写给非网工的CCNA教程(5)应用最为广泛的网络--局域网LAN

本系列的文章主要是讲解网络基础，CCNA嘛。在这之前，我们讨论了IP地址、MAC地址，也简单介绍了IP协议、ARP协议、ICMP协议，并且通过ping命令后面的技术原理，提到的了路由表、ARP表。

但是我们都只是讨论了两台主机通过网线直连的方式，现实中可是通过网络来连接通信的主机。这网络是个抽象的概念，对应的物理设备可是多种多样，比如交换机、路由器、防火墙、负载均衡器。而网络类型也是丰富多彩，比如我们最最常见的以太网、wifi，还有我们移动通信的2G/3G/4G/5G，当然还有其他的，就不一一举例了。

不过这么多技术，我们得掌握最基础的技术--数据包交换技术，而这涉及到的网络设备就是我们平时所说的交换机，更严格地说，应该是以太网交换机。难道还有其他交换机么？是的，比如用于存储设备网络的FC交换机。

接下来开始说我们的数据包交换技术。

上篇文档中，我们分析了PC-A和PC-B通过网线直连的通信原理，但现实情况是很少出现这两者直连。现实中的设备都是通过网络来连接的。

网络，有LAN和WAN之分，即局域网，广域网。当然我们该系列文章，都是讲的LAN。LAN到底是什么呢？LAN其实就是一台交换机或者一组级联的交换机组成的局域网，如下图所示。

这里的交换机都是指以太网交换机，没有特殊说明，提到的交换机都是指以太网交换机，谁让它使用最广泛呢。当然了，以太网交换机可是有二层和三层之分的，没有特殊说明，都是指二层。

1 LAN连接实现同网段设备的通信

1.1 LAN的拓扑图

PC-A和PC-B连接二层交换机SW-A上，PC-C连接在二层交换机SW-B上，PC-D连接在二层交换机SW-C上。SW-A、SW-B和SW-C级联，PC-A、PC-B、PC-C和PC-D的IP地址都是在同一个网段。

各个设备IP地址和MAC地址如下表所示。

设备	IP地址	MAC地址
PC-A	192.168.10.1 /24	1111.1111.1111
PC-B	192.168.10.2 /24	2222.2222.2222
PC-C	192.168.10.3 /24	3333.3333.3333
PC-D	192.168.10.4 /24	4444.4444.4444

1.2 LAN连接的同网段设备通信原理

在前文中，我们知道一台设备要发数据给另一台设备，会根据目标设备的IP地址，查找本地的路由表，找到网关，如果网关为On-link，则说明目标设备跟自己在同一个网段。

接下来就会根据目标设备的IP地址，去找ARP表中目标设备对应的MAC地址，如果找不到，就ARP广播，等待目标设备回复。最后根据以目标设备的MAC地址为目的MAC，IP地址为目的IP地址封装报文，发送出去。

前文中，源设备和目标设备是通过网线直连的，本文中两者之间是通过二层交换机互联的，不过源设备发送数据的相关机制不会变，网络的问题不可能影响到终端设备的处理机制。

因此我们只需要搞清楚，二层交换机收到源设备的数据，要怎么转发到目标设备，就掌握了LAN连接的同网段设备是如何通信的。

2 交换机工作原理

二层交换机要转发数据到目标设备，有两个条件：

（1）目标设备连接在哪个端口，要不然通过哪个端口把数据发送出去呢？

（2）转发数据的依据，即根据什么来转发数据呢？

2.1 MAC表

在交换机内部维持着一个MAC地址转发表（简称MAC表），记录着MAC地址与端口的映射关系。我们知道MAC代表了一个设备，那么据此可知一个MAC表现代表了一台设备连到此交换机的哪个端口。

那MAC表里面的表现是怎么形成的? 其实任何一个数据进入到交换机后，交换机会记录这数据是从哪个端口进来的，并且解封装数据得到数据的源MAC地址。然后把数据的源MAC地址和来源端口写到MAC表，同时启用一个定时器,，表明这条记录在MAC表里面持续时间，到期后自动清除。所以说交换机中的MAC表，是通过MAC学习的方式形成的。

我们举个例子，PC-A要通过SW-A发送数据到PC-B，由于A只有B的IP地址，没有MAC地址，于是发送ARP广播。

SW-A收到此ARP广播后，会把数据的来源端口--Gi0/1和数据的源MAC--A的MAC地址，写到MAC表，如下所示。

SW-A#show mac address-tableMac Address Table
-------------------------------------------Mac Address       Type        Ports
-----------       --------    -----
1111.1111.1111    DYNAMIC     Gi0/1

2.2 交换机数据转发原理

当数据进入交换机后, 交换机解封装数据，得到目的MAC地址，

（1）如果目的MAC地址是广播地址, 就从除数据来源端口以外的所有端口转发出去, 即广播；

（2）如果目的MAC地址是单播地址，就去查找MAC表：

如果找到对应的表项, 就从表项中的端口把数据转发出去；

如果没有找到, 就从除数据进来的端口以外的所有端口转发出去，即广播；

（3）如果目的MAC地址是组播地址，是根据组播地址表去转发的，而不是MAC表，本文不做过多讨论。

接上面的例子，PC-A要通过SW-A发送数据到PC-B。

SW-A把A对应的MAC表项写到MAC表以后，根据ARP广播包的目的MAC是广播地址，于是把它从除Gi0/1以外的所有端口转发出去，本例中就是从Gi0/2和Gi0/21转发出去。

连到SW-A上的Gi0/2口的PC-B，会回复此数据。SW-A收到PC-B的回复后，会把数据的来源端口--Gi0/2和数据的源MAC--B的MAC地址，写到MAC表，如下所示。

SW-A#show mac address-tableMac Address Table
-------------------------------------------Mac Address       Type        Ports
-----------       --------    -----
1111.1111.1111    DYNAMIC     Gi0/1
2222.2222.2222    DYNAMIC     Gi0/2

2.3 交换到无限

（1）SW-B如何处理此ARP广播

继续上面的例子，SW-A除了把PC-A的ARP广播从Gi0/2口转发出去外，也会从Gi0/21口转发出去。

当SW-B从Gi0/21口收到此ARP广播，同样的道理SW-B会把数据来源端口--Gi0/21和源MAC--A的MAC地址写到自己的MAC表中，如下图所示。

SW-B#show mac address-tableMac Address Table
-------------------------------------------Mac Address       Type        Ports
-----------       --------    -----
1111.1111.1111    DYNAMIC     Gi0/22

然后SW-B广播此数据，本例中会从Gi0/1和Gi0/22口转发出去。连到Gi0/1口的PC-C收到数据后，解封装ARP广播帧，发现不是询问自己，于是丢弃。

（2）SW-C如何处理此ARP广播

连到Gi0/22口的SW-C收到此广播后，也会把数据来源端口--Gi0/22和源MAC--A的MAC地址写到自己的MAC表中，如下图所示。

SW-C#show mac address-tableMac Address Table
-------------------------------------------Mac Address       Type        Ports
-----------       --------    -----
1111.1111.1111    DYNAMIC     Gi0/21

然后SW-C也会广播此书，本例中会从Gi0/1转发出去。连到Gi0/1口的PC-D收到数据后，解封装ARP广播帧，发现不是询问自己，于是丢弃。

由于SW-C后，没有接其他交换机，至此广播结束，MAC学习也完成。

（3）交换到无限

通过这一次数据的发送（不一定非得是广播啊），SW-A、SW-B和SW-C都学习到了PC-A接到自己的哪个端口，不一定非得PC-A与自己直连，从而在整个LAN内部的交换机的MAC表里面都有PC-A的MAC表项。

同样的如果PC-B、PC-C、PC-D只要有数据发送，经过哪台交换机，哪台交换机就会在MAC表项中，记录B对应的表项。经过多次数据的交互，整个LAN内部所有交换机都有每个终端的MAC表项。

这些设备可以在LAN内部任意通信，无论接到哪台交换机，无论交换机数量多与少，这也就是我们通常所说的交换到无限。

2.4 LAN的不足

从上面的分析中，不难看出只要有个广播请求出现，会导致整个LAN内部所有的交换机都会广播此请求，这无疑浪费了交换机的带宽。

另外，接到交换机上的所有设备都会收到此广播，即使它不是此广播的目标者，这无疑是对非目标设备的一种攻击。

因此在生产环境中，我们很少直接使用LAN，而是在LAN上启用VLAN，具体请看下一篇。当然了，有些小的企业，也会直接使用LAN，比如几十号人的公司，两台48口交换机搞定，不怕广播。

2.5 考察交换机性能的好坏

从上可知，整个LAN内部的每一台交换机都会记录LAN内部所有终端设备的MAC表项，如果终端设备数量很多很多，交换机里面的MAC表项就会剧增，所以说支持最大MAC表项的多少，成为衡量一台交换机性能的很重要的一个指标。

当然了，MAC表项的增多，也会导致查表时的速度快慢，这也是很重要的一个指标。其他的就不多说了，毕竟本文是讲原理，而不是产品选型。