以太网交换机：学习、泛洪、转发与VLAN基础

交换机做什么

交换机是一个链路层设备：它接收链路层帧，根据帧的目的MAC地址把它们转发到相应的输出链路上。交换机对主机和路由器是透明的，主机发送帧时只填写目的结点的MAC地址，并不知道中间有交换机。交换机的每个接口都有缓存，当多个帧同时要从同一个接口发出时，它们会在缓存中排队。

交换机的核心是一张交换机表（switch table），每个表项记录一个MAC地址、通往该地址的交换机接口，以及表项写入的时间。

过滤与转发

过滤（filtering）决定一个帧是应该转发还是丢弃，转发（forwarding）决定帧应该从哪个接口发出。假设目的地址为DD的帧从接口$x$到达交换机，交换机用DD查表：

目的地址为广播地址的帧总是被泛洪。

自学习

交换机表不需要管理员配置，而是自动建立的，交换机因此是即插即用的设备：

1. 交换机表最初是空的。
2. 每收到一个帧，交换机就把帧的源MAC地址、帧到达的接口和当前时间记入表中。只要局域网中的每台主机最终都会发送帧，交换机就能学到每台主机的位置。
3. 如果一个表项在一段时间（老化时间，例如300秒）内没有被更新，交换机就把它删除。这样，当主机更换位置或适配器被替换时，表也能保持正确。

交换机与路由器

交换机和路由器都是存储转发的分组交换机，但它们工作在不同的层次，各有优缺点：

因此，几百台主机规模的小型网络通常只用交换机就够了；更大的网络则会在交换机之上部署路由器，以隔离广播并提供更智能的选路。

与集线器相比，交换机的每个接口都是一个独立的冲突域。全双工链路上根本不会发生冲突，不同接口上的结点可以同时以链路的全部速率发送，这正是交换机取代集线器的原因。

虚拟局域网（VLAN）

在一个大型机构中，如果所有部门都连在同一个交换网络里，会遇到几个问题：所有广播帧（例如ARP和DHCP报文）都会传遍整个网络，既浪费带宽，又带来安全和隐私隐患；而按部门分别配置交换机，又会让交换机利用率很低，员工换部门时还必须重新布线。

支持VLAN（Virtual Local Area Network）的交换机允许在一个物理局域网上定义多个虚拟局域网。在基于端口的VLAN中，网络管理员把交换机的端口划分成若干组，每一组就是一个VLAN，组成一个独立的广播域：广播帧只会被交付给同一个VLAN的端口。改变一台主机所属的VLAN，只需要在交换机上修改端口配置，不需要动线缆。不同VLAN之间的通信，必须经过路由器转发。

当VLAN跨越多台交换机时，可以在交换机之间使用一条干线（trunk）链路，它属于所有VLAN。为了让对端交换机知道一个帧属于哪个VLAN，在干线上发送的帧会插入一个4字节的IEEE 802.1Q标签：

标签由发送一侧的交换机加上，由接收一侧的交换机去掉，主机看到的仍是普通的以太网帧。由于插入标签改变了帧的内容，交换机还要重新计算CRC。