3-9 以太网交换机自学习和转发帧的流程
# 390.3-9 以太网交换机自学习和转发帧的流程
在上节课中，我们对比了在物理层扩展以太网的集线器，和在数据链路层扩展以太网的交换机。
本节课我们介绍以太网交换机自学习和转发帧的流程，以太网交换机工作在数据链路层，当然也包括物理层，需要说明的是目前市场上也有包含网络层部分功能的交换机，称为三层交换机。
以太网交换机收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的 MAC 地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧。
以太网交换机是一种即插即用的设备，刚上电启动时，其内部的帧交换表是空的。随着网络中各主机间的通信，以太网交换机通过自学习算法，自动逐渐建立起帧交换表。
下面我们来举例说明，以太网交换机自学习和转发帧的流程，如图所示，相互连接的两台以太网交换机，各自连接了三台主机，构成了一个交换式以太网。为了简单起见，各主机中网卡上固化的 MAC 地址，仅用一个大写字母表示，各主机互不相同。为了将重点放在以太网交换机自学习和转发帧的流程上，我们假设各主机已经知道了网络装其他各主机的 MAC 地址，换句话说，不需要首先通过 ARP 来获取目的主机的 MAC 地址。
假设主机 A 给主机 B 发送帧，该帧从交换机 1 的接口 1 进入交换机 1，交换机 1 首先进行登记的工作，将该帧的源 MAC 地址 A 记录到自己的帧交换表中，将该帧进入自己的接口的接口号 1，相应的也记录到帧交换表中，上述登记工作就称为交换机的自学习。
之后，交换机 1 对该帧进行转发，该帧的目的 MAC 地址是 B，在帧交换表中查找 MAC 地址 B，找不到，于是对该帧进行盲目的转发，也称为泛洪，也就是从除该帧进入交换机接口外的其他所有接口转发该帧，可以看出交换机一开始还是比较笨的，他还没有足够的知识来明确转发帧，只能进行盲目的转发。
主机 B 的网卡收到该帧后，根据帧的目的 MAC 地址 B 就知道这是发送给自己的帧，于是就要接受该帧。主机 C 的网卡收到该帧后，根据帧的目的 MAC 地址 B 就知道这不是发送给自己的帧，于是就丢弃该帧。
该帧从交换机 2 的接口二进入交换机 2，交换机 2 首先进行登记的工作，将该帧的源 MAC 地址 A 记录到自己的帧交换表中，将该帧进入自己的接口的接口号 2，相应的也记录到帧交换表中。之后交换机 2 对该帧进行转发，该帧的目的 MAC 地址是 B，在帧交换表中查找 MAC 地址 B，找不到，于是对该帧进行盲目的转发，主机 DEF 都会收到该帧，根据帧的目的 MAC 地址 B 就知道这不是发送给自己的帧，于是丢弃该帧。
接下来主机 B 给主机 A 发送帧，该帧从交换机 1 的接口 3 进入交换机 1，交换机 1 首先进行登记的工作，将该帧的源 MAC 地址 B 记录到自己的帧交换表中，将该帧进入自己的接口的接口号 3，相应的也记录到帧交换表中。之后，交换机 1 对该帧进行转发，该帧的目的 MAC 地址是 A，在帧交换表中查找 MAC 地址 A，可以找到，于是按照 MAC 地址 A 所对应的接口号 1，从接口 1 转发该帧，这是明确的转发。
主机 A 的网卡收到该帧后，根据帧的目的 MAC 地址 A 就知道这是发送给自己的帧，于是接受该帧，很显然交换机 2 不会收到该帧。
接下来主机 E 给主机 A 发送帧，该帧从交换机 2 的接口 3 进入交换机 2，交换机 2 首先进行登记的工作，之后，交换机 2 对该帧进行转发，该帧的目的 MAC 地址是 A，在帧交换表中查找 MAC 地址 A，可以找到，于是按照 MAC 地址 A 所对应的接口号 2，从接口 2 转发该帧，这是明确的转发，该帧从交换机 1 的接口 4 进入交换机 1，交换机 1 首先进行登记的工作，之后，交换机 1 对该帧进行转发，该帧的目的 MAC 地址是 A，在帧交换表中查找 MAC 地址 A，可以找到，于是按照 MAC 地址 A 所对应的接口号 1，从接口 1 转发该帧，这是明确的转发。
主机 A 的网卡收到该帧后，根据帧的目的 MAC 地址 A 就知道这是发送给自己的帧，于是接受该帧。
我们再来看看以太网交换机丢弃帧的情况，为了演示该情况，我们给交换机 1 的接口 1 再连接一台主机 G，为了简单起见，没有画出集线器，这样主机 A 主机 G，交换机 1 的接口 1 就共享同一条总线，假设主机 G 给主机 A 发送帧，该帧通过总线进行传输，主机 A 和交换机 1 的接口 1 都可以收到，主机 A 的网卡收到该帧后，根据帧的目的 MAC 地址 A 就知道这是发送给自己的帧，于是接受该帧。交换机 1 收到该帧后，首先进行登记工作，之后，交换机 1 对该帧进行转发，该帧的目的 MAC 地址是 A，在帧交换表中查找 MAC 地址 A，可以找到 MAC 地址 A 所对应的接口号是 1，但是该帧正是从接口 1 进入交换机 1 的，交换机 1 不会再从该接口将该帧转发出去，因为这是没有必要的，于是丢弃该帧，很显然交换机 2 不会收到该帧。
随着网络中各主机都发送了帧后，网络中的各交换机，就可以学习到各主机的 MAC 地址，以及他们与自己各接口的对应关系。
需要注意的是帧交换表中的每条记录都有自己的有效时间，到期自动删除。请大家想想看，这是为什么呢？好不容易学习来的记录，为什么要到期自动删除，这不是多此一举吗？这是因为 MAC 地址与交换机接口的对应关系，并不是永久性的，例如交换机某接口所连接的主机更换成了另一台主机，又或者主机中的网卡坏了，更换了新的网卡，这些情况都会导致 MAC 地址与交换机接口的对应关系的改变。
相信大家还记得我们曾经介绍过的 ARP 高速缓存表，表中的 IP 地址与 MAC 地址的对应关系记录也是会定期自动删除的，这是因为 IP 地址与 MAC 地址的对应关系，也并不是永久性的。
接下来请同学们参照我们刚刚所举的例子，本题的答案如下所示，相信同学们都能解答正确。
接下来我们再来做几道相关的考研题，这是计算机专业考研全国统考计算机网络部分 2009 年的题 36，答案是选项 A。
PDU 的意思是协议数据单元，它是计算机网络体系结构中对等实体间逻辑通信的对象。以太网交换机工作在数据链路层，也包括物理层，他接收并转发的 PDU 通常称为帧。
以太网交换机收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的 MAC 地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧，MAC 地址又称为硬件地址或物理地址。请注意不要被物理二字误导，认为物理地址属于物理层范畴，实际上物理地址属于数据链路层范畴。
再来看 2014 年的题 34，答案是选项 B 。
根据题意左侧主机给右侧主机发送数据帧，该帧从交换机的接口 1 进入交换机，交换机首先进行登记的工作，将该帧的源 MAC 地址记录到自己的帧交换表中，将该帧进入自己的接口的接口号，相应的也记录到帧交换表中。之后交换机对该帧进行转发，在帧交换表中查找该帧的目的 MAC 地址，找不到，于是对该帧进行盲目的转发。因此交换机转发数据帧的端口为 2 和 3。
根据题意，右侧主机收到左侧主机发送的数据帧后，给左侧主机发送确认帧，该帧从交换机的接口三进入交换机，交换机首先进行登记的工作，将该帧的源 MAC 地址记录到自己的帧交换表中，将该帧进入自己的接口的接口号，相应的也记录到帧交换表中。
之后，交换机对该帧进行转发，在帧交换表中查找该帧的目的 MAC 地址，可以找到，于是按照 MAC 地址做对应的接口号 1 从接口 1 明确转发该帧，因此交换机转发确认帧的端口为 1：
本节课的内容小结如下：
