch]display mac-address verbose
MAC address table of slot 0:
---------------------------------------------------
MAC Address Port Type
---------------------------------------------------
0050-5600-0001 GE0/0/1 dynamic
0050-5600-0002 GE0/0/2 dynamic
----------------------------------------------------
主机2发出的ARP Reply 源MAC：MAC 2 目的MAC：MAC 1 源IP：IP 2 目的IP：IP 1 操作类型：ARP Reply 发送端MAC： MAC 2 发送端IP：IP 2 目的端MAC：MAC 1 目的端IP：IP 1
