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交换机二层转发原理

交换机的二层转发原理依赖于 MAC 地址表（MAC Address Table），通过学习源 MAC 地址和解析 ARP 报文，动态建立转发路径，实现高效的数据帧转发。

MAC 地址表的结构与生成

MAC 地址表的三要素

目的 MAC 地址: 数据帧的目标设备的 MAC 地址。
VLAN ID: 目标 MAC 地址所在的 VLAN。
出接口: 数据帧转发的出口接口。

MAC 地址表的生成过程

MAC 地址表是通过 ARP 表间接生成的：

交换机通过接收入接口的 ARP 报文，学习报文的 源 MAC 地址。
根据 ARP 报文中的 IP-MAC 映射关系，生成 ARP 缓存表。
交换机将 ARP 缓存表中的信息转换为 MAC 地址表条目。

二层转发详细流程

PC 通信的网络位检查

当 PC 需要与另一台主机通信时，首先会对目的 IP 地址和自身 IP 地址的网络位进行逻辑 与运算。
网络位相同: 表示目标主机在同一网络，通信可在二层完成。
网络位不同: 表示目标主机在不同网络，需要通过三层（路由）转发。

ARP 广播请求的触发

若网络位相同，源主机会触发 ARP 广播请求，尝试解析目标主机的 MAC 地址。
ARP 广播报文格式
- 源 MAC 地址：PC-A 的 MAC 地址。
- 目标 MAC 地址：广播地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF。
- 源 IP 地址：PC-A 的 IP 地址。
- 目标 IP 地址：PC-B 的 IP 地址。

交换机的 MAC 地址学习

接收 ARP 广播报文
- 交换机在接收到 ARP 广播报文时，会在 入接口 记录报文的 源 MAC 地址 和 源接口，动态更新 MAC 地址表。
- 例如，若 ARP 报文源 MAC 为 AA:BB:CC:DD:EE:01，入接口为 GigabitEthernet0/1，则交换机会记录：
```
MAC 地址：AA:BB:CC:DD:EE:01
接口：GigabitEthernet0/1
VLAN: 对应 VLAN ID
```
  1
  2
  3
广播泛洪
- 交换机将 ARP 广播报文转发到同 VLAN 的所有接口（除接收接口外），以确保目标主机能够接收到请求。

目标主机的 ARP 单播回复

目标主机在接收到 ARP 广播请求后，会发送 ARP 回复报文，通知源主机其 MAC 地址。
ARP 单播回复报文格式
- 源 MAC 地址：PC-B 的 MAC 地址。
- 目标 MAC 地址：PC-A 的 MAC 地址。
- 源 IP 地址：PC-B 的 IP 地址。
- 目标 IP 地址：PC-A 的 IP 地址。

交换机的 MAC 地址表更新

交换机接收到 ARP 回复报文后，再次在 入接口 学习源 MAC 地址，并更新或新增对应的 MAC 地址表条目。

数据帧的二层转发

数据帧封装
- 源主机在完成 MAC 地址解析后，依据 TCP/IP 协议栈封装数据帧，数据帧包含以下内容：
  - 以太网头部: 源 MAC 地址、目标 MAC 地址、以太网类型。
  - IP 层数据: 源 IP 地址、目标 IP 地址、协议类型。
  - 传输层数据: 端口号、数据段。
交换机转发
- 交换机收到数据帧后，依据 MAC 地址表查询目标 MAC 地址对应的出接口。
- 如果匹配到目标 MAC 地址，交换机定向转发数据帧到目标接口。

转发异常情况

未知目标 MAC 地址

若目标 MAC 地址不在 MAC 地址表中：
- 交换机会将数据帧进行广播（Flooding），转发到同 VLAN 的所有接口。
- 等待目标设备响应后学习其 MAC 地址。

MAC 地址老化

交换机中的 MAC 地址表会定期老化（通常 5 分钟），如果某条目过期且未更新，交换机会再次触发广播学习。

总结

交换机在二层转发中依靠 MAC 地址表，通过 ARP 协议学习源 MAC 地址。
转发流程包括 MAC 地址学习、ARP 广播与单播、MAC 地址表匹配、数据帧转发。
二层转发具有高效性和低延迟，但受限于同一广播域，不支持跨网段通信。

这种机制保证了交换机在局域网中的高效转发，适用于小型和中型网络环境。