二层交换基本原理

xiaoxiaota

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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，基本流
程如下：
v 二层交换机收到以太网帧，将其源MAC与接收端口的对应关系写入MAC表，作为以后的二
层转发依据。如果MAC表中已有相同表项，那么就刷新该表项的老化时间。MAC表表项
采取一定的老化更新机制，老化时间内未得到刷新的表项将被删除掉；
v 根据以太网帧的目的MAC去查找MAC表，如果没有找到匹配表项，那么向所有端口转发
（接收端口除外）；如果目的MAC是广播地址，那么向所有端口转发（接收端口除外）；
如果能够找到匹配表项，则向表项所示的对应端口转发，但是如果表项所示端口与收到以
太网帧的端口相同，则丢弃该帧。
从上述流程可以看出，二层交换通过维护MAC表以及根据目的MAC查表转发，有效的利用了网
络带宽，改善了网络性能。图4是一个二层交换的示例。

二层交换机的MAC地址老化和刷新通常直接由硬件ASIC芯片来完成，这里顺便介绍一下其通常
采用的机制：
v 在芯片中储存的每一个动态添加的MAC地址表项都有一个 1 bit 长度的老化标志，同时芯片
有一个老化定时器用于控制地址老化；
v 对于新学习到的MAC地址表项，其老化标志位置1；对于已经学习到的MAC表项，如果后
续有报文的源MAC与表项相同，那么将其老化标志位刷新为1；
v 每当芯片的老化定时器超时后，将MAC地址表中老化标志位等于1的项目，修改其老化标志
位等于0；对于MAC地址表中老化标志位等于0的项目，直接删除。
在这样的老化更新机制下，MAC地址的实际老化时间并不是精确的，而是一个范围：1～2倍的

老化定时器时间。
二层交换机虽然能够隔离冲突域，但是它并不能有效的划分广播域。因为从前面介绍的二层交
换机转发流程可以看出，广播报文以及目的MAC查找失败的报文会向所有端口转发，当网络中的主
机数量增多时，这种情况会消耗大量的网络带宽，并且在安全性方面也带来一系列问题。当然，通
过路由器来隔离广播域是一个办法，但是由于路由器的高成本以及转发性能低的特点使得这一方法
应用有限。基于这些情况，二层交换中出现了VLAN技术。