408计算机网络第3章：以太网交换机与共享式以太网——知识总结
复习位置：计算机网络 → 第3章 数据链路层 → 以太网交换机 / 共享式以太网
这一部分的核心不是背定义，而是把下面这条逻辑链串起来：集线器 Hub：大家共享一条路 ↓ 交换机 Switch：每个端口一条独立路 ↓ 交换机根据 MAC 地址学习“主机在哪个端口” ↓ 已知目的地址精准转发，未知目的地址泛洪408重点：交换机特点、MAC地址自学习、转发规则、冲突域/广播域、共享式与交换式以太网对比、CSMA/CD、STP。
一、以太网交换机到底是什么
以太网交换机工作在：
数据链路层
所以又称：
二层交换机
它本质上是：
一个多端口网桥
最重要的作用：
把一个大的冲突域
划分成多个更小的冲突域
二、为什么交换机比集线器效率高
先看集线器 Hub。
假设有4台主机：
A ─┐
B ─┼── Hub
C ─┼
D ─┘
Hub工作在物理层，只会：
收到电信号
-> 放大
-> 从其他端口全部转发
所以A和B通信时：
C、D也能“听到”
并且大家共享同一个介质。
结果：
同一冲突域
共享带宽
半双工
需要CSMA/CD
换成交换机
A ─┐
B ─┼── Switch
C ─┼
D ─┘
交换机可以识别：
MAC地址
并知道：
A在哪个端口
B在哪个端口
因此A发给B时，交换机可以只把帧送给B。
所以：
不同端口之间可以并行通信
每个端口拥有独立带宽
通常支持全双工
三、交换机的5个高频特点
教材这一页可以压成5条。
1. 交换机端口直接连接主机时通常全双工
例如：
主机A ←────→ 交换机
双方可以：
同时发送和接收
因此：
全双工交换式以太网
不需要CSMA/CD
2. 每个交换机端口都是独立冲突域
例如：
A ── port1
B ── port2
C ── port3
可以理解为：
port1 一个冲突域
port2 一个冲突域
port3 一个冲突域
因此：
交换机能够隔离冲突域
但注意：
普通二层交换机不能隔离广播域
这是408高频陷阱。
3. 交换机支持多对主机同时通信
例如：
A <----> B
同时
C <----> D
两对通信可以并行进行。
这叫：
交换机具有并行性
4. 交换机即插即用，会自学习
刚开机时：
MAC地址表可能为空
但它会根据收到的帧自动学习：
MAC地址 <-> 端口
不需要管理员手工把所有主机位置录进去。
5. 交换机内部交换速度快
交换机通常使用专用交换芯片，能够高速完成：
查表
转发
过滤
四、共享带宽 vs 独占带宽
假设链路速率均为：
10 Mb/s
集线器网络
如果有N台主机共享：
总带宽约10 Mb/s
平均下来：
每台主机只能分享其中一部分
交换机网络
每个端口都可以有：
10 Mb/s
例如一个N端口交换机：
端口1：10 Mb/s
端口2：10 Mb/s
...
端口N：10 Mb/s
因此交换机的总吞吐能力可以远大于共享式以太网。
五、交换机的两种转发方式
这一部分主要考：
直通交换
存储转发
六、直通交换：先看目的地址就转发
直通交换：
帧还没有完整收到
↓
交换机只要已经读到目的MAC地址
↓
立刻决定输出端口
↓
开始转发
流程：
收到帧头
↓
读目的MAC
↓
查交换表
↓
马上转发
优点
转发延迟小
因为：
不用等整帧到齐
缺点
交换机没有完整收到帧，因此可能：
来不及做完整FCS检验
结果：
坏帧也可能被转发出去
所以：
直通交换：
快，但可靠性相对低
七、存储转发：整帧收完再转
存储转发：
完整接收整个帧
↓
缓存
↓
做差错检测
↓
确认正确
↓
查目的MAC
↓
转发
优点
可靠性高
可以先：
检查FCS
还可以：
进行速率匹配
支持不同速率端口
例如：
100 Mb/s端口
↓
交换机
↓
10 Mb/s端口
交换机可以先缓存，再以另一速率发送。
缺点
延迟更大
因为必须：
等待整帧接收完毕
八、直通 vs 存储转发
| 对比 | 直通交换 | 存储转发 |
|---|---|---|
| 什么时候转发 | 读到目的MAC后 | 收完整帧后 |
| 延迟 | 小 | 较大 |
| 差错检测 | 不完整/较弱 | 可以完整检测 |
| 坏帧 | 可能转发 | 可直接丢弃 |
| 速率匹配 | 不适合 | 支持 |
| 协议转换 | 不适合 | 可以支持 |
一句话：
直通：快
存储转发：稳
九、交换机最核心：MAC地址自学习
交换机内部有一张表：
MAC地址表 / 交换表
例如：
| MAC地址 | 端口 |
| A | 1 |
| B | 3 |
意思：
想找A -> 从端口1出去
想找B -> 从端口3出去
问题是：
交换机怎么知道A在1号口？
答案：
自己学。
十、学习规则只有一句话
交换机收到一个帧：
源MAC = A
入端口 = 1
交换机会记：
A -> 1
所以核心口诀：
学源地址
查目的地址
这八个字非常重要。
十一、完整转发流程
收到一个以太网帧后：
第1步：学习源MAC
第2步：查询目的MAC
第3步：决定转发方式
十二、情况1：目的MAC已知
例如交换表：
A -> 1
B -> 3
现在：
A从端口1发给B
交换机收到：
源MAC = A
目的MAC = B
入端口 = 1
先学习：
A -> 1
再查：
B -> 3
所以：
只从端口3转发
这叫：
精准转发 / 单播转发
十三、情况2：目的MAC未知
假设表里只有：
A -> 1
A发给B，但交换机暂时不知道B在哪。
那么：
查不到B
怎么办？
交换机执行：
泛洪 Flooding
即：
除入端口外
向所有其他端口发送
例如：
从port1收到
则发往：
port2
port3
port4
十四、未知单播为什么要泛洪
因为交换机只知道：
“B不在我表里”
却不知道：
“B究竟在哪个端口”
所以最保险的方法：
所有可能出口都试一遍
只要B存在：
它就能收到
其他主机收到后发现：
目的MAC不是自己
便丢弃。
十五、A和B通信一次，交换机怎么学会两个人的位置
初始：
交换表为空
连接：
A -> port1
C -> port2
B -> port3
D -> port4
第一步：A发送给B
交换机收到：
源A
入端口1
立即学习：
A -> 1
此时不知道B：
未知单播
所以泛洪：
port2、port3、port4
最终：
B收到
C、D丢弃
第二步：B回复A
交换机收到：
源B
入端口3
学习：
B -> 3
现在查目的A：
A -> 1
因此：
只向port1精准转发
最终交换表：
A -> 1
B -> 3
这就是完整的：
自学习过程
十六、情况3：广播帧
广播MAC：
FF:FF:FF:FF:FF:FF
看到广播帧：
交换机不需要查表
直接：
除入端口外全部转发
即：
泛洪
十七、组播帧
教材基础题中，如果没有专门的组播转发表机制，可以先理解成：
通常执行类似泛洪处理
408基础题重点还是：
单播
广播
未知单播
十八、一个容易漏掉的特殊情况
假设：
目的MAC查表发现
目的主机也在入端口这一侧
那么交换机发现：
没有必要再从任何其他端口转发
于是：
过滤 / 丢弃该帧
经典情形：
交换机某端口连接Hub
Hub下面挂A、B
A发给B
交换机如果已经知道：
A和B都在同一个端口后面
就不会把帧转发到其他交换机端口。
十九、交换表为什么要老化
主机位置可能变化。
例如：
A原来接port1
后来拔线接到port4
如果交换机永远保留：
A -> 1
就错了。
因此交换表中的动态表项会有：
老化时间
长期没有更新：
自动删除
随后再次收到A的帧时重新学习。
二十、交换机不能解决什么：广播环路
交换机能够隔离：
冲突域
但不能天然隔离：
广播域
如果多个交换机之间存在冗余链路：
SW1 ----- SW2
| |
└-- SW3 --┘
形成环路后，广播帧可能：
无限循环
导致：
广播风暴
二十一、STP是干什么的
STP：
Spanning Tree Protocol
生成树协议
目标：
保留物理冗余
但在逻辑上阻塞部分端口
形成一棵无环生成树
例如物理上：
SW1 ----- SW2
| |
└-- SW3 --┘
逻辑上暂时阻塞一条：
SW1 ----- SW2
|
|
SW3
这样就没有环。
如果主链路故障：
STP可以重新激活备用链路
所以：
STP解决交换网络中的二层环路问题
二十二、共享式以太网是什么
共享式以太网通常以：
集线器 Hub
为中心。
例如：
Hub
/ | \
A B C
所有主机：
共享同一物理传输介质
共享总带宽
处于同一冲突域
二十三、Hub工作在哪一层
Hub：
物理层
它不理解：
MAC地址
也没有：
MAC转发表
收到比特流后只做：
放大
整形
转发到其他端口
所以它属于：
“无脑转发”
二十四、为什么Hub必须使用CSMA/CD
因为：
所有主机共享介质
假如A和B同时发送：
会发生碰撞
所以必须：
CSMA/CD
而且通信方式：
半双工
二十五、Hub的冲突域和广播域
一个Hub连接的所有主机：
整个网络 = 1个冲突域
同时：
也是1个广播域
所以：
Hub既不隔离冲突域
也不隔离广播域
二十六、交换机的冲突域和广播域
交换机：
每个端口一个冲突域
所以：
隔离冲突域
但是普通二层交换机：
所有端口仍属于一个广播域
所以：
不隔离广播域
如果要隔离广播域，通常想到：
路由器
VLAN
二十七、Hub vs Switch：408核心表
| 对比 | Hub共享式以太网 | Switch交换式以太网 |
| 工作层 | 物理层 | 数据链路层 |
| 是否识别MAC | 否 | 是 |
| 转发表 | 无 | 有 |
| 通信模式 | 半双工 | 通常全双工 |
| 带宽 | 共享 | 每端口独占 |
| CSMA/CD | 需要 | 全双工时不需要 |
| 冲突域 | 所有端口一个 | 每端口一个 |
| 广播域 | 一个 | 仍然一个 |
| 普通单播 | 向其他端口全部复制 | 查表精准转发 |
| 并行通信 | 不支持 | 支持 |
| 安全性 | 较低 | 相对较高 |
二十八、一个特殊陷阱：交换机端口连接Hub
教材专门强调了这个情况。
A ─┐
B ─┼── Hub ─── Switch
C ─┘
虽然网络里有交换机，但：
Hub这一侧
A、B、C仍然：
共享一个冲突域
所以：
仍然需要CSMA/CD
仍然只能半双工
因此不要机械记：
“有交换机就永远没有冲突”
真正应该判断：
交换机端口后面直接连一台主机？
还是接了共享式设备Hub？
二十九、MAC自学习题的固定解题模板
408遇到交换机转发表题，只做三步：
① 学源
② 查目的
③ 决定转发
具体：
收到：
源MAC = S
目的MAC = D
入端口 = P
第一步：
更新：
S -> P
第二步查：
D在不在MAC表？
第三步：
已知D
-> 指定端口转发
未知D
-> 除入端口外泛洪
广播D
-> 除入端口外泛洪
D对应的端口就是入端口
-> 不向其他端口转发
三十、这部分最容易出现的思维漏洞
漏洞1：交换机收到帧先查目的地址
顺序不完整。
交换机应该先利用：
源MAC
学习主机位置。
固定：
先学源
再查目的
漏洞2：未知目的MAC就丢弃
错。
未知单播：
泛洪
而不是：
直接丢弃
漏洞3：交换机隔离广播域
错。
普通二层交换机：
隔离冲突域
不隔离广播域
漏洞4：交换机网络一定不需要CSMA/CD
不严谨。
如果：
交换机端口直接连接主机
并采用全双工
不需要。
但交换机端口如果连接：
Hub
Hub侧仍然是：
共享介质
半双工
需要CSMA/CD
漏洞5：Hub和交换机只是速度不同
错。
根本区别是：
Hub不识别MAC，只复制比特
Switch识别MAC，可以学习和选择性转发
三十一、教材标注的408高频方向
你这几页教材已经标出了主要真题方向：
2009：
交换机基于MAC地址转发
2013：
直通交换转发时延
2014 / 2016 / 2021：
MAC地址自学习过程
2015：
交换机特点
2016：
共享式和交换式以太网区别
2020 / 2022：
网络设备对冲突域、广播域的影响
因此强化阶段优先级建议：
第一：
MAC自学习 + 转发
第二：
Hub / Switch
冲突域 / 广播域
第三：
全双工 + CSMA/CD
第四：
直通 / 存储转发
第五：
STP
三十二、最后压成一张脑图
以太网
|
┌──────────┴──────────┐
| |
Hub Switch
共享式 交换式
| |
物理层 数据链路层
| |
不认识MAC 认识MAC
| |
全端口复制 MAC表转发
| |
一个冲突域 每端口冲突域
| |
半双工 通常全双工
| |
CSMA/CD必须 全双工不需要
| |
└──── 都不天然隔离广播域 ────┘
交换机内部再记：
收到帧
↓
学习源MAC
↓
查目的MAC
↓
┌───────────────┐
│ 已知 -> 精准转发 │
│ 未知 -> 泛洪 │
│ 广播 -> 泛洪 │
└───────────────┘
三十三、考前30秒版本
Hub：
物理层、半双工、共享带宽、
一个冲突域、需要CSMA/CD、
收到就向其他端口复制。
Switch：
数据链路层、通常全双工、
每端口独立带宽、隔离冲突域、
不隔离广播域。
交换机转发：
先学源MAC，再查目的MAC。
目的已知：
精准转发。
目的未知：
除入端口外泛洪。
广播：
除入端口外泛洪。
直通：
快，但可能转坏帧。
存储转发：
慢一点，但能检错、支持速率匹配。
STP：
解决二层交换网络环路。
只要这套逻辑真正串起来，这部分选择题基本就是判断题。
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