交换机的基本功能及mac地址表的形成
交换机的工作原理
交换机的工作原理交换机是计算机网络中常用的网络设备之一，其主要功能是在局域网内实现数据的转发和交换。
下面将详细介绍交换机的工作原理。
1. 交换机的基本原理交换机通过物理接口连接到计算机和其他网络设备，它能够根据目的MAC地址来决定将数据包转发到哪个接口，从而实现数据的交换和转发。
交换机在内部维护一个MAC地址表，记录了每一个接口上连接的设备的MAC地址和对应的接口信息。
2. MAC地址表的建立当交换机收到一个数据包时，它会检查数据包中的源MAC地址，并将该地址与接收到该数据包的接口关联起来。
如果MAC地址表中已经存在该地址，则更新对应的接口信息；如果不存在，则将该地址和接口信息添加到MAC地址表中。
通过不断接收和转发数据包，交换机的MAC地址表会逐渐建立起来。
3. 数据的转发过程当交换机接收到一个数据包时，它会检查数据包中的目的MAC地址。
如果目的MAC地址在MAC地址表中存在，则交换机将数据包转发到与目的MAC地址关联的接口上；如果目的MAC地址在MAC地址表中不存在，则交换机将数据包广播到所有的接口上，以便找到目的设备。
4. 学习和过滤交换机的一个重要功能是学习和过滤。
通过不断接收和转发数据包，交换机能够学习到局域网中每一个设备的MAC地址，并将其记录在MAC地址表中。
当交换机收到一个数据包时，它会检查数据包中的目的MAC地址，如果该地址在MAC地址表中存在，则交换机将数据包转发到对应的接口上；如果该地址在MAC地址表中不存在，则交换机会将数据包广播到所有的接口上，以便找到目的设备。
5. 网络分割和隔离交换机可以将局域网划分为多个虚拟局域网（VLAN），不同的VLAN之间是隔离的，数据包不能直接在不同的VLAN之间进行转发。
这样可以提高网络的安全性和性能。
交换机通过配置VLAN和端口的关联关系，实现不同VLAN之间的隔离和通信。
6. 数据包的转发速度交换机的转发速度是衡量其性能的重要指标之一。
二层交换机原理
⼆层交换机原理⼀、⼆层交换机基本原理 ⼆层交换机通过解析和学习以太⽹帧的源MAC来维护MAC地址与端⼝的对应关系（保存MAC与端⼝对应关系的表称为MAC表），通过其⽬的MAC来查找MAC表决定向哪个端⼝转发。
⼆、以太交换机的功能 （1）维护MAC地址表、MAC寻址 （2）数据帧的转发及过滤 （3）⼆层环路避免及链路冗余 （4）终端设备的接⼊三、MAC地址及MAC地址表 交换机查看数据帧的⼆层头部，在⾃⼰的MAC地址表中查找MAC地址，然后将数据帧从特定的端⼝转发出去。
（1）⼆层交换机的功能就是透传数据，不改变数据包中的源MAC地址和⽬的MAC地址 （2）⼆层交换机只关注数据包中的⽬的MAC地址，来进⾏数据转发 （3）⼆层交换机对数据包的转发，根据的是MAC地址表四、MAC地址 （1）MAC地址有48bit，通常被表⽰为点分⼗六进制数来表⽰ （2）MAC地址分为单播、组播和⼴播MAC地址三类 （3）MAC地址全球唯⼀，由IEEE对这些地址进⾏管理和分配 （4）每个地址由两部分组成，分别是⼚商代码和序列号。
其中前24bit位⼆进制代表供应商代码，余下的24bit位由供应商⾃⼰分配五、为什么需要VLAN （1）缺省情况下，交换机的所有端⼝均属于同⼀个⼴播域 （2）当⽹络中的交换机数量特别多时，⼴播域变得特别庞⼤，⽹络中可能会被⼤量的⼴播包损耗资源 （3）⽆法根据业务需求灵活的规划逻辑单元 注：VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域⽹，是将⼀个物理的端⼝在逻辑上划分成多个⼴播域的通信技术，VLAN内的主机可以直接通信，⽽VLAN间不能直接互通，从⽽将⼴播报⽂限制在⼀个VLAN内。
六、VLAN的作⽤ （1）不同的VLAN是不同的⼴播域，通常会使⽤不同的IP⽹段 （2）可根据业务需要灵活的进⾏VLAN的规划 （3）不同的VLAN之间⽆法进⾏⼆层互访七、VLAN知识点⼩结 （1）⼀个VLAN中所有设备都是在同⼀个⼴播域内，不同的VLAN为不同的⼴播域 （2）VLAN之间互相隔离，⼴播不能跨越VLAN传播，因此不同VLAN之间的设备⼀般⽆法互访（⼆层互访），不同VLAN间需通过三层设备实现相互通信 （3）⼀个VLAN⼀般为⼀个逻辑⼦⽹ （4）VLAN中成员多基于交换机的端⼝分配，划分VLAN就是将交换机的接⼝添加到特定VLAN中，从⽽该接⼝所连接的设备也被划⼊了该VLAN （5）VLAN是⼆层交换机的⼀个⾮常基本的⼯作机制⼋、交换机的接⼝类型 Access类型的接⼝： （1）Access接⼝只能加⼊⼀个VLAN，该VLAN⼜被称为Access接⼝的缺省VLAN （2）Access接⼝只发送⽆标记帧，且只接收⽆标记帧或打了缺省VLAN Tag的标记帧 （3）Access接⼝常⽤于连接PC、服务器或其他终端 Trunk类型的接⼝ （1）当⼀条链路需要承载多VLAN数据的时候，可将该链路配置为Trunk链路 （2）Trunk链路两端的接⼝是Trunk类型的接⼝，两端的交换机需采⽤相同的⼲道协议 （3）Trunk链路⼀般常⽤于交换机之间或交换机与路由器之间 Hybrid类型的接⼝ Hybrid接⼝也可以收发多个VLAN的报⽂，⽽且可以指定该接⼝在发送特定VLAN的报⽂时是否携带 Tag。
交换机MAC地址表的形成过程动态演示
交换机MAC地址表的形成过程动态演示今天不经意间从电脑里发现了自己大学时的一课程设计，还是自己在学校时那会比较勤奋,敢于想象，敢天动脑筋还是贴到这里留念一下一、课程设计的目的《路由与交换技术》这门课程的内容包含了计算机网络的关键技术，要学好这门课程，与实践是不能分开的。
路由器和交换机已广泛应用于计算机局域网及互联网中，掌握路由器和交换机的使用方法和配置知识及相关内容，对于学好《路由与交换技术》这门课程有很大的帮助。
希望同学们能够在一周的时间里，切实按照课程设计的要求，结合所学的理论知识和平时积累的实践能力，积极查找相关资料，完成好这次课程设计，熟悉所选项目的内容，提高网络应用能力，丰富自己的网络实践经历，为将来的实际工作积累一些经验。
二、设计内容1、设计题目：交换机MAC地址表的形成过程动态演示2、原理知识：如果网络中的计算机是通过集线器连接的，那么这种网络就被称为共享式以太网。
使用集线器互连的网络环境很容易发生数据的碰撞，因为不管发送数据还是接收数据都使用同一个数据通道，所以，主机在发送数据的同时必须使用接收线对检测是否发生了碰撞，这种机制使得主机只能以半双工的模式工作。
另一方面，集线器是物理层设备，通过对信号的中继放大，延长了网线的通达距离，扩展了网络规模。
网络规模的扩大意味着碰撞域的扩大，进一步地降低了网络的性能。
共享式局域网的特性严重制约着网络性能的提高，逐渐地被使用交换机构成的交换式局域网所取代：(1)交换机取代集线器解决了碰撞问题。
交换机是工作在数据链路层的设备(所以也称第2层交换机)，它可以识别数据帧中封装的MAC地址，并根据地址信息把数据交换到特定的端口，而不是像集线器工作时那样，把从一个端口接收到的数据复制到所有其他端口。
这样的工作方式使交换机的不同端口之间不会产生碰撞，也就是说交换机可以分割碰撞域。
如果一个端口只连接一台主机的话，就等于消除了碰撞。
(2)交换机解决了集线器与和它相连的主机不能全双工通信的问题。
三层交换机与路由器区别在哪里？
三层交换机与路由器区别在哪里？很多朋友问到, 路由器与三层交换机有什么区别？这是个好问题, 今天我们一起来了解下。
一、交换机的工作原理当交换机收到数据时, 它会检查它的目的MAC地址, 然后把数据从目的主机所在的接口转发出去。
交换机之所以能实现这一功能, 是因为交换机内部有一个MAC地址表, MAC地址表记录了网络中所有MAC 地址与该交换机各端口的对应信息。
某一数据帧需要转发时, 交换机根据该数据帧的目的MAC地址来查找MAC地址表, 从而得到该地址对应的端口, 即知道具有该MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上, 然后交换机把数据帧从该端口转发出去。
1.交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射, 并将其写入MAC地址表中。
2.交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较, 以决定由哪个端口进行转发。
3.如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中, 则向所有端口转发。
这一过程称为泛洪（flood）。
4.广播帧和组播帧向所有的端口转发。
例: 某网络如图1所示。
图1 交换机地址表表1端口/MAC地址映射表假设主机pc1向主机pc7发送一个数据帧, 该数据帧被送到交换机后, 交换机首先查MAC地址表, 发现主机pc7连接在E0/24接口上, 就将数据帧从E0/24接口转发出去。
交换机的三个基本功能1.学习以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址, 并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中.2.转发/过滤当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时, 它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口)3.消除回路当交换机包括一个冗余回路时, 以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生, 同时允许存在后备路径。
二、二、三层交换机对比1.二层交换技术二层交换技术是发展比较成熟, 二层交换机属数据链路层设备, 可以识别数据包中的MAC地址信息, 根据MAC地址进行转发, 并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。
交换机的基本结构和功能
F0/1
F0/3
B
0260.8c01.3333
C
0260.8c01.2222
F0/2
F0/4
D
0260.8c01.4444
未知单播帧，广播帧：执行广播操作Flooding
广播地址在数据链路层表示为FFFF.FFFF.FFFF ，该地址不会被交换机学习到，目的地址为该 地址的数据帧将被交换机扩散
交换机工作原理-MAC地址表形成
在伺机通过的基础上做了调整，即 在转发前过滤有包错误的分段（64B）
1.2.3 交换机冗余备份与环路管理
冗余备份与环路: 冗余备份与环路易产生： 1、广播风暴 2、多个广播帧副本
概念
1、广播 2、广播风暴以及引起的主要原因
一、广播风暴的形成 二、多个广播帧副本
1.2.3 冗余备份与环路
Switch1 Port1
1.2.2 局域网的三种帧交换技术
1、存储转发：完全接收后转发， 期间进行错误检查和MAC地址表的 路由过滤 缺点：数据帧时延较大
2、直通（伺机通过）
在接受数据帧读取数据帧的目的地址到缓 冲器中，进行MAC地址表的路由过滤，然后 转发。
缺点：削减了检错能力
3、自由分段即无碎片直通式（伺机通 过+错误检测）
A、MAC地址表的建立
1、源主机向目的主机发送查询信息； 2、交换机记录下源MAC地址，然后向其他的端 口发送查询信息； 3、目的主机接收到查询信息，通过交换机直接与 源主机进行对话，交换机记录下目的主机的MAC 地址。 4、两台主机实行点对点的通信； 5、定时刷新。
交换机工作原理-MAC地址表形成
2、交换机与交换式网络
定义：以交换机为网络中心的网络， 叫交换式网络
3 交换机工作原理
虚拟局域网
3、VLAN的应用实例
某单位财务报表统计员在财务办公室办公,而劳 资管理员在人事办公室办公,这两个部门都各有一 台Catalyat2950交换机。考虑到有些财务报表不能 让其他人知道,但又能在她们之间共享,要求网络管 理员通过配置以太网交换机来解决这一问题。 统 计员的电脑和劳资管理员的电脑同属于VLAN3,且能 相互通信；其它财务用户PCA和PCD同属于VLAN2且 能相互通信。其拓扑结构如图1所示。
走进网络世界之交换机
电网运行部
交换机
交换机(英文：Switch，意为“开关”)是一种用于 电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两 网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以
太网交换机、光纤交换机等。
快速以太网交换机
交换机
交换机是目前组建局域网最为常用的设备，属于数据链 路层设备，大部分交换机外型与集线器非常相似。
虚拟局域网
假如整个网络按部门被划分为三个VLAN，分别是工程部 VLAN、市场部VLAN及技术部VLAN，而每个部门中的工作站可能 位于不同的楼层，则可设计成如图所示结构。
路由器把用户按集线器/交换机组织为逻辑工作群组
虚拟局域网
2、VLAN的划分
划分VLAN的基本方法取决于VLAN的划分策略, 而这些策略是需要VLAN交换机上管理软件的支持 的。 3种常用的虚拟网络划分方法： ⑴ 基于交换机端口划分 ⑵ 基于MAC地址划分 ⑶ 基于网络层协议或地址划分
介质访问控制子层802.3 MAC
物理层
10Base-5 粗同轴电缆
10Base-2 细同轴电缆
10Base-T 双绞线电缆
10Base-F 光纤
传统以太网的四种物理层选项
计算机网络交换机MAC地址的学习
计算机网络交换机MAC地址的学习一、实验器材1. PacketTracer7.0二、实验原理交换机是根据MAC地址表转发数据帧的。
在交换机中有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，交换机就是根据这张表负责将数据帧传输到指定的主机上的。
交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源MAC 地址和对应的接口到MAC表中，接着、会检查自己的MAC表中是否有数据帧中目标MAC地址的信息，如果有则会根据MAC表中记录的对应接口将数据帧发送出去(也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去(也就是广播)。
ARP协议是工作在网络层的协议，它负责将IP地址解析为MAC地址。
三、实验步骤1.按如下网络拓扑组网，实现网络的互联。
（图1-1）2.在交换机中的CLI用户模式输入命令（mac address-table）查看交换机的MAC地址表S1：（1-2）S2：（1-3）3.在PC1中的Desktop的Command Prompt用ping命令检查PC1和PC2的连通性C:>ping 192.168.1.20Pinging 192. 168.1.20 with 32 bytes of data:Reply from 192.168.1.20: bytes=32 time<lms TTL=128Reply Irom 192.168.1.20: bytes=32 time<lms TTL=128Reply Irom 192.168.1.20: bytes=32 time<lms TTL=128Reply from 192.168.1.20: bytes=32 time<lms TTL=128Ping atatistics Ior 192. 68.1.20:Packets: Sent = 4, Received = 4. Lost = 0 (0% loss),Approximate sound Erip times in milli-seconds :Minimun = 0ms, Haximum = Oms, Average = 0ms4.在PC3中的Desktop的Command Prompt用ping命令检查PC1和PC2的连通性c:b>ping 192.168.1. 10Pinging 192.168.1.40 with 32 bytes of data:Reply from 192.168.1.40: bytes=32 time<lms TTL=128Reply from 192.168.1.40: bytes=32 time=lms TTL=128Reply from 192.168.1.40: bytes=32 time<lms TTL=128Reply from 192.168.1.40: bytes=32 time=lms TTL=128Ping statiscics for 192.168.1.40:Packeta: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% lo8s) ,Approximate cound trip times in milli-seconds: ,Minimum = 0ms, Maximum = lms, Average = Oms5.再次在交换机中的CLI用户模式输入命令（mac address-table）查看交换机的MAC地址表S1：(1-6)（1-6）S2：（1-7）对比两次查看发现原来的MAC地址表是空的。
交换机工作原理
交换机工作原理交换机是计算机网络中的重要设备，它用于在局域网内实现数据的传输和交换。
交换机通过将数据包从一个端口转发到另一个端口，实现不同设备之间的通信。
以下是交换机工作原理的详细解释。
1. 数据链路层：交换机工作在OSI模型的第二层，即数据链路层。
它通过物理地址（MAC地址）来识别和转发数据包。
当交换机收到一个数据包时，它会检查目标MAC地址，并查找与该地址关联的端口。
如果目标MAC地址在交换机的MAC地址表中，则交换机将数据包转发到相应的端口；如果目标MAC地址不在表中，则交换机会广播数据包到所有端口（除了接收端口）。
2. MAC地址学习：交换机通过学习源MAC地址来建立和更新MAC地址表。
当交换机接收到一个数据包时，它会提取源MAC地址，并将其与接收端口关联起来。
这样，交换机就能够根据目标MAC地址快速转发数据包，而无需广播。
3. 数据包转发：交换机根据MAC地址表转发数据包。
如果目标MAC地址在表中，则交换机将数据包转发到相应的端口；如果目标MAC地址不在表中，则交换机会广播数据包到所有端口（除了接收端口）。
此外，交换机还支持虚拟局域网（VLAN）的划分，可以将不同的端口划分到不同的VLAN中，实现逻辑隔离和安全性。
4. 碰撞域和广播域：交换机的工作原理使得每一个端口都成为一个独立的碰撞域，即每一个端口都可以同时进行数据的发送和接收，不会发生碰撞。
而广播域则由交换机的广播特性决定，当交换机接收到一个广播数据包时，会将其广播到所有端口（除了接收端口），从而实现广播功能。
5. 速度和带宽：交换机具有高速转发数据包的能力。
它可以根据端口的速度进行自适应，支持不同的传输速率（如10Mbps、100Mbps、1Gbps等）。
此外，交换机还可以实现端口的聚合，将多个端口绑定成一个逻辑接口，提供更大的带宽。
总结：交换机是计算机网络中实现数据传输和交换的关键设备。
它通过学习MAC地址并建立MAC地址表来实现数据包的转发。
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1
内容索引
▪ 交换机如何转发帧 ▪ 交换机MAC地址表如何形成 ▪ 实验
2
交换机与集线器的区别
▪ 区别
集线器为共享方式，即同一网段的计算机共享 固有的带宽，传输通过碰撞检测进行，同一网 段计算机越多，传输碰撞也越多，传输速率会 变慢。 交换机采用交换方式进行数据转发，每一节点 独享交换机的带宽
0260.8c01.4444
Q最初开机时MAC地址表是空的
6
交换机如何学习主机的位置
A
0260.8c01.1111
MAC地址表 E0: 0260.8c01.1111
E0
E1
B
333
C
E2
0260.8c01.2222
D
E3
0260.8c01.4444
• 主机A发送数据帧给主机C
8
2.2 使用交换机转发帧
9
2.2.1 交换机转发方法
▪ 交换机使用下面的两种转发方法之一来进行网络端口间 的数据交换：存储转发交换或直通交换。.
10
2.2.1 交换机转发方法
▪ 存储转发交换
11
2.2.1 交换机转发方法
▪ 存储转发交换
12
2.2.1 交换机转发方法
▪ 存储转发交换
13
2.2.1 交换机转发方法
3
交换机如何过滤帧
A
0260.8c01.1111
C
0260.8c01.2222
MAC地址表
E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 E1: 0260.8c01.3333 E3: 0260.8c01.4444
E0
XE1
E2
XE3
B
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
▪ 存储转发交换
14
2.2.1 交换机转发方法
▪ 存储转发交换
15
2.2.1 交换机转发方法
▪ 存储转发交换
16
2.2.1 交换机转发方法
▪ 直通交换
17
2.2.1 交换机转发方法
▪ 直通交换
18
2.2.1 交换机转发方法
▪ 直通交换
19
MAC地址表实验
▪ 请完成MAC地址表实验
20
E0
E1
B
0260.8c01.3333
C
E2
E3
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
• 主机D发送数据帧给主机C
• 交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机D的MAC地址对应 端口E3
• 该数据帧转发到除端口E3以外的其它所有端口 (不清楚目标主机的单点 传送用泛洪方式)
交换机A发送数据帧给主机C 在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转发
4
查看交换机的MAC地址表的命令
▪ Switch#show mac-address-table
5
交换机如何学习主机的位置
MAC地址表
A
B
0260.8c01.1111
E0
E1
0260.8c01.3333
C
E2
E3
D
0260.8c01.2222
• 交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机A的MAC地址 对应端口E0
• 该数据帧转发到除端口E0以外的其它所有端口 (不清楚目标主机的 单点传送用泛洪方式)
7
交换机如何学习主机的位置
A
0260.8c01.1111
MAC地址表
E0: 0260.8c01.1111 E3: 0260.8c01.4444