一、以太网交换机简介

1.1 什么是以太网交换机?

以太网交换机(Ethernet Switch)是一种用于局域网(LAN)的网络设备，基于MAC地址识别、在多个设备之间进行高效地转发数据帧。它基于以太网协议(IEEE 802.3)工作，通过MAC地址表实现数据帧的智能转发，是现代网络的核心设备之一。交换机作为汇聚中心，将多台数据终端设备连接在一起构成星状结构的网络。

1.2 从 HUB（集线器）到三层交换机

从早期的 HUB（集线器）到 二层、三层交换机，网络设备的演进，本质上是一条越来越聪明的进化路线。区分它们的标准只有一个：能不能看懂 MAC 地址。

• HUB（集线器）： 工作在物理层，不能识别 MAC 地址，收到数据就从一个接口进、向其他所有接口出，而且只能半双工 —— 就像对讲机，同一时刻只能有一方说话。它既浪费带宽又限制性能，被淘汰是必然的。
• 二层交换机：工作在数据链路层，能识别 MAC，基于 SMAC 学习、DMAC 转发，可以点对点精确送达；
• 三层交换机： 更进一步，工作在网络层，是具有路由功能的交换机，也就是常说的路由交换一体机。

Tips: 说明一下家用路由器：

• LAN 口 是交换口（二层口），接电脑、打印机等终端设备；
• WAN 口 是路由口（三层口），连 Internet 或上层路由器的LAN口。

所以它其实是「交换机 + 路由器」的组合体。

交换机之所以能取代集线器，靠的不是更快的芯片，而是一张会自己维护、会自己过期的表。它被动地听，默默记，精确地送；记不住就泛洪一次，记下了就从此一对一。所有二层技术 —— VLAN、STP、链路聚合 —— 本质上都是在这张表和这套转发逻辑上做加法和约束。

二、交换机的原理

2.1 交换基础 - MAC地址表

MAC 地址表是交换机手里的通讯录，它只记录一件事：接口 和 MAC 地址的对应关系。

MAC地址表的四个特点：

• 一个 MAC 只能对应一个接口：在同一台交换机上，一个 MAC 只能对应一个接口（同一时刻）；
• ** 一个接口可以学习多个 MAC**：接口下面挂了交换机、一个集线器 或 一台设备多个网卡时，一个接口可以学习多个 MAC；
• 表项不断更新: 交换机每次收到数据帧都会基于源MAC刷新 MAC地址表项， 设备换接口后表现奖在收到设备发送的帧后跟着变；
• 表项会老化：长时间没流量就的表项会老化删除， 默认老化时间是300秒；设备下线你，表项不会永远占着位置，这样可以及时腾出表项、适应拓扑变化。

Tips: 一个交换机接口可以学习多个MAC地址。这不是异常，而是以太网交换机一项基础且正常的工作机制。 根本原因是交换机学习MAC是基于“源MAC”，而非“接口类型”：

• 交换机学习MAC地址的逻辑非常直接：从某个接口收到一个数据帧，就把帧的源MAC地址和这个接口的对应关系记录下来。它并不检查这个接口对面连接的是一台电脑、一个集线器，还是另一台交换机。因此，只要从同一个接口收到的数据帧带有不同的源MAC，交换机就会逐一将它们记入MAC地址表，并关联到该接口。
• 从交换机的角度看，MAC地址表是按MAC地址组织的，它只关心“去往某个MAC的帧应该从哪个接口发出”，而不关心那个接口后面到底挂了多少设备。

一个接口可以学习多个 MAC:

1. 接口下挂另一台交换机（级联） 这是最典型的情况。当两台交换机通过一个接口级联时，下游交换机上所有终端设备的MAC地址，都会通过这条级联链路被上游交换机的对应接口学习到。因此，上游交换机的级联接口上出现大量MAC地址条目是完全正常的。

2. 一台设备配置了多个网卡 如果一台服务器或主机有多个物理网卡，并且都连接到交换机的同一个接口（通过一个内联的集线器或非网管交换机），那么每个网卡的MAC地址都会被该接口学习到。

3. 连接集线器（HUB）或非网管交换机 集线器会将所有连接设备的流量从同一个物理接口送出，因此该接口会学习到集线器下所有设备的MAC地址。

4. 虚拟化服务器 一台运行多台虚拟机的物理服务器，即使只使用一个物理网卡，每台虚拟机也拥有独立的MAC地址。当这些虚拟机对外通信时，交换机的对应接口就会学习到多个MAC地址。

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# 查看 MAC 地址表（华为 / 华三一致） 
<SW1>display mac-address

2.2 工作原理：学习看源，转发看目的

交换机的全部行为可以用成两句话来概括：

• 交换机的学习机制： 基于 SMAC（Source MAC） 进行学习(创建/维护)MAC地址表，是建立和维护MAC地址表的过程

  1. 从某一端口收到数据帧；
  2. 读取该数据帧的源MAC（SMAC）；
  3. 写入MAC表： SMAC <–> 入接口。

• 交换机的转发机制： 基于 DMAC（Destination MAC）查MAC地址表进行数据转发，是使用MAC地址表的过程

  1. 收到数据帧后，用DMAC查询MAC地址表；
  2. 查到记录，就从对应接口一对一转发（单播发送）；
  3. 查不到记录（未知单播），则泛洪 ———— 向除接收接口外的其它所有接口发送；
  4. 如果查到的出接口就是接收接口本身，则直接丢弃。

交换机从来不会主动去问谁在哪里，它是被动偷听的：只要有设备发过一个帧，它就记住这个 MAC 挂在 哪个接口上（GE0/0/X）。

转发时则用目的 MAC 查表：查到就从MAC地址对应的接口发出去；查不到就泛洪（向除接收接口外的其它所有接口发送）；如果查到的出接口就是进来的那个口，直接丢弃。

2.3 交换机收到一个数据帧的处理方式

交换机收到一个数据帧只有三种处理方式

1. 一对一转发： 单播使用DMAC查询MAC地址表成功，且出接口不等于入接口，从查询到的接口发送出去，精确送达；
2. 泛洪：收到 广播帧、组播帧 或 未知单播帧（查表失败）， 向除接收接口外的其它所有接口发送；
3. 丢弃： 查到的出接口就是接收接口本身，则直接丢弃。

会被泛洪的帧有三类：广播帧（目的 MAC 全 F）、组播帧（目的MAC第一字节最低位为 1，发送给一组设备）、以及未知单播帧（单播查表失败）。泛洪的动作很直白 —— 除接收接口外，向其他所有接口发送。

而丢弃发生在一个容易被忽略的场景：数据帧的接收接口和转发接口是同一个。说明目标就在来的那条路上，没必要再发回去。

Tips: 安全隐患 ———— 未知单播泛洪是交换机最「吵」的行为，也是泛洪攻击能造成大范围影响的原因

2.4 老化时间：默认 300 秒

MAC 表项不会永远保留 —— 默认老化时间是 300 秒（5 分钟）。这个值没有标准答案，要看网络稳定程度和设备表项容量。

调整原则三句话：相对稳定的网络调大（减少泛洪）；变化频繁的网络调小（尽快淘汰旧表项）；低端设备调小（表项容量有限，加速老化节省资源）。总之按现网实际情况和设备性能来定。

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# 华为：修改老化时间（0 表示不老化） 
[Huawei]mac-address aging-time ?  
 <0,10-1000000>  Aging-time seconds, 0 means that MAC aging function does not work  
# 华三：修改老化时间（10-1400 秒） 
[H3C]mac-address timer aging ?  
 INTEGER<10-1400>  Global aging time (second) 
# 配置表项都不被老化（慎用） 
[HUAWEI] mac-address aging-time 0 
[H3C]mac-address timer no-aging  
# 手动清空 MAC 地址表（华为 / 华三一致） 
[SW1]undo mac-address

三、两台 PC 第一次通信：ARP 与交换机怎么配合

1. PC1要给PC2发送数据，先判断目标IP是否同网段：同网段则走二层转发（直接发送给目标IP）；不同网段需走三层转发（先发送给默认网关[IP网络位与PC的IP相同，主机一般位为 1]，请默认网关代为转发）。
2. PC1查询自己的ARP缓存，没有查询到PC2或默认网关IP对应的MAC地址，则发起ARP请求。
3. ARP请求时广播帧（DMAC=FF-FF-FF-FF-FF-FF），发送到交换机。
4. 交换机收到数据帧后先学习，把PC1的MAC地址及接收到该帧的接口记录/更新到MAC地址表中。
5. 交换机查询该帧的目的MAC是全F ——> 泛洪: 把该帧发送到除接收接口外的其他所有接口。
6. PC2或网关收到此数据帧并识别是到自己 ——> 单播回复 ARP Relpy 给交换机。
7. 交换机收到PC2回复的 ARP Relpy，先学习到PC2的MAC对应的接口更新MAC地址表，再精确发送给PC1（ ARP Relpy 帧的目标MAC是PC1）。
8. PC1 拿到 PC2 的 ARP Relpy 并获取到PC2的MAC存到本地ARP表中，后续给PC2发送数据帧就采用一对一转发，不再泛洪。

三段式：先说 ARP 解析（广播请求 + 单播回应），再说交换机行为（学 SMAC → 查 DMAC → 泛洪），第一次通讯完成、拿到 MAC 后，后续通信走一对一转发，不再泛洪。

另外记住交换机其实有两张表：MAC 地址表负责二层转发（源 IP 和目的 IP 同网段时查它），路由表负责三层转发（源 IP 和目的 IP 不同网段时查它）。三层交换机正是两张表都有，才能既交换又路由。