数据链路层设备：以太网交换机、MAC地址表、冲突域与广播域。
3.8 数据链路层设备
3.8.1 以太网交换机及其工作原理
1. 基本概念
以太网交换机：用于连接多个网络设备（计算机、打印机、服务器等）的网络设备，通过在设备间建立临时通信路径，实现数据帧的高效转发。利用交换机可方便地实现虚拟局域网(VLAN)，隔离冲突域和广播域。
交换机与集线器的区别：
| 设备 | 工作层次 | 转发方式 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 集线器(Hub) | 物理层 | 广播到所有端口 | 易导致数据冲突和网络拥塞 |
| 交换机(Switch) | 数据链路层 | 基于MAC地址转发到目标端口 | 提高网络效率和安全性 |
2. 工作原理
交换机的核心功能是基于MAC地址表（转发表）进行数据帧的转发。
工作步骤：
- 自学习：接收数据帧时，记录源MAC地址和对应的端口信息，建立和更新MAC地址表。这使交换机能动态适应网络环境变化。
- 转发/过滤：
- 若目标MAC地址在表中：转发到对应端口
- 若目标MAC地址不在表中：广播到所有端口（除源端口外），等待响应后更新表
- 老化：定期清除长时间未使用的MAC地址项，保持表的准确性。
例题（典型考题）
主机00-e1-d5-00-23-a1向主机00-e1-d5-00-23-c1发送数据帧，c1收到后向a1发送确认帧，交换机对这两个帧的转发端口分别是（B. {2,3} 和 {1}）
- 第一帧：a1→c1，交换机尚未学习到c1的端口，故广播到端口2和3
- 第二帧：c1→a1，此时交换表已有a1的端口信息（端口1），故只转发到端口1
3. 特点
- 每个端口直接与单台主机相连，一般工作在全双工方式
- 能同时连通多对端口，使多对主机无碰撞地并行传输
- 即插即用设备，转发表通过自学习算法动态建立
- 使用专用交换结构芯片，交换速率较高
- 独占传输媒体的带宽
- 一般支持多种速率端口（10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s等）
4. 交换方式
| 方式 | 工作原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 直通式 | 只检查帧的目的地址(6字节)后立即转发 | 速度快，延迟小 | 缺乏智能性和安全性，不支持不同速率端口 |
| 存储转发式 | 完整接收帧并缓存，检查正确性后再转发 | 可靠性高，支持不同速率端口转换 | 延迟较大 |
例题（2013年38题）
100Mbps以太网交换机，直通方式转发以太网帧（不包括前导码），引入的转发延迟至少是（B. 0.48μs）
- 直通方式只检查目的地址（6字节=48bit）
- 延迟 = 48bit / 100Mbit/s = 0.48μs
5. 冲突域与广播域
| 概念 | 定义 |
|---|---|
| 冲突域 | 一块网卡发送信息时，可能与之冲突的其他网卡的集合 |
| 广播域 | 一块网卡发出广播时，能收到该广播的所有网卡的集合 |
设备隔离能力：
| 设备 | 隔离冲突域 | 隔离广播域 |
|---|---|---|
| 集线器、中继器 | × | × |
| 交换机、网桥 | √ | × |
| 路由器 | √ | √ |
例题（2015年37题）
下列关于交换机的叙述中，正确的是（A. 以太网交换机本质上是一种多端口网桥）
习题
1. 谢希仁教材3-33
以太网交换机有6个端口，分别接到5台主机和一个路由器。开始时交换表为空，先后发送4个帧。
| 动作 | 交换表的状态 | 向哪些端口转发帧 | 说明 |
|---|---|---|---|
| A发送帧给D | 记录A的MAC地址和端口1 | 除端口1外的所有端口 | 目的D的地址未知，广播 |
| D发送帧给A | 记录D的MAC地址和端口4 | 端口1 | 已知A在端口1，直接转发 |
| E发送帧给A | 记录E的MAC地址和端口5 | 端口1 | 已知A在端口1，直接转发 |
| A发送帧给E | 记录不变（已有A） | 端口5 | 已知E在端口5，直接转发 |
笔记结束