交换式局域网

交换式局域网通过链路层交换机连接有限区域内的主机，交换机根据MAC地址转发帧，自动学习网络拓扑，并将其分割成独立的冲突域。

Definition

交换式局域网是一种局域网，其中链路层交换机互连主机并根据目标MAC地址选择性地转发帧，自动学习哪些地址可以通过哪些端口到达。

Scope

本主题涵盖交换式局域网的运作：链路层（MAC）寻址，将IP地址映射到本地链路MAC地址的地址解析协议，学习型交换机如何通过观察帧来构建转发表，它们如何在保持单一广播域的同时分割冲突域，以及将物理交换机划分为逻辑网络的虚拟局域网（VLAN）。本主题不包括以太网帧的具体格式和交换硬件（这些在专门的以太网主题中讨论），以及网络层的跨网络路由。

Core questions

• 链路层（MAC）地址的结构是怎样的，它们与IP地址有何不同？
• 地址解析协议如何在本地链路上将IP地址映射到MAC地址？
• 交换机如何学习主机位置并构建其转发表？
• 交换机如何在保持单一广播域的同时分割冲突域？
• 什么是虚拟局域网（VLAN），为什么要使用它们？

Key concepts

• MAC（链路层）地址
• 地址解析协议（ARP）
• 链路层交换机
• 交换机转发表
• 自学习
• 冲突域和广播域
• 虚拟局域网（VLAN）
• 生成树协议

Key theories

自学习、透明交换

以太网交换机记录每个帧的源MAC地址和入端口，构建一个转发表，使其能够仅通过通往目的地的端口发送后续帧；这种学习是自动的，对主机透明。

地址解析

由于主机知道彼此的IP地址，但链路传输需要MAC地址，地址解析协议会广播查询与本地IP地址对应的MAC地址，并缓存回复，从而连接网络层和链路层。

冲突域分割和VLAN

交换机将冲突限制在单个链路上，并且可以逻辑地划分为虚拟局域网，从而隔离广播流量，并独立于物理布线对主机进行分组，以实现安全性和可管理性。

Clinical relevance

交换式局域网是企业、校园和数据中心网络的日常组成部分。自学习交换机使即插即用的本地网络成为可能，VLAN允许一个物理基础设施服务于多个逻辑网络以实现隔离和安全，而理解ARP和广播域对于诊断连接问题、广播风暴和地址冲突至关重要。

History

早期的局域网使用共享介质，所有主机共享一个冲突域。透明网桥以及Radia Perlman的生成树协议（用于防止网桥之间的环路）使得多个网段可以安全地连接。地址解析协议（RFC 826，1982年）将IP地址与以太网地址关联起来。网桥演变为高端口密度的交换机，将局域网转变为完全交换、全双工并支持VLAN的网络。

Key figures

• Radia Perlman
• David C. Plummer
• Larry L. Peterson

Seminal works

• kurose2021
• rfc826

Frequently asked questions

交换机如何知道将帧发送到哪里？

交换机通过观察流量进行学习：当一个帧到达时，它会记录源MAC地址和进入的端口。随着时间的推移，它会建立一个将地址映射到端口的表，这样它就可以只通过通往目的地的端口转发帧，只有当目的地仍然未知时才泛洪到所有端口。

什么是VLAN？

虚拟局域网将一个物理交换机（或一组交换机）划分为多个逻辑广播域。不同VLAN中的主机行为就像它们在单独的交换机上一样，这提高了安全性和隔离性，并允许管理员根据逻辑而不是物理连接位置对设备进行分组。