HCIA 交换机原理与ARP协议

一、概述

交换机（Switch），在网络通讯中属于非常重要而基础的设备，常见资料往往侧重于介绍某一点或对某个名词的解释，本文试图从用户使用的角度来理解交换和交换机，不过仅限于HCIA的层次，也就是比较浅层但希望是可以比较全面和实用。

二、交换

其实从名字看，我们就能大概知道交换机的作用是在网络中“传递”数据的，而且是默认不带限制的“传递”，但传递这个词比较偏向于一对一的传递，而交换机是多对多的传递，所以交换机这个名字就取的很好。

常见交换机一般会有很多端口，比如24口的、48口的，目的就是要尽可能多的让设备接进来实现互通。

1．一对一

假设现在有两台电脑需要通讯，我们只需要简单的“直连”即可，像下图这样。配置好PC的IP就可以直接互通了。

2．多对多

但我们工作中不可能只有两台电脑，比如一个办公室少说也有三五个人，每人一台电脑该怎么办呢。在很久很久以前其实还有方案就是“集线器”，像下图这样。

集线器的特点是每个端口收到的数据都向其他端口转发，其实对于小规模应用或者一台主发其他设备只收也是可以的。但如果网络比较大，或应用比较多，大量的PC需要互相通信，那集线器这样的东西肯定不行了。因为通信受限于端口的带宽，如果每一个信号都向所有端口转发那集线器就太忙了。

如果让你基于集线器的特性来改造你会怎么办？其实好办，我给PC都编个号（也就是MAC地址），同时让集线器”记住”各端口连的PC的MAC地址问题不就解决了吗。比如下图这样，设备如果记住了MAC地址与端口的对应关系，PC6向PC9发数据时，设备就知道只需要向E0/0/4转发即可。交换机其实就是这么个原理。

那如果单台交换机的端口不够了咋办，没关系可以串联的，比如下图这样。通过MAC地址与端口对应表，PC6如果向PC11发包就只需要走这样的路径：LSW5的E0/0/5->LSW6的E0/0/3->LSW7的E0/0/1。

那现在的问题就变成了，如何在交换机中维护这样一个MAC地址表？那就是ARP协议啦。

三、ARP协议与ARP表

考虑如下的网络结构，如果PC1想要与PC2通讯它该怎么办？

对于PC1来说它知道如下信息：

1）自己的IP

2）自己的MAC地址

3）PC2（目标）的IP

同时它还知道自己与交换机连着的。所以当PC1需要向PC2发数据而它又不知道更多信息的情况下，它可以向交换机发一个广播包“问一问”谁是PC2（通过目标IP）。我们知道广播包可以转发到网络中所有设备的所有端口，所以如果PC2真实存在的话，它一定是能收到的，像下图这样。

在PC2收到ARP广播的同时，网络中所有交换机其实也都收到了，甚至也包括了PC3，所以网络中所有的PC设备可以做如下记录：

192.168.0.11 的MAC等于5489-9893-0811

当PC2记录了上述信息后，它需要回应PC1，所以它会发一个ARP的响应报文来告知PC1自己的MAC地址，像下图这样。

如此各PC可以生成如下的ARP表：

PC1：

PC2：

PC3：

然后有一点不知道你是否注意到了，PC3的ARP表中只有PC1的MAC而没有PC2的，也就是PC1发的ARP报文是广播而PC2发的响应报文并不是广播。原因是网络中不光PC在记录MAC地址，交换机也是有记录的，因为交换机的记录它可以做到将PC2的响应报文原路送回给PC1而不需要广播。

四、ARP与MAC表

前面我们说PC1因为只知道目标IP其他啥也不知道，所以它需要发一个ARP广播到网络中问问目标你到底在不在啊，同时也将自己的MAC地址和IP告知了网络中所有设备，这其中就包括了交换机，所以各交换机可以做如下记录。

当PC2响应ARP包时，各交换机又可以添加一笔如下记录。

如此一来，除了PC机可以记录下ARP表，交换机还能记录下下图这些MAC地址表。

LSW3：

LSW2:

LSW4：

如此，依据PC机的ARP表（IP与MAC对应关系）和交换机的MAC表（端口与MAC对应关系），数据就可以在PC机间高效的传输啦。

五、报文传输

假设网络中PC机已完善了ARP表，交换机已完善了MAC表。

PC1需要向PC2发送一个消息，这个消息只需要知道IP即可，因为PC1的ARP表中有PC2的MAC地址，网卡会自动把这个信息放到报文中并传递给LSW3。LSW3收到报文后可以查询自己的MAC表，发现目的MAC来自E0/0/1，所以它会通过E0/0/1端口将报文传递出去，也就是给了LSW2。同样的LSW2查询MAC表知道要向E0/0/2传递，所以报文传递给了LSW4。LSW4查MAC表知道目标MAC就在自己的E0/0/1端口，它直接传过去就行了，于是PC2就这样收到了来自PC1的报文。

六、回顾

本篇我们了解了交换机的工作原理，以及与交换功能密切相关的ARP协议、ARP表、MAC地址表。

常用命令：

PC机查询ARP表：arp -a

交换机查询MAC表：display mac-address

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