Datacom-HCIA-08 以太网交换基础

目录

• 以太网协议介绍
  • 以太网协议
  • 冲突域
  • 广播域
  • 以太网卡
• 以太网帧介绍
  • 什么是MAC地址
  • IP地址 vs MAC地址
  • MAC地址表示
  • MAC地址构成及分类
  • 单播以太帧
  • 广播以太帧
  • 组播以太帧
• 以太网交换机介绍
  • 园区网典型架构
  • 以太网二层交换机
  • 交换机的工作原理
  • MAC地址表
  • 交换机的3种数据帧处理行为
  • 泛洪
  • 转发
  • 丢弃
  • 交换机的MAC地址学习
• 同网段数据通信全过程
  • 数据封装过程
  • 初始状态
  • 泛洪数据帧
  • 学习MAC地址
  • 目标主机回复

在网络中传输数据时需要遵循一些标准，以太网协议定义了数据帧在以太网上的传输标准，了解以太网协议是充分理解数据链路层通信的基础。以太网交换机是实现数据链路层通信的主要设备，了解以太网交换机的工作原理也是十分必要的。
在本文中，将介绍以太网协议的相关概念、MAC地址的类型、二层交换机的工作流程以及二层交换机的工作原理。

以太网协议介绍

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，该标准定义了在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，冲突域内所有节点竞争同一带宽，一个节点发出的报文（无论是单播、组播、广播），其余节点都可以收到。

在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路带宽，争用链路的使用权，这样就会发生冲突。
同一介质上的节点越多，冲突发生的概率越大。
解决机制：CSMA/CD

交换机不同的接口发送和接收数据独立，各接口属于不同的冲突域，因此有效地隔离了网络中物理层冲突域，使得通过它互连的主机（或网络）之间不必再担心流量大小对于数据发送冲突的影响。
隔离冲突域
每个接口相当于1个独立的冲突域

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，同一广播域内的主机都能收到广播报文。

在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路，一台设备发出的广播报文，所有设备均会收到。

交换机对广播报文会向所有的接口都转发，所以交换机的所有接口连接的节点属于一个广播域。

以太网卡

网络接口卡 (Network Interface Card, NIC)也称为“网卡”，是计算机、交换机、路由器等网络设备与外部网络世界相连的关键部件。

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。

以太网帧介绍

什么是MAC地址

MAC (Medium Access Control)地址在网络中唯一标识一个网卡，每个网卡都需要并拥有有唯一的一个MAC地址。
一块网卡的MAC地址是具有全球唯一性的。

IP地址 vs MAC地址

每个以太网设备在出厂时都有一个唯一的MAC地址，但在设备接入网络时，会同时为每台主机再分配一个IP地址，这个原因是什么？

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地址通常采用“十六进制”+“-”表示。

MAC地址构成及分类

OUI （Organizationally Unique Identifier）：厂商代码，由IEEE分配，3 Byte，24 bit。
制造商分配：3 Byte，24 bit

MAC地址分类：

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

以太网交换机介绍

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

如果接收的是单播帧：交换机在MAC地址表中查不到这个帧的目的MAC地址，则交换机对该单播帧执行泛洪操作。
如果接收的是广播帧：交换机不会去查MAC地址表，直接对该广播帧执行泛洪操作。

转发

如果接收的是单播帧：交换机在MAC地址表中查到了这个帧的目的MAC地址，并且表中对应的端口编号不是这个帧从传输介质进入交换机的那个端口编号，则交换机对该单播帧执行转发操作。

丢弃

如果接收的是单播帧：交换机在MAC地址表中查到了这个帧的目的MAC地址，但是表中对应的端口编号是该帧从传输介质进入交换机的那个端口编号，则交换机对该单播帧执行丢弃操作。

交换机的MAC地址学习

同网段数据通信全过程

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

数据封装过程

初始状态

泛洪数据帧

学习MAC地址

目标主机回复

在本文中，介绍了以太网协议的基本概况，并介绍了以太网帧格式和MAC地址，还
介绍了二层交换机的工作原理：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，并将帧从对应的端口转发出去。
• 最后，基于交换机的工作原理，回顾了同网段数据通信全过程。