交换机的工作原理 - 学习、泛洪、转发和过滤

交换机是一种多端口的网桥，在数据链路层使用MAC地址转发数据。交换机分为有线交换机和无线交换机，有线交换机一般是多级交换机之间互相连接，最下级交换机连接终端设备，形成网络拓扑，来将数据包分发至终端设备。无线交换机则可以使用广播功能，将数据包广播给多台设备。

通常情况下，链路层会将MAC地址封装进以太网帧，然后发给交换机，这一过程高度依赖于ARP协议，即地址解析协议，Address Resolution Protocol，ARP协议基于IPv4地址来确定对应的MAC地址，其工作流程如下：

• ARP请求：请求者需要知道特定IP地址的MAC地址时，它会在局域网内广播一个ARP请求。这个请求包含发送者的IP和MAC地址，以及它正在寻找的IP地址的MAC地址。
• 网络广播：ARP请求以广播形式发送，局域网内所有设备都会接收到这个请求，每个设备都会检查ARP请求中的目标IP地址。
• ARP回复：称为响应者发现ARP请求中的目标IP地址与自己的IP地址匹配，它就会向请求者发送一个ARP回复。这个回复包含响应者的IP地址和对应的MAC地址。
• 缓存MAC地址：请求者接收到ARP回复后，它会将响应者的IP地址和MAC地址存储在本地的ARP缓存中，以便将来进行通信时可以直接使用，避免重复ARP请求过程。
• 数据包发送：一旦请求者获得了目标MAC地址，它就可以将数据封装在以太网帧中，并通过MAC地址发送给目标设备。

ARP协议的现实场景

如下图可见一个ARP协议广播查询和单播回复的场景。
我的路由器发送了一个广播消息，询问"Who has 192.168.0.80"。

然后我的机器单播向路由器返回了我的IP和MAC地址。

在帧到达交换机后，交换机会检查Header中的目标MAC地址，并尝试和自己的MAC地址表(或称转发数据库)中的记录进行匹配，基于匹配结果，有下面四种行为：

泛洪

交换机没有在MAC地址表中找到和目标MAC地址匹配的记录，则交换机将数据帧发送到自己的全部端口，也就是"广播"给下游的所有设备；下游设备也会检查Header，如果发现目标MAC地址和自己的不符，则会默默丢弃。

学习

交换机其中一个主要功能是维护一个 MAC 地址表，将每个交换机端口与所连接设备的 MAC 地址建立映射关系。交换机的MAC地址表一开始是空的，因此每次当交换机接收到数据帧时，都会查看Header，将数据帧中的源MAC地址和接收到数据帧的端口进行映射，并存储在自己的MAC地址表中。慢慢地，每个连接到交换机的设备都会发出一些数据，MAC地址表中的记录会逐渐增加，直到这个局域网下的所有设备的MAC地址和端口映射都存储到了自己的MAC地址表中。因此，交换机只会将数据帧的发送方的MAC地址存储在MAC地址表，对于所有在表中没有记录的MAC地址，会一律使用泛洪作为应对。

当MAC地址表满了时，最新学习到的MAC地址会覆盖最长时间没有数据帧发送的MAC地址。不过现在即使是家用交换机，一般也可以存储5000以上的MAC地址，MAC地址表满了的情况比较少见。

转发

交换机在MAC地址表中找到和目标MAC地址匹配的记录，交换机将数据帧转发到对应的端口。

过滤

基本上只有泛洪功能会依赖过滤。过滤主要是为了防止数据帧在泛洪时被发回给来源端口。

练习

考虑一个简单的交换机，它只有一个 MAC 地址表，用于存储网络中三个设备的位置，并且以空的 MAC 地址表开始。对于所选输入数据中的每个帧，指示交换机是否会转发、过滤或泛洪该帧，并指示处理每个帧后的 MAC 地址表内容。
交换数据：
A sends to E
E sends to D
E sends to C
E sends to D
D sends to C
E sends to C
B sends to D
D sends to A
A sends to B
A sends to C

解

A sends to E
操作：泛洪（E的位置未知）
MAC地址表更新：A

E sends to D
操作：泛洪（D的位置未知）
MAC地址表更新：A, E

E sends to C
操作：泛洪（C的位置未知）
MAC地址表更新：A, E, C（此时表已满）

E sends to D
操作：泛洪（D的位置未知）
MAC地址表保持不变：A, E, C

D sends to C
操作：转发（C的位置已知）
MAC地址表更新：D替换A（因为需要存储最近使用的设备），变为D, E, C

E sends to C
操作：转发（C的位置已知）
MAC地址表保持不变：D, E, C

B sends to D
操作：泛洪（因为B不在表中，D的位置虽已知但需要泛洪以学习B的位置）
MAC地址表更新：B替换E，变为D, B, C
(实际上不知道B的位置也可以将数据帧转发到D，在这里交换机使用泛洪的根本目的是学习B的位置)

D sends to A
操作：泛洪（A的位置未知）
MAC地址表更新：D保持，因为A不在表中且表已满，D,B,C

A sends to B
操作：泛洪（因为A不在表中）
MAC地址表更新：A替换D，变为A, B, C

A sends to C
操作：转发（因为C的位置已知）
MAC地址表保持不变：A, B, C