2.3 交换机与ARP

1、以太网帧格式

a. MAC 地址

在计算机联网的时候，需要一个联网的硬件就是网卡，在网卡上烧录了一个物理地址就是MAC地址，而且每块网卡的MAC地址在全球都是唯一的一个编号。

MAC地址是由48位二进制组成的，分为六段，用十六进制表示，比如：00-D0-09-A1-D7-B7，其中前24位是生产厂商向IEEE申请的厂商编号，每个生产厂商的编号都是唯一的，后24是生产厂商自己来定义的。

在上图中MAC地址的第8位为0时，表示该MAC地址是一个单播地址，单播地址是一对一的方式传输，例如：张三和李四聊微信，张三给李四发送一条信息，只有李四能收到，其他人不会收到，这就是单播地址，所以网卡的MAC地址一定是一个单播地址。

第8位为1时表示该MAC地址是组播地址，一对多方式发送数据

b. 以太网帧格式

目的地址DA：目的MAC地址（接收方地址） 源地址SA：源MAC地址（发送方地址）

2、交换机工作原理

交换机并不会把收到的每个数据信息都以广播的方式发送给客户端，由于交换机可以根据MAC地址来转发数据。交换机存储的MAC地址表将MAC地址和交换机的接口编号对应在一起，每次交换机收到计算机发送的数据时，就会从MAC地址表中判断如何转发该数据帧。

a. MAC地址的学习

假设主机A发送数据帧（源MAC地址为00-00-00-11-11-11，目标MAC地址是00-00-00-22-22-22）到交换机的1号接口，交换机首先查询MAC地址表中1号接口对应的源MAC地址条目。如果条目中没有数据帧的源MAC地址，交换机就会将这个帧的源地址和收到该数据帧的接口编号1号口对应起来，然后添加到MAC地址表中。

b. 广播未知数据帧

如果交换机没有在MAC地址表中找到数据帧目的地址所对应的条目，就无法确定该从哪个接口将数据帧转发出去，于是被迫选用广播的方式，除了1号口之外的所有接口都将转发这个数据帧。主机B和主机C都会收到广播

c. 接收方回应信息

主机B会响应这个广播，并回应一个数据帧（源MAC地址00-00-00-22-22-22，目标MAC地址00-00-00-11-11-11），交换机也会将此帧的源MAC地址和接口编号2口对应起来，添加到MAC地址表中

d. 交换机单播通信

现在主机A和主机B在进行通信，就不用在广播了，直接从MAC地址表中寻找目的MAC地址

交换机学习到的条目并不会永远保存在MAC地址表中，默认的老化时间是300秒，300秒没有通信条目就会删除，双方在进行通信时就要从第一步开始学习

3、交换机双工模式

• 单工：单工是沿单一方向进行传输，比如扬声器、麦克风
• 半双工：两个数据之间可以双向传输，但是不能同时传输，比如对讲机，发时不收，收时不发
• 全双工：两个数据之间可双向可同时进行数据传输的模式，比如打电话，聊微信，在交换网络中，通信双方大多采用全双工模式。

一般来说各厂商设备接口默认模式都是自动适应，但是一台设备接口是全双工，另一台设备接口为半双工时，这两台设备就不能互相通信

4、交换机的命令行模式

a. 用户模式

进入交换机的后台后首先进入的就是用户模式，只能查看一些统计信息。

switch>

b. 特权模式

在用户模式模式下输入“enable”（可简写en）命令就可以进入特权模式，用户在该模式下可以查看并修改设备的配置

switch>enable
switch#

c. 全局模式

在特权模式下输入config terminal（可简写“conf t”）命令就可以进入全局模式，用户在该模式下可修改交换机的全局配置，例如 全局模式下修改设备名

switch#config terminal
switch(config)#

d. 接口模式

在全局模式下输interface fastethernet0/1（可简写“int f0/1”）命令，在该模式下所有配置都是针对0/1这个接口设置的，例如给0/1接口设置IP，这个地址只属于接口0/1

switch(config)#interface fastethernet 0/1
switch(config-if)#

• interface 进入接口模式所必须的关键字
• fastethernet：接口类型，fastethernet 表示快速以太网，百兆以太网
• ethernet（简写e）表示以太网，十兆以太网
• gigabitethernet（简写gi）千兆以太网
• tengigabitethernet（简写te）万兆以太网
• 0/1：0表示模块号，就是第0号模块，1表示端口号，一个交换机上可以拥有多个模块

模式切换：

• 从特权模式回到用户模式输入“disable”
• 无论在哪个模式下输入“exit”就返回到上一个模式，
• 在“全局模式”或者“接口模式”输入“end”就会返回到特权模式下

其他：

• 补齐命令的键用“Tab”
• hostname用于配置设备名的，可简写“host”

switch(config)#host sw1
sw1(config)#

• show命令，显示信息，简写“sh”

switch#show int f0/1  查看0/1接口的具体信息

5、ARP 协议

ARP（Address Resolution Protocol）：地址解析协议

在局域网中，交换机是通过MAC地址进行通信的，要获得目的主机的MAC地址就需要使用ARP协议将目的IP地址解析成目的MAC地址。所以，ARP（地址解析协议）的基本功能就是负责将一个已知的IP地址解析成MAC地址，以便在交换机上通过MAC地址进行通信。

PC1想发送数据给PC2，首先先检查自己的ARP缓存表，ARP缓存表是电脑存储在内存中的一个IP地址和MAC地址对应表。如果要查找的MAC地址不在表中，ARP会发送一个广播，从而找到目的MAC地址。使用“arp -a”查看ARP缓存表

经查看PC1的缓存表里没有PC2的MAC地址，这时PC1就会发送一个ARP广播请求。用于找到目的MAC地址。

主机PC1发送ARP请求信息，ARP请求目的地址为MAC广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）的广播帧，这时所有的设备都能收到该请求。在ARP请求中包含了PC1的IP地址和MAC地址。

交换机收到广播地址后，发现是MAC地址广播，这时候交换机会把这个广播发送给所有主机除了PC1，主机接收到数据帧后，进行IP地址比较，如果PC1中发送的目标IP与自己的IP不同，就会丢弃该数据包，而只有PC2主机会在自己ARP中缓存PC1的IP地址和MAC地址对应的关系，同时PC2也会发送一个ARP应答信息，来告诉PC1自己的MAC地址（这个数据帧是单播）

PC1接收到这个回应的数据帧后，在自己的缓存表中添加PC2的IP地址和MAC地址，之后PC1和PC2就使用单播方式通信了